單變量微積分筆記26——參數方程


參數方程的示例

  現在有兩個函數,x = acost和y = asint,如果將t看作時間,我們感興趣的第一個問題是這兩個函數將形成什么曲線?

x2 + y2 = a2cos2t + a2sin2t = a2

  很明顯是一個圓。

  另一個關注的問題是隨着時間t的變化,在這個圓上的運動方向,包括什么時間上位於圓的哪個位置,可以把它想象成行星的軌道。

  可以通過描點解決。

  t = 0,        (x, y ) = (acos0, sin0) = (a, 0)

  t = π/2, (x, y) = (acosπ/2, sinπ/2) = (0, a)

  t = π,     (x, y) = (acosπ, sinπ) = (-a, 0)

  t = 3π/2,          (x, y) = (acos3π/2, sin3π/2) = (0, -a)

  由此可以得知,點在圓上逆時針運動:

  最后一個感興趣的問題是弧長,也就是在一段時間內移動的路程:

  弧長關於時間的變化率:

 

  由此推出:

 

  將這個結果應用到上面的問題:

 

  這可以看作是點繞圓運動的速率,由於a是一個常數,所以它是勻速運動的。

  如果現在有一個新的速度,x = acoskt,y = asinkt,則:

 

  速度改變了,但運動仍是勻速的。

  以上是一個簡單的參數方程的推導過程,我們的推導依據是弧長公式:

參數方程包含的信息

  兩個函數x = 2sint,y = cost,根據這兩個函數可以得到:

x2/4 + y2 = sin2t + cos2t = 1

  在平面直角坐標系中這是一個橢圓,除此之外還可以得到很多特定的信息,比如起點、軌跡、方向、速率和弧長。

  如果去t = 0為起點,則:

  t = 0,         (x, y) = (0, 1)

  t = π/2, (x, y) = (2, 0)

  t =π,        (x, y) = (0, -1)

  t =3π/2, (x, y) = (-2, 0)

  點按照順時針方向走橢圓上運動:

  點在一路上的速率:

 

  點運行一周需要的時間是2π,需要對ds積分,所以橢圓的弧長:

 

  這是一個高等積分了,沒有可以用初等函數表示的原函數,所以這就是弧長的答案,也是為什么中學沒有學習過橢圓周長公式的原因。

新的思維模式

  在上面的例子中,x = 2sint,y = cost,雖然我們最終將它們聯合在一起形成直角坐標系中的曲線,但是需要注意的是,這里的x和y分別代表兩個不同的函數,我們不再認為y是x的函數,即y ≠ y(x)。這是很明顯的,因為同一個x將對應兩個y值。此時參數t的作用便凸顯出來,通過t建立方程,描述整個曲線。t是沒有出現在圖像上的另一個維度,所以我們將t想象時間:一個點沿着橢圓跑,在不同的時間到達不同的位置。

  在這個例子中,我們要拋開“y是x的函數”的概念,這里y和x都是t的函數,y = y(t),x = x(t),它們有了不同的意義,x不再是自變量,它也是函數。理解了這一點,就可以站在更高的層面看待問題。

橢球的表面積

  現在需要計算x = 2sint,y = cost形成的橢圓繞y軸旋轉,形成的橢球的表面積。

  依然使用圓盤法,對弧長ds進行積分:

示例

  根據參數方程計算曲線在1 ≤ t ≤ 2時的長度,y = t – 1/t, x = t + 1/t

  


   出處:微信公眾號 "我是8位的"

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