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平面曲线弧长

下一节:空间曲线的弧长与质量

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平面曲线弧长课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大

微积分老师 宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲 我们来学习平面曲线的弧长

对于一维数轴上的两点A ,B

假设它们的坐标分别a,b

则直线段AB的长度

为它们坐标之差的绝对值

而对于二维平面上的两点A,B

假设已知它们的坐标

则利用勾股定理可知

直线段AB的长度

为它们坐标之差平方和

再开二次根号

那么 如何定义和计算平面曲线的长度

这就是本节的中心任务

半径为a的半圆周长等于多少

利用初等几何中的圆周长公式

立刻可以得到半圆的周长

等于圆周率与半径的乘积

那么 同学

你知道这个公式是怎么推出来的吗

还有 这个方法具有一般性吗

也就是说

它可以用来计算一般平面曲线的弧长吗

为了得到一个一般性的方法

我们以圆心为坐标原点

半圆直径为x轴

建立直角坐标系

如图所示

那么 半圆可以用一个显式函数来表示

为了定义和计算弧长

对函数的定义域作一个分割

这样 在半圆周上得到一列依次排列的点

相邻两点之间的弧长等于多少

我们用连接相邻两点的直线段

代替弯曲的圆弧

得到圆弧的一个近似值

这就是“以直代曲”的思想

将曲线上相邻两点的坐标

以及函数表达式

代入两点距离公式

对两点y坐标之差

应用函数的微分近似

近似的误差是多少

对所有相邻两点距离近似值求和

得到曲线弧长的一个近似

为了得到曲线弧长的精确值

就必须取极限

将曲线的弧长

表示为一个定积分

对于圆弧情形

可以作变量代换

进而计算出半圆周的弧长

同学 这个算法具有一般性吗

也就是说

上面的讨论过程

对一般的曲线 也是适用的吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

将上面的讨论过程

推广到一般显式曲线

就可以定义和计算一般显式曲线的弧长

对于显式函数y=f(x)

试求当自变量x从a变到b上曲线的弧长

第一步 分割定义域

得到曲线上依次排列的一列点

相邻两点间的弧微元

可以用两点直线段的长度来近似

再进一步的

利用函数的微分近似

将相邻两点间弧微元的近似值

相加起来

就可以得到曲线长度的近似值

这就是积分和 或者黎曼和

为了得到曲线长度的精确值

需要取极限 无限细分下去

如果积分和的极限存在

并且与分割方式选取无关

积分和的极限

就定义为显式曲线的弧长

在显式曲线弧长的计算公式中

积分表达式表示的是

曲线在该点处的弧长元

如何理解显式曲线的弧长元

画出显式曲线在任意一点处的微分三角形

其中水平的直角边是自变量的微元

而竖直的直角边是函数的微元

由勾股定理可知

斜边长就是弧长元

对曲线的弧长元作积分

就得到了曲线的弧长

同学 显式曲线的弧长元

再次体现了微积分学的核心思想“以直代曲”

下面 通过一个具体示例展示一下

求显式曲线弧长的典型步骤

对0到1区间上的抛物线

它的弧长等于多少

利用显式曲线的弧长元公式

以及函数的表达式

可以计算出抛物线的弧长元

计算弧长元从0到1上的积分

可以得到这段抛物线的弧长

为了计算弧长元的积分

首先 作变量代换

令 u=2x

得到一个关于变量的定积分

然后 再作分部积分

最终 可以计算出抛物线的弧长

同学 你发现没有

这里我们将曲线的弧长

约化为一个定积分 进行计算

而定积分的技巧

你还记得多少

是时候在复习一下定积分的计算了吧

前面 我们讨论了

显式曲线弧长的定义和计算

那么 如何定义和计算参数曲线的弧长

设曲线的参数方程为x=φ(t) y=ψ(t)

参数从α变到β

参数曲线的弧长等于多少

为了定义和计算参数曲线的弧长

我们采用与显式曲线类似的想法

即分割 近似 求和 以及取极限

不过这里

我们分割的是参数的定义域

区间[α,β]

对应地 得到曲线上的分割点

将曲线上分成若干个小的曲线段

再对曲线上相邻两点的弧长作近似

还是“以直代曲”

即用两点的直线距离

代替曲线上的长度

再对每个坐标之差

利用参数方程 以及微分代替差分

从上面关于小曲线段长度的近似

可以得到参数曲线弧长元的计算公式

它也是在曲线上每一点处

解微分三角形而得到的

对参数曲线的弧长元积分

即可以得到参数曲线的弧长

这是一个关于参数的定积分

同学 你发现没有

参数曲线的弧长元

也是体现了微积分学“以直代曲”的

核心思想

下面 通过一个具体的示例

展示一下

求参数曲线弧长的典型步骤

已知旋轮线的参数方程

试计算它一拱的弧长

利用参数曲线的弧长元公式

以及曲线的参数方程

可以计算出旋轮线的弧长元

计算弧长元从0到2π上的积分

可以得到旋轮线的一拱的弧长

同学 从上面的讨论可以发现

显式曲线和参数曲线弧长的计算

差别在于弧长元的计算表达式不同

平面上 除了直角坐标系

还有一个经常使用的极坐标系

那么 如何计算极坐标系下的

曲线的弧长

我们通过一个实例 理解一下

求极坐标系下

曲线弧长的核心思想和典型步骤

设有对数螺线的极坐标方程

角度θ从0变到2π

这段对数螺线的弧长等于多少

利用极坐标与直角坐标的相互转化关系

可以写出对数螺线

在直角坐标系下的参数方程

这样 可以利用

参数曲线弧长的定义和计算方法

定义和计算对数螺线的弧长

那么 这个方法具有一般性吗

一般地 如果已知一条曲线

在极坐标系下的方程

比如r=f(θ)

角度θ从α变到β

如何定义和计算

极坐标系下这条曲线的弧长

类似于 上面的计算

对数螺线弧长的思想和方法

将极坐标系下的曲线方程

约化为直角坐标系下的参数方程形式

再利用参数曲线的弧长的定义和计算方法

定义和计算极坐标系下曲线的弧长元

最后 对弧长元作积分

即可得到极坐标系下曲线的弧长

那么 如何理解极坐标系下的

曲线的弧长元

如果已知一条曲线在极坐标系下的方程

我们来考察当角度变元具有一个增量时

曲线上点的变化情况

此时 在角度变化方向上

引起的弧长增量为rdθ

而在半径方向上 有弧长增量dr

注意到 在每一点处

角度变化方向

与半径变化方向是相互垂直的

因此 利用勾股定理

可以得到总的弧长增量

进一步 将曲线的极坐标方程代入

可得极坐标系下弧长元的计算公式

本讲 我们从直线段的长度

推广得到曲线弧长这个概念

利用类似于定积分的思想

分割 近似 求和 以及取极限这四步

得到曲线弧长等于弧长元的定积分

而曲线的弧长元

在曲线的不同表现形式下

呈现出不同的表达形式

但是 其核心思想都是

在曲线上每一点处

局部地用一个直角三角形

即微分三角形

代替一边为曲线的三角形

这就充分体现出

微积分学的核心思想“以直代曲”

那么 如何定义和计算空间曲线的弧长

以及质量

有关空间曲线的弧长和质量

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

平面曲线弧长笔记与讨论

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