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数学
题目

设曲线的极坐标方程为 rho = e^atheta (a > 0),则该曲线上相应于 theta 从 0 变到 2pi 的一段弧与极轴所围成的图形的面积为 _________.

设曲线的极坐标方程为 $\rho = e^{a\theta} (a > 0)$,则该曲线上相应于 $\theta$ 从 0 变到 $2\pi$ 的一段弧与极轴所围成的图形的面积为 _________.

题目解答

答案

我们要计算极坐标方程为 $$ \rho = e^{a\theta} \quad (a > 0) $$ 的曲线在 $\theta$ 从 $0$ 到 $2\pi$ 的一段弧与极轴所围成的图形的面积。 --- ### 一、极坐标下面积的计算公式 在极坐标中,若曲线的极坐标方程为 $\rho = f(\theta)$,则由 $\theta = \alpha$ 到 $\theta = \beta$ 的一段弧与极轴所围成的图形的面积为: $$ A = \frac{1}{2} \int_{\alpha}^{\beta} \rho^2 \, d\theta $$ --- ### 二、代入题目中的函数 题目中给出的曲线是: $$ \rho = e^{a\theta} $$ 将其代入面积公式中,得到: $$ A = \frac{1}{2} \int_0^{2\pi} \left(e^{a\theta}\right)^2 \, d\theta = \frac{1}{2} \int_0^{2\pi} e^{2a\theta} \, d\theta $$ --- ### 三、计算定积分 $$ \int_0^{2\pi} e^{2a\theta} \, d\theta = \left[ \frac{1}{2a} e^{2a\theta} \right]_0^{2\pi} = \frac{1}{2a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right) $$ 所以面积为: $$ A = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right) = \frac{1}{4a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right) $$ --- ### 四、最终答案 $$ \boxed{\frac{1}{4a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right)} $$ 这就是该曲线从 $\theta = 0$ 到 $\theta = 2\pi$ 所围成的图形的面积。

解析

考查要点:本题主要考查极坐标系下平面图形面积的计算方法,需要掌握极坐标方程转化为面积积分的基本公式,并能正确进行定积分的计算。

解题核心思路:

  1. 极坐标面积公式:在极坐标中,由曲线$\rho = f(\theta)$从$\theta = \alpha$到$\theta = \beta$围成的面积公式为$A = \frac{1}{2} \int_{\alpha}^{\beta} \rho^2 \, d\theta$。
  2. 代入方程:将题目中的$\rho = e^{a\theta}$代入公式,转化为对$e^{2a\theta}$的积分。
  3. 定积分计算:通过指数函数的积分规则求解定积分,注意上下限的代入。

破题关键点:

  • 正确应用面积公式,明确积分变量为$\theta$,积分上下限为$0$到$2\pi$。
  • 化简被积函数时注意平方运算,避免符号错误。
  • 积分计算时注意分母系数的处理,避免计算错误。

1. 应用极坐标面积公式

根据极坐标面积公式:
$A = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \rho^2 \, d\theta$
将$\rho = e^{a\theta}$代入,得:
$A = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \left(e^{a\theta}\right)^2 \, d\theta = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} e^{2a\theta} \, d\theta$

2. 计算定积分

对$e^{2a\theta}$积分:
$\int e^{2a\theta} \, d\theta = \frac{1}{2a} e^{2a\theta} + C$
代入上下限$0$到$2\pi$:
$\int_{0}^{2\pi} e^{2a\theta} \, d\theta = \frac{1}{2a} \left[ e^{2a \cdot 2\pi} - e^{0} \right] = \frac{1}{2a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right)$

3. 求最终面积

将积分结果代入面积公式:
$A = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right) = \frac{1}{4a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right)$

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