• 高等数学(第七版)同济大学 习题3-7 个人解答


    高等数学(第七版)同济大学 习题3-7

     

    1.  求椭圆 4 x 2 + y 2 = 4 在点 ( 0 ,   2 ) 处的曲率。 1. 4x2+y2=4(0, 2) 1. 求椭圆4x2+y2=4在点(0, 2)处的曲率。

    解:

      对椭圆方程两边求导,得 8 x + 2 y y ′ = 0 , y ′ = − 4 x y , y ′ ′ = − 16 y 3 ,当 x = 0 时, y ′ = 0 , y ′ ′ = − 2 ,   由曲率公式 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 ,得椭圆在点 ( 0 ,   2 ) 处得曲率 K = 2.   8x+2yy=0y=4xyy=16y3x=0y=0y=2  K=|y|(1+y2)32(0, 2)K=2.   对椭圆方程两边求导,得8x+2yy=0y=y4xy′′=y316,当x=0时,y=0y′′=2  由曲率公式K=(1+y′2)23y′′,得椭圆在点(0, 2)处得曲率K=2.


    2.  求曲线 y = l n   s e c   x 在点 ( x ,   y ) 处的曲率及曲率半径。 2. 线y=ln sec x(x, y) 2. 求曲线y=ln sec x在点(x, y)处的曲率及曲率半径。

    解:

       y ′ = s e c   x t a n   x s e c   x = t a n   x , y ′ ′ = s e c 2   x ,由曲率公式 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 ,得 K = s e c 2   x ( 1 + t a n 2   x ) 3 2 = ∣ c o s   x ∣ ,   曲率半径 ρ = 1 K = ∣ s e c   x ∣ .   y=sec xtan xsec x=tan xy=sec2 xK=|y|(1+y2)32K=sec2 x(1+tan2 x)32=|cos x|  ρ=1K=|sec x|.   y=sec xsec xtan x=tan xy′′=sec2 x,由曲率公式K=(1+y′2)23y′′,得K=(1+tan2 x)23sec2 x=cos x  曲率半径ρ=K1=sec x∣.


    3.  求抛物线 y = x 2 − 4 x + 3 在其顶点处的曲率及曲率半径。 3. 线y=x24x+3 3. 求抛物线y=x24x+3在其顶点处的曲率及曲率半径。

    解:

      抛物线在顶点处曲率最大,顶点为 ( 2 ,   − 1 ) , y ′ = 2 x − 4 , y ′ ′ = 2 ,由曲率公式 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 ,   得抛物线在顶点 ( 2 ,   − 1 ) 处的曲率 K = 2 ( 1 + 0 2 ) 3 2 = 2 ,曲率半径 ρ = 1 K = 1 2 .   线(2, 1)y=2x4y=2K=|y|(1+y2)32  线(2, 1)K=2(1+02)32=2ρ=1K=12.   抛物线在顶点处曲率最大,顶点为(2, 1)y=2x4y′′=2,由曲率公式K=(1+y′2)23y′′  得抛物线在顶点(2, 1)处的曲率K=(1+02)232=2,曲率半径ρ=K1=21.


    4.  求曲线 x = a c o s 3   t , y = a s i n 3   t 在 t = t 0 相应的点处的曲率。 4. 线x=acos3 ty=asin3 tt=t0 4. 求曲线x=acos3 ty=asin3 tt=t0相应的点处的曲率。

    解:

       d y d x = d y d t d x d t = 3 a s i n 2   t c o s   t − 3 a c o s 2   t s i n   t = − t a n   t , d 2 y d x 2 = d d t ( d y d x ) d x d t = − s e c 2   t − 3 a c o s 2   t s i n   t = 1 3 a s i n   t c o s 4   t .   曲线在 t = t 0 处的曲率 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = ∣ 1 3 a s i n   t c o s 4   t ∣ [ 1 + ( − t a n   t ) 2 ] 3 2 = 2 ∣ 3 a s i n ( 2 t 0 ) ∣ .   dydx=dydtdxdt=3asin2 tcos t3acos2 tsin t=tan td2ydx2=ddt(dydx)dxdt=sec2 t3acos2 tsin t=13asin tcos4 t.  线t=t0K=|y|(1+y2)32=|13asin tcos4 t|[1+(tan t)2]32=2|3asin(2t0)|.   dxdy=dtdxdtdy=3acos2 tsin t3asin2 tcos t=tan tdx2d2y=dtdxdtd(dxdy)=3acos2 tsin tsec2 t=3asin tcos4 t1.  曲线在t=t0处的曲率K=(1+y′2)23y′′=[1+(tan t)2]23 3asin tcos4 t1 =∣3asin(2t0)2.


    5.  对数曲线 y = l n   x 上哪一点处的曲率半径最小?求出该点处的曲率半径。 5. 线y=ln x 5. 对数曲线y=ln x上哪一点处的曲率半径最小?求出该点处的曲率半径。

    解:

       y ′ = 1 x , y ′ ′ = − 1 x 2 ,曲线曲率 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = ∣ − 1 x 2 ∣ [ 1 + ( 1 x ) 2 ] 3 2 = x ( 1 + x 2 ) 3 2 ,曲率半径 ρ = ( 1 + x 2 ) 3 2 x   因 ρ ′ = ( 1 + x 2 ) 1 2 ( 2 x 2 − 1 ) x 2 ,令 ρ ′ = 0 ,得 x = 2 2 , x = − 2 2 ,   当 0 < x < 2 2 时, ρ ′ < 0 , ρ 在 ( 0 ,   2 2 ) 上单调减少,   当 2 2 < x < + ∞ 时, ρ ′ > 0 , ρ 在 [ 2 2 ,   + ∞ ) 上单调增加,   因此 ρ 在 x = 2 2 处取得极小值,又因驻点唯一,极小值就是最小值,所以最小曲率半径为 ρ = ( 1 + 1 2 ) 3 2 2 2 = 3 3 2 .   y=1xy=1x2线K=|y|(1+y2)32=|1x2|[1+(1x)2]32=x(1+x2)32ρ=(1+x2)32x  ρ=(1+x2)12(2x21)x2ρ=0x=22x=22  0<x<22ρ<0ρ(0, 22)  22<x<+ρ>0ρ[22, +)  ρx=22ρ=(1+12)3222=332.   y=x1y′′=x21,曲线曲率K=(1+y′2)23y′′=[1+(x1)2]23 x21 =(1+x2)23x,曲率半径ρ=x(1+x2)23  ρ=x2(1+x2)21(2x21),令ρ=0,得x=22 x=22   0<x<22 时,ρ<0ρ(0, 22 )上单调减少,  22 <x<+时,ρ>0ρ[22 , +)上单调增加,  因此ρx=22 处取得极小值,又因驻点唯一,极小值就是最小值,所以最小曲率半径为ρ=22 (1+21)23=233 .


    6.  证明曲线 y = a c h x a 在点 ( x ,   y ) 处的曲率半径为 y 2 a . 6. 线y=achxa(x, y)y2a. 6. 证明曲线y=achax在点(x, y)处的曲率半径为ay2.

    解:

       y ′ = s h x a , y ′ ′ = 1 a c h x a ,曲线在点 ( x ,   y ) 处的曲率为 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = ∣ 1 a c h x a ∣ ( 1 + s h 2 x a ) 3 2 = 1 a c h 2 x a ,   曲率半径为 ρ = 1 K = a c h 2 x a = y 2 a .   y=shxay=1achxa线(x, y)K=|y|(1+y2)32=|1achxa|(1+sh2xa)32=1ach2xa  ρ=1K=ach2xa=y2a.   y=shaxy′′=a1chax,曲线在点(x, y)处的曲率为K=(1+y′2)23y′′=(1+sh2ax)23 a1chax =ach2ax1  曲率半径为ρ=K1=ach2ax=ay2.


    7.  一飞机沿抛物线路径 y = x 2 10000 ( y 轴铅直向上,单位为 m )做俯冲飞行。在坐标原点 O 处的飞机的速度     为 v = 200 m / s 。飞行员体重 G = 70 k g 。求飞机俯冲至最低点即原点 O 处时坐椅对飞行员的反力。 7. 沿线y=x210000ymO    v=200m/sG=70kgO 7. 一飞机沿抛物线路径y=10000x2y轴铅直向上,单位为m)做俯冲飞行。在坐标原点O处的飞机的速度    v=200m/s。飞行员体重G=70kg。求飞机俯冲至最低点即原点O处时坐椅对飞行员的反力。

    解:

       y ′ = 2 x 10000 = x 5000 , y ′ ′ = 1 5000 ,   抛物线在坐标原点的曲率半径为 ρ = 1 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = 5000 ,   向心力 F 1 = m v 2 ρ = 70 × 20 0 2 5000 = 560 N ,   飞机俯冲至最低点即原点 O 处时坐椅对飞行员的反力等于飞行员离心力和飞行员重量对坐椅压力的和,    F = m g + F 1 = 70 × 9.8 + 560 = 1246 N .   y=2x10000=x5000y=15000  线ρ=1K=|y|(1+y2)32=5000  F1=mv2ρ=70×20025000=560N  O  F=mg+F1=70×9.8+560=1246N.   y=100002x=5000xy′′=50001  抛物线在坐标原点的曲率半径为ρ=K1=(1+y′2)23y′′=5000  向心力F1=ρmv2=500070×2002=560N  飞机俯冲至最低点即原点O处时坐椅对飞行员的反力等于飞行员离心力和飞行员重量对坐椅压力的和,  F=mg+F1=70×9.8+560=1246N.


    8.  汽车连同载重共 5 t ,在抛物线拱桥上行驶,速度为 21.6 k m / h ,桥的跨度为 10 m ,拱地矢高位 0.25 m     (图 3 − 37 )。求汽车越过桥顶时对桥地压力。 8. 5t线21.6km/h10m0.25m    337 8. 汽车连同载重共5t,在抛物线拱桥上行驶,速度为21.6km/h,桥的跨度为10m,拱地矢高位0.25m    (图337)。求汽车越过桥顶时对桥地压力。

    在这里插入图片描述

    解:

      设拱桥抛物线方程为 y = a x 2 ,因抛物线过点 ( 5 ,   0.25 ) ,得 a = y x 2 = 0.25 25 = 0.01 , y ′ = 2 a x , y ′ ′ = 2 a ,   则 y ′ = 0 , y ′ ′ = 0.02 , ρ = 1 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = 50 ,   所以,汽车越过桥顶时对桥地压力为 F = m g − m v 2 ρ = 5 × 1 0 3 × 9.8 − 5 × 1 0 3 × ( 21.6 × 1 0 3 3600 ) 2 50 = 45400 N .   线y=ax2线(5, 0.25)a=yx2=0.2525=0.01y=2axy=2a  y=0y=0.02ρ=1K=|y|(1+y2)32=50  F=mgmv2ρ=5×103×9.85×103×(21.6×1033600)250=45400N.   设拱桥抛物线方程为y=ax2,因抛物线过点(5, 0.25),得a=x2y=250.25=0.01y=2axy′′=2a  y=0y′′=0.02ρ=K1=(1+y′2)23y′′=50  所以,汽车越过桥顶时对桥地压力为F=mgρmv2=5×103×9.8505×103×(360021.6×103)2=45400N.


    9.  求曲线 y = l n   x 在与 x 轴交点处的曲率圆方程。 9. 线y=ln xx 9. 求曲线y=ln x在与x轴交点处的曲率圆方程。

    解:

      方程组 { y = l n   x , y = 0 , 得曲线与 x 轴交点为 ( 1 ,   0 ) , y ′ = 1 x , y ′ ′ = − 1 x 2 ,所以当 x = 1 时, y ′ = 1 , y ′ ′ = − 1 ,   设曲线在点 ( 1 ,   0 ) 处得曲率中心为 ( α ,   β ) ,则    α = [ x − y ′ ( 1 + y ′ 2 ) y ′ ′ ] = 1 − 1 ⋅ ( 1 + 1 2 ) − 1 = 3 , β = [ y + 1 + y ′ 2 y ′ ′ ] = 0 + 1 + 1 2 − 1 = − 2 ,   曲率半径 ρ = 1 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = 8 ,曲率圆方程为 ( ξ − 3 ) 2 + ( η + 2 ) 2 = 8.   {y=ln xy=0线x(1, 0)y=1xy=1x2x=1y=1y=1  线(1, 0)(α, β)  α=[xy(1+y2)y]=11(1+12)1=3β=[y+1+y2y]=0+1+121=2  ρ=1K=|y|(1+y2)32=8(ξ3)2+(η+2)2=8.   方程组 y=ln xy=0得曲线与x轴交点为(1, 0)y=x1y′′=x21,所以当x=1时,y=1y′′=1  设曲线在点(1, 0)处得曲率中心为(α, β),则  α=[xy′′y(1+y′2)]=111(1+12)=3β=[y+y′′1+y′2]=0+11+12=2  曲率半径ρ=K1=(1+y′2)23y′′=8 ,曲率圆方程为(ξ3)2+(η+2)2=8.


    10.  求曲线 y = t a n   x 在点 ( π 4 ,   1 ) 处的曲率圆方程。 10. 线y=tan x(π4, 1) 10. 求曲线y=tan x在点(4π, 1)处的曲率圆方程。

    解:

       y ′ = s e c 2   x , y ′ ′ = 2 s e c 2   x t a n   x ,当 x = π 4 时 , y ′ = 2 , y ′ ′ = 4 ,   设曲线在点 ( π 4 ,   1 ) 处的曲率中心的坐标为 ( α ,   β ) ,则    α = x − y ′ ( 1 + y ′ 2 ) y ′ ′ = π 4 − 2 ( 1 + 4 ) 4 = π − 10 4 , β = y + 1 + y ′ 2 y ′ ′ = 1 + 1 + 4 4 = 9 4 .   曲率半径 ρ = 1 K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 2 = 125 4 ,   曲率圆方程为 ( ξ − π − 10 4 ) 2 + ( η − 9 4 ) 2 = 125 16 .   y=sec2 xy=2sec2 xtan xx=π4,y=2y=4  线(π4, 1)(α, β)  α=xy(1+y2)y=π42(1+4)4=π104β=y+1+y2y=1+1+44=94.  ρ=1K=|y|(1+y2)32=1254  (ξπ104)2+(η94)2=12516.   y=sec2 xy′′=2sec2 xtan x,当x=4π,y=2y′′=4  设曲线在点(4π, 1)处的曲率中心的坐标为(α, β),则  α=xy′′y(1+y′2)=4π42(1+4)=4π10β=y+y′′1+y′2=1+41+4=49.  曲率半径ρ=K1=(1+y′2)23y′′=4125   曲率圆方程为(ξ4π10)2+(η49)2=16125.


    11.  求抛物线 y 2 = 2 p x 的渐屈线方程。 11. 线y2=2px线 11. 求抛物线y2=2px的渐屈线方程。

    解:

      对抛物线方程两边求导, 2 y y ′ = 2 p ,二阶求导, y ′ 2 + y y ′ ′ = 0 ,得 y ′ = p y , y ′ ′ = − p 2 y 3 ,   抛物线渐屈线方程为    { α = x − y ′ ( 1 + y ′ 2 ) y ′ ′ = x − p y [ 1 + ( p y ) 2 ] − p 2 y 3 = 3 y 2 2 p + p , β = y + 1 + y ′ 2 y ′ ′ = y + 1 + ( p y ) 2 − p 2 y 3 = − y 3 p 2   消去 y 得渐屈线方程为 27 p β 2 = 8 ( α − p ) 3   线2yy=2py2+yy=0y=pyy=p2y3  线线  {α=xy(1+y2)y=xpy[1+(py)2]p2y3=3y22p+pβ=y+1+y2y=y+1+(py)2p2y3=y3p2  y线27pβ2=8(αp)3   对抛物线方程两边求导,2yy=2p,二阶求导,y′2+yy′′=0,得y=ypy′′=y3p2  抛物线渐屈线方程为   α=xy′′y(1+y′2)=xy3p2yp[1+(yp)2]=2p3y2+pβ=y+y′′1+y′2=y+y3p21+(yp)2=p2y3  消去y得渐屈线方程为27pβ2=8(αp)3

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