9.2 雨课堂作业
例 9.2.1 (作业第1题)
求以下曲线的弧长和曲率:
-
(1)
-
,,其中是函数;
-
(2)
-
极坐标下,,是函数。
解
(1) 由弧长公式可得
曲率为
(2) 由弧长公式可得
曲率为
直接求导计算曲率的运算量较大,另一种方法是利用单位向量。注意到
因此
由此可得
故曲率为
例 9.2.2 (作业第2题)
求椭圆所围平面有界区域的面积。(提示:用平面极坐标)
解
将椭圆方程化为极坐标形式可得
由面积公式可得椭圆所围有界区域的面积为
由于,故。利用以下积分
可得
例 9.2.3 (作业第3题)
求星形线的弧长、所围有界区域的面积。
解
仅考虑第一象限的部分(即)的弧长、面积,随后乘以即可。由题意可知
计算可得
另解
另一种做法是利用星形线的参数方程:
计算可得
例 9.2.4 (作业第4题)
求旋轮线的弧长、以及它和轴所围成的有界区域的面积。
解
由题意可知
计算可得
例 9.2.5 (作业第5题)
求双纽线的弧长、所围有界区域的面积。
解
仅考虑第一象限的部分(即)的弧长、面积,随后乘以即可。由题意可知
计算可得
其中为第一类完全椭圆积分,。
例 9.2.6 (作业第6题)
设,记为抛物线位于圆的内部的部分的弧长。
-
(1)
-
求极限:;
-
(2)
-
是否存在使得?
-
(3)
-
有多少个使得?
解
(1) 由题意可知抛物线在圆内(包括边界)的部分满足
曲线的弧长为
显然有
(2) 对求导可得
令,考虑
显然严格减,且有、,故使得。
令,则在上严格增,在上严格减,最终趋于。因此,故存在使得。
(3) 由于、且在上严格增,故使得,即存在唯一使得。
例 9.2.7 (作业第7题)
设是区间上的正值连续函数,记
证明:严格增。
证明
不难验证可微,直接求导可得
由于为正值函数,且,,因此,即严格增。
另证
考虑本题的物理意义。设表示杆在点处的线密度,分别表示杆的质量、质心,则。设,由杠杆原理可得
显然有
因此
例 9.2.8 (作业第8题)
已知函数满足,且
证明:存在,且。
证明
由知在上严格增,故。放缩可得
因此有上界,且严格增,故存在,且。
注
以下内容与课程要求无关。我们尝试使用一些技巧探讨的更多性质。记,由于直接求解较为困难,考虑利用反函数方法。设,其中、,则满足
这是Ricatti方程,令,则满足二阶线性微分方程
考虑换元,其中、,亦即、,由此可得
代入计算可得
亦即满足阶Bessel方程
因此
代入处的初始条件,利用恒等式可得
由题设可知,故发散,因此,由此可得
因此是函数在区间内的(唯一)零点,数值计算可得,因此。
我们下面尝试求出在处的渐近展开。令,代入可得
求导可得
继续求导、代入、计算可得
因此在处的渐近展开为
例 9.2.9 (作业第9题)
设是上的凸函数,是上的连续函数。证明:,都有
证明
此即Jensen不等式的积分形式。设
由凸函数的定义可知,,都有。取、,则
两边对从到积分并除以,可得
证明
另一种思路是利用Riemann和与离散形式的Jensen不等式。设为的任意划分,为任意标志点,则
例 9.2.10 (作业第10题)
-
(1)
-
设,。证明:
-
(2)
-
设,。证明:
证明
(1) 记。,由Lagrange中值定理知使得
同理可得使得
因此
直接积分,利用三角不等式可得
(2) 由Cauchy不等式可得
因此
注
第(2)问的第二个不等式可以加强为:设且满足,则有
其中等号成立当且仅当或,为常数。
不妨设,证明可利用例10.2.1中的Wirtinger不等式:设且满足、,则有
只需令
如有必要,可添加光滑子使得在处可微,则