证明阿基米德螺线 r = aθ 的线段 OT 等于圆弧 ASP(Calculus With Analytic Geometry 16.4 Problem 7)
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证明阿基米德螺线 r = aθ 的线段 OT 等于圆弧 ASP(Calculus With Analytic Geometry 16.4 Problem 7)

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极角
线段 OT(a = 1)
-
圆弧 ASP 的长 rθ
-
tan ψ = r ⁄ (dr/dθ) = θ
-

题目:在阿基米德螺线 r=a\theta\ (\theta\ge0) 上任取一点 P,作出 P 处的切线。过原点 O 作直线 OT 垂直于 OP,与这条切线交于点 T(见图 16.32)。证明:线段 OT 的长度,等于以 O 为圆心、从极轴画到点 P 的圆弧 ASP 的长度。

结论:OT=\overset{\frown}{ASP}=a\theta^2。

一、所用工具:夹角 ψ

本节的基本公式:设 \psi 是从径向 OP 的延长方向到切线的夹角,则

\tan\psi=\frac{r}{dr/d\theta}.

对 r=a\theta 有 \dfrac{dr}{d\theta}=a,所以

\tan\psi=\frac{a\theta}{a}=\theta.

二、在直角三角形中求 OT

  • 因为 OT\perp OP,三角形 OPT 在 O 处是直角。

  • 顶点 P 处的内角是切线与直线 OP 的夹角,它等于 \psi 或 \pi-\psi,正切的绝对值都是 \tan\psi=\theta。

  • 已知 OP=r=a\theta。

在直角三角形中:

OT=OP\cdot\tan\angle OPT=a\theta\cdot\theta=a\theta^2.

三、求圆弧 ASP 的长

  • 圆弧以 O 为圆心,半径 OP=r=a\theta。

  • 它从极轴上的 A 转到 P,圆心角正好是 \theta。

由弧长公式 s=r\theta 得

\overset{\frown}{ASP}=r\theta=a\theta\cdot\theta=a\theta^2.

四、结论

\boxed{\,OT=a\theta^2=\overset{\frown}{ASP}\,}

五、补充

  • 极次切线:在极坐标里,OT 这种线段叫做「极次切线」,一般公式是 OT=\dfrac{r^2}{|dr/d\theta|}。对阿基米德螺线,\dfrac{r^2}{a}=\dfrac{a^2\theta^2}{a}=a\theta^2,结果相同。

  • 历史背景:这个性质相当于用一段直线的长度来表示一段圆弧的长度。据说阿基米德正是借助它,把「化圆为方」转化为作出螺线的切线。

  • \theta>2\pi 时同样成立:螺线已经绕过一圈以上,这时圆弧 ASP 要理解为从极轴出发、绕原点转过总角度 \theta 的弧,长度仍是 r\theta。

六、图怎么看

  • 拖动滑块改变极角 \theta,或点播放按钮让点 P 沿螺线移动。

  • 紫色实线是螺线,黑线是 P 处的切线,橙色小扇形标出夹角 \psi;绿色粗线是 OT,橙色虚线是圆弧 ASP。

  • 下方卡片实时显示 OT 与圆弧 ASP 的长度,两者始终相等,并且 \tan\psi=\theta。

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