介绍玫瑰线
玫瑰线是一种极坐标方程,它可以绘制出一个美丽的图形,形状酷似玫瑰花。玫瑰线方程可以用以下形式来表示:
r=a*cos(k*θ)
其中,r表示极径,θ表示角度,k表示节数,a表示大小。如果k是奇数,那么可以绘制出一个花瓣数量为k的玫瑰线,如果k是偶数,则为花瓣数量为k/2的玫瑰线。
推导玫瑰线面积公式
接下来我们将推导玫瑰线面积公式。我们可以将玫瑰线分成无数个小扇形,每个小扇形的面积为:
$$\Delta A=\frac{1}{2}r^2\Delta \theta$$
将极坐标转换为直角坐标系可以得到如下公式:
$$x=r*cos\theta$$$$y=r*sin\theta$$
将玫瑰线方程代入公式得到:
$$x=a*cos(k*\theta)*cos\theta$$$$y=a*cos(k*\theta)*sin\theta$$
积分求解面积
于是,我们可以使用积分来求解玫瑰线的面积。玫瑰线的面积可以看作所有小扇形面积之和:
$$A=\int_0^{2\pi}\frac{1}{2}(a*cos(k*\theta))^2d\theta$$
使用三角恒等式将cos的平方展开得到:
$$cos^2(k*\theta)=\frac{1+cos(2k\theta)}{2}$$$$A=\frac{1}{4}\int_0^{2\pi}a^2(1+cos(2k\theta))d\theta$$
推导后的玫瑰线面积公式
对于cos的部分求积分,得到:
$$\int_0^{2\pi}cos(2k\theta)d\theta=\begin{cases}
0&\text{k为奇数}\\
\frac{\pi}{k}&\text{k为偶数}
\end{cases}$$
继续化简得到:
$$A=\frac{1}{4}\int_0^{2\pi}a^2d\theta + \frac{1}{4}\int_0^{2\pi}a^2cos(2k\theta)d\theta$$$$A=\frac{1}{4}*2\pi*a^2 + \begin{cases}
0&\text{k为奇数}\\
\frac{\pi}{2}*a^2&\text{k为偶数}
\end{cases}$$
于是,我们得到了玫瑰线面积的公式:
$$A=\begin{cases}
\frac{\pi}{2}*a^2&\text{k为奇数}\\
\pi*a^2&\text{k为偶数}
\end{cases}$$
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