对弧长的曲线积分的例四

为球面与平面的交线,请求出 本题是年考研数一真题卷第题,具备一定的空间想象能力,以及运用的知识就可以得出正确答案。

        (1)思路分析。绘制出球面与平面的交线,即下图中的红色曲线,可见该交线是空间中的圆。本题要求的是函数在交线上的,因为交线是封闭的圆,为了强调这一点,常在积分符号上加圈,即将该式写作

红色曲线是球面与平面的交线

套用即可求出,但求出交线的参数方程是一个难点。

        (2)交线的参数方程形如,可以通过交线面上的投影先求出其中的。具体做法是,写出交线,如下消去其中的就可以得到交线面上的投影的方程,可以看出这是一个椭圆:

或运用空间想象能力,从上空俯瞰,如下图所示,可知交线面上的投影是一个椭圆,也就是上述求出的椭圆

上述椭圆,可以看作由半长轴为、半短轴为的标准椭圆,如下图左侧所示,逆时针旋转后得到的,如下图右侧所示。

半长轴为、半短轴为的标准椭圆

逆时针旋转得椭圆

下面就需要求出这三个未知的参数,从而得到椭圆的参数方程。

先从半长轴开始。展开空间想象能力可知椭圆的长轴在平面面(即平面)的交线上,如下图所示,容易求出该交线的方程为,或者说是该交线对应的函数为

联立椭圆和直线,可以求出两者的交点为以及,如下图所示,从而可得半长轴。并且容易知道直线轴正向的夹角为,这也就是之前提到过的逆时针旋转的角度,即有

椭圆的长轴和短轴是垂直的,因此椭圆的短轴在直线上,如下图所示,可求出两者的交点为,从而可得半短轴

综上求出了:

所以半长轴为、半短轴为的标准椭圆的参数方程如下,并可以将之转为

再借助,将上述标准椭圆逆时针旋转,就得到了椭圆(关于椭圆的旋转,更详细的过程可以参看

从而得到椭圆的参数方程:

因为椭圆是交线面上的投影,其参数方程中的也就是交线参数方程中的,即才是可知交线参数方程为:

        (3)求出交线的参数方程。因为交线在平面上,结合上该参数方程中的已知的,可推出,从而得到交线的参数方程为:

        (4)求出。根据,可得:

代入交线的参数方程后可得出,所以上式可以改写为:

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