弧長函式

弧長函式

弧長函式(arc length function),是指量度弧長的函式。設Γ為定義在[a,b]上的可求長曲線,對t∈[a,b],Γ的參數表示φ對[a,t]的限制所表示的曲線的長度記為L(t),如此定義的函式L:[a,b]→[0,l]稱為弧長函式,這裡l是Γ的長度,L是嚴格增函式,存在反函式L:[0,l]→[a,b],複合函式φ°L:[0,l]→R稱為Γ的以弧長為參數的表示,弧長參數以s表示,這樣,Γ有參數方程x=φ(L(s)),s∈[0,l]。每一條可求長曲線都有以弧長為參數的表示,這種表示稱為曲線的自然方程 。

基本介紹

弧長函式 弧長函式

定義 設函式f(x)在區間(a,b)上具有連續導數,曲線y=f(x)在每點處都存在切線,如圖1所示。在曲線y=f(x)上取定一點作為計算弧長的起點,另外任取一點N(x,y),則從點M到點1N的有向弧長(和弧的長度不同)記為s,它是x的函式,稱為 弧長 函式,記為

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弧長函式 弧長函式
弧長函式 弧長函式

我們規定:當點N在點M的右側()時,s為正值;當點N在點M的左側()時,s為負值。所以弧長函式是x的單調增加函式 。

圖1 圖1

弧長函式的導數和微分

定理1 設函式y=f(x)在[a,b]上連續,在(a,b)內具有一階連續導數,則弧長函式s(x)可微,且

弧長函式 弧長函式

則(1)式稱為弧微分公式 。

證明如圖1所示,當橫坐標由x變為x+△x時,它在曲線上對應的點為P,對應於x的增量△x,弧長函式的增量為

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當P與N充分接近時,弧的長度△s近似地可以用其所對應的弦NP的長度來代替,如圖1所示,且

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因為

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當時,上式兩端取極限可得

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因為s(x)是x的單調增加函式,所以取

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由此可得弧長微分公式

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如果曲線的方程是由參數方程

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或極坐標方程

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給出,且均有連續導數,則分別有弧長微分公式

弧長函式 弧長函式

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(2)式是顯然的,在極坐標的情況下,所以

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