高級積分技巧
參數方程的積分(integration of parametric functions)
許多曲線最自然的描述不是 y = f(x),而是用一個參數 t 同時驅動兩個坐標:x = x(t),y = y(t)。想像一個點隨時間流逝描出擺線或橢圓。要求這種曲線下的面積或它的弧長,你不必先消去 t——而是直接對 t 積分,讓參數替你記錄曲線掃過的快慢。
關鍵是把換元法則用到參數上。參數曲線下的面積是 y dx 的積分,而由於 dx = (dx/dt) dt,它變成在 t 區間上 y(t) 乘以 (dx/dt) dt 的積分。弧長用速率:長度元 ds = sqrt((dx/dt)^2 + (dy/dt)^2) dt,所以總長是該速率對 t 的積分。每種情形下,你只是用鏈式法則把幾何量(寬度 dx、長度 ds)改寫成了用 dt 表達。
參數積分是軌跡、自我環繞或不是單值函數圖像的曲線(圓通不過豎線檢驗)、以及任何以時間而非位置為主變量的運動的天然舞台。標準陷阱是符號與定向:算掃過的面積時,參數運行的方向決定了 (dx/dt) 的符號,所以順時針描與逆時針描可能翻轉符號——這正是格林定理後來精確化的那種定向敏感性。
對橢圓 x = a cos t,y = b sin t,t 從 0 到 2pi,弧長是 sqrt(a^2 sin^2 t + b^2 cos^2 t) dt 的積分——它沒有初等形式,事實上是一個完全橢圓積分。
參數弧長直接通向橢圓積分——這恰恰是那個函數以橢圓命名的原因。
方向有講究。dx/dt 的符號編碼了參數掃過的方向,所以對閉合環路,面積積分隨定向改變符號——要盯住它,別盲目取絕對值。
又稱
另見