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107 台灣大學微積分(C) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

107學年度 · 107台大微積分C · 第 5 題

題目

5. Consider y=x/(1+kx)y=x/(1+kx), which is a family of hyperbolas. Find its orthogonal trajectories.

解答

解法一

思路

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先消去參數 kk,微分得到原族曲線的斜率;正交軌跡的斜率是負倒數,最後分離變數積分。

答題過程

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由

y=x1+kxy=\frac{x}{1+kx}

整理得

1y−1x=k.\frac1y-\frac1x=k.

對 xx 微分,因 kk 為常數,

−y′y2+1x2=0,-\frac{y'}{y^2}+\frac1{x^2}=0,

即原曲線族的斜率為 y′=y2x2y'=\frac{y^2}{x^2}。正交軌跡應滿足

dydx=−x2y2.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-\frac{x^2}{y^2}.

分離變數並積分:

y2 dy=−x2 dx⟹x3+y3=C.y^2\,\mathrm{d}y=-x^2\,\mathrm{d}x \quad\Longrightarrow\quad \boxed{x^3+y^3=C}.