题目
20.(填空题,5分)曲线积分int_(L)(e^xsin y-x-y)dx+(e^xcos y-2x)dy=____,其中L是从点A=(4,0)到原点O=(0,0)的上半圆弧y=sqrt(4x-x^2).
20.(填空题,5分)曲线积分
$\int_{L}(e^{x}sin y-x-y)dx+(e^{x}cos y-2x)dy=$____,
其中L是从点A=(4,0)到原点O=(0,0)的上半圆
弧$y=\sqrt{4x-x^{2}}$.
题目解答
答案
为了计算曲线积分 $\int_{L}(e^{x}\sin y - x - y)dx + (e^{x}\cos y - 2x)dy$,其中 $L$ 是从点 $A = (4,0)$ 到原点 $O = (0,0)$ 的上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$,我们可以使用格林定理。格林定理指出,对于一个正向、分段光滑、简单闭曲线 $C$ 和一个平面区域 $D$,如果 $L$ 和 $M$ 在 $D$ 上具有一阶连续偏导数,那么
\[
\oint_C (L \, dx + M \, dy) = \iint_D \left( \frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y} \right) \, dA.
\]
首先,我们定义 $L(x, y) = e^x \sin y - x - y$ 和 $M(x, y) = e^x \cos y - 2x$。我们需要计算 $\frac{\partial M}{\partial x}$ 和 $\frac{\partial L}{\partial y}$:
\[
\frac{\partial M}{\partial x} = e^x \cos y - 2,
\]
\[
\frac{\partial L}{\partial y} = e^x \cos y - 1.
\]
然后,我们找到它们的差:
\[
\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y} = (e^x \cos y - 2) - (e^x \cos y - 1) = -1.
\]
根据格林定理,曲线积分可以转化为二重积分:
\[
\int_{L} (e^x \sin y - x - y) \, dx + (e^x \cos y - 2x) \, dy = -\iint_D \, dA,
\]
其中 $D$ 是由上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$ 和 x 轴围成的区域。上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$ 可以重写为 $(x-2)^2 + y^2 = 4$,这是一个半径为 2,中心为 $(2,0)$ 的圆的上半部分。区域 $D$ 的面积是这个圆的一半:
\[
\text{面积} = \frac{1}{2} \pi r^2 = \frac{1}{2} \pi (2)^2 = 2\pi.
\]
因此,二重积分 $\iint_D \, dA$ 等于 $2\pi$,所以曲线积分是:
\[
-\iint_D \, dA = -2\pi.
\]
由于曲线 $L$ 是从点 $A = (4,0)$ 到原点 $O = (0,0)$ 的,我们需要考虑积分的 orientation。格林定理要求正向,即逆时针方向,但我们的 $L$ 是顺时针方向,所以需要在结果前加一个负号。然而,我们已经计算了 $L$ 的负,所以最终答案是:
\[
\boxed{-2\pi}.
\]
解析
步骤 1:定义函数 L 和 M
定义 $L(x, y) = e^x \sin y - x - y$ 和 $M(x, y) = e^x \cos y - 2x$。
步骤 2:计算偏导数
计算 $\frac{\partial M}{\partial x}$ 和 $\frac{\partial L}{\partial y}$:
\[
\frac{\partial M}{\partial x} = e^x \cos y - 2,
\]
\[
\frac{\partial L}{\partial y} = e^x \cos y - 1.
\]
步骤 3:计算偏导数的差
计算 $\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y}$:
\[
\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y} = (e^x \cos y - 2) - (e^x \cos y - 1) = -1.
\]
步骤 4:应用格林定理
根据格林定理,曲线积分可以转化为二重积分:
\[
\int_{L} (e^x \sin y - x - y) \, dx + (e^x \cos y - 2x) \, dy = -\iint_D \, dA,
\]
其中 $D$ 是由上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$ 和 x 轴围成的区域。
步骤 5:计算区域 D 的面积
上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$ 可以重写为 $(x-2)^2 + y^2 = 4$,这是一个半径为 2,中心为 $(2,0)$ 的圆的上半部分。区域 $D$ 的面积是这个圆的一半:
\[
\text{面积} = \frac{1}{2} \pi r^2 = \frac{1}{2} \pi (2)^2 = 2\pi.
\]
步骤 6:计算曲线积分
二重积分 $\iint_D \, dA$ 等于 $2\pi$,所以曲线积分是:
\[
-\iint_D \, dA = -2\pi.
\]
定义 $L(x, y) = e^x \sin y - x - y$ 和 $M(x, y) = e^x \cos y - 2x$。
步骤 2:计算偏导数
计算 $\frac{\partial M}{\partial x}$ 和 $\frac{\partial L}{\partial y}$:
\[
\frac{\partial M}{\partial x} = e^x \cos y - 2,
\]
\[
\frac{\partial L}{\partial y} = e^x \cos y - 1.
\]
步骤 3:计算偏导数的差
计算 $\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y}$:
\[
\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y} = (e^x \cos y - 2) - (e^x \cos y - 1) = -1.
\]
步骤 4:应用格林定理
根据格林定理,曲线积分可以转化为二重积分:
\[
\int_{L} (e^x \sin y - x - y) \, dx + (e^x \cos y - 2x) \, dy = -\iint_D \, dA,
\]
其中 $D$ 是由上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$ 和 x 轴围成的区域。
步骤 5:计算区域 D 的面积
上半圆弧 $y = \sqrt{4x - x^2}$ 可以重写为 $(x-2)^2 + y^2 = 4$,这是一个半径为 2,中心为 $(2,0)$ 的圆的上半部分。区域 $D$ 的面积是这个圆的一半:
\[
\text{面积} = \frac{1}{2} \pi r^2 = \frac{1}{2} \pi (2)^2 = 2\pi.
\]
步骤 6:计算曲线积分
二重积分 $\iint_D \, dA$ 等于 $2\pi$,所以曲线积分是:
\[
-\iint_D \, dA = -2\pi.
\]