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数学
题目

4.计算曲线积分∮_(L)(x^2sin y-my+m)dx+(1)/(3)x^3cos y-m)dy,其中m是常数,L是从点(0,0)沿上半圆x^2+y^2=2x到点(2,0)的一段弧。

4.计算曲线积分$∮_{L}(x^{2}sin y-my+m)dx+\frac{1}{3}x^{3}cos y-m)dy$,其中m是常数,L是从点(0,0)沿上半圆$x^{2}+y^{2}=2x$到点(2,0)的一段弧。

题目解答

答案

为了计算曲线积分$\oint_{L} (x^2 \sin y - my + m) \, dx + \left( \frac{1}{3} x^3 \cos y - m \right) \, dy$,其中$L$是从点$(0,0)$沿上半圆$x^2 + y^2 = 2x$到点$(2,0)$的一段弧,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、简单闭合曲线$C$和由$C$包围的区域$D$,如果$P$和$Q$在$D$上具有连续的偏导数,那么 \[ \oint_{C} P \, dx + Q \, dy = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \, dA. \] 然而,由于$L$不是闭合曲线,我们需要将其闭合,以应用格林定理。我们可以将$L$与从$(2,0)$到$(0,0)$的线段$L_1$结合,形成一个闭合曲线。然后,我们可以计算闭合曲线上的积分,然后减去线段$L_1$上的积分。 首先,我们确定$P$和$Q$: \[ P(x, y) = x^2 \sin y - my + m, \quad Q(x, y) = \frac{1}{3} x^3 \cos y - m. \] 接下来,我们计算偏导数: \[ \frac{\partial Q}{\partial x} = x^2 \cos y, \quad \frac{\partial P}{\partial y} = x^2 \cos y - m. \] 因此,格林定理中被积函数的差值为: \[ \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = x^2 \cos y - (x^2 \cos y - m) = m. \] 闭合曲线(由$L$和$L_1$组成)所包围的区域$D$是一个半圆,半径为1,中心在$(1,0)$。这个半圆的面积为: \[ \text{面积} = \frac{1}{2} \pi (1)^2 = \frac{\pi}{2}. \] 使用格林定理,闭合曲线上的积分是: \[ \oint_{L + L_1} (x^2 \sin y - my + m) \, dx + \left( \frac{1}{3} x^3 \cos y - m \right) \, dy = \iint_{D} m \, dA = m \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{m\pi}{2}. \] 接下来,我们需要计算线段$L_1$上的积分。线段$L_1$是从$(2,0)$到$(0,0)$,因此我们可以参数化为$x = t$,$y = 0$,其中$t$从2到0。沿$L_1$的积分是: \[ \int_{L_1} (x^2 \sin y - my + m) \, dx + \left( \frac{1}{3} x^3 \cos y - m \right) \, dy = \int_{2}^{0} (t^2 \sin 0 - m \cdot 0 + m) \, dt + \left( \frac{1}{3} t^3 \cos 0 - m \right) \cdot 0 \, dt = \int_{2}^{0} m \, dt = m \cdot (0 - 2) = -2m. \] 因此,原始曲线积分沿$L$是: \[ \int_{L} (x^2 \sin y - my + m) \, dx + \left( \frac{1}{3} x^3 \cos y - m \right) \, dy = \frac{m\pi}{2} - (-2m) = \frac{m\pi}{2} + 2m. \] 最终答案是: \[ \boxed{\frac{m\pi}{2} + 2m}. \]

解析

考查要点:本题主要考查曲线积分的计算,特别是利用格林定理将曲线积分转化为二重积分的能力,以及处理非闭合曲线时的补线技巧。

解题核心思路:

  1. 判断是否适用格林定理:由于积分路径L不是闭合曲线,需补线段$L_1$使其闭合,应用格林定理计算闭合曲线积分。
  2. 计算偏导数:确定$P$和$Q$的偏导数$\frac{\partial Q}{\partial x}$和$\frac{\partial P}{\partial y}$,求出被积函数的差值。
  3. 计算闭合曲线积分:通过二重积分求出闭合曲线积分的结果。
  4. 处理补线部分:计算补线$L_1$上的积分,最终通过闭合积分减去补线积分得到原积分结果。

破题关键点:

  • 补线闭合曲线:将L与线段$L_1$组合成闭合曲线。
  • 偏导数的简化:发现偏导数的差值为常数$m$,极大简化计算。
  • 区域面积计算:闭合区域为半径1的半圆,面积为$\frac{\pi}{2}$。

步骤1:应用格林定理闭合曲线

将曲线$L$与从$(2,0)$到$(0,0)$的线段$L_1$组合成闭合曲线$L + L_1$,应用格林定理:
$\oint_{L + L_1} P \, dx + Q \, dy = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) dA$

步骤2:计算偏导数

  • $P = x^2 \sin y - my + m$,$\frac{\partial P}{\partial y} = x^2 \cos y - m$
  • $Q = \frac{1}{3}x^3 \cos y - m$,$\frac{\partial Q}{\partial x} = x^2 \cos y$

偏导数的差值为:
$\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = x^2 \cos y - (x^2 \cos y - m) = m$

步骤3:计算闭合曲线积分

闭合区域$D$是半径为1的半圆,面积为$\frac{\pi}{2}$,因此:
$\oint_{L + L_1} P \, dx + Q \, dy = \iint_{D} m \, dA = m \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{m\pi}{2}$

步骤4:计算补线$L_1$的积分

参数化$L_1$为$x = t$,$y = 0$($t$从2到0),代入积分:
$\int_{L_1} (x^2 \sin y - my + m) dx + \left( \frac{1}{3}x^3 \cos y - m \right) dy = \int_{2}^{0} m \, dt = -2m$

步骤5:求原积分结果

原积分$L$的结果为闭合积分减去$L_1$的积分:
$\int_{L} P \, dx + Q \, dy = \frac{m\pi}{2} - (-2m) = \frac{m\pi}{2} + 2m$

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