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。
题目解答
答案
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:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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:
$\int_{L} P \, dx + Q \, dy = \frac{m\pi}{2} - (-2m) = \frac{m\pi}{2} + 2m$