题目
计算曲线积分int _(Gamma )dfrac(xdx+ydy+zdz)(sqrt(x^2)+y^{2+z^2)},其中Gamma 是曲线{x=sin t y=cos t z=e^t的一段.
计算曲线积分$\int $$_{\Gamma }\dfrac{xdx+ydy+zdz}{\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}}}$,其中$\Gamma $是曲线$\left\{\begin{array}{}x=\sin t \\ y=\cos t \\ z=e^{t}\end{array}\right.$上从$t=0$到$t=\dfrac{\pi }{2}$的一段.
题目解答
答案
由题意,得
原式$=\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\dfrac{\sin t\cos t-\cos t\sin t+e^{2t}}{\sqrt{1+e^{2t}}}dt$
$=\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\dfrac{d\left(1+e^{2t}\right)}{2\sqrt{1+e^{2t}}}=\sqrt{1+e^{2t}}|_{0}^{\frac{\pi }{2}}=\sqrt{1+e^{\pi }}-\sqrt{2}$
解析
本题考查曲线积分的计算,解题思路是先将曲线的参数方程代入曲线积分表达式,然后对被积函数进行化简,再通过换元法计算定积分。
- 将曲线的参数方程代入曲线积分表达式:
已知曲线$\Gamma$的参数方程为$\begin{cases}x = \sin t\\y = \cos t\\z = e^t\end{cases}$,对$x,y,z$分别求导:- 根据求导公式$(\sin t)^\prime=\cos t$,可得$dx = \cos tdt$;
- 根据求导公式$(\cos t)^\prime=-\sin t$,可得$dy = -\sin tdt$;
- 根据求导公式$(e^t)^\prime=e^t$,可得$dz = e^tdt$。
将$x,y,z,dx,dy,dz$代入曲线积分$\int_{\Gamma}\frac{xdx + ydy + zdz}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}}$中,同时积分下限$t = 0$,上限$t = \frac{\pi}{2}$,得到:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin t\cdot\cos t + \cos t\cdot(-\sin t) + e^t\cdot e^t}{\sqrt{\sin^2 t + \cos^2 t + (e^t)^2}}dt$
- 化简被积函数:
根据三角函数的平方关系$\sin^2 t + \cos^2 t = 1$,对上式进行化简:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin t\cos t - \cos t\sin t + e^{2t}}{\sqrt{1 + e^{2t}}}dt=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{e^{2t}}{\sqrt{1 + e^{2t}}}dt$ - 换元计算定积分:
令$u = 1 + e^{2t}$,则$du = 2e^{2t}dt$,即$e^{2t}dt=\frac{1}{2}du$。
当$t = 0$时,$u = 1 + e^{2\times0}=2$;当$t = \frac{\pi}{2}$时,$u = 1 + e^{2\times\frac{\pi}{2}}=1 + e^{\pi}$。
将$e^{2t}dt=\frac{1}{2}du$和积分上下限代入$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{e^{2t}}{\sqrt{1 + e^{2t}}}dt$中,得到:
$\int_{2}^{1 + e^{\pi}}\frac{1}{2\sqrt{u}}du=\frac{1}{2}\int_{2}^{1 + e^{\pi}}u^{-\frac{1}{2}}du$
根据积分公式$\int x^n dx=\frac{x^{n + 1}}{n + 1}+C(n\neq -1)$,可得:
$\frac{1}{2}\int_{2}^{1 + e^{\pi}}u^{-\frac{1}{2}}du=\frac{1}{2}\times\frac{u^{\frac{1}{2}}}{\frac{1}{2}}\big|_{2}^{1 + e^{\pi}}=\sqrt{u}\big|_{2}^{1 + e^{\pi}}$ - 计算定积分的值:
将积分上下限代入$\sqrt{u}\big|_{2}^{1 + e^{\pi}}$中,得到:
$\sqrt{1 + e^{\pi}} - \sqrt{2}$