题目
曲线积分 I = oint_(L) (x^2 + y^2), ds,其中 L 是圆心在原点,半径为 a 的圆周,则计算 I 得A. 2pi a^3B. 1C. piD. a^2
曲线积分 $I = \oint_{L} (x^2 + y^2)\, ds$,其中 $L$ 是圆心在原点,半径为 $a$ 的圆周,则计算 $I$ 得
A. $2\pi a^3$
B. $1$
C. $\pi$
D. $a^2$
题目解答
答案
将圆周参数化为 $ x = a\cos t $,$ y = a\sin t $,其中 $ t \in [0, 2\pi] $。计算弧长元素 $ ds = a\,dt $。代入曲线积分得:
\[
I = \int_{0}^{2\pi} (a^2\cos^2 t + a^2\sin^2 t) a\,dt = \int_{0}^{2\pi} a^3\,dt = a^3 \cdot 2\pi = 2\pi a^3.
\]
因此,正确答案为 $\boxed{A}$。
解析
本题考查第一类曲线积分的计算。解题思路是先将圆周曲线进行参数化表示,然后求出弧长元素 $ds$,最后将参数方程和弧长元素代入代入曲线积分表达式进行计算。
- 参数化曲线 $L$**:
已知 $L$ 是圆心在原点,半径为 $a$ 的圆周,根据圆的参数方程形式,可将其参数化为 $x = a\cos t$,$y = a\sin t$,其中 $t$ 的取值范围是 $[0, 2\pi]$。 - 计算弧长元素 $ds$计算公式计算公式为**:
根据弧长元素公式 $ds=\sqrt{(\frac{dx}{dt})^2 + (\frac{dy}{dt})^2}dt$,对 $x = a\cos t$ 求导,根据求导公式 $(\cos t)^\prime=-\sin t$,可得 $\frac{dx}{dt}=-a\sin t$;对 $y = a\sin t$ 求导,根据求导公式 $(\sin t)^\prime=\cos t$,可得 $\frac{dy}{dt}=a\cos t$。
将 $\frac{dx}{dt}=-a\sin t$ 和 $\frac{dy}{dt}{dt}=a\cos t$ 代入弧长元素公式可得:
$\begin{align*}ds&=\sqrtsqrt \sqrt{(-a\sin t)^2 + (a\cos t)^2}dt\\&=\sqrt{a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t}dt\\&=\sqrt{a^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}dt\end{align*}$
根据三角函数的平方关系 $\sin^2 t + \cos^2 t = 1$,则有:
$\begin{align*}ds&=\sqrt{a^2\times1}dt\\&=a dt\end{align*}$ - 将参数方程和弧长元素代入曲线积分表达式:
已知曲线积分 $I = \oint_{L} (x^2 + y^2)ds$,将 $x = a\cos t$,$y = a\sin t$ 和 $ds = a dt$ 代入可得:
$\begin{align*}I&=\int_{0}^{2\pi} (a^2\cos^2 t + a^2\sin^2 t) a dt\\&=\int_{0}^{2\pi} a^2(\cos^2 t + \sin^2 t) a dt\end{align*}$
再根据三角函数的平方关系 $\sin^2 t + \cos^2 t = 1$,上式可化简为:
$\begin{align*}I&=\int_{0}^{2\pi} a^2\times1\times a dt\\&=\int_{0}^{2\pi} a^3 dt\end{align*}$ - 计算定积分:
根据定积分的计算法则 $\int_{b}^{c}^{d} k dt=k(d - c)$($k$ 为常数),对 $\int_{0}^{2\pi} a^3 dt$ 进行计算,其中 $k = a^3$,$c = 0$,$6) \(d = 2\pi$,可得:
$\begin{align*}I&=a^3\times(2\pi - 0)\\&= 2\pi a^3\end{align*}$