题目
设 L 为 x^2 + y^2 = a^2 的顺时针方向,则 oint_(L) xy^2 dy - yx^2 dx = (). A. (1)/(2) pi a^4B. -pi a^4C. pi a^4D. -(1)/(2) pi a^4
设 $L$ 为 $x^2 + y^2 = a^2$ 的顺时针方向,则 $\oint_{L} xy^2 dy - yx^2 dx = ()$.
- A. $\frac{1}{2} \pi a^4$
- B. $-\pi a^4$
- C. $\pi a^4$
- D. $-\frac{1}{2} \pi a^4$
题目解答
答案
为了求解曲线积分 $\oint_{L} xy^2 \, dy - yx^2 \, dx$,其中 $L$ 是圆 $x^2 + y^2 = a^2$ 的顺时针方向,我们可以使用格林公式。格林公式指出,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 $P(x, y)$ 和 $Q(x, y)$ 在 $D$ 上具有一阶连续偏导数,那么
\[
\oint_{C} (P \, dx + Q \, dy) = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \, dA.
\]
在本题中,我们有 $P(x, y) = -yx^2$ 和 $Q(x, y) = xy^2$。首先,我们计算偏导数:
\[
\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} (xy^2) = y^2,
\]
\[
\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (-yx^2) = -x^2.
\]
代入格林公式,我们得到
\[
\oint_{L} xy^2 \, dy - yx^2 \, dx = \iint_{D} \left( y^2 - (-x^2) \right) \, dA = \iint_{D} (x^2 + y^2) \, dA.
\]
由于 $L$ 是顺时针方向,格林公式中的曲线积分需要取负号,即
\[
\oint_{L} xy^2 \, dy - yx^2 \, dx = -\iint_{D} (x^2 + y^2) \, dA.
\]
现在,我们计算二重积分 $\iint_{D} (x^2 + y^2) \, dA$。使用极坐标变换 $x = r \cos \theta$ 和 $y = r \sin \theta$,其中 $0 \leq r \leq a$ 和 $0 \leq \theta \leq 2\pi$,我们有 $x^2 + y^2 = r^2$ 和 $dA = r \, dr \, d\theta$。因此,
\[
\iint_{D} (x^2 + y^2) \, dA = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{a} r^2 \cdot r \, dr \, d\theta = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{a} r^3 \, dr \, d\theta.
\]
先对 $r$ 积分,我们得到
\[
\int_{0}^{a} r^3 \, dr = \left[ \frac{r^4}{4} \right]_{0}^{a} = \frac{a^4}{4}.
\]
再对 $\theta$ 积分,我们得到
\[
\int_{0}^{2\pi} \frac{a^4}{4} \, d\theta = \frac{a^4}{4} \left[ \theta \right]_{0}^{2\pi} = \frac{a^4}{4} \cdot 2\pi = \frac{\pi a^4}{2}.
\]
因此,
\[
\iint_{D} (x^2 + y^2) \, dA = \frac{\pi a^4}{2},
\]
从而
\[
\oint_{L} xy^2 \, dy - yx^2 \, dx = -\frac{\pi a^4}{2}.
\]
所以,正确答案是
\[
\boxed{D}.
\]
解析
本题考查格林公式的应用。解题思路是先根据格林公式将曲线积分转化为二重积分,然后利用极坐标变换计算二重积分。
- 首先根据格林公式,对于曲线积分积分$\oint_{L} Pdx + Qdy$,有$\oint_{L} Pdx + Qdy = \iint_{D} \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA$。在本题中$P = -yx^2$,$Q = xy^2$。
- 计算偏导数:$\(\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(xy^2) = y^2$;$\frac{\partial P}{\partial y y} = \frac{\partial}{\partial y}(-yx^2) = -x^2$。
- 代入格林公式可得$\oint_{L} xy^2 dy - yx^2 dx = \iint_{D} (y^2 - (-x^2)) dA = \iint_{D} (x^2 + y^2) dA$。
- 由于曲线$L$是顺时针方向,格林公式中的曲线积分需要取负号,即$\oint_{L} xy^2 dy - yx^2 dx = -\iint_{D} (x^2 + y^2) dA$。
- 然后使用极坐标变换$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,其中$x^2 + y^2 = r^2$,$dA = rdr d\theta$,积分区域\(0, 0)到(2\pi, 0)到(0, a)。
- 则$\iint_{D} (x^2 + y^2) dA = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{a} r^2 \cdot rdr d\theta$。
- 先对$r$积分:$\int_{0}^{a} r^3 dr = \left[\frac{r^4}{4}\right]_{0}^{a} = \frac{a^4}{4}$。
- 再对$\theta$积分:$\int_{0}^{2\pi} \frac{a^4}{4} d\theta = \frac{a^4}{4} \left[\theta\right]_{0}^{2\pi} = \frac{a^4}{4}cdot 2\pi = \frac{\pi a^4}{2}$。
- 所以$\oint_{L} xy^2 dy - yx^2 dx = -\frac{\pi a^4}{2}$。