题目
计算下列对坐标的曲线积分:-|||-(int )_(L)((x)^2-2xy)dx+((y)^2-2xy)dy, 其中L是抛物线 =(x)^2 上从点 (-1,1)-|||-到点(1,1)的一段弧.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查对坐标的曲线积分的计算方法,涉及参数方程法和对称性简化积分的技巧。
解题核心思路:
- 参数化曲线:将抛物线段$y = x^2$用参数$x$表示,将曲线积分转化为关于$x$的定积分。
- 变量代换:将被积函数中的$y$替换为$x^2$,并用$dy = 2x \, dx$替换$dy$。
- 对称性简化:利用被积函数的奇偶性,将对称区间$[-1,1]$的积分转化为非对称区间的计算,减少计算量。
破题关键点:
- 正确代换:确保将$y$和$dy$正确代入被积函数。
- 奇偶性判断:识别被积函数中奇函数和偶函数的部分,利用对称区间积分性质简化计算。
参数化曲线
抛物线段$L$的参数方程为:
$y = x^2, \quad dy = 2x \, dx, \quad x \in [-1, 1].$
代换被积函数
将$y = x^2$代入被积函数:
- $dx$部分:
$x^2 - 2xy = x^2 - 2x \cdot x^2 = x^2 - 2x^3.$ - $dy$部分:
$y^2 - 2xy = (x^2)^2 - 2x \cdot x^2 = x^4 - 2x^3.$
再乘以$dy = 2x \, dx$,得:
$(x^4 - 2x^3) \cdot 2x \, dx = (2x^5 - 4x^4) \, dx.$
合并积分表达式
将两部分合并,原积分变为:
$\int_{-1}^{1} \left[ (x^2 - 2x^3) + (2x^5 - 4x^4) \right] dx = \int_{-1}^{1} (2x^5 - 4x^4 - 2x^3 + x^2) \, dx.$
利用对称性简化
被积函数分解为奇函数和偶函数:
- 奇函数部分:$2x^5 - 2x^3$,在对称区间积分结果为$0$。
- 偶函数部分:$-4x^4 + x^2$,积分可简化为:
$2 \int_{0}^{1} (-4x^4 + x^2) \, dx.$
计算定积分
计算偶函数部分的积分:
$\begin{aligned}\int_{0}^{1} (-4x^4 + x^2) \, dx &= \left[ -\frac{4}{5}x^5 + \frac{1}{3}x^3 \right]_{0}^{1} \\&= -\frac{4}{5} + \frac{1}{3} = -\frac{12}{15} + \frac{5}{15} = -\frac{7}{15}.\end{aligned}$
最终结果为:
$2 \cdot \left( -\frac{7}{15} \right) = -\frac{14}{15}.$