计算int_(L)(x+y)dx+(y-x)dy,其中L是:曲线x=2t^2+t+1,y=t^2+1上从点(1,1)到点(4,2)的一段弧.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查第二类曲线积分的计算,需要将参数方程代入积分表达式,转化为定积分求解。
解题思路:
- 参数方程确定积分上下限:根据曲线起点和终点坐标,求出对应的参数$t$的取值范围。
- 计算微分$dx$和$dy$:对参数方程求导,得到$dx$和$dy$的表达式。
- 代入积分表达式:将$x$、$y$、$dx$、$dy$全部用参数$t$表示,转化为关于$t$的定积分。
- 化简并计算定积分:展开被积函数,逐项积分后求和。
关键点:
- 参数范围的确定:通过代入起点和终点坐标求出$t$的值。
- 微分计算:正确求导参数方程得到$dx$和$dy$。
- 代数化简:展开并合并同类项,避免计算错误。
参数方程与积分上下限
曲线参数方程为:
$x = 2t^2 + t + 1, \quad y = t^2 + 1$
- 起点$(1,1)$:代入$x=1$得$2t^2 + t + 1 = 1 \Rightarrow t=0$,对应$y=1$。
- 终点$(4,2)$:代入$x=4$得$2t^2 + t + 1 = 4 \Rightarrow t=1$,对应$y=2$。
因此,积分上下限为$t=0$到$t=1$。
计算微分$dx$和$dy$
对参数方程求导:
$dx = (4t + 1)dt, \quad dy = 2t \, dt$
代入积分表达式
将$x+y$和$y-x$代入原积分:
$\begin{aligned}x + y &= (2t^2 + t + 1) + (t^2 + 1) = 3t^2 + t + 2, \\y - x &= (t^2 + 1) - (2t^2 + t + 1) = -t^2 - t.\end{aligned}$
原积分转化为:
$\int_{0}^{1} \left[ (3t^2 + t + 2)(4t + 1) + (-t^2 - t)(2t) \right] dt$
化简被积函数
展开并合并同类项:
$\begin{aligned}(3t^2 + t + 2)(4t + 1) &= 12t^3 + 7t^2 + 9t + 2, \\(-t^2 - t)(2t) &= -2t^3 - 2t^2, \\\text{总和} &= 10t^3 + 5t^2 + 9t + 2.\end{aligned}$
计算定积分
逐项积分:
$\int_{0}^{1} (10t^3 + 5t^2 + 9t + 2) dt = \left[ \frac{5t^4}{2} + \frac{5t^3}{3} + \frac{9t^2}{2} + 2t \right]_{0}^{1}$
代入上下限:
$\frac{5}{2} + \frac{5}{3} + \frac{9}{2} + 2 = \frac{32}{3}$