题目
(3)oint xds,其中L为由直线y=x及抛物线y=x^2所围成的区域的整个边界;
(3)$\oint xds$,其中L为由直线y=x及抛物线$y=x^{2}$所围成的区域的整个边界;
题目解答
答案
为了计算线积分 $\oint_L x \, ds$,其中 $L$ 是由直线 $y = x$ 和抛物线 $y = x^2$ 所围成的区域的整个边界,我们需要将边界 $L$ 分成两部分:直线段 $L_1$ 和抛物线段 $L_2$。然后,我们分别计算这两段上的线积分,最后将结果相加。
### 步骤1:找到交点
首先,找到直线 $y = x$ 和抛物线 $y = x^2$ 的交点。设 $x = x^2$,解得:
\[ x^2 - x = 0 \]
\[ x(x - 1) = 0 \]
\[ x = 0 \quad \text{或} \quad x = 1 \]
所以,交点为 $(0,0)$ 和 $(1,1)$。
### 步骤2:参数化直线段 $L_1$
直线段 $L_1$ 是从 $(0,0)$ 到 $(1,1)$ 的直线 $y = x$。可以参数化为:
\[ x = t, \quad y = t, \quad 0 \le t \le 1 \]
弧长元素 $ds$ 为:
\[ ds = \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2} \, dt = \sqrt{1^2 + 1^2} \, dt = \sqrt{2} \, dt \]
在 $L_1$ 上的线积分为:
\[ \int_{L_1} x \, ds = \int_0^1 t \cdot \sqrt{2} \, dt = \sqrt{2} \int_0^1 t \, dt = \sqrt{2} \left[ \frac{t^2}{2} \right]_0^1 = \sqrt{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{2}}{2} \]
### 步骤3:参数化抛物线段 $L_2$
抛物线段 $L_2$ 是从 $(1,1)$ 到 $(0,0)$ 的抛物线 $y = x^2$。可以参数化为:
\[ x = t, \quad y = t^2, \quad 1 \ge t \ge 0 \]
弧长元素 $ds$ 为:
\[ ds = \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2} \, dt = \sqrt{1^2 + (2t)^2} \, dt = \sqrt{1 + 4t^2} \, dt \]
在 $L_2$ 上的线积分为:
\[ \int_{L_2} x \, ds = \int_1^0 t \cdot \sqrt{1 + 4t^2} \, dt \]
令 $u = 1 + 4t^2$,则 $du = 8t \, dt$,即 $t \, dt = \frac{1}{8} du$。当 $t = 1$ 时,$u = 5$;当 $t = 0$ 时,$u = 1$。因此,积分变为:
\[ \int_{L_2} x \, ds = \int_5^1 \frac{1}{8} \sqrt{u} \, du = \frac{1}{8} \int_5^1 u^{1/2} \, du = \frac{1}{8} \left[ \frac{2}{3} u^{3/2} \right]_5^1 = \frac{1}{8} \cdot \frac{2}{3} \left( 1^{3/2} - 5^{3/2} \right) = \frac{1}{12} \left( 1 - \sqrt{125} \right) = \frac{1}{12} \left( 1 - 5\sqrt{5} \right) = \frac{1 - 5\sqrt{5}}{12} \]
### 步骤4:将两段线积分相加
总线积分为:
\[ \oint_L x \, ds = \int_{L_1} x \, ds + \int_{L_2} x \, ds = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1 - 5\sqrt{5}}{12} \]
### 最终答案
\[ \boxed{\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1 - 5\sqrt{5}}{12}} \]