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数学
题目

计算 int_(C) Re(z) , dz,其中 C 为(1) 从原点到点 1+i 的直线段.(2) 抛物线 y=x^2 上从原点到点 1+i 的弧段.(3) 从原点沿 x 轴到点 1 再到 1+i 的折线.

计算 $\int_{C} Re(z) \, dz$,其中 $C$ 为 (1) 从原点到点 $1+i$ 的直线段. (2) 抛物线 $y=x^2$ 上从原点到点 $1+i$ 的弧段. (3) 从原点沿 $x$ 轴到点 $1$ 再到 $1+i$ 的折线.

题目解答

答案

我们来依次计算复平面上的积分:

$\int_C \operatorname{Re}(z) \, dz$

其中 $ z = x + iy $,所以 $ \operatorname{Re}(z) = x $,积分可以写为:

$\int_C x \, dz$

(1) 从原点到点 $1+i$ 的直线段

参数化曲线

从原点 $0$ 到点 $1+i$ 的直线段可以参数化为:

$z(t) = t(1+i), \quad t \in [0,1]$

所以:

  • $ x(t) = \operatorname{Re}(z(t)) = t $
  • $ dz = z'(t) dt = (1+i) dt $

代入积分:

$\int_C x \, dz = \int_0^1 t (1+i) \, dt = (1+i) \int_0^1 t \, dt = (1+i) \cdot \frac{1}{2} = \frac{1+i}{2}$

(2) 抛物线 $y = x^2$ 上从原点到点 $1+i$ 的弧段

参数化曲线

我们可以用 $x$ 作为参数:

  • $ x = t $
  • $ y = t^2 $
  • $ z(t) = t + it^2 $, $ t \in [0,1] $

所以:

  • $ x(t) = t $
  • $ dz = z'(t) dt = (1 + 2it) dt $

代入积分:

$\int_C x \, dz = \int_0^1 t (1 + 2it) \, dt = \int_0^1 (t + 2i t^2) \, dt$

分别计算实部和虚部:

  • 实部:$\int_0^1 t \, dt = \frac{1}{2}$
  • 虚部:$\int_0^1 2i t^2 \, dt = 2i \cdot \frac{1}{3} = \frac{2i}{3}$

所以:

$\int_C x \, dz = \frac{1}{2} + \frac{2i}{3}$

(3) 从原点沿 $x$ 轴到点 $1$ 再到 $1+i$ 的折线

我们把路径分成两段:

第一段:从 $0$ 到 $1$(沿 $x$ 轴)

参数化为:

  • $ z(t) = t $, $ t \in [0,1] $
  • $ x(t) = t $
  • $ dz = dt $

积分:

$\int_0^1 t \, dt = \frac{1}{2}$

第二段:从 $1$ 到 $1+i$(垂直向上)

参数化为:

  • $ z(t) = 1 + it $, $ t \in [0,1] $
  • $ x(t) = 1 $
  • $ dz = i dt $

积分:

$\int_0^1 1 \cdot i \, dt = i \cdot 1 = i$

合并两段:

$\int_C x \, dz = \frac{1}{2} + i$

最终答案汇总:

  1. 直线段:$\boxed{\frac{1+i}{2}}$

  2. 抛物线段:$\boxed{\frac{1}{2} + \frac{2i}{3}}$

  3. 折线段:$\boxed{\frac{1}{2} + i}$

解析

考查要点:本题主要考查复变函数沿不同路径的积分计算,需要掌握参数化曲线的方法,并能将复积分转化为实积分进行计算。

解题思路:

  1. 参数化曲线:根据不同的路径(直线、抛物线、折线),选择合适的参数化方式,将复积分转化为关于实变量的积分。
  2. 积分展开:将复积分拆分为实部和虚部分别计算,注意积分路径对积分结果的影响。
  3. 分段处理:对于折线路径,需将积分拆分为沿$x$轴和垂直方向的两段分别计算后相加。

关键点:参数化时需明确$z(t)$的表达式,正确计算$dz$,并代入被积函数$x$进行积分。

第(1)题:直线段路径

参数化曲线

从原点到$1+i$的直线段可参数化为:
$z(t) = t(1+i), \quad t \in [0,1]$
此时:
$x(t) = \operatorname{Re}(z(t)) = t, \quad dz = z'(t) dt = (1+i) dt$

计算积分

代入积分:
$\int_C x \, dz = \int_0^1 t \cdot (1+i) \, dt = (1+i) \int_0^1 t \, dt = (1+i) \cdot \frac{1}{2} = \frac{1+i}{2}$

第(2)题:抛物线路径

参数化曲线

沿抛物线$y=x^2$,参数化为:
$z(t) = t + it^2, \quad t \in [0,1]$
此时:
$x(t) = t, \quad dz = (1 + 2it) dt$

展开积分

积分展开为:
$\int_C x \, dz = \int_0^1 t \cdot (1 + 2it) \, dt = \int_0^1 (t + 2i t^2) \, dt$

分别计算实部和虚部

  • 实部:$\int_0^1 t \, dt = \frac{1}{2}$
  • 虚部:$\int_0^1 2i t^2 \, dt = 2i \cdot \frac{1}{3} = \frac{2i}{3}$

合并结果:
$\int_C x \, dz = \frac{1}{2} + \frac{2i}{3}$

第(3)题:折线路径

分段处理

路径分为两段:

  1. 沿$x$轴从$0$到$1$:

    • 参数化:$z(t) = t, \, t \in [0,1]$
    • 积分:$\int_0^1 t \cdot dt = \frac{1}{2}$
  2. 垂直从$1$到$1+i$:

    • 参数化:$z(t) = 1 + it, \, t \in [0,1]$
    • 积分:$\int_0^1 1 \cdot i \, dt = i$

合并结果

$\int_C x \, dz = \frac{1}{2} + i$

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