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:
-
直线段:$\boxed{\frac{1+i}{2}}$
-
抛物线段:$\boxed{\frac{1}{2} + \frac{2i}{3}}$
-
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:
- 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。
- 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。
- 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:
-
沿$x$轴从$0$到$1$:
- 参数化:$z(t) = t, \, t \in [0,1]$
- 积分:$\int_0^1 t \cdot dt = \frac{1}{2}$
-
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
$\int_C x \, dz = \frac{1}{2} + i$