封闭曲线l的积分xy平面半径为1,且方向为逆时针的圆,矢量F=xey-yex,则它的环量____pi,而矢量的旋度为______。
封闭曲线l的积分xy平面半径为1,且方向为逆时针的圆,矢量F=xey-yex,则它的环量____pi,而矢量的旋度为______。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查矢量场的环量计算和旋度的计算,涉及线积分与微分运算的应用。
解题核心思路:
- 环量计算:通过参数化闭合曲线,将线积分转化为定积分计算,利用三角恒等式简化积分过程。
- 旋度计算:直接应用二维矢量场旋度的公式,计算偏导数后求差值。
破题关键点:
- 参数化圆的方程:利用三角函数表示圆的坐标,简化积分变量。
- 旋度公式的应用:明确二维旋度仅需计算z分量,避免三维旋度的复杂推导。
环量计算
-
参数化曲线:
封闭曲线为半径1的圆,参数方程为:
$x = \cos t, \quad y = \sin t \quad (0 \leq t < 2\pi)$
计算微分:
$dx = -\sin t \, dt, \quad dy = \cos t \, dt$ -
代入积分表达式:
环量积分形式为:
$\oint_l (-y \, dx + x \, dy)$
代入参数化结果:
$\int_0^{2\pi} \left[ \sin t \cdot \sin t + \cos t \cdot \cos t \right] dt = \int_0^{2\pi} (\sin^2 t + \cos^2 t) \, dt$ -
简化积分:
利用三角恒等式 $\sin^2 t + \cos^2 t = 1$,得:
$\int_0^{2\pi} 1 \, dt = 2\pi$
旋度计算
-
确定分量:
矢量场 $\mathbf{F} = -y \mathbf{e}_x + x \mathbf{e}_y$,对应分量为 $P = -y$,$Q = x$。 -
应用旋度公式:
二维旋度的z分量为:
$\nabla \times \mathbf{F} = \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \mathbf{e}_z$
计算偏导数:
$\frac{\partial Q}{\partial x} = 1, \quad \frac{\partial P}{\partial y} = -1$
因此:
$\nabla \times \mathbf{F} = (1 - (-1)) \mathbf{e}_z = 2 \mathbf{e}_z$