题目
计算下列对坐标的曲线积分:-|||-xydx,其中L为圆周 ((x-a))^2+(y)^2=(a)^2(agt 0) 及x轴所围成的在第-|||-一象限内的区域的整个边界(按逆时针方向绕行);
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查对坐标的曲线积分的计算,涉及参数方程的应用及分项积分法。
解题核心思路:
- 确定积分路径:曲线L由上半圆弧L₁和x轴上的线段L₂组成,需注意方向。
- 参数化曲线:对L₁使用参数方程,L₂因y=0可直接判断积分值为0。
- 分项积分:将被积函数拆分为易积分的形式,利用三角函数的积分公式简化计算。
破题关键点:
- 路径分解:正确识别L的构成,明确各段的方向。
- 参数方程选择:合理选择参数t的范围,确保积分上下限正确。
- 积分技巧:利用降幂公式和换元法处理三角函数积分。
曲线L的构成
曲线L由两部分组成:
- L₁:上半圆弧,参数方程为:
$\begin{cases} x = a + a\cos t, \\ y = a\sin t, \end{cases} \quad t \in [0, \pi]$
对应从点$(2a, 0)$逆时针移动到$(0, 0)$。 - L₂:线段$y=0$,$x$从$0$到$2a$,积分时$y=0$,故$\int_{L_2} xy \, dx = 0$。
计算L₁上的积分
将参数方程代入积分:
$\int_{L_1} xy \, dx = \int_{0}^{\pi} (a + a\cos t)(a\sin t) \cdot (-a\sin t) \, dt$
展开被积函数:
$= -a^3 \int_{0}^{\pi} (1 + \cos t)\sin^2 t \, dt$
分项积分:
- 第一项:$\int_{0}^{\pi} \sin^2 t \, dt$
利用降幂公式$\sin^2 t = \frac{1 - \cos 2t}{2}$,积分结果为$\frac{\pi}{2}$。 - 第二项:$\int_{0}^{\pi} \sin^2 t \cos t \, dt$
换元法:令$u = \sin t$,则积分变为$\int_{0}^{0} u^2 \, du = 0$。
综上,积分结果为:
$-a^3 \left( \frac{\pi}{2} + 0 \right) = -\frac{\pi}{2} a^3$