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数学
题目

28.(判断题,2.0分)设L为包围原点的任意光滑简单闭曲线,oint_(L)(xmathrm(d)y-ymathrm(d)x)/(x^2)+y^(2)=2pi.A 对B 错

28.(判断题,2.0分) 设L为包围原点的任意光滑简单闭曲线,$\oint_{L}\frac{x\mathrm{d}y-y\mathrm{d}x}{x^{2}+y^{2}}=2\pi$. A 对 B 错

题目解答

答案

设 $ L $ 为包围原点的光滑简单闭曲线,考虑向量场 $ \mathbf{F} = \left( -\frac{y}{x^2 + y^2}, \frac{x}{x^2 + y^2} \right) $。直接应用格林公式在包含原点的区域上不适用,因为向量场在原点无定义。 取小圆 $ L_1: x = r\cos\theta, y = r\sin\theta $(半径 $ r $),则 \[ \oint_{L_1} \frac{x\,dy - y\,dx}{x^2 + y^2} = \int_0^{2\pi} d\theta = 2\pi. \] 由 $ L $ 和 $ L_1 $ 围成的区域无奇点,格林公式得 \[ \oint_{L} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = \oint_{L_1} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = 2\pi. \] 故原陈述正确,答案为 $\boxed{A}$。

解析

考查要点:本题主要考查对格林公式的理解及其在存在奇点情况下的应用,以及环路积分的计算技巧。

解题核心思路:

  1. 识别奇点:被积函数在原点处无定义,需绕过奇点构造辅助闭曲线。
  2. 格林公式的修正应用:在包围原点的闭曲线外构造小圆,利用格林公式证明不同闭曲线上的积分相等。
  3. 直接计算小圆积分:通过参数化小圆,直接计算积分值为$2\pi$,从而得出原命题正确。

破题关键点:

  • 奇点处理:当积分路径包围奇点时,直接应用格林公式失效,需通过构造辅助闭曲线绕过奇点。
  • 积分与路径无关性:在无奇点的区域内,闭曲线积分仅与是否包围奇点有关,与具体路径无关。

步骤1:分析奇点与格林公式适用性

被积函数$\frac{x\,dy - y\,dx}{x^2 + y^2}$在原点$(0,0)$处无定义,因此当闭曲线$L$包围原点时,向量场在积分区域内存在奇点,直接应用格林公式不成立。

步骤2:构造辅助闭曲线$L_1$

取半径为$r$的小圆$L_1: x = r\cos\theta, y = r\sin\theta$($0 \leq \theta < 2\pi$),该曲线包围原点且与$L$构成无奇点的区域。

步骤3:计算小圆$L_1$上的积分

参数化$L_1$,计算得:
$\begin{aligned}x\,dy - y\,dx &= (r\cos\theta)(r\cos\theta\,d\theta) - (r\sin\theta)(-r\sin\theta\,d\theta) \\&= r^2 (\cos^2\theta + \sin^2\theta)\,d\theta = r^2\,d\theta, \\x^2 + y^2 &= r^2.\end{aligned}$
积分化简为:
$\oint_{L_1} \frac{x\,dy - y\,dx}{x^2 + y^2} = \int_0^{2\pi} \frac{r^2\,d\theta}{r^2} = \int_0^{2\pi} d\theta = 2\pi.$

步骤4:应用格林公式比较$L$与$L_1$的积分

在$L$与$L_1$围成的无奇点区域内,格林公式表明两闭曲线上的积分相等,即:
$\oint_{L} \frac{x\,dy - y\,dx}{x^2 + y^2} = \oint_{L_1} \frac{x\,dy - y\,dx}{x^2 + y^2} = 2\pi.$

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