题目
2、利用格林公式计算曲线积分oint_(L)(y^2+x)dx+(2xy+5x+sin^2y)dy,其中L为圆域D:x^2+y^2leq4的边界曲线,取逆时针方向.
2、利用格林公式计算曲线积分$\oint_{L}(y^{2}+x)dx+(2xy+5x+\sin^{2}y)dy$,其中L为圆域$D:x^{2}+y^{2}\leq4$的边界曲线,取逆时针方向.
题目解答
答案
为了利用格林公式计算曲线积分$\oint_{L}(y^{2}+x)dx+(2xy+5x+\sin^{2}y)dy$,其中$L$为圆域$D:x^{2}+y^{2}\leq4$的边界曲线,取逆时针方向,我们首先回顾格林公式。格林公式表明,对于一个正向、分段光滑、简单闭合曲线$L$和由$L$包围的区域$D$,如果$P$和$Q$在包含$D$的开区域内具有连续的偏导数,那么
\[
\oint_{L} P\, dx + Q\, dy = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \, dA.
\]
这里,$P(x, y) = y^2 + x$和$Q(x, y) = 2xy + 5x + \sin^2 y$。我们需要计算偏导数$\frac{\partial Q}{\partial x}$和$\frac{\partial P}{\partial y}$。
\[
\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(2xy + 5x + \sin^2 y) = 2y + 5,
\]
\[
\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(y^2 + x) = 2y.
\]
因此,格林公式中的被积函数为
\[
\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = (2y + 5) - 2y = 5.
\]
所以,曲线积分变为
\[
\oint_{L} (y^2 + x) \, dx + (2xy + 5x + \sin^2 y) \, dy = \iint_{D} 5 \, dA.
\]
二重积分$\iint_{D} 5 \, dA$等于区域$D$的面积的5倍。区域$D$是一个半径为2的圆,所以它的面积为
\[
\pi \times 2^2 = 4\pi.
\]
因此,
\[
\iint_{D} 5 \, dA = 5 \times 4\pi = 20\pi.
\]
因此,曲线积分的值为
\[
\boxed{20\pi}.
\]
解析
考查要点:本题主要考查格林公式的应用,即将闭合曲线上的曲线积分转化为二重积分进行计算。关键在于正确计算偏导数并简化被积表达式,最后结合区域面积求解。
解题核心思路:
- 识别题目条件:曲线为闭合、逆时针方向,符合格林公式应用条件。
- 确定P和Q:将曲线积分表达式拆分为$P(x,y)$和$Q(x,y)$。
- 计算偏导数:分别求$\frac{\partial Q}{\partial x}$和$\frac{\partial P}{\partial y}$,并代入格林公式。
- 简化积分:若被积函数为常数,则二重积分结果为常数乘以区域面积。
- 计算区域面积:本题中区域为半径2的圆,面积公式直接应用。
破题关键点:
- 正确计算偏导数,尤其注意$\sin^2 y$对$x$求导时为0。
- 识别被积函数简化为常数,从而快速转化为面积计算。
步骤1:应用格林公式
根据格林公式:
$\oint_{L} P\, dx + Q\, dy = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \, dA$
其中,$P = y^2 + x$,$Q = 2xy + 5x + \sin^2 y$。
步骤2:计算偏导数
- $\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(2xy + 5x + \sin^2 y) = 2y + 5$
- $\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(y^2 + x) = 2y$
步骤3:构造被积函数
$\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = (2y + 5) - 2y = 5$
步骤4:转化为面积计算
二重积分变为:
$\iint_{D} 5 \, dA = 5 \cdot \text{区域}D\text{的面积}$
区域$D$是半径为2的圆,面积为:
$\pi \times 2^2 = 4\pi$
步骤5:最终结果
$5 \times 4\pi = 20\pi$