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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:

  1. 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。
  2. 确定P和Q:将曲线积分表达式拆分为$P(x,y)$和$Q(x,y)$。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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
$5 \times 4\pi = 20\pi$

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