题目
5、计算intsqrt(y)ds,其中L是抛物线y=x^2上点(0,0)到(1,1)的一段弧.
5、计算$\int\sqrt{y}ds$,其中L是抛物线$y=x^{2}$上点(0,0)到(1,1)的一段弧.
题目解答
答案
将曲线 $L$ 表示为 $y = x^2$,则 $ds = \sqrt{1 + (2x)^2} \, dx = \sqrt{1 + 4x^2} \, dx$。
代入被积函数得:
\[
\int_L \sqrt{y} \, ds = \int_0^1 x \sqrt{1 + 4x^2} \, dx
\]
令 $u = 1 + 4x^2$,则 $du = 8x \, dx$,积分变为:
\[
\frac{1}{8} \int_1^5 \sqrt{u} \, du = \frac{1}{8} \cdot \frac{2}{3} \left( 5\sqrt{5} - 1 \right) = \frac{1}{12} \left( 5\sqrt{5} - 1 \right)
\]
**答案:**
\[
\boxed{\frac{1}{12} (5\sqrt{5} - 1)}
\]
解析
考查要点:本题主要考查曲线积分的计算方法,特别是对弧长元素的理解与应用,以及换元积分法的运用。
解题核心思路:
- 参数化曲线:将抛物线段用参数方程表示,选择$x$作为参数。
- 表达弧长元素$ds$:利用公式$ds = \sqrt{1 + \left( \frac{dy}{dx} \right)^2} dx$。
- 代入被积函数:将$y = x^2$代入$\sqrt{y}$,转化为关于$x$的定积分。
- 换元积分:通过变量代换简化积分表达式,计算定积分。
破题关键点:
- 正确表达$ds$是解题基础,需注意导数的平方项。
- 变量代换的选择直接影响积分复杂度,需合理选择$u = 1 + 4x^2$。
参数化曲线与弧长元素
曲线$L$为抛物线$y = x^2$,参数$x$从$0$到$1$。
弧长元素$ds$的计算公式为:
$ds = \sqrt{1 + \left( \frac{dy}{dx} \right)^2} dx = \sqrt{1 + (2x)^2} dx = \sqrt{1 + 4x^2} dx.$
转化为定积分
被积函数$\sqrt{y}$代入$y = x^2$得$\sqrt{x^2} = x$(因$x \geq 0$)。
原积分转化为:
$\int_L \sqrt{y} \, ds = \int_0^1 x \cdot \sqrt{1 + 4x^2} \, dx.$
换元积分
令$u = 1 + 4x^2$,则$du = 8x \, dx$,即$x \, dx = \frac{du}{8}$。
当$x = 0$时,$u = 1$;当$x = 1$时,$u = 5$。
积分变为:
$\frac{1}{8} \int_1^5 \sqrt{u} \, du.$
计算定积分
积分$\int \sqrt{u} \, du$的结果为$\frac{2}{3} u^{3/2}$,代入上下限:
$\frac{1}{8} \cdot \frac{2}{3} \left[ 5\sqrt{5} - 1 \right] = \frac{1}{12} \left( 5\sqrt{5} - 1 \right).$