设 overparen(AB) 为圆周 x^2 + y^2 = 1 上自点 A(1,0) 到点 B(0,1) 的一段,则 int_(overparen{AB)} x , dx=A. int_(0)^(pi)/(2) x , dx = (pi^2)/(8)B. int_(0)^(pi)/(2) costheta sintheta , dtheta = (1)/(2)C. int_(0)^1 x , dx = (1)/(2)D. int_(1)^0 x , dx = -(1)/(2)
A. $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} x \, dx = \frac{\pi^2}{8}$
B. $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta \sin\theta \, d\theta = \frac{1}{2}$
C. $\int_{0}^{1} x \, dx = \frac{1}{2}$
D. $\int_{1}^{0} x \, dx = -\frac{1}{2}$
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查曲线积分的计算,特别是对参数方程法的应用,以及积分方向的处理。
解题核心思路:
- 参数化曲线:将圆弧段$\overparen{AB}$用参数$\theta$表示,利用单位圆的参数方程$x = \cos\theta$,$y = \sin\theta$,其中$\theta$从$0$到$\frac{\pi}{2}$。
- 计算微分$dx$:通过参数方程求导,得到$dx = -\sin\theta \, d\theta$。
- 代入积分并化简:将$x$和$dx$代入原积分,转化为关于$\theta$的定积分,利用三角恒等式或变量代换简化计算。
- 注意积分方向:参数$\theta$的增加方向对应积分路径的方向,需确保上下限与路径一致。
破题关键点:
- 正确参数化曲线是基础,需明确$\theta$的范围。
- 符号处理是易错点,尤其是$dx$的负号和积分上下限的对应关系。
- 选项辨析需结合计算结果,注意积分结果的正负。
参数化曲线
将圆弧$\overparen{AB}$参数化为:
$x = \cos\theta, \quad y = \sin\theta, \quad \theta \in [0, \frac{\pi}{2}].$
计算微分$dx$
对$x = \cos\theta$求导得:
$dx = -\sin\theta \, d\theta.$
代入积分
原积分转化为:
$\int_{\overparen{AB}} x \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta \cdot (-\sin\theta) \, d\theta = -\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta \sin\theta \, d\theta.$
化简积分
利用三角恒等式$\cos\theta \sin\theta = \frac{1}{2}\sin(2\theta)$:
$-\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta \sin\theta \, d\theta = -\frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin(2\theta) \, d\theta.$
积分结果为:
$-\frac{1}{2} \left[ -\frac{1}{2} \cos(2\theta) \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = -\frac{1}{2} \left( \frac{1}{2} [-1 - 1] \right) = -\frac{1}{2} \cdot (-1) = -\frac{1}{2}.$
变量代换验证
令$u = \cos\theta$,则当$\theta$从$0$到$\frac{\pi}{2}$时,$u$从$1$到$0$,且$du = -\sin\theta \, d\theta$。积分变为:
$-\int_{1}^{0} u \, du = \int_{0}^{1} u \, du = \frac{1}{2}.$
但原积分方向为从$A$到$B$,对应$u$从$1$到$0$,故结果为$-\frac{1}{2}$。