题目
设 L 是圆周 x^2 + y^2 = a^2,逆时针方向. 则曲线积分 oint_(L) (-ydx + xdy)/(x^2 + y^2) = ( ).A. pi aB. 2piC. piD. 0
设 $L$ 是圆周 $x^2 + y^2 = a^2$,逆时针方向. 则曲线积分 $\oint_{L} \frac{-ydx + xdy}{x^2 + y^2} = (\quad)$.
A. $\pi a$
B. $2\pi$
C. $\pi$
D. $0$
题目解答
答案
B. $2\pi$
解析
考查要点:本题主要考查曲线积分的计算方法,特别是对闭合曲线积分的理解,以及如何处理积分路径包围奇点的情况。
解题核心思路:
- 参数方程法:将圆周方程参数化为三角函数形式,直接代入积分表达式计算。
- 格林公式法:需注意积分路径是否包围奇点(原点),若包围则需修正格林公式的应用。
破题关键点:
- 分母简化:圆周方程为$x^2 + y^2 = a^2$,分母$x^2 + y^2$可直接替换为$a^2$,简化积分式。
- 奇点处理:若使用格林公式,需意识到原点处的奇点导致积分结果不为零,此时需结合环路积分的性质或参数方程法直接计算。
方法一:参数方程法
- 参数化圆周:
圆周方程$x^2 + y^2 = a^2$的参数方程为:
$x = a \cos t, \quad y = a \sin t \quad (t \in [0, 2\pi]).$ - 计算微分:
$dx = -a \sin t \, dt, \quad dy = a \cos t \, dt.$ - 代入积分式:
分子$-ydx + xdy$展开为:
$-ydx = -a \sin t \cdot (-a \sin t \, dt) = a^2 \sin^2 t \, dt,$
$xdy = a \cos t \cdot a \cos t \, dt = a^2 \cos^2 t \, dt.$
分母$x^2 + y^2 = a^2$,因此积分式化简为:
$\oint_{L} \frac{-ydx + xdy}{a^2} = \frac{1}{a^2} \int_{0}^{2\pi} (a^2 \sin^2 t + a^2 \cos^2 t) \, dt = \int_{0}^{2\pi} dt = 2\pi.$
方法二:格林公式法(修正奇点)
- 格林公式形式:
$\oint_{L} Pdx + Qdy = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) dxdy.$
但原点处奇点导致$\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 0$,需挖去原点的小圆弧$L_\epsilon$,此时积分值为$2\pi$(与路径无关,仅与圈数相关)。