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数学
题目

计算积分 int_(C) (x-y+ix^2) , dz,积分路径 C 是连接由 0 到 1+i 的直线段。

计算积分 $\int_{C} (x-y+ix^2) \, dz$,积分路径 $C$ 是连接由 $0$ 到 $1+i$ 的直线段。

题目解答

答案

设积分路径 $C$ 为连接 $0$ 到 $1+i$ 的直线段,参数化为 $z(t) = t + it$($t$ 从 $0$ 到 $1$)。则 $x = t$,$y = t$,$dz = (1+i)dt$。代入被积函数 $f(z) = x - y + ix^2$,得
$f(z(t)) = t - t + it^2 = it^2.$
积分变为
$\int_{0}^{1} it^2 (1+i) \, dt = (1+i) \int_{0}^{1} it^2 \, dt = (1+i) \cdot i \left[ \frac{t^3}{3} \right]_{0}^{1} = (1+i) \cdot \frac{i}{3} = \frac{i + i^2}{3} = \frac{i - 1}{3} = -\frac{1}{3} + \frac{i}{3}.$
答案: $\boxed{-\frac{1}{3} + \frac{i}{3}}$(或$\boxed{\frac{-1 + i}{3}}$)

解析

本题考查复变函数沿曲线的积分计算。解题思路是先将积分路径进行参数化,然后将参数方程代入被积函数和$dz$的表达式,最后将复变函数的积分转化为实变量的定积分进行计算。

  1. 参数化积分路径:
    已知积分路径$C$是连接$0$到$1 + i$的直线段,设其参数方程为$z(t)=x(t)+iy(t)$,$t\in[0,1]$。
    对于连接两点$z_1$和$z_2$的直线段,其参数方程为$z(t)=(1 - t)z_1+tz_2$,这里$z_1 = 0$,$z_2 = 1 + i$,则$z(t)=(1 - t)\times0+t\timestimes(1 + i)=t+it$,$t\in[0,1]$。
    由此可得$x = t$,$y = t$。
    对$z(t)$求导,根据求导公式$(u+iv)^\prime=u^\prime+iv^\prime$,$z^\prime(t)=(t+it)^\prime=(1 + i)$,所以$dz=z^\prime(t)dt=(1 + i)dt$。
  2. 代入被积函数:
    已知被积函数$f(z)=x - y+ix^2$,将$x = t$,$y = t$代入可得:
    $f(z(t))=t - t+it^2=it^2$。
  3. 计算定积分:
    原积分$\int_{C}(x - y+ix^2)dz$转化为关于$t$的定积分$\int_{0}^{1}f(z(t))z^\prime(t)dt$,即$\int_{0}^{1}it^2(1 + i)dt$。
    根据定积分的性质$\int_{a}^{b}kf(x)dx=k\int_{a}^{b}f(x)dx$($k$为常数),可得:
    $\int_{0}^{1}it^2(1 + i)dt=(1 + i)\int_{0}^{1}it^2dt$。
    先计算$\int_{0}^{1}it^2dt$,根据定积分公式$\int_{a}^{b}x^n dx=\left[\frac{x^{n + 1}}{n+1}\right]_{a}^{b}$($n\neq - 1$),可得:
    $\int_{0}^{1}it^2dt=i\left[\frac{t^3}{3}\right]_{0}^{1}=i\times(\frac{1^3}{3}-\frac{0^3}{3})=\frac{i}{3}$。
    再将其代入上式可得:
    $(1 + i)\int_{0}^{1}it^2dt=(1 + i)\times\frac{i}{3}$。
    根据乘法分配律$(a + b)c=ac+bc$,展开得:
    $(1 + i)\times\frac{i}{3}=\frac{i}{3}+\frac{i^2}{3}$。
    因为$i^2=-1$,所以$\frac{i}{3}+\frac{i^2}{3}=\frac{i-1}{3}=-\frac{1}{3}+\frac{i}{3}$。

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