曲面and曲线积分3
ANJHZ的博客
- 第二型曲线积分的做法就那么几种,要么参数化,要么试试格林公式或者斯托克斯公式。
- 这里显然没法参数化,那就试试格林公式。D:x2+y2≤1
I=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy=∬D[(z2+2xz∂z∂x+2y∂z∂x)−(−2x∂z∂y−z2−2zy∂z∂y)]dxdy
- ∂z∂x和∂z∂y怎么得到?对F做全微分:
0=(F′1z+F′2)dx+(−F′1−F′2z)dy+(F′1x−F′2y)dz
- 所以
∂z∂x=F′1z+F′2F′2y−F′1x∂z∂y=−F′1−F′2zF′2y−F′1x
- 代入上面的式子
I=∬D2z2+2xz2F′1+2xzF′2+2yzF′1+2yF′2−(2xF′1+2xzF′2+2zyF′1+2z2yF′2)F′2y−F′1xdxdyI=2∬Ddxdy=2π
2.设L是圆x2+y2=a2的正向,求I=∮L−ydx+xdyAx2+2Bxy+Cy2(A>0,AC−B2>0)。
- 猜测∂Q∂x=∂P∂y,验证一下:
∂Q∂x=(Ax2+2Bxy+Cy2)−x(2Ax+2By)(Ax2+2Bxy+Cy2)2=Cy2−Ax2(Ax2+2Bxy+Cy2)2∂P∂y=−(Ax2+2Bxy+Cy2)+y(2Cy+2Bx)(Ax2+2Bxy+Cy2)2=Cy2−Ax2(Ax2+2Bxy+Cy2)2
- 套格林公式。注意(0,0)是奇点,作辅助曲线L1:Ax2+2Bxy+Cy2=r2(r>0),逆时针方向。
I=∮L+L−1+∮L1=∬D0dxdy+∮L1=∮L1I=∮L1=−ydx+xdyr2=1r2∮L1−ydx+xdy
- 再用一次格林公式
I=1r2∮L1−ydx+xdy=1r2∬Ax2+2Bxy+Cy2≤r22dxdy
- 于是问题转化为算Ax2+2Bxy+Cy2≤r2的面积。
Ax2+2Bxy+Cy2=(√Ax+B√Ay)2+(√C−B2Ay)2
- 作换元
⎧⎪⎨⎪⎩u=√Ax+B√Ayv=√C−B2Ay
∂(x,y)∂(u,v)=1∂(u,v)∂(x,y)=1∣∣ ∣∣√A0B√A√C−B2A∣∣ ∣∣=1√AC−B2S=1√AC−B2⋅πr2
- 所以
I=1r2⋅2S=2π√AC−B2
3.设Ia(r)=∮Cydx−xdy(x2+y2)a,其中a为常数,曲线C为椭圆x2+xy+y2=r2,取正向。求极限limr→∞Ia(r)。
- 依旧是猜测用格林公式:
∂Q∂x=−(x2+y2)a+2ax2(x2+y2)a−1(x2+y2)2a=2ax2−x2−y2(x2+y2)a+1∂P∂y=(x2+y2)a−2ay2(x2+y2)a−1(x2+y2)2a=x2+y2−2ay2(x2+y2)a+1∂Q∂x−∂P∂y=(2a−2)(x2+y2)aIa(r)=∬x2+xy+y2≤r2(2a−2)(x2+y2)adxdy
- 尝试换元
x2+xy+y2=(x+12y)2+(√32y)2{u=x+12yv=√32y
∂(x,y)∂(u,v)=1∂(u,v)∂(x,y)=1∣∣∣1012√32∣∣∣=2√3Ia(r)=2√3(2a−2)∬u2+v2≤r21((u−1√3v)2+(2√3v)2)adudvIa(r)=2√3(2a−2)∬u2+v2≤r21(u2+53v2−2√3uv)adudv
- 再换元
{u=kcosθv=ksinθ
∂(u,v)∂(k,θ)=kIa(r)=2√3(2a−2)∫r0dk∫2π0kk2a(cos2θ+53sin2θ−2√3cosθsinθ)adθ
Ia(r)=2√3r2−2a∫2π01(cos2θ+53sin2θ−2√3cosθsinθ)adθ
- 分情况考虑
a<1,limr→+∞Ia(r)→+∞a>1,limr→+∞Ia(r)→0a=1,I1(r)=∮Cydx−xdy(x2+y2)=−2π
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