題目
Problem
6. Use Green’s Theorem to evaluate ∫C−y3dx+x3dy, where C is the curve defined by r(t)=(2cost)i+(2sint)j, 0≤t≤2π. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 題目要求利用格林定理 (Green’s Theorem) 計算封閉曲線 C 的線積分。
- 曲線 C 是以原點為中心、半徑為 2 的圓,且隨 t 從 0 到 2π 沿逆時針方向(正向)環繞一周。
- 線積分的被積形式為 Pdx+Qdy:
- P(x,y)=−y3
- Q(x,y)=x3
- 第一步:套用格林定理公式:
∮CPdx+Qdy=∬R(∂x∂Q−∂y∂P)dA
其中 R 為圓盤 x2+y2≤4。
- 第二步:計算偏導數並化簡二重積分被積項:
- ∂x∂Q−∂y∂P=3x2−(−3y2)=3(x2+y2)。
- 第三步:將二重積分轉化為極座標進行計算:
∬R3(x2+y2)dA=∫02π∫023r2⋅rdrdθ
答題過程
展開
給定曲線 C 的向量參數式為:
r(t)=(2cost)i+(2sint)j,0≤t≤2π
這是一條正向(逆時針方向)單純閉曲線,其所包圍的區域 R 為一個閉圓盤:
R={(x,y)x2+y2≤4}
我們設定 P(x,y)=−y3, Q(x,y)=x3。
我們計算格林定理中要求的偏導差:
∂x∂Q=3x2
∂y∂P=−3y2
∂x∂Q−∂y∂P=3x2−(−3y2)=3(x2+y2)
根據格林定理,我們可以將線積分轉換為圓盤 R 上的二重積分:
∮C−y3dx+x3dy=∬R3(x2+y2)dA
我們引進極座標系進行計算:
x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθ
積分範圍為:
0≤r≤2,0≤θ≤2π
將極座標變數代入二重積分:
∬R3(x2+y2)dA=====∫02π∫023r2⋅rdrdt∫02πdθ⋅3∫02r3dr[θ]02π⋅3[4r4]02(2π)⋅3(416)2π⋅12=24π
結論:
積分值為 24π。