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112 政治大學微積分(應數大二二) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

112學年度 · 112微積分應數大二二 · 第 6 題

題目

Problem

6. Use Green’s Theorem to evaluate Cy3dx+x3dy\displaystyle \int_C -y^3\,\mathrm{d}x + x^3\,\mathrm{d}y, where CC is the curve defined by r(t)=(2cost)i+(2sint)j, 0t2π\mathbf{r}(t) = (2\cos t)\mathbf{i} + (2\sin t)\mathbf{j}, \ 0 \le t \le 2\pi. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 題目要求利用格林定理 (Green’s Theorem) 計算封閉曲線 CC 的線積分。
  2. 曲線 CC 是以原點為中心、半徑為 22 的圓,且隨 tt002π2\pi 沿逆時針方向(正向)環繞一周。
  3. 線積分的被積形式為 Pdx+QdyP\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y
    • P(x,y)=y3P(x, y) = -y^3
    • Q(x,y)=x3Q(x, y) = x^3
  4. 第一步:套用格林定理公式CPdx+Qdy=R(QxPy)dA\oint_C P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \iint_R \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \mathrm{d}A 其中 RR 為圓盤 x2+y24x^2 + y^2 \le 4
  5. 第二步:計算偏導數並化簡二重積分被積項
    • QxPy=3x2(3y2)=3(x2+y2)\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 3x^2 - (-3y^2) = 3(x^2 + y^2)
  6. 第三步:將二重積分轉化為極座標進行計算R3(x2+y2)dA=02π023r2rdrdθ\iint_R 3(x^2+y^2)\,\mathrm{d}A = \int_0^{2\pi} \int_0^2 3r^2 \cdot r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

答題過程

展開

給定曲線 CC 的向量參數式為:

r(t)=(2cost)i+(2sint)j,0t2π\mathbf{r}(t) = (2\cos t)\mathbf{i} + (2\sin t)\mathbf{j}, \quad 0 \le t \le 2\pi

這是一條正向(逆時針方向)單純閉曲線,其所包圍的區域 RR 為一個閉圓盤:

R={(x,y)  |  x2+y24}R = \left\{ (x, y) \;\middle|\; x^2 + y^2 \le 4 \right\}

我們設定 P(x,y)=y3P(x, y) = -y^3Q(x,y)=x3Q(x, y) = x^3。 我們計算格林定理中要求的偏導差:

Qx=3x2\frac{\partial Q}{\partial x} = 3x^2 Py=3y2\frac{\partial P}{\partial y} = -3y^2 QxPy=3x2(3y2)=3(x2+y2)\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 3x^2 - \left(-3y^2\right) = 3\left(x^2 + y^2\right)

根據格林定理,我們可以將線積分轉換為圓盤 RR 上的二重積分:

Cy3dx+x3dy=R3(x2+y2)dA\oint_C -y^3\,\mathrm{d}x + x^3\,\mathrm{d}y = \iint_R 3\left(x^2 + y^2\right) \mathrm{d}A

我們引進極座標系進行計算:

x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

積分範圍為:

0r2,0θ2π0 \le r \le 2, \quad 0 \le \theta \le 2\pi

將極座標變數代入二重積分:

R3(x2+y2)dA=02π023r2rdrdt=02πdθ302r3dr=[θ]02π3[r44]02=(2π)3(164)=2π12=24π\begin{align*} \iint_R 3\left(x^2 + y^2\right) \mathrm{d}A =&\, \int_0^{2\pi} \int_0^2 3r^2 \cdot r \,\mathrm{d}r \mathrm{d}t \\[2mm] =&\, \int_0^{2\pi} \mathrm{d}\theta \cdot 3 \int_0^2 r^3 \,\mathrm{d}r \\[2mm] =&\, \Big[ \theta \Big]_0^{2\pi} \cdot 3 \left[ \frac{r^4}{4} \right]_0^2 \\[2mm] =&\, (2\pi) \cdot 3 \left( \frac{16}{4} \right) \\[2mm] =&\, 2\pi \cdot 12 = 24\pi \end{align*}

結論: 積分值為 24π24\pi