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108 學年度台綜大微積分 C 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

108學年度 · 108台綜大微積分C · 第 9 題

題目

9. (10 points) Let F(x,y)=−2yx2+y2i+2xx2+y2jF(x,y)=\dfrac{-2y}{x^2+y^2}\mathbf{i}+\dfrac{2x}{x^2+y^2}\mathbf{j} and let D={(x,y)∣x2+y2=9}D=\{(x,y)\mid x^2+y^2=9\}. Find

∫∂DF⋅T ds,\int_{\partial D}\mathbf{F}\cdot \mathbf{T}\,ds,

where we traverse the boundary ∂D\partial D in the counterclockwise direction and T\mathbf{T} is the unit tangent vector.

解答

解法一

令 x=3cos⁡tx=3\cos t、y=3sin⁡ty=3\sin t,0≤t≤2π0\le t\le2\pi。逆時針單位切向量為

T=(−sin⁡t,cos⁡t),\mathbf T=(-\sin t,\cos t),

而 F=(−23sin⁡t,23cos⁡t)\mathbf F=(-\frac23\sin t,\frac23\cos t),且 ds=3 dt\mathrm{d}s=3\,\mathrm{d}t。故

∫∂DF⋅T ds=∫02π2 dt=4π.\int_{\partial D}\mathbf F\cdot\mathbf T\,\mathrm{d}s =\int_0^{2\pi}2\,\mathrm{d}t =\boxed{4\pi}.