題目
Problem
10. Evaluate the line integral ∫C(1−y3)dx+(x3+e−y2)dy, where C is the arc of the circle x2+y2=4 traversed counter-clockwise from (2,0) to (−2,0). (10%)
解答
思路
展開
- 此為非閉合路徑的線積分。路徑 C 為上半圓周,從 (2,0) 到 (−2,0)。
- 為了使用格林定理,我們可以加入一條直線段 C1 自 (−2,0) 到 (2,0) 沿著 x 軸,將路徑閉合。
- 閉合後的曲線 C+C1 剛好為逆時針方向。
- 格林定理公式:
∮C+C1Mdx+Ndy=∬R(∂x∂N−∂y∂M)dA
- 計算二重積分與直線段 C1 的線積分,最終相減求得原路徑 C 的積分值。
答題過程
展開
第一步:閉合路徑與格林定理
設 C1 為 x 軸上自 (−2,0) 到 (2,0) 的定向線段。
則 C+C1 組成圍成上半圓板 R={(x,y):x2+y2≤4,y≥0} 的逆時針閉曲線。
根據格林定理:
∫CF⋅dr+∫C1F⋅dr=∬R(∂x∂N−∂y∂M)dA
其中 M=1−y3,N=x3+e−y2。
計算偏微項:
∂x∂N=3x2,∂y∂M=−3y2
⟹∂x∂N−∂y∂M=3(x2+y2)
第二步:計算二重積分
使用極座標轉換,其中 R={(r,θ):0≤r≤2,0≤θ≤π}:
∬R3(x2+y2)dA=∫0π∫023r2⋅rdrdθ
=3(∫0π1dθ)(∫02r3dr)=3⋅π⋅[4r4]02=12π
第三步:計算直線段 C1 的線積分
直線段 C1 之參數化為: y=0, dy=0, x 從 −2 到 2。
∫C1(1−y3)dx+(x3+e−y2)dy=∫−22(1−0)dx+0=∫−221dx=4
第四步:求得原線積分
∫CF⋅dr=∬R3(x2+y2)dA−∫C1F⋅dr=12π−4
結論:
線積分值為 12π−4。