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111 學年度台綜大微積分 A 第 10 題

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111學年度 · 111台綜大微積分A · 第 10 題

題目

Problem

10. Evaluate the line integral C(1y3)dx+(x3+ey2)dy\int_C (1-y^3)\,\mathrm{d}x + (x^3 + e^{-y^2})\,\mathrm{d}y, where CC is the arc of the circle x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 traversed counter-clockwise from (2,0)(2, 0) to (2,0)(-2, 0). (10%)

解答

思路

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  1. 此為非閉合路徑的線積分。路徑 CC 為上半圓周,從 (2,0)(2,0)(2,0)(-2,0)
  2. 為了使用格林定理,我們可以加入一條直線段 C1C_1(2,0)(-2,0)(2,0)(2,0) 沿著 xx 軸,將路徑閉合。
  3. 閉合後的曲線 C+C1C + C_1 剛好為逆時針方向。
  4. 格林定理公式: C+C1Mdx+Ndy=R(NxMy)dA\oint_{C+C_1} M\,\mathrm{d}x + N\,\mathrm{d}y = \iint_R \left( \frac{\partial N}{\partial x} - \frac{\partial M}{\partial y} \right) \mathrm{d}A
  5. 計算二重積分與直線段 C1C_1 的線積分,最終相減求得原路徑 CC 的積分值。

答題過程

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第一步:閉合路徑與格林定理

C1C_1xx 軸上自 (2,0)(-2,0)(2,0)(2,0) 的定向線段。 則 C+C1C + C_1 組成圍成上半圓板 R={(x,y):x2+y24,y0}R = \{ (x,y) : x^2 + y^2 \le 4, y \ge 0 \} 的逆時針閉曲線。

根據格林定理:

CFdr+C1Fdr=R(NxMy)dA\int_{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_{C_1} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint_R \left( \frac{\partial N}{\partial x} - \frac{\partial M}{\partial y} \right) \mathrm{d}A

其中 M=1y3M = 1 - y^3N=x3+ey2N = x^3 + e^{-y^2}。 計算偏微項:

Nx=3x2,My=3y2\frac{\partial N}{\partial x} = 3x^2, \quad \frac{\partial M}{\partial y} = -3y^2     NxMy=3(x2+y2)\implies \frac{\partial N}{\partial x} - \frac{\partial M}{\partial y} = 3(x^2 + y^2)

第二步:計算二重積分

使用極座標轉換,其中 R={(r,θ):0r2,0θπ}R = \{ (r, \theta) : 0 \le r \le 2, 0 \le \theta \le \pi \}

R3(x2+y2)dA=0π023r2rdrdθ\iint_R 3(x^2 + y^2)\,\mathrm{d}A = \int_0^\pi \int_0^2 3r^2 \cdot r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta =3(0π1dθ)(02r3dr)=3π[r44]02=12π= 3 \left( \int_0^\pi 1\,\mathrm{d}\theta \right) \left( \int_0^2 r^3\,\mathrm{d}r \right) = 3 \cdot \pi \cdot \left[ \frac{r^4}{4} \right]_0^2 = 12\pi

第三步:計算直線段 C1C_1 的線積分

直線段 C1C_1 之參數化為: y=0y = 0dy=0\mathrm{d}y = 0xx2-222

C1(1y3)dx+(x3+ey2)dy=22(10)dx+0=221dx=4\int_{C_1} (1-y^3)\,\mathrm{d}x + (x^3 + e^{-y^2})\,\mathrm{d}y = \int_{-2}^2 (1-0)\,\mathrm{d}x + 0 = \int_{-2}^2 1\,\mathrm{d}x = 4

第四步:求得原線積分

CFdr=R3(x2+y2)dAC1Fdr=12π4\int_{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint_R 3(x^2 + y^2)\,\mathrm{d}A - \int_{C_1} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = 12\pi - 4

結論: 線積分值為 12π4\displaystyle 12\pi - 4