題目
Problem
10. Evaluate the line integral
∫Cx2+y2ydx−x2+y2xdy,
where C is the counterclockwise oriented ellipse 4x2+9y2=36. (10%)
解答
解法一:路徑變形定理與極座標(推薦做法)
思路
展開
- 本題要求計算向量場 F=⟨P,Q⟩=⟨x2+y2y,−x2+y2x⟩ 沿著逆時針橢圓軌道 C 的第二類線積分。
- 觀察被積函數,在原點 (0,0) 處存在未定義的奇異點。
- 我們計算偏導數以檢驗無旋性:
∂x∂Q=∂x∂(−x2+y2x)=(x2+y2)2x2−y2
∂y∂P=∂y∂(x2+y2y)=(x2+y2)2x2−y2
在除原點 (0,0) 外的所有點上, ∂x∂Q=∂y∂P 恆成立。
- 由於橢圓 C: 9x2+4y2=1 包圍了奇異點 (0,0),我們不能直接對橢圓內部使用格林定理。
- 路徑變形定理 (Deformation Theorem):
我們可以將複雜的橢圓路徑 C 變形為一個包圍原點、半徑為 r 的逆時針同心圓路徑 Cr。兩者在除去原點的區域內是同倫的,因此其線積分值完全相同:
∮CPdx+Qdy=∮CrPdx+Qdy
- 極座標參數化計算圓圈積分:
- 令 Cr:x=rcosθ,y=rsinθ,其中 θ∈[0,2π]。
- dx=−rsinθdθ, dy=rcosθdθ。
- 代入極速求解。
答題過程
展開
我們令向量場的分量為:
P(x,y)=x2+y2y,Q(x,y)=−x2+y2x
該向量場在原點 (0,0) 處未定義(奇異點)。在所有非原點 (x,y)=(0,0) 的區域,我們計算其偏導數:
∂x∂Q=−(x2+y2)21(x2+y2)−x(2x)=(x2+y2)2x2−y2
∂y∂P=(x2+y2)21(x2+y2)−y(2y)=(x2+y2)2x2−y2
因為在 R2∖{(0,0)} 內 ∂x∂Q=∂y∂P,該場在原點外是無旋的。
由於逆時針橢圓路徑 C:4x2+9y2=36⟹9x2+4y2=1 的內部包圍了原點 (0,0),根據路徑無關與變形定理,我們可以將此橢圓路徑 C 變形為一個包圍原點、半徑為 a>0 的逆時針小圓路徑 Ca(其中 a 小於橢圓短半軸 2,保證圓完全在橢圓內部):
∮CPdx+Qdy=∮CaPdx+Qdy
我們將小圓 Ca 參數化:
x=acosθ,y=asinθ,θ∈[0,2π]
對應的微分項為:
dx=−asinθdθ,dy=acosθdθ
且在 Ca 上有 x2+y2=a2。
將其代回線積分:
∮Cax2+y2ydx−x2+y2xdy===∫02π(a2asinθ(−asinθdθ)−a2acosθ(acosθdθ))∫02π(−sin2θ−cos2θ)dθ∫02π−1dθ=−2π
因此,沿橢圓軌道的線積分值亦為 −2π。
結論:
線積分的值為 −2π。