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113 台綜大微積分(A) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 10 題

題目

Problem

10. Evaluate the line integral

Cyx2+y2dxxx2+y2dy,\int_C \frac{y}{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}x - \frac{x}{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}y \,,

where CC is the counterclockwise oriented ellipse 4x2+9y2=364x^2 + 9y^2 = 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
  1. 本題要求計算向量場 F=P,Q=yx2+y2,xx2+y2\mathbf{F} = \langle P, Q \rangle = \left\langle \frac{y}{x^2+y^2}, -\frac{x}{x^2+y^2} \right\rangle 沿著逆時針橢圓軌道 CC 的第二類線積分。
  2. 觀察被積函數,在原點 (0,0)(0,0) 處存在未定義的奇異點
  3. 我們計算偏導數以檢驗無旋性: Qx=x(xx2+y2)=x2y2(x2+y2)2\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} \left( -\frac{x}{x^2+y^2} \right) = \frac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2} Py=y(yx2+y2)=x2y2(x2+y2)2\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{y}{x^2+y^2} \right) = \frac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2} 在除原點 (0,0)(0,0) 外的所有點上, Qx=Py\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial P}{\partial y} 恆成立。
  4. 由於橢圓 CCx29+y24=1\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{4} = 1 包圍了奇異點 (0,0)(0,0),我們不能直接對橢圓內部使用格林定理。
  5. 路徑變形定理 (Deformation Theorem): 我們可以將複雜的橢圓路徑 CC 變形為一個包圍原點、半徑為 rr 的逆時針同心圓路徑 CrC_r。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\oint_C P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \oint_{C_r} P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y
  6. 極座標參數化計算圓圈積分
    • Cr:x=rcosθ,y=rsinθC_r : x = r\cos\theta, y = r\sin\theta,其中 θ[0,2π]\theta \in [0, 2\pi]
    • dx=rsinθdθ\mathrm{d}x = -r\sin\theta\,\mathrm{d}\thetady=rcosθdθ\mathrm{d}y = r\cos\theta\,\mathrm{d}\theta
    • 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)=yx2+y2,Q(x,y)=xx2+y2P(x, y) = \frac{y}{x^2 + y^2}, \quad Q(x, y) = -\frac{x}{x^2 + y^2}

該向量場在原點 (0,0)(0,0) 處未定義(奇異點)。在所有非原點 (x,y)(0,0)(x, y) \neq (0, 0) 的區域,我們計算其偏導數:

Qx=1(x2+y2)x(2x)(x2+y2)2=x2y2(x2+y2)2\frac{\partial Q}{\partial x} = -\frac{1(x^2 + y^2) - x(2x)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2} Py=1(x2+y2)y(2y)(x2+y2)2=x2y2(x2+y2)2\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{1(x^2 + y^2) - y(2y)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2}

因為在 R2{(0,0)}\mathbb{R}^2 \setminus \{(0,0)\}Qx=Py\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial P}{\partial y},該場在原點外是無旋的。

由於逆時針橢圓路徑 C:4x2+9y2=36    x29+y24=1C: 4x^2 + 9y^2 = 36 \implies \frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{4} = 1 的內部包圍了原點 (0,0)(0,0),根據路徑無關與變形定理,我們可以將此橢圓路徑 CC 變形為一個包圍原點、半徑為 a>0a > 0 的逆時針小圓路徑 CaC_a(其中 aa 小於橢圓短半軸 22,保證圓完全在橢圓內部):

CPdx+Qdy=CaPdx+Qdy\oint_C P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \oint_{C_a} P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y

我們將小圓 CaC_a 參數化:

x=acosθ,y=asinθ,θ[0,2π]x = a\cos\theta, \quad y = a\sin\theta, \quad \theta \in [0, 2\pi]

對應的微分項為:

dx=asinθdθ,dy=acosθdθ\mathrm{d}x = -a\sin\theta\,\mathrm{d}\theta, \quad \mathrm{d}y = a\cos\theta\,\mathrm{d}\theta

且在 CaC_a 上有 x2+y2=a2x^2 + y^2 = a^2

將其代回線積分:

Cayx2+y2dxxx2+y2dy=02π(asinθa2(asinθdθ)acosθa2(acosθdθ))=02π(sin2θcos2θ)dθ=02π1dθ=2π\begin{align*} \oint_{C_a} \frac{y}{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}x - \frac{x}{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}y =&\, \int_0^{2\pi} \left( \frac{a\sin\theta}{a^2}(-a\sin\theta\,\mathrm{d}\theta) - \frac{a\cos\theta}{a^2}(a\cos\theta\,\mathrm{d}\theta) \right) \\[4mm] =&\, \int_0^{2\pi} \left( -\sin^2\theta - \cos^2\theta \right) \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_0^{2\pi} -1 \,\mathrm{d}\theta = -2\pi \end{align*}

因此,沿橢圓軌道的線積分值亦為 2π-2\pi

結論: 線積分的值為 2π-2\pi