題目
Problem
Evaluate ∫CF⋅dr, where F(x,y)=⟨x2+1,tan−1x⟩ and C is the triangle from (0,0) to (1,1) to (0,1) to (0,0).
(10) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算二維向量場 F(x,y)=⟨P(x,y),Q(x,y)⟩ 沿著閉合曲線 C 的線積分 ∮CPdx+Qdy。
- 觀察積分路徑 C:
- C 是一條三角形路徑,起點在 (0,0),依序經過 (1,1)、(0,1),最後回到 (0,0)。
- 這是一條分段光滑的簡單閉合曲線,其方向為逆時針方向 (Counter-Clockwise, CCW)。
- 由於被積分向量場 F 直接沿路徑積分較為繁瑣(特別是 x2+1 的積分),且路徑是閉合的,這強烈暗示我們使用格林定理 (Green’s Theorem) 將線積分轉為二重積分:
∮CPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dA
其中 D 是由三角形 C 圍成的平面區域。
- 計算偏微項:
- P(x,y)=x2+1⟹∂y∂P=0(因為不含 y)。
- Q(x,y)=tan−1x⟹∂x∂Q=1+x21。
因此二重積分的被積分函數簡化為 1+x21,這比原來的線積分容易計算得多。
- 確定二重積分區域 D:
三角形的三條邊界為 y=x、y=1 與 x=0。
我們可以將 D 表達為類型 I 區域:0≤x≤1,x≤y≤1。
- 列式計算二重積分即可。
答題過程
展開
第一步:使用格林定理轉化為二重積分
給定向量場的元件為:
P(x,y)=x2+1,Q(x,y)=tan−1x
我們計算它們的偏導數:
∂y∂P=∂x∂Q=01+x21
積分路徑 C 是由點 (0,0)→(1,1)→(0,1)→(0,0) 構成的三角形邊界。在平面直角座標系中,該路徑是以逆時針方向包圍區域 D 的閉曲線。
根據格林定理:
∮CF⋅dr==∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dA∬D1+x21dA
第二步:設定二重積分範圍並計算
三角形區域 D 的三個頂點為 (0,0)、(1,1) 與 (0,1)。
其邊界方程式分別為:
- 斜邊:y=x
- 頂部水平邊:y=1
- 左側垂直邊:x=0
我們將此區域表達為先對 y 積分、再對 x 積分:
0≤x≤1,x≤y≤1
列出累次積分式並計算:
∬D1+x21dA=========∫01∫x11+x21dydx∫011+x21(∫x11dy)dx∫011+x21−xdx∫01(1+x21−1+x2x)dx∫011+x21dx−21∫011+x22xdx[tan−1x]01−21[ln(1+x2)]01(tan−11−tan−10)−21(ln2−ln1)(4π−0)−21ln24π−21ln2
因此,第 (10) 格答案為 \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\ln 2(或寫成 \frac{\pi - 2\ln 2}{4})。