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114 台聯大微積分 A3/A4/A6 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 10 題

題目

Problem

Evaluate CFdr\int_{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r}, where F(x,y)=x2+1,tan1x\mathbf{F}(x, y) = \big\langle \sqrt{x^2+1}, \tan^{-1} x \big\rangle and CC is the triangle from (0,0)(0, 0) to (1,1)(1, 1) to (0,1)(0, 1) to (0,0)(0, 0).

(10) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算二維向量場 F(x,y)=P(x,y),Q(x,y)\mathbf{F}(x, y) = \langle P(x,y), Q(x,y) \rangle 沿著閉合曲線 CC 的線積分 CPdx+Qdy\oint_C P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y
  2. 觀察積分路徑 CC
    • CC 是一條三角形路徑,起點在 (0,0)(0,0),依序經過 (1,1)(1,1)(0,1)(0,1),最後回到 (0,0)(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)
  3. 由於被積分向量場 F\mathbf{F} 直接沿路徑積分較為繁瑣(特別是 x2+1\sqrt{x^2+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(QxPy)dA\oint_{C} P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \mathrm{d}A 其中 DD 是由三角形 CC 圍成的平面區域。
  4. 計算偏微項
    • P(x,y)=x2+1    Py=0P(x, y) = \sqrt{x^2+1} \implies \frac{\partial P}{\partial y} = 0(因為不含 yy)。
    • Q(x,y)=tan1x    Qx=11+x2Q(x, y) = \tan^{-1} x \implies \frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{1}{1+x^2}。 因此二重積分的被積分函數簡化為 11+x2\frac{1}{1+x^2},這比原來的線積分容易計算得多。
  5. 確定二重積分區域 DD: 三角形的三條邊界為 y=xy = xy=1y = 1x=0x = 0。 我們可以將 DD 表達為類型 I 區域:0x10 \le x \le 1xy1x \le y \le 1
  6. 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)=tan1xP(x, y) = \sqrt{x^2+1}, \quad Q(x, y) = \tan^{-1} x

我們計算它們的偏導數:

Py=0Qx=11+x2\begin{align*} \frac{\partial P}{\partial y} =&\, 0 \\[4mm] \frac{\partial Q}{\partial x} =&\, \frac{1}{1+x^2} \end{align*}

積分路徑 CC 是由點 (0,0)(1,1)(0,1)(0,0)(0,0) \to (1,1) \to (0,1) \to (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 DD 的閉曲線。

根據格林定理:

CFdr=D(QxPy)dA=D11+x2dA\begin{align*} \oint_{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =&\, \iint_{D} \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \mathrm{d}A \\[4mm] =&\, \iint_{D} \frac{1}{1+x^2} \,\mathrm{d}A \end{align*}

第二步:設定二重積分範圍並計算

三角形區域 DD 的三個頂點為 (0,0)(0,0)(1,1)(1,1)(0,1)(0,1)。 其邊界方程式分別為:

  • 斜邊:y=xy = x
  • 頂部水平邊:y=1y = 1
  • 左側垂直邊:x=0x = 0

我們將此區域表達為先對 yy 積分、再對 xx 積分:

0x1,xy10 \le x \le 1, \quad x \le y \le 1

列出累次積分式並計算:

D11+x2dA=01x111+x2dydx=0111+x2(x11dy)dx=011x1+x2dx=01(11+x2x1+x2)dx=0111+x2dx12012x1+x2dx=[tan1x]0112[ln(1+x2)]01=(tan11tan10)12(ln2ln1)=(π40)12ln2=π412ln2\begin{align*} \iint_{D} \frac{1}{1+x^2} \,\mathrm{d}A =&\, \int_{0}^{1} \int_{x}^{1} \frac{1}{1+x^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{0}^{1} \frac{1}{1+x^2} \left( \int_{x}^{1} 1 \,\mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{0}^{1} \frac{1 - x}{1+x^2} \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{0}^{1} \left( \frac{1}{1+x^2} - \frac{x}{1+x^2} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{0}^{1} \frac{1}{1+x^2} \,\mathrm{d}x - \frac{1}{2} \int_{0}^{1} \frac{2x}{1+x^2} \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \Big[ \tan^{-1} x \Big]_0^1 - \frac{1}{2} \Big[ \ln(1+x^2) \Big]_0^1 \\[4mm] =&\, \left( \tan^{-1} 1 - \tan^{-1} 0 \right) - \frac{1}{2} \big( \ln 2 - \ln 1 \big) \\[4mm] =&\, \left( \frac{\pi}{4} - 0 \right) - \frac{1}{2}\ln 2 \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\ln 2 \end{align*}

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})。