9.1 第7次作业评讲

9.1.1 解答和证明部分

例 9.1.1 (题1,yellow-circle86%) 设曲线γ:(x,y,z)=(2t,t,22t), (0t1),计算:(1)γ(2x+4y+z24)dl

弧长微元为(2)dl=(dxdt)2+(dydt)2+(dzdt)2dt=4+1+4dt=3dt 代入积分中可得(3)I=01[2(2t)+4t+(22t)24]3dt=1201t2dt=4

例 9.1.2 (题2,green-circle95%) 马鞍面z=xy被圆柱面x2+y2=1所截,计算截得的有界部分曲面的面积。

曲面Σ的一个合适的参数化方案就是选用极坐标系,亦即(4)x(r,θ)=(rcosθrsinθr2cosθsinθ),(r,θ)[0,1]×(π,π] 计算可得(5)xr=(cosθsinθrsin2θ),xθ=(rsinθrcosθr2cos2θ) 进一步计算可得(6)E=xr2=1+r2sin22θ,G=xθ2=r2+r4cos22θ,F=xr,xθ=r3sin2θcos2θ 故面积微元为(7)EGF2=r2[(1+r2sin22θ)(1+r2cos22θ)r4sin22θcos22θ]=r2(1+r2)dS=EGF2drdθ=r1+r2drdθ 因此(8)A=01drππEGF2dθ=2π01r1+r2dr=2π3(1+r2)3/2|01=2π3(221)

例 9.1.3 (题3,yellow-circle82%) 曲线L:|x|+|y|=2的线密度为μ(x,y)=3+x2y2,计算曲线L的质量。

由于对称性,我们只需要计算曲线在第一象限中的质量,随后乘以4即可。L在第一象限中可化为L1:x+y=2,则弧长微元为(9)dl=1+(dydx)2dx=2dx 因此(10)M=4L1μdl=402[3+x2(2x)2]2dx=4202(22x+1)dx=24

例 9.1.4 (题4,blue-circle100%) R3中曲面Σ:(x,y,z)=(rcosθ,rsinθ,θ), (0r1,0θ2π),计算:(11)ΣdSπx2+y2+1

计算可得(12)xr=(cosθsinθ0),xθ=(rsinθrcosθ1) 进一步计算可得(13)E=xr2=1,G=xθ2=r2+1,F=xr,xθ=0 故面积微元为(14)dS=EGF2drdθ=1+r2drdθ 因此(15)I=01dr02π1+r2πr2+1dθ=2

例 9.1.5 (题5,green-circle91%) a=24LR3中依次连接A(a,0,0), B(0,a,0), C(0,0,a)的闭合折线,计算:L(x+y)dl

(L1,L2,L3)=(AB,BC,CA),则(16)L1:(x,y,z)=(at,t,0),0taL2:(x,y,z)=(0,at,t),0taL3:(x,y,z)=(t,0,at),0ta 弧长微元为(17)dl1=dl2=dl3=1+1dt=2dt 计算可得(18)I1=0a[(at)+t]2dt=20aadt=2a2I2=0a[0+(at)]2dt=212a2=22a2I3=0a[t+0]2dt=212a2=22a2 因此(19)I=I1+I2+I3=22a2=4

例 9.1.6 (题6,orange-circle73%) 如图,L+是单位球面x2+y2+z2=1上的一条C1曲线,以S(0,0,1)为起点、N(0,0,1)为终点(图9.1.1),计算:(20)L+[(y2+z2)dx+2(z2+x2)dy+3(x2+y2)dz]

PIC

图 9.1.1: 一条从SNC1曲线

注意到(21)ω=(1x2)dx+2(1y2)dy+3(1z2)dz=d(x+2y+3z13x323y3z3) 故原积分可化为(22)I=L+ω=[x+2y+3z13x323y3z3]S=(0,0,1)N=(0,0,1)=4

例 9.1.7 (题7,yellow-circle86%) 空间曲线L+为柱面|x|+|y|=1与平面x+y+z=0的交线,它围绕z轴的正方向逆时针旋转,计算(23)L+[(zy)dx+(xz)dy+(yx)dz]

注意到(24)ω=(x2y)dx+(2x+y)dy+(yx)d(xy)=3(xdyydx)S=2|x|+|y|=1围成的平面区域D的面积,利用Green公式可得(25)I=L+ω=6L+12(xdyydx)=6Ddxdy=6S=12

例 9.1.8 (题8,blue-circle100%) (2022春期末考试)已知曲线积分L+[(2x2+axy)dx+(x2+3y2)dy]与积分路径无关(只与曲线的起点和终点有关),则实数a= ____。

本题等价于:对任意有向(简单)闭曲线L+,都满足(26)L+[(2x2+axy)dx+(x2+3y2)dy]=0L+D的边界,由Green公式可得(27)D[x(x2+3y2)y(2x2+axy)]dxdy=D(2a)xdxdy=0 为了使上式对任意区域D成立,必须有2a=0a=2

例 9.1.9 (题9,green-circle95%) 设有向曲线L+:(x,y,z)=(t,t2,t4), (0t1),参数t增加方向与曲线正向一致,计算:(28)L+(9ydx3xdy+4zdz)

直接代入计算可得(29)I=01(9t2dt3t2tdt+4t44t3dt)=32+2=3

例 9.1.10 (题10,blue-circle100%) λ>0,记Lλ+为单位圆周x2+y2=λ2,逆时针为正向,计算:(30)1πλ2Lλ+[(sinx+y+ey)dx+(3x+xey)dy]

凑全微分可得(31)(sinx+y+ey)dx+(3x+xey)dy=d(cosx+xy+xey)+2xdy 故有(32)I=1πλ2[Lλ+d(cosx+xy+xey)+2Lλ+xdy]=0+2πλ2πλ2=2