9.1 第7次作业评讲

例 9.1.1 (题1,yellow-circle86%) 设曲线γ:(x,y,z)=(2t,t,2−2t), (0≤t≤1),计算:(1)∫γ(2x+4y+z2−4)dl

解 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+(2−2t)2−4]⋅3dt=12∫01t2dt=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。

解 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)=(rcos⁡θrsin⁡θr2cos⁡θsin⁡θ),(r,θ)∈[0,1]×(−π,π] 计算可得(5)∂x∂r=(cos⁡θsin⁡θrsin⁡2θ),∂x∂θ=(−rsin⁡θrcos⁡θr2cos⁡2θ) 进一步计算可得(6)E=‖∂x∂r‖2=1+r2sin2⁡2θ,G=‖∂x∂θ‖2=r2+r4cos2⁡2θ,F=⟨∂x∂r,∂x∂θ⟩=r3sin⁡2θcos⁡2θ 故面积微元为(7)EG−F2=r2[(1+r2sin2⁡2θ)(1+r2cos2⁡2θ)−r4sin2⁡2θcos2⁡2θ]=r2(1+r2)dS=EG−F2drdθ=r1+r2drdθ 因此(8)A=∫01dr∫−ππEG−F2dθ=2π∫01r1+r2dr=2π3(1+r2)3/2|01=2π3(22−1) ◻

例 9.1.3 (题3,yellow-circle82%) 曲线L:|x|+|y|=2的线密度为μ(x,y)=3+x2−y2,计算曲线L的质量。

解 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=4∫L1μdl=4∫02[3+x2−(2−x)2]2dx=42∫02(22x+1)dx=24 ◻

例 9.1.4 (题4,blue-circle100%) 设R3中曲面Σ:(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,θ), (0≤r≤1,0≤θ≤2π),计算:(11)∫ΣdSπx2+y2+1

解 计算可得(12)∂x∂r=(cos⁡θsin⁡θ0),∂x∂θ=(−rsin⁡θrcos⁡θ1) 进一步计算可得(13)E=‖∂x∂r‖2=1,G=‖∂x∂θ‖2=r2+1,F=⟨∂x∂r,∂x∂θ⟩=0 故面积微元为(14)dS=EG−F2drdθ=1+r2drdθ 因此(15)I=∫01dr∫02π1+r2πr2+1dθ=2 ◻

例 9.1.5 (题5,green-circle91%) 设a=24,L为R3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。

解 设(L1,L2,L3)=(AB,BC,CA),则(16)L1:(x,y,z)=(a−t,t,0),0≤t≤aL2:(x,y,z)=(0,a−t,t),0≤t≤aL3:(x,y,z)=(t,0,a−t),0≤t≤a 弧长微元为(17)dl1=dl2=dl3=1+1dt=2dt 计算可得(18)I1=∫0a[(a−t)+t]2dt=2∫0aadt=2a2I2=∫0a[0+(a−t)]2dt=2⋅12a2=22a2I3=∫0a[t+0]2dt=2⋅12a2=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S到N的C1曲线

解 注意到(21)ω=(1−x2)dx+2(1−y2)dy+3(1−z2)dz=d(x+2y+3z−13x3−23y3−z3) 故原积分可化为(22)I=∫L+ω=[x+2y+3z−13x3−23y3−z3]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+[(z−y)dx+(x−z)dy+(y−x)dz]

解 注意到(24)ω=(−x−2y)dx+(2x+y)dy+(y−x)d(−x−y)=3(xdy−ydx) 设S=2为|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=6∮L+12(xdy−ydx)=6∫Ddxdy=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= ____。

解 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]=0 设L+为D的边界,由Green公式可得(27)∫D[∂∂x(x2+3y2)−∂∂y(2x2+axy)]dxdy=∫D(2−a)xdxdy=0 为了使上式对任意区域D成立,必须有2−a=0⟹a=2。 ◻

例 9.1.9 (题9,green-circle95%) 设有向曲线L+:(x,y,z)=(t,t2,t4), (0≤t≤1),参数t增加方向与曲线正向一致,计算:(28)∫L+(9ydx−3xdy+4zdz)

解 直接代入计算可得(29)I=∫01(9t2⋅dt−3t⋅2tdt+4t4⋅4t3dt)=3−2+2=3 ◻

例 9.1.10 (题10,blue-circle100%) 设λ>0,记Lλ+为单位圆周x2+y2=λ2,逆时针为正向,计算:(30)1πλ2∮Lλ+[(sin⁡x+y+ey)dx+(3x+xey)dy]

解 凑全微分可得(31)(sin⁡x+y+ey)dx+(3x+xey)dy=d(−cos⁡x+xy+xey)+2xdy 故有(32)I=1πλ2[∮Lλ+d(−cos⁡x+xy+xey)+2∮Lλ+xdy]=0+2πλ2πλ2=2 ◻