Calculus · real student question

Calcular la integral de línea de (e^x sen y - xy) dx + (xy + e^x cos y) dy a lo largo de la mitad derecha de la circunferencia x² + y² = 4, recorrida en el sentido de y creciente.

Question

Calcular

L(exsinyxy)dx+(xy+excosy)dy,\int_L \left(e^{x}\sin y-xy\right)dx+\left(xy+e^{x}\cos y\right)dy,

donde LL es la mitad derecha de la circunferencia x2+y2=4x^2+y^2=4 (es decir, x0x\ge 0), recorrida en el sentido de yy creciente.

Step-by-step solution

  1. Se fija el camino y sus extremos. La mitad derecha de x2+y2=4x^2+y^2=4 va de (0,2)(0,-2) a (0,2)(0,2) pasando por (2,0)(2,0). Que yy crezca significa que se parte de (0,2)(0,-2) y se termina en (0,2)(0,2). Conocer los extremos importa porque una parte del integrando resultará ser independiente del camino.

  2. Se comprueba la exactitud antes de parametrizar. Con P=exsinyxyP=e^x\sin y-xy y Q=xy+excosyQ=xy+e^x\cos y,

    Py=excosyx,Qx=y+excosy.P_y=e^x\cos y-x,\qquad Q_x=y+e^x\cos y.

    No coinciden, así que el campo no es conservativo y la integral completa no es independiente del camino. Pero la discrepancia está solo en los términos xy-xy y xyxy.

  3. Se separa la parte exacta. Observa que

    d ⁣(exsiny)=exsinydx+excosydy,d\!\left(e^x\sin y\right)=e^x\sin y\,dx+e^x\cos y\,dy,

    de modo que esos dos términos forman una diferencial exacta y solo dependen de los extremos:

    Lexsinydx+excosydy=[exsiny](0,2)(0,2)=sin2sin(2)=2sin2.\int_L e^x\sin y\,dx+e^x\cos y\,dy=\Big[e^x\sin y\Big]_{(0,-2)}^{(0,2)}=\sin 2-\sin(-2)=2\sin 2.

  4. Se parametriza el trozo restante. Para Lxydx+xydy\displaystyle\int_L -xy\,dx+xy\,dy se toma x=2costx=2\cos t, y=2sinty=2\sin t con tt desde π2-\tfrac{\pi}{2} hasta π2\tfrac{\pi}{2} (esto mantiene x0x\ge 0 y hace crecer a yy, tal como exige el enunciado). Entonces dx=2sintdtdx=-2\sin t\,dt, dy=2costdtdy=2\cos t\,dt y xy=4sintcostxy=4\sin t\cos t:

    π/2π/2(8sin2tcost+8sintcos2t)dt.\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\left(8\sin^2 t\cos t+8\sin t\cos^2 t\right)dt.

  5. Se usa la simetría y luego se sustituye. sintcos2t\sin t\cos^2 t es impar en un intervalo simétrico, así que su integral vale 00. Para el otro término se pone u=sintu=\sin t:

    811u2du=823=163.8\int_{-1}^{1}u^2\,du=8\cdot\frac{2}{3}=\frac{16}{3}.

  6. Se suman las dos contribuciones. La integral de línea vale

    163+2sin27.1519,\frac{16}{3}+2\sin 2\approx 7.1519,

    que coincide con la evaluación numérica directa de la integral parametrizada hasta el quinto decimal.

Answer

163+2sin27.152\frac{16}{3}+2\sin 2\approx 7.152

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