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Calculus · real student question

沿著圓 x 平方加 y 平方等於 4 的右半部分(沿 y 遞增方向),求 (e 的 x 次方乘 sin y 減 xy) dx 加上 (xy 加 e 的 x 次方乘 cos y) dy 的線積分。

Question

求

∫L(exsin⁡y−xy)dx+(xy+excos⁡y)dy,\int_L \left(e^{x}\sin y-xy\right)dx+\left(xy+e^{x}\cos y\right)dy,

其中 LL 是圓 x2+y2=4x^2+y^2=4 的右半部分(即 x≥0x\ge 0),沿 yy 遞增的方向。

Step-by-step solution

  1. 確定路徑與它的端點。 x2+y2=4x^2+y^2=4 的右半圓從 (0,−2)(0,-2) 經過 (2,0)(2,0) 走到 (0,2)(0,2)。「yy 遞增」表示起點是 (0,−2)(0,-2)、終點是 (0,2)(0,2)。端點很重要,因為被積式的一部分等一下會被證明與路徑無關。

  2. 在參數化之前先檢驗是否為恰當微分。 令 P=exsin⁡y−xyP=e^x\sin y-xy、Q=xy+excos⁡yQ=xy+e^x\cos y,

    Py=excos⁡y−x,Qx=y+excos⁡y.P_y=e^x\cos y-x,\qquad Q_x=y+e^x\cos y.

    兩者不相等,所以這個場不是保守場,整個積分並非與路徑無關。但差異只出現在 −xy-xy 與 xyxy 這兩項上。

  3. 把恰當的部分拆出來。 注意到

    d ⁣(exsin⁡y)=exsin⁡y dx+excos⁡y dy,d\!\left(e^x\sin y\right)=e^x\sin y\,dx+e^x\cos y\,dy,

    所以那兩項構成一個全微分,只取決於端點:

    ∫Lexsin⁡y dx+excos⁡y dy=[exsin⁡y](0,−2)(0,2)=sin⁡2−sin⁡(−2)=2sin⁡2.\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. 把剩下的部分參數化。 對 ∫L−xy dx+xy dy\displaystyle\int_L -xy\,dx+xy\,dy 取 x=2cos⁡tx=2\cos t、y=2sin⁡ty=2\sin t,tt 從 −π2-\tfrac{\pi}{2} 走到 π2\tfrac{\pi}{2}(這樣可保持 x≥0x\ge 0 且讓 yy 遞增,符合題目要求的方向)。於是 dx=−2sin⁡t dtdx=-2\sin t\,dt、dy=2cos⁡t dtdy=2\cos t\,dt、xy=4sin⁡tcos⁡txy=4\sin t\cos t:

    ∫−π/2π/2(8sin⁡2tcos⁡t+8sin⁡tcos⁡2t)dt.\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\left(8\sin^2 t\cos t+8\sin t\cos^2 t\right)dt.

  5. 先用對稱性,再代換。 sin⁡tcos⁡2t\sin t\cos^2 t 在對稱區間上是奇函數,積分為 00。另一項令 u=sin⁡tu=\sin t:

    8∫−11u2 du=8⋅23=163.8\int_{-1}^{1}u^2\,du=8\cdot\frac{2}{3}=\frac{16}{3}.

  6. 把兩部分相加。 線積分為

    163+2sin⁡2≈7.1519,\frac{16}{3}+2\sin 2\approx 7.1519,

    這與直接對參數化積分做數值計算的結果到小數第五位吻合。

Answer

163+2sin⁡2≈7.152\frac{16}{3}+2\sin 2\approx 7.152

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