
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
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文檔簡介
第十一章線面積分(習(xí)題課)題組一:曲線積分的計(jì)算題xds
,1.
求I
=L其中L
為曲線x
=y2從點(diǎn)(0,0)到點(diǎn)(1,1)的一段.解:xyoA(1,1)120I
=y
1+
4
y
dy12=
1
(5 5
-1)計(jì)算其中L為圓周提示:利用極坐標(biāo),ds
=原式
=
LOa
xyrr
2
+
r¢2
dq
=
a
dqax
dst說明:若用參數(shù)方程計(jì)算,則x2
+
y
2
d
td
s
=2.
計(jì)算4343LI
=2(x
+
y
)ds,2
2其中
L
為星形線
x
3
+
y
3
=
a
3
(a
>
0).yxo2
2
2解:
L
:
x
3
+
y
3
=
a
3
(a
>
0)x
=
a
cos3
q(0
£q
£
2p
)L
:
y
=
a
sin3
q4343I
=(x
+
y
)ds0Lp2=
444(a
cos3
q)3+
(a
sin3
q)3dq
dq(
dx
)2
+
(
dy
)2
dq734
40p2(cos
q
+sin
q)
|
sinq
cosq
|
dq=12a7=
4a
33.
計(jì)算其中L為雙紐線(
a
>
0
)(x2
+
y2
)
2
=
a2
(x2
-
y2
)解:在極坐標(biāo)系下它在第一象限部分為cos
2q
(0
£q
£
p
4
)L1
:
r
=
a利用對稱性
,
得40pr
sinq=
4r2
(q
)
+
r¢2
(q
)
dq420pa
sinq
dq=
4yox機(jī)動目錄上頁下頁返回結(jié)束4.
計(jì)算其中G為球面x2
+y2解:22r
=9
-(|
-1
|)2=
2I
=
9
ds
=
9
·
2p
·
2
=18p2
G
22+z
2
=9
與平面x
+z
=1的交線.G
的半徑為則機(jī)動目錄上頁下頁返回結(jié)束5.
計(jì)算
I
=
L
(x
-
y)dx
+
(
y
-
x)dy,
其中
L
是沿逆2
2時(shí)針方向進(jìn)行的以原點(diǎn)為中心,
a
為半徑的上半圓周.解:yxoaBA補(bǔ)線段如圖.BA所以
(
x2
-
y)dx
+
(
y2
-
x)dyLBAI
=
22-
x)dy-
(x
-
y)dx
+
(
yBAD=ax2
dx-a0dxdy
-323a=
-D6.
計(jì)算I
=
L
(12xy
+
e
)dx
-(cos
y
-
xe
)dy,y
y到點(diǎn)O(0,0),解:yxoB(2,0)A(-1,1)其中曲線L
由點(diǎn)A(-1,1)沿曲線y
=x2再沿直線y
=0
到點(diǎn)B(2,0)
的路徑.
補(bǔ)線段
BC
,
CA
如圖.C(2,1)于是I
=BCCA-
-
LBCCAD=10y(-12x)dxdy
-2(12x-1(2e
-
cos
y)dy
-+
e)dx120-
y=
-
dy12xdx+20
+
e
+sin1=
-1
+
e
+sin17.
求I
=
L
(3x
-
3x y
+1)dx
-(x
-
y)dy,5
2
3其中L
是r
=1+cosq自點(diǎn)A(0,2)
到點(diǎn)B(p,0)
的一段弧.解:yoA(2,0)
xB(0,
0)注意題目所給A
,B兩點(diǎn)坐標(biāo)為極坐標(biāo).因?yàn)?x?Q
=
-3x2
=
?P?y所以積分與路徑無關(guān).于是I
=5
23(3x
-
3x y
+1)dx-(x
-
y)dyAB052=(3x
+1)dx=
-34
ydx
-(x
-1)dy
,8.
求I
=(x
-1)2
+
y2
L其中:(1)
L
為圓周x2
+y2
-2
y
=0的正向;(2)
L
為橢圓
4x2
+
y2
-8x
=
0
的正向;解:(1)L
:
x2
+
y2
-
2
y
=
0L
:
x2
+
(
y
-1)2
=1所以點(diǎn)(1,0)不在L
所圍區(qū)域D
內(nèi),于是I
=(D?Q
?P?x
?yD0dxdy-
)dxdy
==
0.(2)L
:
4x2
+
y2
-8x
=
024y2L
:
(x
-1)
+=1所以點(diǎn)(1,0)在L
所圍區(qū)域D
內(nèi),補(bǔ)曲線dL
:
(x
-1)2
+
y2
=
d2
,于是I
=d
ydx
-(
x
-1)dy(
x
-1)2
+
y2LLd
ydx
-(x
-1)dy=
0
-(x
-1)2
+
y2LdL
:
x
=1+d
cosq
(q
:
2p
fi
0)
y
=
d
sinq02pdq=
-=
-2p.d
ydx
-(x
-1)dy-(x
-1)2
+
y2Lyy2x(x2
+
y2
)l
x(x2
+
y2
)ldx
-
dy9.
確定參數(shù)l
的值,使得在不經(jīng)過直線y
=0
的區(qū)域上是某個(gè)函數(shù)u
(x,y)的全微分,并求出u
(x,y).解:
?Q=?x222-2x(x2
+
y2
)l-1(x
+
y
+
lx
)?P
=?yy2y2x(x2
+
y2
)l-1(2ly2
-
x2
-
y2
)由?x?Q
=
?P?y得2l
=
-
1取積分路徑如圖.yxo(0,y)(0,1)(x,y)u(x,
y)
=(0,1)(
x,
y
)12122
222dyyy--x(
x2
+
y2
)x
(
x
+
y
)dx
-22
2dxy-1x
x(x
+
y
)=
0yx2
+
y2=+
C2L上任意一點(diǎn)的線密度為r(q)=sec
q
,0
£
q
£
p
),求:(1)曲線段的弧長;(2)曲線段的重心;解:L
:
r
=
a(1+
cosq)a2
(1+
cosq)2
+
a2
sin2
qdq22a
1+
cosqdq
=
2a
|
cos
q
|
dq題組二:線積分的應(yīng)用題和證明題1.
已知曲線
L
的極坐標(biāo)方程為
r
=
a(1
+
cosq)
(a
>
0,L20pqcos
dq(1)
s
=
ds
=
2a=
4a.ds
=
r2
+
r¢2
dq
==(2)
m
=L220r(q)ds
=p
q
qsec 2a
cos
dq
=
2ap.yLxr(q)dsm
=0p=a(1+
cosq)
cosq
sec
q
2a
cos
q
dq2
20p=a(1+
cosq)
cosq
2adq=
pa2
.xLyr(q)dsm
=0p=a(1+
cosq)
sinq
2adq2=
4amya所以
x
=
=
,m
2mx2aa
2ay
=
=
.
故重心坐標(biāo)為G(
,
).m
p
2
p3.
設(shè)曲線積分L
F
(x,y)(ydx
+xdy)與積分路徑無關(guān),且方程F(x,y)=0
所確定的隱函數(shù)的圖形過點(diǎn)(1,2)(其中F(x,y)是可微函數(shù)),求由F(x,y)=0
所確定的曲線.解:設(shè)
P
=
F
(x,
y)
y,
Q
=
F
(x,
y)x,則?P
=
?Q?y
?xF
+
yFy
=
F
+
xFxyF
xFx
=
y又F
(x,
y)
=
0dy
=
-
Fxdx
Fydy
=
-
yxdy
+
ydx
=
0d
(xy)
=
0dx
xxy
=
C又知曲線過(1,2)C
=
2.故所求曲線為xy
=2.4.
設(shè)f
(x)在(–¥
,+¥)上具有一階連續(xù)導(dǎo)數(shù),且f
(1)=1,對于任何閉曲線
L都有
L
4x ydx
+
xf
(x)dy
=
0,求
f
(x).3解:設(shè)
P
=
4x3
y,
Q
=
xf
(x).由?P
=?Q?y
?x4x3
=[xf
(x)]x4
+
C
=
xf
(x)f
(1)
=1C
=
0故所求函數(shù)為f
(x)
=
x3
.6.
設(shè)
L
是圓周(x
-1)2
+(
y
-1)2
=1,取逆時(shí)針方向,又Lf
(x)xf(
y)dy
-
y
dx
?
2p.f
(x)為正值連續(xù)函數(shù),證明:解:yo1
x1左=應(yīng)用格林公式有
1
Df
(x)[
f
(
y)
+
]dxdy積分區(qū)域D具有輪換對稱性D
f
(
y)dxdy
=
D
f
(x)dxdyD]dxdy
1
f
(x)=[
f
(x)
+Df
(x)
1
dxdyf
(x)?
2=
2D
dxdy
=
2p.題組三:曲面積分的計(jì)算與應(yīng)用S1.
計(jì)算I
=1+4zdS,其中是z
=x2
+y2
上z
£1
部分.解:xozy1dS
=
1
+
z
2
+
z
2
dxdy,x
yD
:
x2
+
y2
£1.xyI
=
Dxy1+
4(x2
+
y2
)1+
4(x2
+
y2
)dxdy12002pdq=(1+
4r
)rdr=
3p.xoy2.
設(shè)
:
x2
+
y2
+
z
2
=
a2f
(x,
y,
z)
d
S
.計(jì)算I
=a2
-x2
-y
2
的2解:錐面z
=x2
+y2
與上半球面z
=交線為設(shè)1為上半球面夾于錐面間的部分,它在xoy
面上的z
1x
yD投影域?yàn)?/p>
Dxy
={(x,
y)
x2
+
y2
£
1
a2
},
則I
=
(x
+
y
)
d
S2
211I
=
(x2
+
y
2
)
d
S=
Dx
y(x2
+
y
2
)2
aar
20120
r
dra2
-
r
2=2pdq6=
1
p
a4
(8
-
5
2)aa2
-
x2
-
y
2d
x
d
yxoy1z
x
yD接2.l3.
證明:若是任一分片光滑的閉曲面,
為一固定方向,S和l
的夾角.證明:設(shè)n
=(cosa
,cos
b,cosg),(常向量)則Scosq
d
S
=0cos(n,l
)
d
SS=
S
(cosa
cosa
¢+
cos
b
cos
b¢+
cosg
cosg¢d
SGauss公式=
0.則
cosqdS
=0,其中q
是上任一點(diǎn)的外法線n32S4.
計(jì)算I
=(x2
+
y2
+
z2
)x
cosa
+y
cos
b
+z
cosgdS,
其中是球面x2
+y2
+z2
=R2
,a
,b,g
是其外法線的方向角.解:33d
x
d
y
d
zRW=
1Gauss公式5.
用三種方法計(jì)算I
=
xdydz
+ydzdx
+(z2
-2z)dxdy,S其中是介于z
=1
與z
=2
之間的錐面z
=x2
+
y2xoyz21部分的上側(cè).解:
方法1:Gauss公式補(bǔ)S1
:z
=1上側(cè),S2
:z
=2下側(cè).SS1
S2
S1
S2I
=
-
-
=
-W
2zdxdydz
-x2
+
y2
£1
(-1)dxdy
-(-x2
+
y2
£4
0dxdy)21zD2zdzdxdy=
-
+p2212zpz
dz=
-.213p=
-+p方法2:
利用第一類曲面積分轉(zhuǎn)化xo接5.-1zy21D
:1
£
x2
+
y2
£
4.xyS
:
z
=
x2
+
y2
,cosa
dS
=
dydzcos
bdS
=
dzdxcosgdS
=
dxdycosgdydz
=
cosa
dxdycosgdzdx
=
cos
b
dxdy2xy-zxcosa
=1
+
z
2
+
z2xy-zycos
b
=1
+
z
2
+
z21xycosg
=1
+
z
2
+
zcosa
=
-zxcosgcosacosg
=
-zydydz
=
-zxdxdyydzdx
=
-z
dxdy接5.-2S
:
z
=x2
+
y2
,D
:1
£
x2
+
y2
£
4.xyxozy21SI
=
xdydz
+
ydzdx
+(z2
-
2z)dxdydydz
=
-zxdxdydzdx
=
-zydxdy=
x(-zxdxdy)
+
y(-zydxdy)
+(z
-
2z)dxdy2S=(-xz
-
yz
+
z2
-
2z)dxdyx
ySDxy(x2
+
y2
-
3
x2
+
y2
)dxdy=
22012pdq=132p(r
-
3r)rdr
=
-接5.-3方法3:
直接計(jì)算xozy21由對稱性可知S
S
xdydz
=
ydzdx取1S
:
x
=
z2
-
y2
,Dyz
:1
£
z
£
2,-z
£
y
£
z.SxdydzS1
xdydz
=
2Dyzz2
-
y2
dydz=
-212
zdz-z=
-2z2
-
y2
dy73p.=
-取
S
:
z
=
x2
+
y2
,D
:1
£
x2
+
y2
£
4.2S(z
-
2z)dxdy
=Dxyxy(x2
+
y2
-
2x2
+
y2
)dxdy22012pdq=(r
-
2r)rdr)p=
(15
-
282
3所以I
=3-
2
·
7
p
+
1528
13(
-
)p
=
-
p.2
3
232Sxdydz
+
ydzdx
+
zdxdy
,6.
計(jì)算I
=(x2
+
y2
+
z2
)其中為球面
x2
+
y2
+
z2
=1
的外側(cè).為任一不經(jīng)過原點(diǎn)的閉曲面的外側(cè).解
(1)
:
I
=
S
xdydz
+
ydzdx
+
zdxdy
=
3
dxdydz
=
4p.W(2)
:(a)曲面不包圍原點(diǎn)(0,0,0).利用Gauss公式得:W?x
?y
?zI
=
(
?P
+
?Q
+
?R
)dxdydz
=
0.(b)曲面包圍原點(diǎn)(0,0,0).2
2
2
2做一足夠小的球面
Se
:
x
+
y
+
z
=
e
,
并取其內(nèi)側(cè),則在S
Se上可用高斯公式.接6.于是32I
=
()
xdydz
+
ydzdx
+
zdxdy-(
x2
+
y2
+
z2
)
SSe
SeW?x
?y
?z=
(
?P
+
?Q
+
?R
)dxdydz3eSe-
1xdydz
+
ydzdx
+
zdxdy33dxdydze=
0
-
(-1)
1W
e=
4p.S7.
計(jì)算I
=
x(8
y
+1)dydz
+2(1
-y2
)dzdx
-4
yzdxdy,z
=
y
-1其中是由曲線x
=
0(1
£
y
£
3)繞y
軸旋轉(zhuǎn)一周而得的曲面,它的法向量與y
軸正向的夾角大于2p
.解:旋轉(zhuǎn)曲面為S
:y
-1
=x2
+z2
,xzD
:
x2
+
z2
£
2.S補(bǔ)0S32
2S0
:y
=3,(x
+z
£
2),
取右側(cè).則S0)x(8
y
+1)dydz
+
2(1
-
y2
)dzdx
-
4
yzdxdyI
=
(-SS0W=S02(1
-
y2
)dzdx1dxdydz
-31Dydy=Dxz16dzdxdxdz
+31=p
(
y
-1)dy+32p=
34pyzo
1x8.
求在圓柱面
x2
+
y2
=
ay(a
>
0)
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