2023數(shù)分Day84(曲線積分2:格林公式及曲線積分與路線的無關(guān)性)
一、整體感受
這幾道題都有比較強的計算技巧及相關(guān)積分公式的記憶。但相對來說還是簡單的。
題1涉及到含e^x和sinx的重要積分結(jié)論。(復習day74小結(jié)論1)
題2涉及到求偏導,要看清楚是關(guān)于誰求的偏導。
題3要計算Jacobi行列式,注意不要漏掉。而且最后被積函數(shù)是一個一階導數(shù),這個不要搞錯。
題4這道中科大的題目,算了很久Py和Qx,就是比較簡單的求偏導也出現(xiàn)計算速度上的差距,這說明之前對求偏導訓練上的不足,后期要加強?。?span id="2s04ssssssss" class="color-green-03 font-size-20">這里可以拆成幾項分別求偏導效果可能會好一些)
二、 本節(jié)需要掌握的相關(guān)定理及公式
1、對Green公式的理解以及計算公式的再熟悉
(要在封閉曲線上才能用Green公式)

2、曲線積分與路線的無關(guān)性定理及應(yīng)用
(1)曲線積分與路線的無關(guān)性的重要定理(4個等價條件)

(2)該定理在本節(jié)題目中應(yīng)用
題2:可應(yīng)用條件4(驗證Qx=Py)
以及條件3(驗證全微分du=uxdx+uydy=Pdx+Qdy)兩種方法;
題4:在計算一段封閉區(qū)間時使用,這一段積分由于滿足條件3的Qx=Py,所以可以推出條件1:這段積分值為0,用以簡化計算。
三、具體題目
1(東北師范,安徽大學)
做法:
①觀察被積函數(shù),可能需要運用Green公式;
②再畫圖,發(fā)現(xiàn)區(qū)域不封閉,補上一段(這一段恰好y=0,說明dy=0!這是一個重要化簡方式,之后常常用到)
③把積分和區(qū)域L1(補的直線段)記一下,寫出P、Q,算出Qx,Py。而且算出L1上積分為0
④化簡積分后,用Green公式轉(zhuǎn)化為D上的二重積分,最后就是算積分,注意要使用到一個含e^x和sinx的重要積分結(jié)論。


2(重慶大學)
法1:
第一問用曲線積分與路線的無關(guān)性的等價條件4(驗證Qx=Py);
第二問由于與路線無關(guān),所以可以取一段水平、一段垂直,最簡單的來做,充分利用題干條件ab=cd即可。(做積分的時候會涉及整體換元,然后區(qū)間銜接的情況,要靈活處理)
法2:
第一問:用曲線積分與路線的無關(guān)性的等價條件3(驗證du=Pdx+Qdy),
關(guān)鍵在如何設(shè)這個u(x,y),是通過觀察被積函數(shù)有f(xy),所以u(x,y)中有個F(xy)來作為f(xy)的原函數(shù);同時觀察到由于被積函數(shù)中有1/y,表示關(guān)于x求導后有這個,那么原函數(shù)應(yīng)該為x/y,所以取u(x,y)=x/y+F(xy)。
這個取u(x,y)需要很強的觀察能力,如果觀察不出,用等價條件3最方便。
但是如果用了全微分這個方法之后,第二問就比較簡單,直接代入起點和重點,再用一下ab=cd抵消一下,就出來最終結(jié)果了。
注意:這兩個等價條件(3和4)都可以好好學習一下,理解、體悟使得曲線積分與路線的無關(guān)性的條件。



3(武漢大學)
思路:關(guān)注到題干中有的兩兩對稱,所以想到用變量變換即可。
做法:
①觀察被積函數(shù),由于要用Green公式,需要Qx和Py,由于這里P=0就不用管了,但是還得驗證一下Qx是否關(guān)于x有連續(xù)偏導數(shù),由于這里y>0,那么被積函數(shù)分母不為0,說明是關(guān)于x有連續(xù)偏導的。
(這一步容易理不清楚邏輯鏈,好好想想)
②最后做變量變換,記得求出Jacobi行列式,不要漏掉,最后這個積分的被積函數(shù)是一個一階導(導數(shù)的’不要寫著寫著就漏掉了,不然用不了題干條件了),仔細點算積分,不難。


4(中國科學院大學)
我覺得是比較考驗理解能力的一道題,處理過程也比較有技巧性,很綜合。

法一:
①首先要畫圖,觀察到(1/2,0)可能是瑕點,需要去掉。
②寫出P,Q,驗證Qx=Py(這一步需要好好算,好好鍛煉計算偏導數(shù)的能力)
③補全區(qū)域,記L1,算L1積分會利用到對稱區(qū)間的奇偶性;再取L2:以瑕點位圓心的一個圓,半徑為ε。
④計算I,I為(L1+L2)-L2-L1上的積分
這里L1+L2上是為了利用Green公式,把瑕點補充上可以利用曲線積分與路線的無關(guān)性的等價條件4:Qx=Py→等價條件1:這段光滑封閉曲線的積分值為0,化簡計算。
減去L2是因為這一段本來就是瑕點,應(yīng)該減去
減去L1是因為這一段是自己補上的直線段,應(yīng)該刪掉。
法二:前2步同法一,第三步就是取L',寫出圓的參數(shù)方程來求,利用θ角的范圍在[arctan2-π,π-arctan2],算一下積分即可。
說明:這里θ角是以(1/2,0)為圓心,半徑為√5/2的圓,算的(0,-1)處的角度和(0,1)處的角度。這樣取可以經(jīng)過(0,1)和(0,-1)點
注:要會設(shè)圓的參數(shù)方程
圓的方程:(x-a)^2+(y-b)^2=r^2;
則圓的參數(shù)方程為x=a+rcosθ;y=b+rsinθ.
本題a=1/2,b=0,r=√5/2


