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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性)

2023-07-11 13:54 作者:看036  | 我要投稿

一、整體感受

這幾道題都有比較強的計算技巧及相關積分公式的記憶。但相對來說還是簡單的。

題1涉及到含e^x和sinx的重要積分結論(復習day74小結論1)

題2涉及到求偏導,要看清楚是關于誰求的偏導。

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!(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)

Green公式

2、曲線積分與路線的無關性定理及應用

(1)曲線積分與路線的無關性的重要定理(4個等價條件)

曲線積分與路線的無關性的重要定理(4個等價條件)

(2)該定理在本節(jié)題目中應用

題2:可應用條件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:

觀察被積函數(shù),可能需要運用Green公式;

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的重要積分結論

2(重慶大學)

法1:

第一問用曲線積分與路線的無關性的等價條件4(驗證Qx=Py);

第二問由于與路線無關,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性的等價條件3(驗證du=Pdx+Qdy,

關鍵在如何設這個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,表示關于x求導后有這個,那么原函數(shù)應該為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性的條件。

3(武漢大學)

思路:關注到題干中有的兩兩對稱,所以想到用變量變換即可。

做法:

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)

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,應該減去

減去L1是因為這一段是自己補上的直線段,應該刪掉。


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



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