下册 9.2 第二型曲线积分 第21题

数学分析早年真题

📝 题目

21.证明下列命题. (1)设 $f(x)$ 在 $\mathbf{R}$ 连续,$L$ 为分段光滑的简单闭曲线,证明积分 $\int_{L} f\left(x^{2}+y^{2}\right)(x \mathrm{~d} x+y \mathrm{~d} y)$ 与积分路径无关.(南开大学 2003,苏州科技 2007,湖南大学,河北工大 2010,上海理工 2006,西北大学 2003,昆明理工 2007( $f(r)=\ln r)$ ) (2)设在上半平面 $D=\{(x, y) \mid y>0\}$ 内,函数 $f(x, y)$ 具有连续的偏导数,且对任意的 $t>0$ 都有 $f(t x, t y)=t^{-2} f(x, y)$ ,证明:对 $D$ 内的任意分段光滑的有向简单闭曲线 $L$ ,都有 $$ \oint_{L} y f(x, y) \mathrm{d} x-x f(x, y) \mathrm{d} y=0 \text {. } $$ (3)设函数 $f(u)$ 可导,$C$ 为对称于坐标轴的任一封闭曲线,计算积分 $$ \oint_{C} f\left(x^{2}+y^{2}\right)\left(x^{2} \mathrm{~d} x+y^{2} \mathrm{~d} y\right) . $$

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)令 $u=x^{2}+y^{2}$ ,则 $\displaystyle \int_{L} f\left(x^{2}+y^{2}\right)(x \mathrm{~d} x+y \mathrm{~d} y)=\frac{1}{2} \int_{L} f(u) \mathrm{d} u$ .又 $f(x)$ 在 $\mathbf{R}$ 上连续,故存在 $F(u)$使 $\mathrm{d} F(u)=f(u) \mathrm{d} u=f\left(x^{2}+y^{2}\right)(x \mathrm{~d} x+y \mathrm{~d} y)$ ,所以积分与路径无关. (2)等式 $f(t x, t y)=t^{-2} f(x, y)$ 两端对 $t$ 求导得 令 $t=1$ ,则 $$ \begin{aligned} x f_{x}^{\prime}(t x, t y)+y f_{y}^{\prime}(t x, t y) & =-2 t^{-3} f(x, y) \\ x f_{x}^{\prime}(x, y)+y f_{y}^{\prime}(x, y) & =-2 f(x, y) \end{aligned} $$ 记 $P(x, y)=y f(x, y), Q(x, y)=-x f(x, y)$ ,则 $$ \frac{\partial Q}{\partial x}=-f(x, y)-x f_{x}^{\prime}(x, y), \frac{\partial P}{\partial y}=f(x, y)+y f_{y}^{\prime}(x, y), $$ 于是 $\displaystyle \frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{\partial P}{\partial y}$ .故曲线积分与路径无关.$\oint_{L} y f(x, y) \mathrm{d} x-x f(x, y) \mathrm{d} y=0$ . (3)记 $P=x^{2} f\left(x^{2}+y^{2}\right), Q=y^{2} f\left(x^{2}+y^{2}\right)$ ,则 $P_{y}=2 y x^{2} f^{\prime}\left(x^{2}+y^{2}\right), Q_{x}=2 x y^{2} f^{\prime}\left(x^{2}+y^{2}\right)$ .由格林公式得 $$ \begin{aligned} \oint_{C} f\left(x^{2}+y^{2}\right)\left(x^{2} \mathrm{~d} x+y^{2} \mathrm{~d} y\right) & =\iint_{D_{x y}}\left(2 x y^{2} f^{\prime}\left(x^{2}+y^{2}\right)-2 x^{2} y f^{\prime}\left(x^{2}+y^{2}\right)\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \\ & =\iint_{D_{y y}} 2 x y(y-x) f^{\prime}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \end{aligned} $$ 由对称性得 $$ I=\oint_{C} f\left(x^{2}+y^{2}\right)\left(x^{2} \mathrm{~d} x+y^{2} \mathrm{~d} y\right)=0 . $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:证明积分与路径无关
令 $u = x^2 + y^2$,则 $du = 2x dx + 2y dy$,所以 $x dx + y dy = \frac{1}{2} du$。原积分化为 $\int_L f(u) \cdot \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} \int_L f(u) du$。由于 $f$ 在 $\mathbb{R}$ 上连续,存在原函数 $F(u)$ 使得 $dF(u) = f(u) du$,因此被积表达式是恰当微分,积分与路径无关。
公式:$\int_L f(x^2+y^2)(x dx + y dy) = \frac{1}{2} \int_L f(u) du$
提示:注意 $u = x^2+y^2$ 的微分形式,不要遗漏系数 $\frac{1}{2}$。
步骤 2/5
目标:利用齐次性条件推导偏导数关系
对 $f(tx, ty) = t^{-2} f(x,y)$ 两边关于 $t$ 求导,得 $x f_x(tx,ty) + y f_y(tx,ty) = -2 t^{-3} f(x,y)$。令 $t=1$,得到 $x f_x(x,y) + y f_y(x,y) = -2 f(x,y)$。
公式:$x f_x + y f_y = -2f$
提示:求导时注意链式法则,且 $t$ 是变量,$x,y$ 视为常数。
步骤 3/5
目标:计算偏导数并验证格林公式条件
设 $P = y f(x,y)$,$Q = -x f(x,y)$。计算偏导数:$\frac{\partial P}{\partial y} = f + y f_y$,$\frac{\partial Q}{\partial x} = -f - x f_x$。由 $x f_x + y f_y = -2f$ 可得 $f + y f_y = -f - x f_x$,即 $\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x}$。因此曲线积分与路径无关,对任意闭曲线 $L$ 积分为零。
公式:$\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x}$
提示:注意 $P,Q$ 的定义,偏导数计算要仔细。
步骤 4/5
目标:应用格林公式化简积分
记 $P = x^2 f(x^2+y^2)$,$Q = y^2 f(x^2+y^2)$。计算偏导数:$\frac{\partial Q}{\partial x} = 2x y^2 f'(x^2+y^2)$,$\frac{\partial P}{\partial y} = 2y x^2 f'(x^2+y^2)$。由格林公式,$\oint_C P dx + Q dy = \iint_D (\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}) dxdy = \iint_D 2xy(y-x) f'(x^2+y^2) dxdy$。
公式:$\oint_C P dx + Q dy = \iint_D (Q_x - P_y) dxdy$
提示:格林公式中注意符号:$\oint Pdx+Qdy = \iint (Q_x - P_y) dxdy$。
步骤 5/5
目标:利用对称性得出积分值为零
由于曲线 $C$ 对称于坐标轴,区域 $D$ 关于 $x$ 轴和 $y$ 轴对称。被积函数 $2xy(y-x) f'(x^2+y^2)$ 关于 $x$ 和 $y$ 是奇函数(例如交换 $x$ 和 $y$ 变号),因此积分值为零。
提示:对称性需要仔细分析:被积函数在对称区域上的奇函数积分为零。

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