大连理工大学 2024年数学分析第0题
📝 题目
2.设 $C$ 是 $z=\sqrt{a^{2}-x^{2}-y^{2}}$ 与 $x=y$ 的交线,方向由 $\displaystyle \left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right)$ 到 $\displaystyle \left(-\frac{a}{\sqrt{2}},-\frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right)$ .计算
$$
\left(z^{3}+3 x^{2} y\right) \mathrm{d} x+\left(x^{3}+3 y^{2} z\right) \mathrm{d} y+\left(y^{3}+3 z^{2} x\right) \mathrm{d} z
$$
💡 答案解析
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📋 详细解题步骤
步骤 1/7
目标:曲线参数化
曲线 $C$ 是球面 $z = \sqrt{a^2 - x^2 - y^2}$(上半球面)与平面 $x = y$ 的交线。代入 $x = y$ 得 $z = \sqrt{a^2 - 2x^2}$,$x$ 的取值范围为 $\left[-\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{a}{\sqrt{2}}\right]$。方向从 $\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right)$ 到 $\left(-\frac{a}{\sqrt{2}}, -\frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right)$,即 $x$ 从 $\frac{a}{\sqrt{2}}$ 减小到 $-\frac{a}{\sqrt{2}}$。令 $x = t$,则 $y = t$,$z = \sqrt{a^2 - 2t^2}$,$t$ 从 $\frac{a}{\sqrt{2}}$ 到 $-\frac{a}{\sqrt{2}}$。
公式:z = \sqrt{a^2 - 2t^2}
提示:注意参数 $t$ 的变化方向与曲线方向一致,从大到小。
步骤 2/7
目标:计算微分
由参数化 $x = t$,$y = t$,$z = \sqrt{a^2 - 2t^2}$,得 $dx = dt$,$dy = dt$,$dz = \frac{-2t}{\sqrt{a^2 - 2t^2}} dt = -\frac{2t}{z} dt$。
公式:dz = -\frac{2t}{z} dt
提示:注意 $z$ 是 $t$ 的函数,求导时使用链式法则。
步骤 3/7
目标:代入被积表达式
将 $x = t$,$y = t$,$z = \sqrt{a^2 - 2t^2}$ 及微分代入曲线积分:
\[
\begin{aligned}
& (z^3 + 3x^2 y) dx + (x^3 + 3y^2 z) dy + (y^3 + 3z^2 x) dz \\
= & (z^3 + 3t^3) dt + (t^3 + 3t^2 z) dt + (t^3 + 3z^2 t) \left(-\frac{2t}{z}\right) dt \\
= & \left[ z^3 + 3t^3 + t^3 + 3t^2 z - \frac{2t}{z}(t^3 + 3z^2 t) \right] dt \\
= & \left[ z^3 + 4t^3 + 3t^2 z - \frac{2t^4}{z} - 6t^2 z \right] dt \\
= & \left[ z^3 + 4t^3 - 3t^2 z - \frac{2t^4}{z} \right] dt
\end{aligned}
\]
提示:合并同类项时注意符号,避免计算错误。
步骤 4/7
目标:判断保守场
考虑向量场 $\mathbf{F} = (z^3 + 3x^2 y, x^3 + 3y^2 z, y^3 + 3z^2 x)$。计算旋度:
\[
\nabla \times \mathbf{F} = \begin{vmatrix}
\mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\
\partial_x & \partial_y & \partial_z \\
z^3 + 3x^2 y & x^3 + 3y^2 z & y^3 + 3z^2 x
\end{vmatrix}
\]
各分量:
- $\frac{\partial}{\partial y}(y^3 + 3z^2 x) - \frac{\partial}{\partial z}(x^3 + 3y^2 z) = 3y^2 - 3y^2 = 0$
- $\frac{\partial}{\partial z}(z^3 + 3x^2 y) - \frac{\partial}{\partial x}(y^3 + 3z^2 x) = 3z^2 - 3z^2 = 0$
- $\frac{\partial}{\partial x}(x^3 + 3y^2 z) - \frac{\partial}{\partial y}(z^3 + 3x^2 y) = 3x^2 - 3x^2 = 0$
旋度为零,故向量场是保守场。
公式:\nabla \times \mathbf{F} = \mathbf{0}
提示:旋度计算要仔细,每个偏导数的顺序不能弄错。
步骤 5/7
目标:求势函数
设势函数 $f$ 满足 $\nabla f = \mathbf{F}$。由 $\frac{\partial f}{\partial x} = z^3 + 3x^2 y$,积分得 $f = x z^3 + x^3 y + g(y, z)$。由 $\frac{\partial f}{\partial y} = x^3 + 3y^2 z$,得 $x^3 + \frac{\partial g}{\partial y} = x^3 + 3y^2 z$,故 $\frac{\partial g}{\partial y} = 3y^2 z$,积分得 $g = y^3 z + h(z)$,所以 $f = x z^3 + x^3 y + y^3 z + h(z)$。由 $\frac{\partial f}{\partial z} = y^3 + 3z^2 x$,得 $3x z^2 + y^3 + h'(z) = y^3 + 3z^2 x$,故 $h'(z) = 0$,取 $h(z) = 0$,则势函数 $f(x,y,z) = x z^3 + x^3 y + y^3 z$。
公式:f(x,y,z) = x z^3 + x^3 y + y^3 z
提示:积分时注意常数项是未定函数,需通过后续偏导确定。
步骤 6/7
目标:计算曲线积分
由于向量场保守,曲线积分等于势函数在终点与起点的差:
\[
\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = f\left(-\frac{a}{\sqrt{2}}, -\frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right) - f\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right)
\]
在 $z=0$ 时,$f(x,y,0) = x^3 y$。所以:
\[
f\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right) = \left(\frac{a}{\sqrt{2}}\right)^3 \cdot \frac{a}{\sqrt{2}} = \frac{a^4}{4}
\]
\[
f\left(-\frac{a}{\sqrt{2}}, -\frac{a}{\sqrt{2}}, 0\right) = \left(-\frac{a}{\sqrt{2}}\right)^3 \cdot \left(-\frac{a}{\sqrt{2}}\right) = \frac{a^4}{4}
\]
差值为 $\frac{a^4}{4} - \frac{a^4}{4} = 0$。
公式:\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = f(\text{终点}) - f(\text{起点})
提示:注意起点和终点的坐标,代入势函数时小心符号。
步骤 7/7
目标:得出最终答案
曲线积分为 0。
提示:检查是否漏掉常数项或符号错误。
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