方企勤 第六章 多元函数积分学 第6题

教材习题

📝 题目

例 6 求第二型曲线积分

$$ I = {\oint }_{L}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}}. $$

(1) $L$ 是圆周: ${x}^{2} + {y}^{2} = {\varepsilon }^{2}$ ;

(2) $L$ 是不过原点的简单、可求长闭曲线,且 $L$ 所围区域 $D$ 不含原点;

(3) $L$ 是环绕原点的简单、可求长闭曲线;

(4) $L$ 是环绕原点两圈的可求长闭曲线.

💡 答案解析

解 (1) $\displaystyle{I = {\oint }_{L}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = \frac{1}{{\varepsilon }^{2}}{\oint }_{L}x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}$

$$ = \frac{1}{{\varepsilon }^{2}}{\iint }_{D}2\mathrm{\;d}x\mathrm{\;d}y = {2\pi }. $$

(2)令 $P = - \frac{y}{{x}^{2} + {y}^{2}},Q = \frac{x}{{x}^{2} + {y}^{2}}$ . 因 $\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{{y}^{2} - {x}^{2}}{{\left( {x}^{2} + {y}^{2}\right) }^{2}} = \frac{\partial P}{\partial y} \in$ ${C}^{1}\left( \bar{D}\right)$ ,所以由格林公式得

$$ I = {\oint }_{L}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = {\iint }_{D}\left( {\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y = 0. $$

(3)以原点为心,以 $\varepsilon$ 为半径作圆 ${C}_{\varepsilon } : {x}^{2} + {y}^{2} = {\varepsilon }^{2}$ ,其中 $\varepsilon$ 小于原点到集合 $L$ 的距离. 记 $L$ 与 ${C}_{\varepsilon }$ 所围的区域为 $D.{C}_{\varepsilon }^{ - }$ 表示顺时针方向的圆周. 则由格林公式得

$$ {\int }_{L}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} + {\int }_{{C}_{\varepsilon }}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = {\iint }_{D}\left( {\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y = 0, $$

由此推出

$$ I = {\int }_{L}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = - {\int }_{{C}_{\varepsilon }^{ - }}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} $$

$$ = {\int }_{{C}_{\varepsilon }}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = {2\pi }. $$

(4)把绕原点两圈的曲线 $L$ 拆成两条绕原点的简单闭曲线的并集: $L = {C}_{1} + {C}_{2},{C}_{i}$ 为简单闭曲线,则

$$ I = {\int }_{L}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = {\int }_{{C}_{1}}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} + {\int }_{{C}_{2}}\frac{x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x}{{x}^{2} + {y}^{2}} = {4\pi }. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:计算圆周上的积分
将圆周方程代入,利用参数化或格林公式计算。这里直接使用格林公式:I = (1/ε²) ∮_L x dy - y dx = (1/ε²) ∬_D 2 dx dy = 2π。
公式:格林公式:∮_L P dx + Q dy = ∬_D (∂Q/∂x - ∂P/∂y) dx dy
提示:注意圆周半径为ε,面积为πε²。
步骤 2/4
目标:计算不过原点且不含原点的闭曲线上的积分
令P = -y/(x²+y²),Q = x/(x²+y²),计算偏导数得∂Q/∂x = ∂P/∂y = (y²-x²)/(x²+y²)²,在D内连续,由格林公式得I=0。
公式:格林公式
提示:验证P、Q在D内具有连续偏导数。
步骤 3/4
目标:计算环绕原点的简单闭曲线上的积分
作小圆周C_ε包围原点,方向取逆时针,L与C_ε所围区域不含原点,由格林公式得∮_L + ∮_{C_ε^-} = 0,故I = ∮_{C_ε} = 2π。
公式:格林公式;小圆上的积分结果
提示:C_ε^-表示顺时针方向,注意符号。
步骤 4/4
目标:计算环绕原点两圈的闭曲线上的积分
将L分解为两个简单闭曲线C1和C2,每个环绕原点一圈,由(3)知每个积分为2π,故I=4π。
公式:积分路径可加性
提示:注意曲线方向一致。

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