方企勤 第六章 多元函数积分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 求下列线积分:

(1) $\displaystyle{\int }_{AB}\left( {{x}^{2} + {2xy} - {y}^{2}}\right) \mathrm{d}x + \left( {{x}^{2} - {2xy} - {y}^{2}}\right) \mathrm{d}y,A\left( {0,0}\right) ,B\left( {2,1}\right)$ ;

(2) $\displaystyle{\int }_{AB}\left( {{x}^{2} + y + z}\right) \mathrm{d}x + \left( {{y}^{2} + x + z}\right) \mathrm{d}y + \left( {{z}^{2} + x + y}\right) \mathrm{d}z,A(0,0$ , $0),B\left( {1,1,1}\right)$ .

💡 答案解析

解 (1) 令 $P = {x}^{2} + {2xy} - {y}^{2},Q = {x}^{2} - {2xy} - {y}^{2},\frac{\partial Q}{\partial x} = {2x} - {2y} =$ $\frac{\partial P}{\partial y}$ 在全平面成立,所以线积分在全平面上与路径无关,这时必有原函数存在. 为求被积表达式的原函数, 先求积分

$$ \int P\mathrm{\;d}x = \int \left( {{x}^{2} + {2xy} - {y}^{2}}\right) \mathrm{d}x = \frac{1}{3}{x}^{3} + {x}^{2}y - x{y}^{2}, $$

$$ \int \left\lbrack {Q - \frac{\partial }{\partial y}\int P\mathrm{\;d}x}\right\rbrack \mathrm{d}y = \int \left( {-{y}^{2}}\right) \mathrm{d}y = - \frac{1}{3}{y}^{3} + C, $$

所以原函数 $u = \frac{1}{3}{x}^{3} + {x}^{2}y - x{y}^{2} - \frac{1}{3}{y}^{3} + C$ ,因而

$$ {\int }_{AB}\left( {{x}^{2} + {2xy} - {y}^{2}}\right) \mathrm{d}x + \left( {{x}^{2} - {2xy} - {y}^{2}}\right) \mathrm{d}y $$

$$ = {\left. \left( \frac{1}{3}{x}^{3} + {x}^{2}y - x{y}^{2} - \frac{1}{3}{y}^{3} + C\right) \right| }_{\left( 0,0\right) }^{\left( 2,1\right) } $$

$$ = \frac{13}{3}\text{ . } $$

(2)记被积表达式为 $\omega$ ,则 $\omega$ 的外微分

$$ \mathrm{d}\omega = \left( {{2x}\mathrm{\;d}x + \mathrm{d}y + \mathrm{d}z}\right) \mathrm{d}x + \left( {\mathrm{d}x + {2y}\mathrm{\;d}y + \mathrm{d}z}\right) \mathrm{d}y $$

$$ + \left( {\mathrm{d}x + \mathrm{d}y + {2z}\mathrm{\;d}z}\right) \mathrm{d}z $$

$$ = \mathrm{d}y\mathrm{\;d}x + \mathrm{d}z\mathrm{\;d}x + \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y + \mathrm{d}z\mathrm{\;d}y + \mathrm{d}x\mathrm{\;d}z + \mathrm{d}y\mathrm{\;d}z $$

$$ = 0\text{ , } $$

所以线积分在全空间上与路径无关. 为求 $\omega$ 的原函数,先求三个不定积分:

$$ \int P\mathrm{\;d}x = \int \left( {{x}^{2} + y + z}\right) \mathrm{d}x = \frac{1}{3}{x}^{3} + {xy} + {xz}; $$

$$ \int \left\lbrack {Q - \frac{\partial }{\partial y}\int P\mathrm{\;d}x}\right\rbrack \mathrm{d}y = \int \left( {{y}^{2} + z}\right) \mathrm{d}y = \frac{1}{3}{y}^{3} + {yz}; $$

$$ \int \left\lbrack {R - \frac{\partial }{\partial z}\int P\mathrm{\;d}x - \frac{\partial }{\partial z}\int \left\lbrack {Q - \frac{\partial }{\partial y}\int P\mathrm{\;d}x}\right\rbrack \mathrm{d}y}\right\rbrack \mathrm{d}z $$

$$ = \int {z}^{2}\mathrm{\;d}z = \frac{1}{3}{z}^{3} + C. $$

所以原函数为

$$ u = \frac{1}{3}\left( {{x}^{3} + {y}^{3} + {z}^{3}}\right) + {xy} + {yz} + {zx} + C. $$

因而

$$ {\int }_{AB}\left( {{x}^{2} + y + z}\right) \mathrm{d}x + \left( {{y}^{2} + z + x}\right) \mathrm{d}y + \left( {{z}^{2} + x + y}\right) \mathrm{d}z $$

$$ = {\left. \left\lbrack \frac{1}{3}\left( {x}^{3} + {y}^{3} + {z}^{3}\right) + xy + yz + zx\right\rbrack \right| }_{\left( 0,0,0\right) }^{\left( 1,1,1\right) } = 4. $$

评注 具体求 $u$ 时,先求不定积分 $\displaystyle{\int P\mathrm{\;d}x}$ . 再把 $Q$ 中含 $x$ 的项删去后,对变量 $y$ 求不定积分. 再把 $R$ 中含 $x$ 及含 $y$ 的项删去后,对变量 $z$ 求不定积分. 三部分相加即为所求的原函数.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:判断线积分是否与路径无关
对于(1),令P=x^2+2xy-y^2, Q=x^2-2xy-y^2,计算偏导数∂Q/∂x=2x-2y,∂P/∂y=2x-2y,两者相等,故积分与路径无关。对于(2),计算外微分dω=0,故积分与路径无关。
公式:∂Q/∂x = ∂P/∂y
提示:检查偏导数是否相等或外微分是否为零。
步骤 2/3
目标:求原函数u
对于(1),先对P积分得∫P dx = x^3/3 + x^2 y - x y^2,再对Q减去∂/∂y(∫P dx)后积分得∫(-y^2)dy = -y^3/3,相加得u = x^3/3 + x^2 y - x y^2 - y^3/3 + C。对于(2),类似地,先对P积分得x^3/3 + xy + xz,再对Q减去∂/∂y(∫P dx)后积分得y^3/3 + yz,再对R减去前两步的偏导后积分得z^3/3,相加得u = (x^3+y^3+z^3)/3 + xy + yz + zx + C。
公式:u = ∫P dx + ∫[Q - ∂/∂y(∫P dx)] dy + ∫[R - ∂/∂z(∫P dx) - ∂/∂z(∫[Q - ∂/∂y(∫P dx)] dy)] dz
提示:逐步积分,每次减去已积分的偏导项。
步骤 3/3
目标:代入端点计算积分值
对于(1),代入A(0,0)和B(2,1)得u(2,1)-u(0,0)=8/3+4-2-1/3=13/3。对于(2),代入A(0,0,0)和B(1,1,1)得u(1,1,1)-u(0,0,0)=1+1+1+1+1+1=4。
公式:∫_AB ω = u(B) - u(A)
提示:注意常数C可消去,取C=0。

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