題目
Problem
9. Evaluate ∫CF⋅dr, where F=⟨yexy,xexy⟩ and C is the unit circle x2+y2=1. (10%)
解答
解法一(保守場性質法 — 最速解)
思路
展開
- 本題要求二維向量場 F=⟨P,Q⟩=⟨yexy,xexy⟩ 在閉曲線 C(單位圓)上的環量線積分。
- 首先判斷向量場是否為保守場 (Conservative Vector Field):
- ∂y∂P=∂y∂(yexy)=exy+xyexy
- ∂x∂Q=∂x∂(xexy)=exy+xyexy
- 因為 ∂y∂P=∂x∂Q,且定義域為整個 R2(單連通區域),故 F 是保守場。
- 保守場最重要的幾何性質為:沿任意閉曲線的線積分恆為 0。
- 由於 C 是一條封閉的單位圓周,因此其線積分值必然為 0。
答題過程
展開
設向量場 F(x,y)=⟨P(x,y),Q(x,y)⟩=⟨yexy,xexy⟩。
我們計算其旋度(在二維平面上即判斷偏導數是否相等):
∂y∂P=∂x∂Q=∂y∂(yexy)=exy+xyexy∂x∂(xexy)=exy+xyexy
因為 ∂y∂P=∂x∂Q 於全平面 R2 恆成立,且 R2 為單連通區域,因此 F 為保守場 (Conservative Vector Field)。
事實上,我們可以輕易看出 F 的勢函數 (Potential Function) 為:
f(x,y)=exy⟹∇f=⟨yexy,xexy⟩=F
根據保守線積分的性質,保守場沿著任意閉曲線 C 的線積分皆為零。由於單位圓 C:x2+y2=1 為一封閉曲線,故:
∮CF⋅dr=0.
解法二(格林定理法)
思路
展開
對於平面閉曲線線積分,我們可以直接套用格林定理 (Green’s Theorem),將線積分轉化為雙重積分。
答題過程
展開
設 D 為單位圓 C:x2+y2=1 所圍成的圓盤區域。
根據格林定理:
∮CPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
將偏導數帶入:
∮Cyexydx+xexydy===∬x2+y2≤1((exy+xyexy)−(exy+xyexy))dxdy∬x2+y2≤10dxdy0.