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112 台綜大微積分(A) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

112學年度 · 112微積分A · 第 9 題

題目

Problem

9. Evaluate ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r}, where F=⟨yexy,xexy⟩\mathbf{F} = \langle ye^{xy}, xe^{xy} \rangle and CC is the unit circle x2+y2=1x^2 + y^2 = 1. (10%)

解答

解法一(保守場性質法 — 最速解)

思路

展開
  1. 本題要求二維向量場 F=⟨P,Q⟩=⟨yexy,xexy⟩\mathbf{F} = \langle P, Q \rangle = \langle y e^{xy}, x e^{xy} \rangle 在閉曲線 CC(單位圓)上的環量線積分。
  2. 首先判斷向量場是否為保守場 (Conservative Vector Field):
    • ∂P∂y=∂∂y(yexy)=exy+xyexy\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(y e^{xy}) = e^{xy} + xye^{xy}
    • ∂Q∂x=∂∂x(xexy)=exy+xyexy\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x e^{xy}) = e^{xy} + xye^{xy}
    • 因為 ∂P∂y=∂Q∂x\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x},且定義域為整個 R2\mathbb{R}^2(單連通區域),故 F\mathbf{F} 是保守場。
  3. 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。
  4. 由於 CC 是一條封閉的單位圓周,因此其線積分值必然為 00。

答題過程

展開

設向量場 F(x,y)=⟨P(x,y),Q(x,y)⟩=⟨yexy,xexy⟩\mathbf{F}(x, y) = \langle P(x,y), Q(x,y) \rangle = \langle y e^{xy}, x e^{xy} \rangle。 我們計算其旋度(在二維平面上即判斷偏導數是否相等):

∂P∂y= ∂∂y(yexy)=exy+xyexy∂Q∂x= ∂∂x(xexy)=exy+xyexy\begin{align*} \frac{\partial P}{\partial y} =&\, \frac{\partial}{\partial y}\left( y e^{xy} \right) = e^{xy} + xy e^{xy} \\[2mm] \frac{\partial Q}{\partial x} =&\, \frac{\partial}{\partial x}\left( x e^{xy} \right) = e^{xy} + xy e^{xy} \end{align*}

因為 ∂P∂y=∂Q∂x\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x} 於全平面 R2\mathbb{R}^2 恆成立,且 R2\mathbb{R}^2 為單連通區域,因此 F\mathbf{F} 為保守場 (Conservative Vector Field)。 事實上,我們可以輕易看出 F\mathbf{F} 的勢函數 (Potential Function) 為:

f(x,y)=exy  ⟹  ∇f=⟨yexy,xexy⟩=Ff(x, y) = e^{xy} \implies \nabla f = \langle y e^{xy}, x e^{xy} \rangle = \mathbf{F}

根據保守線積分的性質,保守場沿著任意閉曲線 CC 的線積分皆為零。由於單位圓 C:x2+y2=1C: x^2 + y^2 = 1 為一封閉曲線,故:

∮CF⋅dr=0 .\oint_C \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = 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 DD 為單位圓 C:x2+y2=1C: x^2+y^2=1 所圍成的圓盤區域。 根據格林定理:

∮CP dx+Q dy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy\oint_C P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \iint_D \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) \mathrm{d}x\mathrm{d}y

將偏導數帶入:

∮Cyexy dx+xexy dy= ∬x2+y2≤1((exy+xyexy)−(exy+xyexy))dxdy= ∬x2+y2≤10 dxdy= 0 .\begin{align*} \oint_C ye^{xy}\,\mathrm{d}x + xe^{xy}\,\mathrm{d}y =&\, \iint_{x^2+y^2 \le 1} \left( (e^{xy} + xye^{xy}) - (e^{xy} + xye^{xy}) \right) \mathrm{d}x\mathrm{d}y \\[4mm] =&\, \iint_{x^2+y^2 \le 1} 0 \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\[4mm] =&\, 0 \,. \end{align*}