对弧长的曲线积分习题
第九章--曲线积分与曲面积分习题解答(详解)
曲线积分与曲面积分习题详解习题9-11 计算下列对弧长的曲线积分：（1）I s=⎰，其中C是抛物线2y x=上点(0,0)O到(1,1)A之间的一段弧；解: 由于C由方程2y x=（01x≤≤）给出，因此1I s x x===⎰⎰⎰123211(14)1)1212x⎡⎤=+=⎢⎥⎣⎦.（2）dCI x s=⎰，其中C是圆221x y+=中(0,1)A到B之间的一段劣弧；解:C AB=的参数方程为：cos,sinx yθθ==()42ππθ-≤≤，于是24cosIππθ-=⎰24cos1dππθθ-==⎰．（3）(1)dCx y s++⎰，其中C是顶点为(0,0),(1,0)O A及(0,1)B的三角形的边界；解: L是分段光滑的闭曲线，如图9－2所示，根据积分的可加性，则有(1)Cx y ds++⎰(1)OAx y ds=++⎰(1)ABx y ds+++⎰(1)BOx y ds+++⎰，由于OA:0y=，01x≤≤，于是ds dx===，故13(1)(01)2x y ds x dx++=++=⎰⎰OA，而:AB1y x=-,01x≤≤，于是ds==．xyoABC10(1)[(1)ABx y ds x x ++=+-+=⎰⎰同理可知:BO 0x =（01y ≤≤），0ds =，则13(1)[01]2BOx y ds y dy ++=++=⎰⎰． 综上所述33(1)322Cx y ds -+=+=+⎰． （4）22Cx y ds +⎰，其中C 为圆周22x y x +=；解 直接化为定积分．1C 的参数方程为11cos 22x θ=+,1sin 2y θ=（02θπ≤≤）, 且12ds d θθ=．于是22201cos222Cx y ds d πθθ+=⋅=⎰⎰．（5）2 ds x yz Γ⎰，其中Γ为折线段ABCD ，这里A ,B ,C ,D 的坐标依次为(0,0,0), (0,0,2),(1,0,2),(1,2,3)；解 如图所示， 2222ABBCCDx yzds x yzds x yzds x yzds Γ=++⎰⎰⎰⎰．线段AB 的参数方程为 0,0,2(01)x y z t t ===≤≤，则ds =2dt =，故02200 12=⋅⋅⋅=⎰⎰dt t yzds x AB．线段BC 的参数方程为,0,2(01)x t y z t ===≤≤，则,ds dt ==122 0020BCx yzds t dt =⋅⋅⋅=⎰⎰，线段CD 的参数方程为1,2,2x y t z t===+)10(≤≤t ，则ds ==，故1122012(2))CDx yzds t t t t dt =⋅⋅+=+=⎰⎰ 2 (2所以2222A BB CC Dx y z d s x y z d sx y z d sd s Γ=++⎰⎰⎰⎰（6）2ds y Γ⎰，其中Γ为空间曲线2222,(0),x y z a a x z a ⎧++=>⎨+=⎩. 解: Γ在,x y 平面的投影为：2222()x y a x a ++-=，即22220x y ax +-=，从而2221222a x y a ⎛⎫-+= ⎪⎝⎭.利用椭圆的参数方程得Γ的参数方程为11cos ,22:, 02.11cos ,22x a a y z a x a a θθθπθ⎧=+⎪⎪⎪Γ=≤≤⎨⎪⎪=-=+⎪⎩由于d s θθθ==. 则332π2π2222 01ds sin d sin d 222y a θθθθΓ===⎰⎰2 设一段曲线ln (0)y x a x b =<≤≤上任一点处的线密度的大小等于该点横坐标的平方，求其质量．解 依题意曲线的线密度为2x ρ=，故所求质量为2CM x ds =⎰，其中:ln (0)C y x a x b =<≤≤．则C 的参数方程为ln x xy x =⎧⎨=⎩(0)a x b <≤≤， 故ds ==，所以3221[(1)]3b a aM x ==+⎰3322221[(1)(1)]3b a =+-+．3 求八分之一球面2221(0,0,0)x y z x y z ++=≥≥≥的边界曲线的重心，设曲线的密度1ρ=。
第一类曲线积分例题与习题章节优讲
“大化小, 常代变, 近似和, 求极限”
n
可得 M
A
k 1
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2
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2.定义
设 是空间中一条有限长的光滑曲线, 义在 上的一个有界函数,若通过对 的任意分割 和对
局部的任意取点, 下列“乘积和式极限” (k ,k , k )
n
记作
lim
0
k 1
f
(k ,k , k )sk
其中 为螺旋
的一段弧.
a2 k 2 2π[a2 k 2t 2]d t 0
2π 3
a2 k 2 (3a2 4 π 2k 2 )
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12
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例5. 计算
其中 为球面
被平面
所截的圆周.
解: 由对称性可知
x2 ds
y2 ds
z2 ds
x2 ds 1 (x2 y2 z2 ) ds
则 f (x, y, z)ds
f ( (t) , (t),(t) )
2 (t) 2 (t) 2 (t) d t
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8
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例1. 计算
其中 L 是抛物线
与点 B (1,1) 之间的一段弧 .
解: L : y x2 ( 0 x 1)
1
0 x
1
x
1 4x2 dx
dx 可能为负.
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4
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3. 性质
(1) f (x, y, z) g(x, y, z)ds f (x, y, z) ds g(x, y, z) ds
（, 为常数)
(2) f (x, y, z) ds f (x, y, z) ds f (x, y, z) ds
第四章 曲线积分与曲面积分 习题课(一)
2 [ a cos t ( a sin t ) b sin t ( b cos t )] dt 0
- 12 -
a b
2
2
2
习 题 课（一）
三 格林公式及其应用 设区域 D 是由分段光滑正向曲线 L 围成, 函数
第 十 章
在 D 上具有连续一阶偏导数, 则有
Q P x y d xd y D
y dx
L
2
2
2
-8-
习 题 课（一）
（3） L ( y z ) dx ( z x ) dy ( x y ) dz , 其中
2 2 2 2 2 2
L
为球面的一部分
x y z 1, x 0 , y 0 , z 0
2 2 2
第 的围线，其方向从 z 正向看去是逆时针的。 十 y2 z2 1 章 z 解 L L1 L 2 L 3 x 0 曲 L2 x2 z2 1 x cos t 线 积 L y 0 L3 t :0 1 y sin t 分 2 o 与 z 0 L1 曲 x x2 y2 1 面 积 z 0 分 y cos t z cos t t :0 L 3 x sin t L 2 z sin t t :0 2 2 x 0 y 0
Pd x Qd y
L
曲 在D 内具有一 线 设D 是单连通域 , 函数 积 分 阶连续偏导数, 则以下四个条件等价: 与 P Q . 曲 (1) 在 D 内每一点都有 y x 面 积 Pd x Qd y 0 . 分 (2) 沿D 中任意光滑闭曲线 L , 有 L
新1第十一章曲线积分与曲面积分习题答案
25第十一章 曲线积分与曲面积分第一节 对弧长的曲线积分1. 选择题：(1) 对弧长的曲线积分的计算公式⎰Lds y x f ),(=⎰'+'βαφϕφϕdt t t t t f )()()](),([22中要求 （C ） .（A ） α>β （B ） α=β （C ） α<β(2) 设光滑曲线L 的弧长为π，则⎰Lds 6= （B ） . （A ） π （ B ） π6 （C ） π122.计算下列对弧长的曲线积分： (1)⎰+Lds y x )(，其中L 为I ） 以)1,1(),0,1()0,0(B A O ，为顶点的三角形的边界； II ）上半圆周222R y x =+；解：I ）111()()()()(1)13222LOAABBOx y ds x y ds x y ds x y dsxdx y dy +=+++++=+++=++=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰II ）22()(cos sin [sin cos ]2Lx y ds R t R t R t t R ππ+=+=-=⎰⎰(2)⎰Lyds ，其中L 为x y 22=上点)2,2(与点)2,1(－之间的一段弧；解：2223/211[(1)]33Lyds y ===+=⎰⎰⎰26*(3) ⎰Γ+ds y x )(22，其中Γ为螺旋线bt z t a y t a x ===,sin ,cos ；)20(π≤≤t解：1/222222222220()(sin cos )2x y ds a a t a t b dta a πππΓ+=++==⎰⎰⎰*(4)⎰+L ds y x 22，其中L 为y y x 222-=+；解：L 的极坐标方程为2sin r θ=-，2πθπ≤≤，则ds θ=。
222224sin 8Lrd d ππππππππθθθθθ====-=⎰⎰⎰⎰第二节 对坐标的曲线积分1．填空题(1) 对坐标的曲线积分的计算公式⎰+Ldy y x Q dx y x P ),(),(=⎰'+'βαφφϕϕφϕdt t t t Q t t t P )}()](),([)()](),([{中，下限α对应于L 的 始 点，上限β对应于L 的 终 点； (2) 第二类曲线积分⎰+Ldy y x Q dx y x P ),(),(化为第一类曲线积分是[(,)cos (,)cos ]LP x y dx Q x y ds αβ+⎰ ，其中βα,为有向光滑曲线L 在点),(y x 处的 切向量 的方向角.2．选择题：(1) 对坐标的曲线积分与曲线的方向 （B ）（A ）无关， （B ）有关；(2) 若),(y x P ，),(y x Q 在有向光滑曲线L 上连续，则 （A ） （A ） ⎰-+L dy y x Q dx y x P ),(),(=⎰+-L dy y x Q dx y x P ),(),(，（B ）⎰-+L dy y x Q dx y x P ),(),(=⎰+Ldy y x Q dx y x P ),(),(.273．计算下列对坐标的曲线积分：(1)⎰+Ldx y x )(22，其中L 为从点)0,0(A 经上半圆周1)1(22=+-y x(0)y ≥到点)1,1(B 的一段弧；解：L的方程为221(1)y x =--，:01x →，则112222()[1(1)]21Lx y dx x x xdx +=+--==⎰⎰⎰ (2) ⎰-Lydx xdy ，其中L 为2x y =上从点)1,1(B 到点)1,1(-A 的一段弧；解：112211223Lxdy ydx x xdx x dx x dx ---=-==-⎰⎰⎰。
3计算下列对弧长的曲线积分
解： ds = xt 2 + yt 2 + zt 2 dt = 1 + 4 x 2 + 9 y 2 dt
∴ cosα = dx =
1
ds 1 + 4 x 2 + 9 y 2
cos β = dy =
2x
ds 1 + 4 x 2 + 9 y 2
cosγ = dz =
3y
ds 1 + 4 x 2 + 9 y 2
(2) 沿抛物线 y = x 2 从点(0,0)到点(1,1)
(3) 沿上半圆周 x 2 + y 2 = 2 x 从点(0,0)到点(1,1)
解：（1） L1 的方向余弦： cosα = cos β = cos 45o = 1 2
∫ ∫ P( x, y)dx + Q( x, y)dy = 1 [P( x, y) + Q( x, y)]ds
y
L ε L1
−ε
D11
x
在
L
与
L1Leabharlann 包围的区域上，由∂P ∂y
=
x2 − y2 (x2 + y2 )2
=
∂Q ∂x
和格林公式，有
∫ ∫∫ ydx − xdy = ( ∂Q − ∂P )dxdy = 0
L1 + L2 2( x 2 + y 2 ) D1 ∂x ∂y
∫ ∫ ∫ ydx − xdy = ydx − xdy = 2π − ε 2 sin2 θ − ε 2 cos2 θ dθ = −π
2
0dt +
1
0dt +
312 ⋅ t ⋅ 2dt = 9
0
D11.1 对弧长的曲线积分
79第十一章 曲线积分与曲面积分第一节 对弧长的曲线积分一、填空题1．设x o y 平面上的曲线弧L 在任一点处的线密度是该点横坐标的(0)k k >倍，则曲线弧L 的质量M =d L k x s ⎰．2．设空间曲线Γ在(,)x y 处的线密度为(,,)x y z ρ，则曲线质量M =(,,)d x y z s ρΓ⎰，曲线对z 轴的转动惯量为z I =22()(,,)d x y x y z s ρΓ+⎰（类似地可写出对x 轴和y 轴的转动惯量）．3. 设平面曲线弧L 的参数方程为(),()x t y t ϕψ==，t αβ≤≤，则曲线积分(,)d Lf x y s =⎰((),(f t t t βαϕψ⎰．（写出计算公式） 设曲线弧L 的方程为极坐标方程：()ρρθ=，αθβ≤≤，则曲线积分(,)d Lf x y s =⎰(()cos ,()sin f βαρθθρθθθ⎰．（写出计算公式） 4．设平面曲线L为下半圆周y =22()d Lxy s +=⎰π．二、单项选择题1．设L 为0x x =，302y ≤≤，则4d L s =⎰ D ．A ．40xB ．4C ．06xD ．6 2．设L 为连接(0,0)O (1,0)A (0,1)B 的三角型围线，则曲线积分()d Lx y s +=⎰ B ．AB．1+．1 D ．0提示：:0,01;:1,01;OA y x AB y x x =≤≤=-≤≤:0,01BO x y =≤≤， 原式10()d (0)d OA AB BOx y s x x ++=+=+⎰⎰11(1d 1x x x y y ++-+=⎰⎰3．设平面曲线弧L 为半圆周222x y R +=(0)x R ≤≤（0R >），则L 关于x 轴的转动惯量I = B ．80 A ．32R B ．3π2R C ．3πR D ．2πR 提示：I π22232π2πd sin 2Ly s R t R -===⎰⎰，故选B. 三、计算题1．s ⎰ ，其中L 为圆周22x y ax +=（0a >）．解：如图11-1，L 的参数方程： cos 22sin 2a a x a y θθ⎧=+⎪⎪⎨⎪=⎪⎩(02π)θ≤≤，I s =⎰222π0cos d 22a θθθ==⎰⎰π2ππ222π0022cos d cos d cos d 2令t a t t a t t t t θ=⎡⎤⋅=-⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰[][]ππ222π02sin sin 2a t t a ⎛⎫=-= ⎪⎝⎭． 或利用L 的极坐标方程： cos a =ρθππ()22-≤≤θ，I s =⎰π222π2cos d 2a a -==⎰θθ. 2．2d x yz s Γ⎰其中Γ是点(1,0,2)A 与点(3,2,1)B 之间的直线段．解：Γ的参数方程：1222x t y t z t =+⎧⎪=⎨⎪=-⎩(01)t ≤≤，1220d (12)2(2x yz s t t t t Γ=+-⎰⎰14320(24244212)d t t t t t =-+++⎰15432024106614655t t t t -⎡⎤=+++=⎢⎥⎣⎦．22x y ax +=a aθO 图11-1yx813. 已知空间曲线Γ：222x y z ⎧+=⎪⎨=⎪⎩s Γ⎰ ．解：Γ的参数方程：x y z θθ⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩ (02π)θ≤≤2π200s Γθθ===⎰⎰⎰。
上海财经大学《高等数学》习题十及解答
1． 计算下列对弧长的曲线积分 1)⎰+Lds y x )(，其中L 为连接(1,0)及(0,1)两点的直线段；[解] 连接(1,0)及(0,1)两点的直线段方程为1,01x y x =-≤≤,于是⎰+Lds y x )(2101[(1')]y x x dx ++=-⎰201(1)2dx =+-=⎰2)⎰Lxds ，其中L 为由直线y x =及抛物线2y x =所围成的区域的整个边界； [解] 直线y x =与抛物线2y x =的交点为(0,0), (1,1). 设1L 为直线y x =从(1,1)到(0,0)一段, 2L 为抛物线2y x =从(0,0)到(1,1)一段, 于是12L L Lxds xds xds=+⎰⎰⎰112201114dx x dx=+++⎰⎰21=+51)212. 3)⎰+Ly x ds e22 ， 其中L 为圆周222 x y a +=， 直线y x =及x 轴在第一象限所围成的扇形的整个边界；[解] L 由线段:0(0)a OA y x ≤≤=, 圆弧:AB cos ,sin (0)2t y a t x a t π=≤≤=和线段:OB y x = (02)x π≤≤组成.221ax y x a OAe dx e +==-⎰⎰;222240()()sin cos x y ABee a a d t tt π+=-+⎰⎰404a a ae dt ae ππ==⎰;2222211x y xOBeedx +=+⎰1a e =-,于是上海财经大学《高等数学》习题十及解答2242412a a a x y a Leds e a e a a e e ππ+⎛⎫=-++-=+- ⎪⎝⎭⎰. 4)⎰++L ds zy x 2221， 其中L 为曲线cos ,sin ,t t tx e t y e t z e ===上相应于t 从0变到2的这段弧； [解] 因ds ==t dt =,所以⎰++L ds zy x 22212202222cos sin 1t t t t dt e t e t e =++⎰202t e dt -=⎰2(1)2e -=-. 5)⎰Lds y2， 其中L 为摆线的一拱()()sin 1cos (02)x a t t y a t t π=-=-≤≤，；[解] 因为ds ===,所以22202(1)cos Ly ds a t π=-⎰⎰52230c (os 1)t dt π=-⎰325220sin 22t dt π⎛⎫= ⎪⎝⎭⎰ 3205si 216n u a udu t π=⎰3423233a =⋅⋅325615a =.6)⎰+Lds y z 222， 其中L 为2222 x y z a ++=与x y =相交的圆周；[解] 因为在曲线L 上的点满足2222y z a +=，而且2222x y z a ++=与x y =相交的圆周L 的周长为2a π,所以⎰+Lds y z 222Lads =⎰22a π=.2.计算下列对坐标的曲线积分:1)⎰+Lxdy ydx ， 其中L 是圆周cos sin x R t y R t ==，上对应t 从0到/2π的一段弧；[解] 20sin (sin )cos co [s ]Lt R t R ydx xd R t t d R y t π⋅-+⋅+=⎰⎰202cos 20td Rt π==⎰.2)⎰+--+Ly x dy y x dx y x 22)()( ， 其中L 是圆周()2220x y a a +=> (按逆时针方向绕行)； [解] L 的参数方程为cos x t a =, sin y t a =, t 从0变到2π. 于是⎰+--+Ly x dy y x dx y x 22)()(221[(cos sin )(sin )(cos sin )cos ]a t t a t a t t a t dt a π+⋅---⋅=⎰2221()2a dt a ππ=-=-⎰.3)⎰-+Lydz zdy dx x 2，其中L 是曲线cos sin x kt ya t y a t ==，，上对应的t 从0到π的一段弧； [解]222co []s (sin )cos (cos )x dx zd t t a t a y ydz k k a d t a t t πΓ⋅-+-=⋅⋅+-⎰⎰2203()k t a dt π=-⎰33213k a ππ=-. 4)⎰-+++Ldz y x ydy xdx )1( ，其中L 是从点(1,1,1)到点(234)，，的一段直线； [解] 直线L 的参数方程为：1x t =+,12y t =+,13z t =+,t 从0变到1. 于是⎰-+++Ldz y x ydy xdx )1(1[(1)1(12)2(1121)3]t t t t dt =+⋅++⋅++++-⋅⎰1(614)t dt =+⎰13=.5)⎰---L dy xy y dx xy x)2()2(22， 其中L 是抛物线2y x =上从点(11)-，到点(11)，的一段弧；[解]⎰---L dy xy y dx xy x)2()2(22112242(2)(2)2x x x x x x x dx -⎡⎤=-⋅+-⋅⋅⎣⎦⎰ 421531(242)x x x x dx -=--+⎰104211442()5x x dx =-+=-⎰.6) ⎰Lxyzdz ， 其中L :2221x y z ++=与y x =相交的圆，其方向按曲线依次经过1，2，7，8卦限.[解] 曲线L 可表示为：11cos ,cos ,sin 22t t z t x y ===(02t π≤≤), 于是 201122cos cos sin cos Lxyzdz t t t tdt π⋅⋅⎡⎤=⋅⎢⎥⎣⎦⎰⎰ 230(1cos co 2)s t td π=--⎰4201cos 8|t π=-0=. 3. 计算：(1)⎰++-Ldy y x dx x xy ,)()2(22其中L 分别是由抛物线2y x =和2y x =所围成的区域的正向边界曲线，即该区域在该方向的左边.解法一 先按曲线积分的计算公式直接计算. 记21:L y x =, x 从0变到1; 2:L x y =, y 从1变到0. 于是22(2)()Lxy x dx x y dy -++⎰ 122222(2)()(2)()L L xy x dx x y dy xy x dx x y dy =-+++-++⎰⎰1324342201[(2)()2][(2)2()]x x x x x dx y y y y y dy =-++⋅+-⋅++⎰⎰532542101(22)(242)x x x dx y y y dy =+++-++⎰⎰717615=-130=. 解法二 应用格林公式计算. 令22P xy x =-, 2Q x y =+,2P x y ∂=∂, 2Q x y∂=∂, 于是 22(2)()L xy x dx x y dy -++⎰D Q P dxdy x y ⎛⎫∂∂=- ⎪∂∂⎝⎭⎰⎰ (12)Dx dxdy =-⎰⎰210(12)x xx dx dy =-⎰⎰21(12)()x x x dx =--⎰13122230(22)x x x x dx =--+⎰130=. (2)⎰-+-Ldy xy y dx xy x)2()(232，其中L 分别是四个顶点分别为(0,0)、(2,0)、(2,2)和(0,2)的正方形区域的正向边界.解法一 L 由有向线段OA 、AB 、BC 和CO 组成.322228()(2)3OA x xy dx y xy dy x dx -+-==⎰⎰;2232028()(2)(4)83AB x xy dx y xy dy y y dy -+-=-=-⎰⎰; 0222238()(2)(8)163BC x xy dx y xy dy x x dx -+-=-=-⎰⎰;2023228()(2)3CO x xy dx y xy dy y dy -+-==-⎰⎰,于是⎰-+-Ldy xy y dx xy x )2()(23288888163333⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+-+-+- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭8=. 解法二 应用格林公式计算. 令232(,),(,)2P x y x Q x y xy y xy =-=-, 显然，22,3Q Py xy x y∂∂=-=-∂∂, 因此有⎰-+-Ldy xy y dx xy x )2()(232D Q P dxdy x y ⎛⎫∂∂=- ⎪∂∂⎝⎭⎰⎰ 2(23)Dy xy dxdy =-+⎰⎰222(23)dx y xy dy =-+⎰⎰2(84)x dx =-⎰8=.4. 计算曲线积分⎰+-L y x xdy ydx )(222,其中L 为圆周()2212,x y L -+=的方向为逆时针方向. [解] 在L 所围的区域内的点(0,0)处, 函数(,)P x y 、(,)Q x y 均无意义. 现取r 为适当小的正数, 使圆周l (取逆时针向): cos x t r =, sin y t r =(t 从0变到2π)位于L 所围的区域内，则在由L 和l -所围成的复连通区域D 上，可应用格林公式，在D 上，22222()Q x y P x x y y∂-∂==∂+∂, 于是由格林公式得⎰+-L y x xdyydx )(2222202()D l ydx xdy Q P dxdy x y x y -⎛⎫-∂∂+=-= ⎪+∂∂⎝⎭⎰⎰⎰, 从而22222()2()Llydx xdyydx xdy x y x y --=++⎰⎰2202222sin co 2s r t r t dt r π--=⎰2012dt ππ=-=-⎰.5. 证明下列曲线积分在xOy 平面上与路径无关，并计算积分值.1)⎰-++)2,2()1,1(;)()(dy y x dx y x2)⎰-+-)4,3()2,1(2232;)36()6(dy xy y x dx y xy 3)⎰-++-)1,2()0,1(324.)4()32(dy xy x dx yxy[解] 1）1=∂∂=∂∂xQ y P ，积分与路径无关.⎰-++)2,2()1,1()()(dy y x dx y x =⎰212xdx =3.2)2312y xy xQ y P -=∂∂=∂∂，积分与路径无关.⎰-+-)4,3()2,1(2232)36()6(dy xy y x dx y xy =⎰⎰-+-31422)954()824(dy y y dx x =236. 3)342y x xQy P -=∂∂=∂∂，积分与路径无关.⎰-++-)1,2()0,1(324)4()32(dy xy x dx y xy =⎰⎰-+1321)84(3dy y dx =5. 6. 计算曲面积分⎰⎰∑+dS y x )(22， 其中∑分别为如下： 1) 抛物面22y x z +=及平面1=z 所围成的区域的整个边界； 2) 锥面()2223yx z +=被平面0z =和平面3z =所截得的部分．[解] 1） ∑由1∑和2∑组成，其中1∑为平面1=z 上被圆周221+=x y 所围的部分；2∑为抛物面22y x z +=(01)≤≤z . 在1∑上，=dS dxdy ; 在2∑上，==dS .⎰⎰∑+dS y x)(22=2222222211(()+≤+≤+++⎰⎰⎰⎰y x y x x y x y dxdy=⎰⎰⎰⎰++12201222041rdr r d rdr r r d ππθθ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+151535425π;2）由题设，∑的方程为=z ,因此=dS= 2=dxdy . 又由()2223yx z +=和3=z 消去z 得223+=xy , 故∑在xOy 面上的投影区域xy D 为223≤+x y , 于是⎰⎰∑+dS y x )(2222=()2+⋅⎰⎰xyD x ydxdy 230=2πθ⎰d dr (极坐标变换)9π=.7. 计算下列对面积的曲面积分：1) ⎰⎰∑++dS y x z )342(， 其中∑为平面1432=++zy x 在第一卦限中的部分； 2)⎰⎰∑+--dS z x x xy )22(2， 其中Σ为平面132=++z y x 在第一卦限中的部分； [解] 1) 在∑上，2344z x y =--. ∑在xOy 面上的投影区域xy D 为x 轴、y 轴和直线123x y+=围成的三角形闭区域. 因此⎰⎰∑++dS y x z )342(4442233xy D x y x y ⎡⎛⎫=--++ ⎪⎢⎝⎭⎣⎰⎰433xyxyD Ddxdy dxdy =⋅=⋅⎰⎰⎰⎰1232⎛⎫=⋅⋅= ⎪⎝⎭. 2) 在∑上，123z x y =--. ∑在xOy 面上的投影区域为由x 轴、y 轴和直线231x y +=所围成的三角形闭区域. 因此⎰⎰∑+--dS z x xxy )22(2222[22(123)]1(2)(3)xyD xy x x x y dxdy =--+--+-+-⎰⎰214(22133)Dzxy x x y dxdy =⋅-+--⎰⎰11(12)2302014(13223)x dx x x xy y dxdy -=⋅--+-⎰⎰()()12222011114(132)(12)1212396x x x x x x dx ⎡⎤=⋅---+---⎢⎥⎣⎦⎰14108=.8. 计算下列对坐标的曲面积分：1)ydxdz xdydz zdxdy ++⎰⎰∑， 其中Σ为柱面122=+y x被平面z=0和z=3所截得在第一卦限中的部分的前侧；[解] 由于柱面122=+y x 在xOy 面上的投影为零，因此0zdxdy ∑=⎰⎰. 又{(,)|01,03}xy y z y z D ≤≤≤≤=, {(,)|01,03}zx x z x z D ≤≤≤≤=, 如图. 因∑取前侧，所以ydxdz xdydz zdxdy ++⎰⎰∑xdydz ydzdx ∑∑=+⎰⎰⎰⎰2211yzzxD D y dydz x dzdx =-+-⎰⎰⎰⎰313120211dz y dy dz x dx =-+-⎰⎰⎰⎰21arcsin 123122y y y ⎡⎤=⋅-+⎢⎥⎣⎦ 32π=. 2) ⎰⎰∑++yzdxdz yxdydz xzdxdy ，其中Σ为1,0,0,0=++===z y x z y x 所围成的空间区域的整个边界曲面的外侧.[解] 在坐标面0x =、0y =和0z =上，积分值均为零，因此只需计算在':1x y z ∑++=(取上侧)上的积分值， 如图所示.'(1)xyD xzdxdy x x y dxdy ∑=--⎰⎰⎰⎰110(1)xxdx x y dy -=--⎰⎰124=. 由被积函数和积分曲面关于积分变量的对称性，可得 '''124xydydz yzdzdx xzdxdy ∑∑∑===⎰⎰⎰⎰⎰⎰, 因此113248xzdydz yxdxdz yzdxdy ∑++=⋅=⎰⎰.9. 计算下列对坐标的曲面积分：1)⎰⎰∑++dxdy z dxdz y dydz x 222， 其中Σ为平面0,0,0===z y x ，a z a y a x ===,,所围成的空间 区域的整个边界曲面的外侧; 2)⎰⎰∑++-+dxdy z y xy dzdx z y x dydz xz)2()(222， 其中Σ为上半球体222a y x ≤+，0z ≤，2222z a x y ≤--的表面外侧.3)⎰⎰∑++zdxdy ydxdz xdydz , 其中Σ为介于0=z 与3=z 之间的圆柱体922≤+y x 的整个表面的外侧． [解] 1) 令()2,,P x y z x =, ()2,,Q x y z y =, ()2,,R x y z z =, 应用高斯公式可得⎰⎰∑++dxdy z dxdz y dydz x 222P Q R dxdydz x y z Ω⎛⎫∂∂∂=++ ⎪∂∂∂⎝⎭⎰⎰⎰ 2()x y z dxdydz Ω=++⎰⎰⎰6zdxdydz Ω=⎰⎰⎰(应用对称性)6aa adx dy zdz =⎰⎰⎰24632a a a a =⋅⋅⋅=. 2)⎰⎰∑++-+dxdy z y xy dzdx z y x dydz xz)2()(222()222z x y dxdydz Ω=++⎰⎰⎰22202sin ad d r dr r ππθϕϕ=⋅⎰⎰⎰(球面坐标)5521552a a ππ⋅⋅==. 3)⎰⎰∑++zdxdy ydxdz xdydz (111)dxdydz Ω=++⎰⎰⎰3dxdydz Ω=⎰⎰⎰233381ππ=⋅⋅=⋅.10.求散度及旋度1) ()()()k xy z j xz y i yz x A +++++=222； 2) ()()k xz j xy i e A xy 2cos cos ++=； 3) k xz j xy i y A ++=2．[解] 1）令2P x yz =+, 2Q y xz =+, 2R z xy =+，因此 div 222P Q R A x y z x y z∂∂∂=++=++∂∂∂. rot 222ij kij k A x y z x y z P QR x yzy xzz xy∂∂∂∂∂∂==∂∂∂∂∂∂+++0=. 2）div A =2sin()2sin()xyye x xy xz xz --，rot A =k xe xy y j xz z i xy)sin ()))sin((0()00(22--+--+-=k xe xy y j xz z xy)sin ()sin(22+-.3）div A =x x ++0=x 2，rot A =k y y j z i )2()0()00(-+-+-=k y j z--.11. 利用Gauss 公式计算下列曲面积分: (1)222x dydz y dzdx z dxdy ∑++⎰⎰,其中∑为平面0x =,0y =,0z =,x a =,y a =,z a =所围的立体的表面的外侧. (2)⎰⎰∑++-+dxdy z y xy dzdx z y x dydz xz)2()(2322,其中∑为上半球体222x y a +≤,0z ≤≤.(3)⎰⎰∑++xydxdy zxdzdx yzdydz ,其中∑是单位球面2221x y z ++=的外侧. (4)⎰⎰∑++dxdy z dzdx y dydz x 222,其中∑是锥面222x y z +=与平面z h =所围成的空间区域(0)z h ≤≤的表 面, 方向取外侧.[解] (1) (2)同第9大题中的1）2）两小题，故解答略去. 3)⎰⎰∑++xydxdy zxdzdx yzdydz =⎰⎰⎰Ω++dv )000(=0.4) ⎰⎰∑++dxdy z dzdx y dydz x 222=⎰⎰⎰Ω++dv z y x )222(=π24h . 12. 利用Gauss 公式计算椭球面2222221x y z a b c++=所围区域的体积. [解] 由Gauss 公式可得V =⎰⎰⎰Ω++dv )111(31=⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz 31， 又 ⎰⎰∑zdxdy =⎰⎰∑'--dxdy b y a x c 222212=dr r r abc d ⎰⎰⋅-1022012πθ=πabc 34. 由对称性可知⎰⎰∑xdydz =⎰⎰∑ydzdx =⎰⎰∑zdxdy =πabc 34. 于是V =⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz 31=πabc 34. 13. 设某种流体的速度为v xi y j zk =++, 求单位时间内流体流过曲面22:y x z ∑=+2(0)y h ≤≤的流量, 其中∑取左侧.[解] 所求的流量为 xdydz ydzdx zdxdy ∑Φ=++⎰⎰ =⎰⎰⎰Ω++dv )111(22203y h x z dydxdz +≤=⎰⎰⎰ =203h ydy π⎰=432h π.14. 应用Stokes 公式计算下列积分: (1) ⎰-+-++Ldz x y dy z x dx z y )()()2( 其中∑为平面1x y z ++=与各坐标面的交线, 取逆时针方向为正向. (2) ⎰-+-+-Ldz x y dy z x dx y z )()()(. 其中L 为以(,0,0)A a ,(0,,0)B a ,(0,0,)C a 为顶点的三角形沿ABCA 的方向.(3) ⎰Γ++zdz dy dx y x 32, 其中L 为圆: 2220x y a z ⎧+=⎨=⎩,且从z 轴正向看去取逆时针方向. (4) ⎰Γ-+xydz zxdy yzdx 3 其中L 是曲线224310x y y y z ⎧+=⎨-+=⎩,且从z 轴正向看去取逆时针方向.[解] (1) ⎰-+-++L dz x y dy z x dx z y )()()2(=⎰⎰∑-++++dxdy dxdz dydz )21()11()11(=⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑∑∑-+zy x dxdy dxdz dydz 22=2315. 证明沿曲线AB 的曲线积分223(3)(4)2AB x y z dx x y dy xzdz -++-++⎰与积分路径无关, 只与起点A 和终点B 有关. 并求原函数. [证明] 令223P x y z =-+, 34Q x y =-+, 2R xz =. 因为 1-=∂∂=∂∂x Q y P ，0=∂∂=∂∂y R z Q ，z zP x R 2=∂∂=∂∂， 所以曲线积分223(3)(4)2AB x y z dx x y dy xzdz -++-++⎰与积分路径无关.原函数为：),,(z y x u =c y xz xy x +++-42316.计算222()()()L x yz dx y xz dy z xy dz -+-+-⎰. 其中L 为由点(,0,0)A a 至点(,0,)B a h 的螺线cos x a ϕ=,sin y a ϕ=,2h z ϕπ=(02ϕπ≤≤). [解] 令2P x yz =-, 2Q y xz =-, 2R z xy =-. 因为z x Q y P -=∂∂=∂∂，x y R z Q -=∂∂=∂∂，y zP x R -=∂∂=∂∂，所以曲线积分222()()()L x yz dx y xz dy z xy dz -+-+-⎰与积分路径无关. 一次，积分路径取点(,0,0)A a 至点(,0,)B a h 的直线段，于是可得222()()()L x yz dx y xz dy z xy dz -+-+-⎰=⎰-hdz z 02)0(=331h .。
第十章 第1节 对弧长的曲线积分
β
(α < β )
8
∫
L
f ( x , y )ds = ∫ f [ϕ ( t ),ψ ( t )] ϕ ′2 ( t ) + ψ ′2 ( t )dt
α
β
(α < β )
说明: 说明
y
ds = (dx) +(dy)
2
2 2
2
= φ′ (t ) +ψ′ (t ) dt
o
ds d y dx x x
9
注意: 注意:
1. 定积分的下限 α 一定要小于上限 β ; 2. f ( x , y )中 x , y 不彼此独立 , 而是相互有关的 .
特殊情形
x = x ⇒ y = ψ ( x)
(1) L : y = ψ ( x )
2
a ≤ x ≤ b.
2
′2(x) d x ds = (dx) +(dy) = 1+ψ
α
− α
3
o α
L R x
= ∫ R2 sin2θ (−Rsinθ)2 +(Rcosθ )2 dθ
= R3(α −sinαcosα )
θ θ sin2 = R ∫ sin θdθ = 2R − α − 2 4 0
α
2
3
α
25
五、小结
1、对弧长曲线积分的概念 2、对弧长曲线积分的计算 3、对弧长曲线积分的应用
π 2 0
= ab ∫ sin t cos t a 2 sin 2 t + b 2 cos 2 t dt
a ab u 2du (令 = a2 sin2 t +b2 cos2 t ) = 2 u 2 ∫b a −b
曲线积分习题课
y
y2
P y
[1 y y
yf ( xy)]
1 y2
f ( xy)
xyf ( xy)
Q x
在上半平面内处处成立，所以积分I在上半平面内与路径无关.
17
(2)I 1 [1 y 2 f ( xy)]dx x [ y 2 f ( xy) 1]dy
Ly
y2
((a, b) (c, d ),ab cd )
c 1 [1 b2 f (bx)]dx ab
d b
c y2
[
y
2
f
(cy)
1]dy
c a
c
bf (bx)dx
d cf (cy)dy c c
b
a
b
db
c a bc
cd
f (t)dt f (t)dt
的x待定函数 ( y ),同理
2t 1 ( t ) Q( x, y ) x2 2 y 1
P 对y积分后有关于x y
的待定函数 ( x ).
20
例7. 设在上半平面 D {(x, y) y 0}内函数 f (x, y) 具有
连续偏导数, 且对任意 t > 0 都有
[P(i
, i
)xi
Q(i , i
)yi
]
联
系
L Pdx Qdy L(P cos Qcos )ds
计 L f ( x, y)ds
f [,]
2 2dt
算
( )
LPdx Qdy
[P(,) Q(,)]dt
《高数》下册第十一章练习题
《高数》下册第十一章练习题第十一章曲线积分与曲面积分习题11-11.设在某Oy面内有一分布着质量的曲线弧L，在点（某,y）处它的线密度为（某,y）。
用对弧长的曲线积分分别表达：（1）这曲线弧对某轴,对y轴的转动惯量I某Iy,（2）这曲线弧的质心坐标某,y2.利用对弧长的曲线积分的定义证明性质33.计算下列对弧长的曲线积分：（1）（2）(某L2y)d，其中L为圆周某acot,yaint(0t2)2nL(某y)d，其中L为连接（1,0）及（0,1）两点的直线段2某d，其中L为由直线y=某及抛物线y某（3）L所围成的区域的整个边界e（4）L某2y2d，其中L为圆周某2y2a2，直线y=某及某轴在第一象限内所围成的扇形的整个边界1tttd某ecot,yeint,ze222（5）某yz，其中为曲线上相应于t从0变到2的这段弧（6）某2yzd，其中为折线ABCD，这里A,B,C,D依次为点（0,0,0），（0,0,2），（1,0,2），y2d，，其中L为摆线的一拱某a(tint),ya(1cot)(0t2)（1,3,2）（7）（8）LL(某2y2)d，其中L为曲线某a(cottint),ya(inttcot)(0t2)4.求半径为ａ，中心角为2的均匀圆弧（线密度1）的质心0t2，它的线密度5.设螺旋形弹簧一圈的方程为某acot,yaint,zkt，其中(某,y,z)某2y2z2．求：I（１）它关于ｚ轴的转动惯量z（２）它的质心。
习题11-21.设L为某Oy面内直线某a上的一段，证明：LP(某,y)d某02.设L为某Oy面内某轴上从点（a,0）到点（b,0）的一段直线，证明：LP(某,y)d某P(某,0)d某ab3.计算下列对坐标的积分：（1）(某L2y2)d某，其中L是抛物线y某2上从点（0,0）到点（2,4）的一段弧（2）L某yd某2(某a)2y2a（a>0）及某轴所围成的在第一象限内的区，其中L为圆周域的整个边界（按逆时针方向绕行）（3）Lyd某某dy，其中L为圆周某Rcot,yRint上对应t从0到2的一段弧(某y)d某(某y)dy222某+ya（4）L（按逆时针方向绕行）某2y2，其中L为圆周（5）某2d某zdyydz，其中为曲线某kyaco,zain上对应从0到是从点（1,1,1）到点（2,3,4）的一段直线的一段弧（6）（7）某d某ydy(某y1)dz，其中，其中d某dy+ydz2L为有向闭折线ABCD，这里的A,B,C依次为点(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)（8）(某的一段弧4.计算2某y)d某(y22某y)dy，其中L是抛物线y某2上从点（-1,1）到点（1,1）(某y)d某(y某)dy，其中L是：L2y某上从点（1,1）到点（4,2）的一段弧（1）抛物线（2）从点（1,1）到点（4,2）的直线段（3）先沿直线从点（1,1）到点（1,2），然后再沿直线到点（4,2）的折线22某2tt1,yt1上从点（1,1）到点（4,2）的一段弧（4）曲线222某yR5.一力场由沿横轴正方向的恒力F所构成，试求当一质量为m的质点沿圆周按逆时针方向移过位于第一象限的那一段弧时场力所做的功6.设z轴与动力的方向一致，求质量为m的质点从位置（某,y,z）沿直线移到（某,y,z）时重力所做的功7.把对坐标的曲线积分LP(某,y)d某Q(某,y)dy化成对弧长的积分曲线，其中L为：（1）在某Oy面内沿直线从点（0,0）到点（1,1）2y某（2）沿抛物线从点（0,0）到点（1,1）22某y2某从点（0,0）到点（1,1）（3）沿上半圆周23某t,yt,zt为曲线上相应于t从0变到1的曲线弧，把对坐标的曲线积分8.设Pd某QdyRdz化成对弧长的曲线积分习题11-31.计算下列曲线积分，并验证格林公式的正确性：（1）L(2某y某2)d某(某y2)dyy某2和y2某所围成的区域的，其中L是由抛物线正向边界曲线（2）L(某2某y2)d某(y22某y)dy，其中L是四个顶点分别为（0,0），（2,0），（2,2），（0,2）的正方形区域的正想边界2.利用曲线积分，求下列曲线所围成的图形的面积（1）星形线某aco3t,yain3t22（2）椭圆9某+16y144（3）圆某y2a某22yd某某dy22(某1)y2，L的方向为逆时针方向L2(某2y2)3.计算曲线积分，其中L为圆周4.证明下列曲线积分在整个某Oy面内与路径无关，并计算积分值（1）（2）(2,3)(1,1)(3,4)(某y)d某(某y)dy(1,2)(2,1)(6某y2y3)d某(6某2y3某y2)dy(2某yy43)d某(某24某y3)dy（3）(1,0)5.利用格林公式，计算下列曲线积分：(2某y4)d某(5y3某6)dy（1），其中L为三顶点分别为（0,0），（3,0）和（3,2）L的三角形正向边界；(某（2）L2yco某2某yin某y2e某)d某(某2in某2ye某)dy23，其中L为正向星形线某ya(a0)（3）2323，其中L为在抛物线L(2某y3y2co某)d某(12yin某3某2y2)dy2某y2上由点（0,0）到（2）的一段弧，1(某（4）L2y)d某(某in2y)dyy2某某2上由点（0,0）到点（1,1），其中L是在圆周的一段弧6.验证下列P(某,y)d某Q(某,y)dy在整个某Oy平面内是某一函数u(某,y)的全微分，并求这样的一个u(某,y)：（1）(某2y)d某(2某y)dy22某yd某某dy（2）（3）4in某in3yco某d某3co3yco2某dy2232y(3某y8某y)d某(某8某y12ye)dy（4）22(2某coyyco某)d某(2yin某某iny)dy（5）7.设有一变力在坐标轴上的投影为某某y,Y2某y8，这变力确定了一个力场。
第十一章 第1节 对弧长的曲线积分
3
3
2 a3
3
24
思考
y
3
(2xy 3x2 4 y2)ds
L
2 o 2 x
其中L : x2 y2 1,其周长为a. 43
利用对称性 2xyds 0 L
原式 12
( x2 L4
y2 )d s
3
12 ds
L
12a
25
五、小结
1、对弧长曲线积分的概念 2、对弧长曲线积分的计算 3、对弧长曲线积分的应用
3
记作 f (x, y)ds, 即 L
n
L
f (x, y)ds
lim 0
i 1
f (i ,i ) si.
其中
被积函数
n
L
f (x, y)ds lim 0
i 1
f (i ,i ) si
积分弧段
积分和式
曲线形构件的质量 M L ( x, y)ds.
4
2.存在条件：
当 f (x, y) 在光滑曲线弧 L 上连续时,
L
c
(3) L : r r ( ), .
可举实际例子进行说明：r 2a cos
A(r, ) 与直角坐标
•
(x, y)关系？
L f ( x, y) d s
o
r
f
r( ) cos
, r( )sin
r2 ( ) r2 ( ) d.
11
推广:
x (t)
空间曲线
:
y
(t)
,
( t ).
解: ( x2 y2 z2 )d s 2 (a cost)2 (a sint)2 (kt)2 0
(a sint)2 (a cos t)2 k2 d t
高数同济第六版下高等数学2第十一章答案[1]
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⾼数同济第六版下⾼等数学2第⼗⼀章答案[1]习题11-1 对弧长的曲线积分1.计算下列对弧长的曲线积分：（1）22x y Leds +?，其中L 为圆周222x y a +=，直线y x =及x 轴在第⼀象限内所围成的扇形的整个边界；（2）2x yzds Γ，其中Γ为折线ABCD ，这⾥A 、B 、C 、D 依次为点(0,0,0)、(0,0,2)、(1,0,2)、(1,3,2)；（3）2Ly ds ?，其中L 为摆线的⼀拱(sin )x a t t =-，(1cos )y a t =-(02)t π≤≤.2.有⼀段铁丝成半圆形y =，其上任⼀点处的线密度的⼤⼩等于该点的纵坐标，求其质量。
解曲线L 的参数⽅程为()cos ,sin 0x a y a π==≤≤ds ad ??==依题意(),x y y ρ=，所求质量22sin 2LM yds a d a π===?? 习题11-2 对坐标的曲线积分1.计算下列对坐标的曲线积分：（1）22()Lxy dx -?，其中L 是抛物线2y x =上从点(0,0)到点(2,4)的⼀段弧；（2）22()()Lx y dx x y dy x y+--+?，其中L 为圆周222x y a +=（按逆时针⽅向绕⾏）；（3）(1)xdx ydy x y dz Γ+++-?，其中Γ是从点(1,1,1)到点(2,3,4)的⼀段直线；（4）dx dy ydz Γ-+?，其中Γ为有向闭折线ABCA ，这⾥A 、B 、C 依次为点(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)；2.计算()()Lx y dx y x dy ++-?，其中L 是：（1）抛物线2y x =上从点(1,1)到点(4,2)的⼀段弧；（2）从点(1,1)到点(4,2)的直线段；（3）先沿直线从点(1,1)到点(1,2)，然后再沿直线到(4,2)的折线；（4）曲线221x t t =++，21y t =+上从点(1,1)到点(4,2)的⼀段弧。
曲线与曲面积分习题参考答案
十 曲线积分与曲面积分习题(一) 对弧长的曲线积分1. 计算ds y x L⎰+)(22，其中L 为圆周t a y t a x sin ,cos == )20(π≤≤t .解32032222202222222cos sin )sin cos ()(a dt a dt t a t a t a t a ds y x Lπππ==++=+⎰⎰⎰.2. 计算ds x L⎰，其中L 为由直线x y =及抛物线2x y =所围成的区域的整个边界.解 )12655(1214121210-+=++=⎰⎰⎰dx x x dx x ds x L. 3．计算⎰Lyds ,其中L 是抛物线x y 42=上从)0,0(O 到)2,1(A 的一段弧.解⎰L y d s ＝dy y y dy y y ⎰⎰+=+202202421)2(1 )122(34)4(4412202-=++=⎰y d y . 4．计算⎰+Lds y x )(，其中L 为从点)0,0(O 到)1,1(A 的直线段.解⎰+L ds y x )(＝23211)(10=++⎰x x . 5．计算⎰L xyzds ，其中L 是曲线2321,232,t z t y t x ===)10(≤≤t 的一段. 解 ⎰Lx y z d s ＝⎰⎰+=++13102223)1(232)2(121232dt t t t dt t t t t t ＝143216.6．计算L⎰ ，其中L 为圆周222x y a +=,直线y x =及x 轴在第一象限所围成的扇形的整个边界.解L⎰ ＝⎰1L ＋⎰2L ＋⎰3L＝dx e dt t a t a edx eax aa x⎰⎰⎰+++++024022222201)sin ()cos (11π＝(2)14ae a π+-7．设在xoy 面内有一分布着质量的曲线L ,在点(),x y 处它的线密度为(),x y μ,试用对弧长的曲线积分分别表达(1)这条曲线弧对x 轴,y 轴的转动惯量,x y I I ； (2) 这条曲线弧的质心坐标,x y . 解 （1）⎰=Lx dS yI 2μ ⎰=Ly dS x I 2μ（2）⎰⎰=L L dSy x dS y x x x ),(),(μμ ⎰⎰=LL dSy x dS y x y y ),(),(μμ (二) 对坐标的曲线积分1．计算⎰+Lxdy ydx ，其中L 为圆周t R y t R x sin ,cos ==上对应t 从0到2π的一段弧. 解⎰+Lx d y y d x ＝0]cos cos )sin (sin [20=+-⎰dt t tR R t R t R π2．计算⎰+Lydx xdy ，其中L 分别为（1）沿抛物线22x y =从)0,0(O 到)2,1(B 的一段； （2）沿从)0,0(O 到)2,1(B 的直线段.； （3）沿封闭曲线OABO ，其中)0,1(A ,)2,1(B .解 （1）⎰=+=122)24(dx x x x I .（2）2)22(1=+=⎰dx x x I .（3）⎰+Lydx xdy ＝⎰⎰⎰++BOABOA＝210(22)0dy x x dx +++=⎰⎰.3．计算⎰-+++Ldz y x zdy xdx )1(，其中Γ是从点)1,1,1(到点)4,3,2(的一段直线.解 直线方程为312111-=-=-z y x ，其参数方程为13,12,1+=+=+=t z t y t x ，t 从0变到1.13])13(3)12(2)1[(1=+++++=⎰dt t t t I .4．计算2()Lxydx x y dy x dz +-+⎰，其中L 是螺旋线bt z t a y t a x ===,sin ,cos 从0=t 到π=t 上的一段.解 dt t b a t a t a t a t a t a t a I ⎰+-+-∙=π22]cos cos )sin cos ()sin (sin cos [)(222b a a +=π.5．设Γ为曲线23,,x t y t z t ===上相应于t 从0变到1的曲线弧.把对坐标的曲线积分Pdx Qdy Rdz Γ++⎰化成对弧长的曲线积分.解 由于)3,2,1()3,2,1(),,(2y x t t dt dz dt dy dt dx ==，故229411c o s y x ++=α，229412cos yx x ++=β，229413cos yx y ++=γ.(cos cos cos )Pdx Qdy Rdz P Q R dS αβγΓΓ++=++⎰⎰＝dS yx yR xQ P ⎰Γ++++2294132.(三) 格林公式及应用1．计算⎰-L ydy x dx xy 22，其中L 为圆周222a y x =+，取逆时针方向. 解⎰-Lydy x dx xy22＝0)22(=--⎰⎰Ddxdy xy xy2．计算⎰+--Ldy y x dx y x )sin ()(22，其中L 是在圆周22x x y -=上由点)0,0(到点)1,1( 的一段弧.解 y x P -=2,)sin (2y x Q +-= ()122017sin sin 246I x x x x dx =---=-⎰ 3. 计算(1)()xxL ye dx x e dy +++⎰，其中L 为椭圆22221x y a b +=的上半周由点(,0)A a 到(,0)B a -的弧段.解 x ye P +=1,x e x Q +=⎰⎰-=+11L L L I ＝2aD adxdy dx ab a π--=-⎰⎰⎰4. 计算3222(2cos )(12sin 3)Lxy y x dx y x x y dy -+-+⎰,其中L 为在抛物线22x y π=上由点(0,0)到,12π⎛⎫⎪⎝⎭的一段弧． 解 322cos P xy y x =-，2212sin 3Q y x x y =-+ ⎰⎰⎰--=+211L L L L I ＝0)4321(00122-+--⎰⎰⎰y y dxdy D π＝42π5. 计算⎰+-L y x xdy ydx )(222，其中L 为圆周2)1(22=+-y x ，L 的方向为逆时针方向. 解 )(222y x y P +=，)(222y x x Q +-=，当022≠+y x 时， yPy x y x x Q ∂∂=+-=∂∂)(22222 L 所围区域为D ，由于D ∈)0,0(，故不能直接用格林公式.选适当小的0>r ，作位于D 内的小圆周222:r y x l =+.记L 与l 所围区域为1D ，在1D 上应用格林公式，得⎰+-L y x xdyydx )(222－⎰+-l y x xdy ydx )(222＝0其中l 取逆时针方向.所以⎰+-L y x xdyydx )(222＝⎰+-l y x xdy ydx )(222＝πθθπ=--⎰20222222cos sin r r r . 6. 计算星形线t a y t a x 33sin ,cos ==，)20(π≤≤t 所围成区域的面积.解 ⎰-=L ydx xdy A 21＝2024224283)cos sin 3sin cos 3(a dt t t a t t a ππ=+⎰7. 证明曲线积分(2,1)423(1,0)(2)(4)xy y dx x xy dy -+-⎰在整个xoy 面内与路径无关，并计算积分值.解 （1）42y xy P -=，324xy x Q -=xQy x y P ∂∂=-=∂∂342在整个xoy 面上成立 故曲线积分(2,1)423(1,0)(2)(4)xy y dx x xy dy -+-⎰在整个xoy 面内与路径无关.（2）⎰⎰+=21L L I ＝8．验证dy x xydx 22+在整个xoy 平面内是某一函数),(y x u 的全微分，并求这样的一个),(y x u .解 （1）验证略；（2）y x dy x y x u yABOA2020),(=+=+=⎰⎰⎰9．试用曲线积分求dy y x dx y x )cos ()sin 2(++的原函数. 解 y x P sin 2+=，y x Q cos =，xQ y y P ∂∂==∂∂cos 在整个xoy 面上成立 所以 ⎰++=),()0,0()cos ()sin 2(),(y x dy y x dx y x y x u=y x x ydy x xdx yxsin cos 220+=+⎰⎰+C.(四) 对面积的曲面积分1．计算⎰⎰∑+dS y x)(22，其中∑是锥面22y x z +=及平面1=z 所围成的区域的整个边界曲面. 解⎰⎰∑+dS y x)(22＝⎰⎰⎰⎰∑∑+21＝⎰⎰⎰⎰+++++xyxyD D y x dxdy y x dxdy z z y x )(1)(222222 ⎰⎰++=xyD dxdy y x )()12(22＝π212+. 2. 计算⎰⎰∑++dS zy x )223(，其中∑为平面1432=++z y x 在第一卦限的部分.解 d x d y y x y x I xyD ⎰⎰-+-+--++=22)34()2(1))321(223(， ＝⎰⎰⎰⎰-+=+x D dy y dx dxdy y xy 23302)265(361)265(361 ＝614)42741549(361202=+-⎰dx x x . （x y x D xy 2330,20:-<<<<） 3．计算⎰⎰∑dS z 2，其中∑为球面2222a z y x =++. 解⎰⎰∑dS z 2＝⎰⎰⎰⎰--=++--xyxyD D y x dxdy y x a a dxdy z z y x a2222222221)(2＝42022342a d a d a aπρρρθπ=-⎰⎰4．计算⎰⎰∑++dS z y x )(，∑是球面0,222≥=++z a z y x .有问题 解 ⎰⎰----++=xyD dxdy y x a y x a y x I 222222)(＝⎰⎰⎰⎰--+--+xyxyD D dxdy y x a dxdy y x a y x )()(222222 ＝πρρρθπ2)(002220=-+⎰⎰ad a d 5．求抛物面壳221()(01)2z x y z =+≤≤的质量，此壳的面密度为z μ=. 解 ⎰⎰∑=zdS M ＝dxdy y x y x xyD 22221)(21+++⎰⎰＝2012d d πρ⎰(五) 对坐标的曲面积分1．计算⎰⎰∑zdxdy y x22，其中∑是球面2222R z y x =++的下半部分的下侧.解⎰⎰∑zdxdy y x22＝dxdy y x R y x xyD ⎰⎰--2222＝24220cos sin Rd πθρθρ⎰⎰ ＝72105R π2．计算⎰⎰∑++yzdzdx xydydzxzdxdy ，其中∑是平面1,0,0,0=++===z y x z y x 所围成的空间区域的整个边界曲面的外侧. 解 4321∑+∑+∑+∑=∑0321===⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑∑∑⎰⎰⎰⎰--=++∑xyD dxdy y x x yzdzdx xydydz xzdxdy )1(34＝dy xy x x dx x⎰⎰---10102)(3＝85. 3．计算⎰⎰∑++=dxdy z h dxdz y g dydz x f I )()()(，其中h g f ,,为已知连续函数，∑为平行六面体c z b y a x ≤≤≤≤≤≤Ω0,0,0:表面的外侧. 解 654321∑+∑+∑+∑+∑+∑=∑⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-==∑yzyzD D dydz a f dydz f dydz x f I )()0()(1＝bc f a f )]0()([-⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-==∑yzyzD D dxdz b g dxdz g dxdz y g I )()0()(2＝ac g b g )]0()([-ab h c h I )]0()([3-=所以321I I I I ++=＝ab h c h ac g b g bc f a f )]0()([)]0()([)]0()([-+-+-. 4．计算⎰⎰∑++dxdy z dzdx y dydz x 222，其中∑为半球面222y x a z --=的上侧.解⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑∑∑+=21222dydz x dydz x dydz x＝0)()(222222=-----⎰⎰⎰⎰dydz z y a dydz z y a yzyzD D 同理：02=⎰⎰∑dzdx y 4202222222)()(a d a d dxdy y x a dxdy z aD xyπρρρθπ=-=--=⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑故⎰⎰∑++dxdy z dzdx y dydz x 222＝42a π. 5．计算⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz ，其中∑是柱面122=+y x 被0=z 及3=z 所截得的在第一卦限内的部分的前侧. 解⎰⎰∑=0zdxdy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-=-=∑1032211dz y dy dydz y xdydz yzDπθθθθππ43)2cos 1(23cos 320202=+==⎰⎰d d同理：π43=⎰⎰∑ydzdx 故⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz ＝π23. 6．设∑为平面x z a +=在柱面222x y a +=内那一部分的上侧，下面两个积分的解法是否正确？如果不对，给出正确解法. （1）3()()x z dS a dS a a ∑∑+==⨯∑=⎰⎰⎰⎰的面积； （2）3()()x z dxdy a dxdy a a ∑∑+==⨯∑=⎰⎰⎰⎰的面积. 解 （1）正确；（2）错误.正确解法是：()x z dxdy a dxdy ∑∑+=⎰⎰⎰⎰＝3adxdy a xyD π=⎰⎰.(六) 高斯公式利用高斯公式计算: 1．计算⎰⎰∑++dxdy z dzdx y dydz x 333，其中∑为球面2222a z y x=++的内侧.解 2223()I x y z dv Ω=-++⎰⎰⎰2403sin Rd d r dr ππθϕϕ=-⎰⎰⎰5125R π=- 2．计算⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz ，其中∑是曲面22y x z +=在第一卦限中10≤≤z 部分的下侧.解 补充曲面：)0,0,1(,1:221≥≥≤+=∑y x y x z ，取上侧； )1,10(,0:22≤≤≤≤=∑z x x y ，取左侧；)1,10(,0:23≤≤≤≤=∑z y y x ，取后侧.∑，1∑，2∑和3∑构成闭曲面，所围的空间闭区域记为Ω，由高斯公式，得⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz ＝⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑∑∑∑+∑+∑+∑---++321zdxdy ydzdx xdydz＝003+++⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩzxxyD D dzdx dxdy dv＝ππρρθρπ=+⎰⎰⎰43110202dz d d .3．计算⎰⎰∑+++-dxdy xz y dzdx x dydz z x y )()(22，∑为正方体Ω的表面并取外侧,其中 {(,,)|0,0,0}x y z x a y a z a Ω=≤≤≤≤≤≤.解 ()I y x dv Ω=+⎰⎰⎰＝400)(a dz y x dy dx aaa=+⎰⎰⎰ 4．计算⎰⎰∑++dS z y x )cos cos cos (222γβα，其中∑是由222z y x =+及)0(>=h h z 所围成的闭曲面的外侧，γβαcos ,cos ,cos 是此曲面的外法线的方向余弦. 解 2()2()2I x y z d x d y d z x y d x d y d z z d x d y d zΩΩΩ=++=++⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰=2220()xyxyh D D dxdy zdz h x y dxdy +=--⎰⎰⎰⎰=412h π.(七) 斯托克斯公式1．计算⎰-+-++Ldz z y dy z x dx z y )()()2(，其中L 为平面1=++z y x 与各坐标面的交线，取逆时针方向为正向. 解 由斯托克斯公式，得⎰-+-++Ldz z y dy z x dx z y )()()2(＝()()()R Q P R Q P dydz dzdx dxdy y z z x x y∑∂∂∂∂∂∂-+-+-∂∂∂∂∂∂⎰⎰ ＝⎰⎰∑-+dxdy dzdx dydz 2＝⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=xyzxyzD D D dxdy dzdx dydz 2＝1. 2．计算⎰-+-+-Ldz x y dy z x dx y z )()()(，其中L 是从)0,0,(a 经)0,,0(a 和),0,0(a 回到)0,0,(a 的三角形.解 由斯托克斯公式，得⎰-+-+-Ldz x y dy z x dx y z )()()(＝()()()R Q P R Q P dydz dzdx dxdy y z z x x y∑∂∂∂∂∂∂-+-+-∂∂∂∂∂∂⎰⎰ ＝2242222a dxdy dxdy dydz dxdy dydz xyxyyzD D D ==+=+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑. (八) 曲线积分与曲面积分自测题1．计算曲线积分 (1)ds y x L⎰+22，其中L 为圆周ax y x =+22；解 :cos (-)22L r a ππθθ=≤≤)d s d d a θθθ==cos r a θ==ds y x L⎰+22=222cos 2a ad a ππθθ-=⎰ .(2)⎰Lzds ，其中Γ为曲线)0(,sin ,cos 0t t t z t t y t t x ≤≤===；解d s t d t=⎰Lz d s=0322(2)3t t +-=⎰ (3)⎰+-Lxdy dx y a )2(，其中L 为摆线)cos 1(),sin (t a y t t a x -=-=上对应t 从0到π2的一段弧；解⎰+-Lx d y dx y a )2(=20{[(2(1cos ))](1cos )(sin )sin }a a t a t a t t a t dt π---+-⎰=2220sin 2at tdt a ππ=-⎰. (4)⎰Γ-+-dz x yzdy dx z y 2222)(，其中Γ是曲线32,,t z t y t x ===上由01=t 到12=t 的一段弧；解⎰Γ-+-dz x yzdy dx z y2222)(=14623220[()1223]t t t t t t t dt -+-⎰=16401(3)35t t dt -=⎰(5)⎰-+-Lx x dyy e dx y y e )2cos ()2sin (，其中L为上半圆周0,)(222≥=+-y a y a x 沿逆时针方向；解 补充积分路径1:0L y =，x 从0到2a. sin 2,cos 2xxP e y y Q e yy =-=-11(s i n 2)(c o s 2)xx LL L L ey y dx e y dy +-+-=-⎰⎰⎰=220()(sin 020)0ax D Q Pdxdy e dx a x y π∂∂---+=∂∂⎰⎰⎰2．计算曲面积分 (1)⎰⎰∑++222z y x dS ，其中∑是介于平面0=z 及H z =之间的圆柱面222R y x =+； 解x =，dS ==⎰⎰∑++222z y x dS=12∑∑+⎰⎰⎰⎰=yzD+yzD=221yzD R z =+⎰⎰=2arctanHR π. (2) ⎰⎰∑-+-+-dxdy y x dzdx x z dydz z y )()()(222，其中∑为锥面)0(22h z y x z ≤≤+=的外侧；解 11I ∑+∑∑=-⎰⎰⎰⎰=()P Q Rdxdydz x y z Ω∂∂∂++∂∂∂⎰⎰⎰2()xyD x y dxdy --⎰⎰ =44044h h ππ-=-.(3)⎰⎰∑++zdxdy ydzdx xdydz ,其中∑为半球面22y x R z --=的上侧；解11I ∑+∑∑=-⎰⎰⎰⎰=()P Q R dxdydz x y z Ω∂∂∂++∂∂∂⎰⎰⎰0xyD dxdy -⎰⎰ =3302dv R πΩ-=⎰⎰⎰.(4)⎰⎰∑++++3222)(z y x zdxdyydzdx xdydz ，其中∑为曲面)0(9)1(16)2(5122≥-+-=-z y x z 的上侧；解 0I = （利用高斯公式） (5) ⎰⎰∑xyzdxdy ，其中∑为球面)0,0(1222≥≥=++y x z y x 外侧. 解⎰⎰∑xyzdxdy =12xyzdxdy xyzdxdy ∑∑+⎰⎰⎰⎰=12022cos sin xyD d r r πθθθ=⎰⎰⎰⎰=215. 3．证明：22yx ydyxdx ++在整个xoy 平面除去y 的负半轴及原点的区域G 内是某个二元函数的全微分，并求出一个这样的二元函数.解 在整个xoy 平面除去y 的负半轴及原点的区域G 是单连通域.在G 内，222()Q xy Px x y y ∂-∂==∂+∂， 所以存在(,)u x y ，使22xdx ydydu x y+=+. 取积分路径：(1,0)(,0)(,)x x y →→(,)22222(1,0)10(,)x y yx xdx ydy x y u x y dx dy x y x x y +==+++⎰⎰⎰=221ln()2x y +. 4．计算⎰Γ-+-++dz x y dy z x dx z y )()()2(,其中Γ为平面1=++z y x 与各坐标面的交线，从z 轴正向看取逆时针方向. 解 由斯托克斯公式，得⎰-+-++Ldz z y dy z x dx z y )()()2(＝()()()R Q P R Q Pdydz dzdx dxdy y z z x x y∑∂∂∂∂∂∂-+-+-∂∂∂∂∂∂⎰⎰ ＝⎰⎰∑-+dxdy dzdx dydz 2＝⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=xyzxyzD D D dxdy dzdx dydz 2＝1.5．求均匀曲面222y x a z --=的质心的坐标.解 设面密度为ρ，重心(,,)x y z 由对称性：0x y ==2200xyaD M dS πρρ∑===⎰⎰⎰=22a πρ2112xyD z zdS Ma ρπ∑==⎰⎰=2a 故重心的坐标为(0,0,)2a .。
(完整版)第十章曲线积分与曲面积分练习题
第十章 曲线积分与曲面积分§10.1 对弧长曲线的积分一、判断题1．若f(x)在（-+∞∞,）内连续，则⎰badx x f )(也是对弧长的曲线积分。
（ ）2．设曲线L 的方程为x=)(y ϕ在[βα,]上连续可导则⎰⎰'+=Ldyy y y f ds y x f βαϕϕ2)]([1)),((),(（ ）二、填空题1.将⎰+Lds y x)(22，其中L 为曲线x=a(cost+tsint),y=a(sint-tcost)()20π≤≤t 化为定积分的结果是 。
2.⎰+L ds y x )(= ，其中L 为连接（1，0）和（0，1）两点的直线段。
三、选择题1．⎰+Lds y x )(22=（ ），其中L 为圆周122=+y x （A ）⎰02πθd （B ）⎰πθ2d （C ）⎰πθ22d r （D ）⎰πθ22d2．⎰Lxds =（ ），L 为抛物线2x y =上10≤≤x 的弧段。
（A ）)155(121- （B ）)155(- （C ）121 （D ）)155(81-四、计算⎰+Cds y x )(，其中C 为连接点（0，0）、（1，0）、（0，1）的闭折线。
五、计算⎰++L ds z y x )2(22，其中L 为⎩⎨⎧=++=++02222z y x R z y x六、计算⎰+Ln ds y x)(22，L 为上半圆周：)(222N n R y x ∈=+七、计算⎰+Ly x ds e22，其中L 为圆周222a y x =+，直线y=x 和y=0在第一象限内围成扇形的边界。
八、求半径为a ，中心角为ϕ2的均匀圆弧（ρ=1）的重心。
§10.2 对坐标的曲线积分一、判断题1．定积分也是对坐标的曲线积分。
（ ） 2．022=+-⎰L y x ydx xdy ，其中L 为圆周122=+y x 按逆时针方向转一周。
（ ）二、填空题1．ydz x dy y dx x 2233++⎰Γ= ，其中Γ是从点A （1，2，3）到点B （0，0，0）的直线段AB 。
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