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第41题
计算 $\oint_L xy\,dx$,其中 $L$ 是圆周 $(x-a)^2+y^2=a^2\ (a>0)$ 及 $x$ 轴所围成的在第一象限内的区域的边界(按逆时针方向)。
答案
$-\dfrac{\pi a^3}{2}$
第二类曲线积分 参数方程 分段积分
📖 前置知识梳理 ▼
第二类曲线积分(对坐标的曲线积分)的计算方法:①参数方程形式 $L: x=\varphi(t), y=\psi(t)$,$t$ 从 $\alpha$ 到 $\beta$(起点到终点),则 $\int_L P\,dx+Q\,dy = \int_\alpha^\beta \{P[\varphi(t),\psi(t)]\varphi'(t) + Q[\varphi(t),\psi(t)]\psi'(t)\}\,dt$;②显函数形式 $y=y(x)$,$x$ 从 $a$ 到 $b$,则 $\int_L P\,dx+Q\,dy = \int_a^b \{P[x,y(x)] + Q[x,y(x)]y'(x)\}\,dx$;③显函数形式 $x=x(y)$,$y$ 从 $c$ 到 $d$。注意第二类曲线积分与路径方向有关,起点和终点不能写错。本题使用了 $\int_0^\pi f(\sin x)\,dx = 2\int_0^{\pi/2} f(\sin x)\,dx$ 和 Wallis 公式 $\int_0^{\pi/2} \sin^n x\,dx$ 的计算公式。

📋 解题步骤

1
分解积分路径
▼
$L=L_1+L_2$,其中 $L_1$ 为上半圆弧,$L_2$ 为 $x$ 轴线段从 $(0,0)$ 到 $(2a,0)$。
2
参数化计算L1
▼
$L_1: x=a+a\cos t,\ y=a\sin t,\ t:0\to\pi$,$dx=-a\sin t\,dt$,代入得 $I_1=-\frac{\pi a^3}{2}$。
3
计算L2
▼
$L_2$ 上 $y=0$,故 $I_2=\int_{L_2}xy\,dx=0$。
4
求和
▼
$\oint_L xy\,dx=I_1+I_2=-\frac{\pi a^3}{2}$。
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