设L是以(0,0)为圆心,1为半径的单位圆周,则弧长积分int_(L) |y| , ds=A. 1B. 2C. 3D. 4
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
题目解答
答案
解析
本题考查第一类曲线积分(弧长积分)的计算,解题思路是先写出单位圆周的参数方程,再根据弧长积分的计算公式将曲线积分转化为定积分进行计算。
步骤一:写出单位圆周的参数方程
单位圆周$L$的参数方程为$\begin{cases}x = \cos t\\y = \sin t\end{cases}$,其中$t\in[0,2\pi]$。
步骤二:计算弧长元素$ds$
根据弧长元素公式$ds = \sqrt{(\frac{dx}{dt})^2 + (\frac{dy}{dt})^2}dt$,对$x = \cos t$和$y = \sin t$分别求导:
$\frac{dx}{dt}=-\sin t$,$\frac{dy}{dt}=\cos t$
将其代入弧长元素公式可得:
$ds = \sqrt{(-\sin t)^2 + (\cos t)^2}dt=\sqrt{\sin^2 t + \cos^2 t}dt$
根据三角函数的平方关系$\sin^2 t + \cos^2 t = 1$,则$ds = dt$。
步骤三:将曲线积分转化为定积分
已知$\vert y\vert=\vert\sin t\vert$,根据弧长积分公式$\int_{L} f(x,y)ds = \int_{\alpha}^{\beta} f(x(t),y(t))\cdot\sqrt{(\frac{dx}{dt})^2 + (\frac{dy}{dt})^2}dt$,可得:
$\int_{L} \vert y\vert ds = \int_{0}^{2\pi} \vert\sin t\vert dt$
步骤四:计算定积分
因为$\sin t$在$[0,\pi]$上大于等于$0$,在$[\pi,2\pi]$上小于等于$0$,所以将定积分拆分为两个部分:
$\int_{0}^{2\pi} \vert\sin t\vert dt = \int_{0}^{\pi} \sin t dt + \int_{\pi}^{2\pi} (-\sin t) dt$
分别计算这两个定积分:
- 计算$\int_{0}^{\pi} \sin t dt$:
根据积分公式$\int \sin t dt = -\cos t + C$,可得:
$\int_{0}^{\pi} \sin t dt = -\cos t\big|_{0}^{\pi}=-(\cos\pi - \cos0)=-(-1 - 1)= 2$ - 计算$\int_{\pi}^{2\pi} (-\sin t) dt$:
$\int_{\pi}^{2\pi} (-\sin t) dt = \cos t\big|_{\pi}^{2\pi}=\cos2\pi - \cos\pi=1 - (-1)= 2$
将两个定积分的结果相加可得:
$\int_{0}^{2\pi} \vert\sin t\vert dt = 2 + 2 = 4$