變力做功用微元法和積分算出來結果矛盾是為什麼?

時間 2021-06-01 19:03:27

1樓:馬晨

是因為積分算錯了。

首先是切向量,作為切向量是以順時針方向為正方向的,而根據題意是應該以逆時針方向為正方向的,所以應該取的單位化為切向量。按照題主的取法,最終結果會多乙個負號。

其次是積分,這個積分分母直接代成,就成為:,並沒有奇點,所以可以直接格林公式,得到,根據前面所說,切向量方向導致多乙個負號,按照正確的定向應該是,和微元法結果一樣。

如果先不管分母,那麼這個積分就是,直接用格林公式是不行的,這時需要在奇點周圍取乙個小圍線,在這條小圍線和原來的圓周之間的區域用格林公式,把這個小圍線記作,也就是要計算:

用格林公式化成:

在小圍線上的積分,根據你前面的計算,是。從上面的式子中減掉小圍線的積分,就得到圓周上的積分,同樣是。這裡要注意的計算,由於你取了順時針方向作為正方向,在最後一步換元到極座標的時候要多出乙個負號。

這題目最簡單的方法是直接進極座標。事實上,確實可以描述圓,但並不是所有的曲線都可以用這樣的方程方便地表示出來,最一般的表示方法是引數表示,在圓這個特例中引數就是角度。用變數代換:

,;按照上面的方法求出dx,dy:,;單位切向量(用逆時針作為正方向);於是積分變成了。相比於上面的方法要簡單得多。

總結一下的話,犯這樣的錯誤是因為不了解格林公式對奇點的處理方式。如果有奇點,我們實際上是在由小圍線劃出的不含奇點的區域內用格林公式,這樣得出的是在原來曲線上的積分加上小圍線上的積分;然後因為小圍線是任取的,一般容易計算,再從結果中減去小圍線的積分就可以了。而你的演算法中是預設了小圍線上的積分等於原來曲線上的積分,這個要求並不一定滿足。

同時要注意,格林公式所適用的曲線積分,連同被成為第二類曲面積分的積分,都對定向有非常嚴格的要求,最好使用常用的定向。比如這裡,我們常用的關於圓周的定向是逆時針,這實際上牽扯到比如角的取值,換元是有沒有負號之類的問題,如果隨便就取了相反方向的定向,中間的問題就變得非常麻煩,最終很有可能導致計算出錯。

另外,由於曲線實際上是由引數表示定義的,所以一般來講換成引數直接積分是最簡單的方法,格林公式一般在不容易找出引數表示的情況下使用,或者沒有具體給出曲線的情況下使用;做積分時,如果給定了曲線,一般先嘗試找引數直接積分比較管用。