使用斯托克斯定理计算线积分出错求助:结果与正确值不符
使用斯托克斯定理计算线积分出错求助:结果与正确值不符
大家好,我最近在做一道斯托克斯定理的线积分题,算出来的结果是$-1/3$,但正确答案是$-1$,实在找不到哪里错了,想请各位帮忙看看问题出在哪。
题目详情
设$\Sigma$是顶点为$(1,0,0)$、$(0,1,0)$和$(0,0,1)$的三角形,计算线积分
$$\int_\Sigma (x+y2)dx+(y+z2)dy+(z+x^2)dz, $$
其中轮廓从点$(1,1,1)$看具有正方向,要求使用斯托克斯定理。
我的计算过程
- 曲面参数化:我把三角形曲面参数化为$r(s,t)=(s,t,1-s-t)$,其中$0\leq t\leq 1-s$,$0\leq s\leq 1$,这部分应该没问题吧?
- 计算向量场的旋度:定义向量场$F(x,y,z)=(x+y2,y+z2,z+x^2)$,我算出旋度$\text{curl }F=(-2z,-2x,-2y)$,计算逻辑是:
- 旋度的三个分量分别为$R_y-Q_z$、$P_z-R_x$、$Q_x-P_y$
- 对应代入得$0-2z=-2z$,$0-2x=-2x$,$0-2y=-2y$,这一步应该是对的?
- 求参数偏导的叉乘:$r_s=(1,0,-1)$,$r_t=(0,1,-1)$,叉乘结果$r_s\times r_t=(1,1,1)$,这个我核对过,应该没错。
- 转化为曲面积分计算:根据斯托克斯定理,线积分等于旋度在曲面上的通量积分,也就是:
$$\int_{0}{1}\int_{0}{1-s}\text{curl }F(r(s,t))\cdot(r_s\times r_t)dtds$$
*这里我犯了一个低级错误!*代入$\text{curl }F(r(s,t))$的时候,我错误地计算了点积:
我写成了$-2(1-t-s+s+t)$,但实际上正确的代入应该是:
$\text{curl }F(r(s,t))=(-2(1-s-t), -2s, -2t)$,和$(1,1,1)$点积的结果是:
$-2(1-s-t) + (-2s) + (-2t) = -2 + 2s + 2t -2s -2t = -2$
所以正确的积分应该是:
$$\int_{0}{1}\int_{0}{1-s} -2 , dtds = -2 \int_{0}^{1} (1-s) ds = -2 \times \left(1 - \frac{1}{2}\right) = -1$$
这样就和正确答案一致了!
原来我在点积计算的时候粗心了,把参数代入后的项错误地合并,导致积分结果算错,现在纠正过来就对了。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者per persson
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