關于一道曲線積分的求解步驟詳解
本文將詳細解答一道曲線積分的計算難題,該題的核心在于一個巧妙的換元積分步驟。題目給出了一個定積分:$int_0^1 frac{y^2}{sqrt{1-y^2}}dy$,并希望了解其計算過程中的關鍵步驟是如何推導出來的。
題目中,提問者嘗試使用極坐標進行計算,但未能得到正確結果。實際上,這里并不需要用到極坐標變換。答案的關鍵在于一個簡單的換元法。
我們可以選擇 $y = sin(t)$ 作為換元。當 $y$ 從 0 變到 1 時,$t$ 則從 0 變到 $frac{pi}{2}$。 需要注意的是,在這個區間 $[0, frac{pi}{2}]$ 內,$sin(t)$ 和 $cos(t)$ 都是非負的,因此 $sqrt{cos^2 t} = cos t$。
接下來,我們一步步進行換元:
首先,將 $y = sin(t)$ 代入積分式:
$int_0^1 frac{y^2}{sqrt{1-y^2}}dy$
替換 $y$ 和 $dy$:
$int_0^{frac{pi}{2}}frac{sin^2t}{sqrt{1-sin^2t}}dsin t$
利用三角恒等式 $1 – sin^2 t = cos^2 t$,并考慮到在積分區間內 $cos t$ 為正,可化簡為:
$int_0^{frac{pi}{2}}frac{sin^2t}{sqrt{cos^2t}}cos tdt$
最終簡化得到:
$int_0^{frac{pi}{2}}sin^2tdt$
這個積分式就相對容易計算了。 至此,我們就完成了從原積分到最終積分式的推導過程,解開了提問者關于換元步驟的疑惑。