当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第四章 向量分析 > 第五节 无源场,保守场与调和场 > 空间保守场
好 我们现在介绍空间向量场
空间向量场的与路径有关问题
与路径无关以及势函数
我们首先给出
一个空间向量场
与路径无关的定义
Ω是空间中的一个区域
v呢是定义在Ω中的空间的一个向量场
如果说第二类曲线积分
只与被积函数v和起始点A
终止点B有关
而与积分积分路径是无关的
那么我们把这个v向量场呢
称之为空间的保守场
我们有这么一条定理
v作为一个空间向量场如果是C1类的向量场
它与路径无关的充分必要条件就是
v沿着Ω中的任意一条闭路径上的积分都等于零
Ω是空间的一个区域
我们把Ω称之为线单连域如果满足下面的条件
假如说Ω中的任意一条闭路径
都在Ω中存在着一个曲面
这个曲面以这条闭路径为边界线
满足这个条件的
我们把这个Ω区域叫做线单连域
如果不满足这个条件
我们把它称之为线复连域
好 我们来看一下
什么样的区域是一个
三维空间中的线单连域
什么样的区域是一个线复连域
这是三维空间
那么如果说
这是一个三维空间中的区域
我们中间挖掉一块
变成一个球壳
这个呢是挖掉一块
这挖掉的
那么这个区域我们知道
它是一个线单连域
原因很简单
在这个区域中的
任意一条闭路径
比如说有一条闭路径 后面是
是不是在这个区域中
都存在着一个曲面
使得这个曲面
这个帽子正好是在Ω区域中
而这个帽子呢
正好是以底下这曲线为边界线
那么这个曲面一点是有的
所以呢我们把这个区域呢
称为是线单连域
我们来看一下什么样的区域是线复连域
同样是一个球域
我中间不是挖掉一个洞
我中间打穿了
这个是打穿了一个洞
挖穿了
这时候大家想
这个区域就是一个线复连域
很简单 我们找一条曲线
这个曲线就是很简单的水平的一个圆
以这条曲线为边界线的任意一个曲面
就是这个帽子
比如是要通过那个洞
总是要通过那个打穿的洞
而所有说呢我们这个帽子
不完全包含在Ω内
所有呢这个区域是一个线复连域
而这个区域是一个线单连域
对于三维空间中的向量场
我们也有下面三个定理是等价的
如果Ω是一个线单连域
v是一个C1类的函数
第一个命题就是
v作为向量场它的旋度恒等于零
第二个命题
v在Ω内的第二类曲线积分与路径无关
第三个命题
存在着u(x,y,z)三元函数
使得du等于Xdx加上Ydy加上Zdz
这三个命题是等价的
这个定理它的证明过程
实际上跟我们刚才平面向量场
与路径无关的等价性定理完全都是一样的
只不过我们现在用的
不再是用Green公式
而是用Stokes公式
我们同样可以从1证到2
从2证到3
然后回去从3再证到1
同样要注意的是
这个定理适用条件是
Ω是一个线单连域
如果线复连域的话定理就要出问题了
如果存在着一个u函数满足这个性质
我们把这个u(x,y,z)这么一个函数
同样叫做平面向量场的它的一个势函数
同样我们也有Newton-Leibniz公式
l从A点到B点vdl
就等于势函数BA Newton-Leibniz公式
也就是u在B点的值减去u在A点的值
好我们来看一个例子
要求这么一个第二类曲线积分
这是第一分量
其中l这条曲线有向曲线是这么给的
是x就等于acost
y就等于asint
z就等于b乘上t
ab都是正的
方向是这么给定的
参数从零到2π就是l的正方向
我们画一下图
这是一条螺旋线
x y z
那么起始点t等于零的时候
x等于a y等于零 z等于零
随着t的增长
这条线慢慢往上长
然后回到这
这是l线
这一点就是终点B点
这是A
所以我们可以发现
A点它是(a,0,0)
B点它x坐标应该是a
y坐标是零
z坐标应该是两倍的π乘上b
我们再来看看向量值函数v
v就等于x平方减yz
y平方减zx
z平方加xy
我们可以算出来它的旋度
是等于零向量
而这个函数当然是在整个空间
是一个C1类的函数
旋度恒等于零向量
所以这第二类曲线积分
应该是与路径无关
所以我们通过从A点到B点
我们可以找另外一条路径
我们这条路径叫做l1
那么在l正上的第二类曲线积分
应该是等于在l1正上的第二类曲线积分
x方减yz加上y方减zx加上z方加xy dz
l1这条线是一条平行于z轴的线
在这条线上x值是没有变化
y也是没有变化的
所以这两项都是等于零的
dxdy都是等于零的
那么在这条线上
x是等于a
y是永远是等于零的
因为这条线是在xz平面上
所以y是等于零的
所以这一项y等于零
这一项也等于零
实际上最后的结果就是从零到2π上
z的平方
2π乘上z的变量 2π乘上b dz
就是变成这么一个定积分的计算
这个当然我们马上就可以算出来
这个是等于三分之八的π的三次方b的三次方
因为它与路径无关
我找一条最好算的路径
就是把它变成定积分来算
既然它与路径无关的
那么我们知道一定存在一个u函数
使得du就等于x方减yzdx加上
y方减zxdy加上z方加xydz
那个u就是所谓的原函数或者说势函数
u等于什么
偏u偏x我们知道是第一分量
等于x方减yz
所以u就是等于这个函数对x的积分
就等于三分之x的三次方减去xyz
再加上一个常数
这个常数是跟yz有关系
我们再来看第二个
偏u偏y就应该是等于对y的偏导数
负的zx加上偏c yz的函数
除以偏y
应该是等于第二个分量y方减去zx
这两个抵消掉之后
那么c(y,z)就应该是等于
三分之y的三次方
再加上c是z的函数
这个c就是一个z的函数了
再做一下
这个时候我们可以知道
u就等于三分之x三次方
加上三分之y的三次方
再减去xyz加上c是z的函数
在对z求偏导数
偏u偏z就等于
负的xy加上c的导数
就应该等于第三项
是z的平方减去xy
xy抵消
c的导数就等于z的平方
c 就等于关于z的函数
就等于三分之z的三次方
加上这时候c真正是一个跟xyz都没有关系的任意常数
我们可以知道代进去u(x,y,z)
作为一个势函数我们可以算出来
它就等于
三分之x三次方加上y三次方加上z的三次方
减去xyz加上一个任意常数
这是势函数
那么由Newton-Leibniz公式
我们可以知道l从A点到B点的这么一个
x方减yzdx加上y方加zx的dy加上z方减xy的dz
就可以写成
势函数u在B点的值减去u在A点的值
你把B点的坐标代进去
把A点的坐标也代进去
最后两个一减
你可以发现就等于
三分之八的π三次方b的三次方
跟我们刚才用积分做出来的完全是一样的
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
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--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
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--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题