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 > 平面保守场
好 现在我们讨论
平面向量场的一个很重要的问题
一个特殊的一个场
我们把它叫做保守场
所谓一个平面向量场
它就是一个向量值函数
由两个分量构成的这么一个向量值函数
在物理上叫做平面向量场
平面D区域
那么如果说我们要讨论
平面向量场的这么一个第二类曲线积分
l从A点到B点
通常跟这个第二类曲线积分有关系
或者说会影响这个第二类曲线积分值的
因素有这么几个因素
v函数 这是天经地义的被积函数
第二个是A点和B点的选择
第三条是连接AB点这么一条曲线
如果连续的向量场v(x,y)
在D区域内第二类曲线积分与路径无关
那么就称这个v向量场
在D区域内是一个平面保守场
对于平面保守场来讲
我们有一条非常简单的一条定理
v如果是一个C1类的函数
第二类曲线积分与路径无关
或者说v是一个平面上的保守场
它的充分必要条件就是
v在D内任意闭路径上的第二类曲线积分为零
好下面我们证明一下这条定理
假如这是D区域
第二类曲线积分与路径无关
假如说D区域上随便找一点
一点叫做A 一点叫做B
第二类曲线积分与路径无关
那么沿着l1从A点到B点
和沿着l2从A点到B点
第二类曲线积分都应该相等
也就是说沿着l1从A点到B点
都要等于沿着l2从A点到B点
第二类曲线积分要相等
如果说我把l1 l2的话
写成一条闭路径
我们可以知道l这条路径
是由l1的负方向
再加上l2的正方向构成
那么在l这条闭路径上的积分
就可以写成l1的负方向的积分
加上l2的正方向的积分
因为这两个积分是相等的
也就等于负的在l1正方向上的积分
再加上在l2正方向的积分
是不是都有等于零
所以说我们可以知道
如果说与路径无关
那么任意一条闭路径上的积分
都应该要等于零
反过来讲
如果任意一条闭路径上的积分等于零
那么两条不同的路径的话
它一个正方向和一个负方向
就构成了一个闭路径
这个积分一定等于零
那么这两个积分也应该相等
所以我们可以知道
对于一个第二类曲线积分
与路径无关的一个平面上的问题来讲
那么我们可以给与路径无关
找到一个充分必要条件
那么更具体的
怎么才可以保证
它的任意一条闭路径上的积分等于零
那么我们是用下面的定理来保证
在引出下面定理之前
我们先对区域做一个分划
平面上的有一类区域叫做单连域
单连域的定义是
D是一个单连域
如果D内任意一条闭路径的内部
都包含在D内
所谓复连域的话
当然就是不是单连域就是复连域
好 我们来画张图来看看
什么叫单连域
我们看 这个区域可能很复杂
这个区域是个单连域
原因很简单
这个区域的D区域的内部任意一条
随便找一条闭曲线
这条曲线的内部是不是都在D区域内
我们可以画一个复连域
什么叫复连域
我把它挖掉一个洞
这挖掉不算的
那么我们把边上那个环域
就是一个复连域
这个环域上我们可以知道
我们可以找一条路径
这条路径的内部
不完全包含在D区域内
也就是说这条路径它的内部
包含着那个洞
而这个洞或者某一点 抠掉的话
是不在D区域内
所以这个区域就叫做复连域
所以我们通俗的讲
一个单连域的区域
就是中间没有挖掉洞的平面区域
一个复连域区域
中间可以挖掉一个点
或者挖掉若干个洞
那么我们把这个区域叫做复连域区域
好对于平面向量场的与路径无关问题
我们有下面的定理
定理
假如说D是平面上的单连域
v作为向量值函数
在D这个区域内是一个连续可微的函数
则下面的命题是等价的
第一 Y对x的偏导数恒等于X对y的偏导数
第二 v在D上的一条线上的
类曲线积分与路径无关
第三 存在着一个二元函数u(x,y)
使得du就等于Xdx加上Ydy
而这个u函数也称之为
这个微分式的势函数
好 下面我们证一下
要证明一二三是等价的
我们采取的方法是从一证到二
从二证到三
从三证到一
所以第一步从一证到二
我们已经知道 一个平面区域的
第二类曲线积分与路径无关的
充分必要条件是任意一条闭路径上
积分等于零
那么我们来看看
假设l是D内任意一条闭路径
当然对这个闭路径
我们要假设是逐段光滑的正则曲线
那么我们来看看
在l这条闭路径上的第二类曲线积分
通过Green公式 我们可以知道 Green公式
这个第二类曲线积分就等于
l内部区域的Y对x的偏导数
减去X对y的偏导数的dxdy
那么我们知道 第一个条件是
Y对x偏导数恒等于X对y的偏导数
这就是零
所以一定是等于零
那么既然闭区域内的任意一条
闭路径上的第二类曲线积分都等于零
那么第二类曲线积分就是与路径无关
所以这就是得到第二点
我们下面证明从二到三
二到三我们是这么来看
它说要存在着一个势函数
我来看看我把势函数找出来
我定义u(x,y)作为一个势函数是这么定义
它从某一点 D区域上某一个固定点(x,y)
(x0,y0)到(x,y)的第二类曲线积分
那么请大家注意一件事情
我们这个第二类曲线积分
之所以可以这么写
是不是已经用到了
第二类曲线积分与路径无关的条件了
因为你这个第二类曲线积分
你想 起始点有了 终点有了
被积函数有了 路径是没有的
为什么可以不写路径
就是因为我们第二个条件是
第二类曲线积分与路径无关
所以这个路径
随便找一条路径
只要是逐段光滑的一个
正则曲线都可以
所以这个路径就可以不写
所以这么一写实际上
已经用到了我们第二个条件
与路径无关的条件
我们来看看这么构造的u函数
我们来看看有没有偏导数
它的偏导数等于什么东西
我们要先求一下对x的偏导数
我们知道u对x的偏导数
可以写成limΔx趋于零
u(x+Δx,y)减去u(x,y)除以Δx
我们看一看极限有没有
等于limΔx趋于零Δx分之一
u(x+Δx,y)是从(x0,y0)
到u(x+Δx,y)
Xdx加上Ydy
这是u在(x+Δx,y)这一点的u函数的取值
减去另外一个函数
同样是从(x0,y0)这点取
到终止点是u(x,y)Xdx加上Ydy
我们再来用一下
第二类曲线积分关于积分路径的可加性
我们可以知道这个积分
实际上就等于
limΔx趋于零Δx分之一
从(x,y)到u(x+Δx,y)Xdx加上Ydy
这么一个第二类曲线积分
因为它是与路径无关的
所以我们来看一看
从这点是(x,y)
这点是(x+Δx,y)
第二类曲线积分是与路径无关的
既然路径无关的
我们找一条最简单的路径
就是水平线
在这条水平线上
我们可以知道这个第二类曲线积分
水平线上y是没有变化的
dy是等于零的
所以它就等于limΔx趋于零
Δx分之一乘上从(x,y)到u(x+Δx,y)
X(x,y)dx
就是这么一个定积分
定积分的中值定理公式我们
它就可以写成是
limΔx趋于零Δx分之一
我们把它拿出来
积分中值定理是
X在(ξ,y)这点取值乘上
1的积分就是Δx
其中ξ是介于x和x+Δx之间的一个数
积分中值定理告诉我们的
我们把这两个去掉
我们还知道这个X一定是连续函数
因为v是C1类的函数
不光是连续还是连续可微函数
所以它是一个连续函数
既然是连续函数
当Δx趋于零的时候
ξ是介于x和x+Δx之间的
所以极限一点就是X(x,y)
也就是说我们这么构造出来的u函数
对x的偏导数就等于X
同理可以证明
u对y的偏导数也存在
并且就等于Y
也就是说du一点
因为X Y都是连续函数
u的偏导数都是连续函数
因为u是一个连续可微的函数
所以它一定可微
所以就是Xdx加上Ydy
所以我们采用的办法就是把
u(x,y)给构造出来
然后再去证明u是可微函数
并且偏u偏x等于X
偏u偏y等于Y
所以我们构成出来
第三到第一就很简单了
如果说存在u
使得du就等于Xdx加上Ydy
则我们可以知道
u对x的偏导数是不是就等于X(x,y)
u对y的偏导数就等于Y(x,y)
那么我们算一算
Y对x的偏导数就等于u的二阶偏导数
X对y的偏导数也是等于u的混合二阶偏导数
就等于
而题目已经告诉我们
v是C1类的函数
既然C1类的函数
那么X对y的偏导数和Y对x的偏导数
都是连续函数
既然是连续函数
那么混合偏导数如果是连续函数
这两个就应该是相等的
我们讲过二阶混合偏导数
如果都是连续函数的话
它的最后的值
跟求混合偏导的次序是没有关系的
所以这两个是相等的
既然是相等的
那么我们可以知道
一定有Y对x的偏导数
就等于X对y的偏导数
所以这不就是我们要证明的第一
所以我们现在在单连域的情况下
我们给第二类曲线积分与路径无关
给了一系列的等价条件
第一个等价条件就是
Y对x的偏导数恒等于X对y的偏导数
第二个等价条件
就是所谓的势函数的存在性
大家想一个问题
什么问题呢
就是单连域的条件在什么地方用到的
如果说没有单连域
那么这句话对不对
这个东西一定是已经用到单连域了
如果不是单连域的话
它就不对了
好我们来看看这么一道例题
我们要求这么一个
l从O点到A点到B点的
第二类曲线积分
e的y加上sinxdx
再加上xe的y减去cosy的dy
其中O点就是坐标原点
B点就是
l这条曲线x减π平方
加上y平方减去π平方
以π为中心的圆
B点就是这么一个点
x等于π,y等于π
这条曲线就是l
所以要求这么一个被积函数
沿着l这条曲线
从O点到B点的第二类曲线积分
我们来看一看
直接可以知道
X的函数是e的y加上sinx
Y这个函数就等于xe的y减去cosy
Y对x的偏导数等于e的y次方
X对y的偏导数也等于e的y次方
所以这两个是相等的
而我们来看看显然这个函数都是很好的函数
在平面上都是C1类的函数
所以我们可以知道
这个第二类曲线积分一定是与路径无关
既然是与路径无关的
所以我可以在算这个第二类曲线积分的时候
找一条最最简单的路径
哪些路径是最简单的呢
折线是最简单的
我令A这一点
是x等于πy等于零
我找两个折线
一个是O到A
一个是A到B
因为第二类曲线积分与路径无关
所以原点到B点这个第二类曲线积分
可以写成从原点到A点的第二类曲线积分
再加上沿着l2这条垂直的路径
从A点到B点的第二类曲线积分
我们分别来算这个两个第二类曲线积分
第一个沿着l1水平方向
从O点到A点的第二类曲线积分
第二部分因为水平方向y是没有变化
所以第二部分是等于零的
第一部分我们可以发现
这条曲线是y等于零
所以就相当于e的零次方
加上sinx的dx
也就是说相当于这么一个定积分
从零到πe的零次方加上sinx的dx
我们来看看沿着l2这条路径
从A点到B点的积分
沿着l2这条路径
x是没有变化的 dx等于零
这个时候方程是x等于π
我们把x等于π放进去之后
就相当于从零到π的对y的积分
πe的y次方减去cosy对y的积分
那么我们把第一部分写成一个定积分
第二部分实际上也由一个定积分构成的
我们把这两个定积分解出来之后
我们可以得到最后的答案
就等于二加上πe的π次方
所以很显然
我们这么一个第二类曲线积分
因为与路径无关
我们找了两条特殊的路径
使得这两条特殊的路径上
都可以由定积分来表示
那么我们把这个复杂区域
曲线上的第二类曲线积分
最后我们用两个定积分来表示
很简单的表示出来
-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
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-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
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-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
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--极值点的判别法
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-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
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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