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 > 势函数及其计算
好 我们现在来看一看
平面向量场势函数的计算
势函数的计算
怎么来求势函数
假设X(x,y) Y(x,y)两个二元的函数
是一个C1类的函数
如果存在着一个二元函数u(x,y)
使得du就等于Xdx加上Ydy
那么我们就说
u(x,y)是后面那个Xdx加上Ydy
这个微分式的一个势函数
我们有这么一个定理
如果u是v向量值函数的一个势函数的话
那么v这个向量值函数
从A点到B点的第二类曲线积分
就可以写成u这个势函数在B点的值
减去u这个势函数在A点的值
那么就相当于我们平面
第二类曲线积分的Newton-Leibniz公式
好 下面我们的例子
来看一下如何求势函数
以及势函数是如何来用的
我们要考虑这么一个第二类曲线积分
这是我们已经做过的一道题
其中O点就是坐标的原点
B点这一点是(π,π)
O点是坐标原点
我们已经知道 对于这个例题来讲
对于X就等于e的y次方加上sinx
Y就等于xe的y次方减去cosy
而且Y对x的偏导数就等于
X对y的偏导数
所以这个第二类曲线积分
一定是与路径无关的
既然是与路径无关的话
它就应该存在一个势函数
而这个势函数我们可以用
这么一个从某一个定点出发
当然就是原点出发到(x,y)这一点
e的y次方加sinx的dx
加上xe的y次方减去cosydy
这就是势函数
那很显然加上任意常数
势函数跟一元函数的原函数一样
它也是一个函数族
加上任意常数它同样也构成势函数
那么对这个势函数计算的时候
我们有两种方法
第一种方法就是借用这个公式
从(0,0)点到(x,y)点
我们走(0,0)点
假如说这一点叫做(x,y)点
那么显然走两条折线是最简单的
因为它既然是与路径无关
所以我们走两条折线
第一条折线dy是等于零的
因为这是一条水平折线
那么在这条折线上
e的y次方y等于零
所以1加上sinx的dx
从原点到x点
这是第一条水平路径上的
第二类曲线积分的计算
加上另外一条路径
垂直那条路径上的第二类曲线积分的计算
y是从零到y
xe的y次方减去cosydy加上常数c
这就是原函数的计算
用了两个定积分来算
那么当然很简单了
最后答案就是
x减去cosx加上1 这是第一项
再加上后面那个积分
把y看做是变量把x看做常数
是x乘上e的y次方减1再减去siny加上常数c
这就是我们讲的势函数
那么根据Newton-Leibniz公式我们可以发现
从l从原点到B点的Xdx加上Ydy就可以写成
u(x,y)这个势函数把(0,0)点代进去
把(π,π)点代进去
最后我们可以得到我们想要的结果
等于两倍的加上2加上πe的π次方
这个势函数的计算
我们还有一个方法
我们来看一看
如果势函数算出来之后
u对x的偏导数就应该是等于X
这应该是e的y次方加上sinx
这应该等于X
所以我们可以知道
u就等于这个函数对x的积分
就等于xe的y次方减去cosx加上任意常数c
其中这个c我们讲是任意常数
所谓任意常数
只要跟x无关就是一个任意常数
实际上c可以是y的函数
跟x无关 你看
这个函数对x的偏导数
所以就是个常数 给去掉了
我们还知道u对y的偏导数
从两方面得到
第一方面它应该是等于这个函数对y的偏导数
xe的y次方加上c的导数y
它就应该等于Y
Y是xe的y次方减去cosy
xe的y次方 xe的y次方
去掉之后我们可以知道
c的导数等于负的cosy
可以知道c(y)就等于负的siny加上c
这时候这个c真正是跟x无关跟y也无关
它真正才是一个任意常数
我们把这个c(y)代进去之后
我们知道原函数是
xe的y次方减去cosx减去siny加上任意常数c
你会发现这个算出来的原函数
和这么算出来的原函数实际上是一样的
只是任意常数c有一点点小小的改变
那不改变它是作为势函数的本意
它是完全是一样的
所以势函数通常有这两种办法来算
有了势函数之后
那么如果是与路径无关的话
那么第二类曲线积分
可以用Newton-Leibniz公式来计算
我们作为一个思考题
大家想一下我这个方法二
实际上我这个方法二
好像表面上看上去没有用到
第二类曲线积分与路径无关
也没有用到Y对x的偏导数
就等于X对y的偏导数
或者说与路径无关
这些条件表面看上去
好像没有用到
大家想一下这个条件实际上是用到了
藏在什么地方
或者说你换一下办法
你找一个这个式子不成立的这么一个X Y
你随便写一下 它可能不成立
那么你再用这个方法算一下
你会发现这一套算下来之后
就要产生矛盾
自己试一下
体会一下这时候那个条件
到底是藏在那个式子里
-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
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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
--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
-第一节 二重积分的概念和性质
--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
-第一节 微分方程的基本概念
--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