FTC for line integrals
\(\int_C \nabla f\cdot d\vec{r} = f(P_1) - f(P_0)\),直接计算线积分。
MIT 18.02 · 第 20 课
对于梯度场(gradient field),线积分满足微积分基本定理,从而具有路径无关性和守恒性——这是保守力场能量守恒的数学基础。
若向量场 \(\vec{F}\) 是一个梯度场(gradient field),即存在势函数 \(f\) 使得
\[ \vec{F} = \nabla f = \langle f_x, f_y\rangle \]则线积分可以像一元微积分基本定理一样直接计算:
核心定理:设曲线 \(C\) 从 \(P_0\) 到 \(P_1\),则
\[ \int_C \nabla f\cdot d\vec{r} = f(P_1) - f(P_0) \]
等价地,\(\int_C f_x\,dx + f_y\,dy = \int_C df = f(P_1) - f(P_0)\)。
证明:设 \(C\) 由 \(x(t), y(t)\) 参数化,\(t_0 \le t \le t_1\),则
\[ \int_C \nabla f\cdot d\vec{r} = \int_{t_0}^{t_1} \left(f_x \frac{dx}{dt} + f_y \frac{dy}{dt}\right) dt = \int_{t_0}^{t_1} \frac{d}{dt}f(x(t),y(t))\,dt = f(P_1) - f(P_0) \]沿第 19 课的三段曲线 \(C = C_1 + C_2 + C_3\)(从 \((0,0)\) 沿 \(x\) 轴到 \((1,0)\),再沿圆弧到 \((\frac1{\sqrt2},\frac1{\sqrt2})\),再沿直线回到原点),用 FTC:
\[ \int_C \vec{F}\cdot d\vec{r} = f(\text{终点}) - f(\text{起点}) = f(0,0) - f(0,0) = 0 \]与第 19 课逐段计算的结果 \(0 + \frac12 - \frac12 = 0\) 一致,但计算量大大减少!
若 \(\vec{F} = \nabla f\),则线积分只与起点和终点有关,与路径无关:
\[ \int_{C_1} \vec{F}\cdot d\vec{r} = \int_{C_2} \vec{F}\cdot d\vec{r} \quad \text{(若 } C_1, C_2 \text{ 有相同端点)} \]沿任意闭合回路 \(C\) 的线积分为零:
\[ \oint_C \vec{F}\cdot d\vec{r} = 0 \]重要警告:这些性质只对梯度场成立!例如 \(\vec{F} = \langle -y, x\rangle\) 不是梯度场,沿圆周的线积分为 \(2\pi a^2 \neq 0\),不满足守恒性。
若力场 \(\vec{F}\) 是某个势函数 \(f\) 的梯度(物理学家通常用负号 \(\vec{F} = -\nabla V\)),则:
例子:引力场、静电场都是保守场。
对于向量场 \(\vec{F} = M\hat{\imath} + N\hat{\jmath}\),以下四个命题等价:
用途:若已知路径无关性,可通过计算线积分 \(\int_{(0,0)}^{(x,y)} \vec{F}\cdot d\vec{r}\) 来求势函数 \(f(x,y)\)。
问题 1:设 \(\vec{F} = \nabla f\),曲线 \(C\) 从 \(P_0\) 到 \(P_1\),则 \(\int_C \vec{F}\cdot d\vec{r}\) 等于?
问题 2:若 \(\vec{F} = \nabla f\),则沿任意闭合曲线 \(C\) 的线积分 \(\oint_C \vec{F}\cdot d\vec{r}\) 等于?
问题 3:下列哪个向量场是保守场?
问题 4:下列哪组性质是等价的?
\(\int_C \nabla f\cdot d\vec{r} = f(P_1) - f(P_0)\),直接计算线积分。
梯度场的线积分只与端点有关,与路径无关。
梯度场沿闭合回路的线积分为零。
保守力场 ⇔ 势能存在 ⇔ 能量守恒。
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