正向闭合曲线 \(C\) 上的线积分等于区域 \(R\) 上旋度的二重积分:\[\oint_C P\,dx+Q\,dy = \iint_R \left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)dA.\] 它把一维的线积分与二维的面积分联系起来。
旋度 \(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}=0\) 在每一点成立,是局部性质;保守性(路径无关)是全局性质。两者等价需要区域单连通。
若 \(\mathbf{F}=\nabla f\),则 \(\int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}=f(B)-f(A)\),只与端点有关。势函数的存在性等价于保守性。
单连通区域内任意闭合曲线可连续缩为一点,因此旋度处处为零即可保证保守;去掉原点的平面非单连通,旋度为零也可能非保守。
对 \(\mathbf{F}=r^n(x\hat{\mathbf{i}}+y\hat{\mathbf{j}})\),尝试 \(g=g(r)\) 型势函数,由 \(g'(r)=r^{n+1}\) 积分得到,但 \(n=-2\) 时幂律失效,需改用对数型势函数。
当曲线不闭合时,补上坐标轴上的线段构成闭合回路,应用格林定理转化为二重积分,再减去补上的那段贡献。
若场在区域内保守且能求出势函数,直接代入端点求差即可,避免繁琐的参数化计算。
对半圆、圆弧等简单曲线,用角度参数化直接计算线积分,可验证势函数或格林定理的结果。
旋度处处为零并不保证在整个挖去原点的平面上保守,必须检查区域是否单连通。
极角函数 \(\theta(x,y)=\tan^{-1}(y/x)\) 只在 \(x>0\) 有定义,不能延拓到整个定义域。
\(n=-2\) 时幂律积分失效,应改用对数型势函数 \(g=\ln r\)。
应用格林定理前要确认曲线闭合、方向为正向,且场在区域内处处可微。
问题 1:设向量场 \(\mathbf{F}(x,y)=\frac{-y\hat{\mathbf{i}}+x\hat{\mathbf{j}}}{x^2+y^2}\)。\(C_1\) 是从 \((1,0)\) 到 \((-1,0)\) 的上半单位圆。\(\int_{C_1} \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}\) 的值是多少?
问题 2:设平面向量场 \(\mathbf{F}=P\hat{\mathbf{i}}+Q\hat{\mathbf{j}}\) 在区域 \(D\) 上具有连续一阶偏导数。下列哪个条件能保证 \(\mathbf{F}\) 在 \(D\) 上为保守场?
问题 3:设 \(\mathbf{F}=r^n(x\hat{\mathbf{i}}+y\hat{\mathbf{j}})\),其中 \(r=\sqrt{x^2+y^2}\)。当 \(n=-2\) 时,下列哪个函数是 \(\mathbf{F}\) 的势函数?
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设向量场 \(\mathbf{F} = (x^2 y + 31 y^3)\,\hat{\mathbf{i}}\),\(C\) 为曲线 \(y = f(x)\) 上从 \((x_1, f(x_1))\) 到 \((x_2, f(x_2))\) 的一段(设 \(x_1 < x_2\) 且 \(f\) 取正值)。证明线积分 \(\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r}\) 等于区域 \(R\)(位于 \(C\) 下方、\(x\) 轴上方,密度 \(\delta = 1\))的极转动惯量(polar moment of inertia)。
对闭合回路(\(C\) 加上 \(x\) 轴上的线段)应用格林定理,将环路线积分转化为 \(R\) 上 \((Q_x - P_y)\) 的二重积分,再把所得被积函数与极转动惯量的被积函数对应起来。
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设向量场 \(\displaystyle \mathbf{F}(x,y) = \frac{-y\,\hat{\mathbf{i}} + x\,\hat{\mathbf{j}}}{x^2 + y^2}\)。
(a) 对 \(\theta\) 求偏导;(b) 利用梯度场/线积分基本定理;(c) 用角度参数化曲线;(d) 计算 \(Q_x - P_y\);(e) 对比单连通的 \(x>0\) 与非单连通的挖去原点的平面。
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设 \(r = \sqrt{x^2 + y^2}\)。
利用 \(r_x = x/r\) 与 \(r_y = y/r\) 对 \(r^n\) 求导;(b) 对 \(g'(r) = r^{n+1}\) 积分,并对 \(n = -2\) 单独处理(对数型势函数)。
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study_materials/ps8.pdf — Problem Set 8 题面study_materials/non_ind_variable.pdf — 非独立变量笔记