# 路径
设 c:[a,b]→Rn 为一条分段光滑曲线
可以将 c 视为一条从点 c(a) 到点 c(b) 的路径
记
- 与路径 c 方向相反的路径为 c−1,即 c−1(t)=c(a+b−t), t∈[a,b]
- 记由路径 c1 和 c2 拼接而成的路径为 c1⋅c2,其中 c1 的终点与 c2 的起点相同
# 标量场的线积分
简单来说,映射值为单一数值的多元函数称为 标量场,即 f:Rn→R
标量场的线积分本质与一般函数的思路相同:将路径分割为非常非常小的线段,计算每一小段线段上的函数代表值,并将这些值累加起来,得到整体的积分值
但是注意:为了保证积分能在路径上以恒定的速度前进(实数积分中这是默认的),需要对其进行弧长参数化后,再进行积分计算,也就是说微小线段不是 Δt,而是 Δs
并且,由于弧长参数的定义
s(t)=∫at∥c′(u)∥du
所以形式上有
ds=∥c′(t)∥dt
定义
对于连续的标量场 f:Rn→R 和分段光滑曲线 c:[a,b]→Rn,定义其沿曲线 c 的 线积分 (Line Integral) 为
∫cfds:=∫abf(c(t))∥c′(t)∥dt
特别地,取标量场 f(x)=1,则线积分为曲线的弧长
对于标量场的线积分,有以下基本性质
命题 标量场线积分的计算性质
令 c,c1,c2 为分段光滑曲线
对于任意的连续标量场 f,g,以下成立
- 方向无关 : ∫cfds=∫c−1fds
- 路径拼接 : ∫c1⋅c2fds=∫c1fds+∫c2fds
- 线性性质 : ∫c(af+bg)ds=a∫cfds+b∫cgds
证明
(1)
∫c−1fds=∫abf(c−1(t))∥c−1′(t)∥dt=∫abf(c(a+b−t))∥c′(a+b−t)∣dt=∫baf(c(u))∥c′(u)∥du=∫abf(c(t))∥c′(t)∥dt
(2)
∫c1⋅c2fds=∫abf((c1⋅c2)(t))∥(c1⋅c2)′(t)∥dt=∫abf(c1(t))∥c1′(t)∥dt+∫bcf(c2(t))∥c2′(t)∥dt=∫c1fds+∫c2fds
(3)
∫c(af+bg)ds=∫ab(af(c(t))+bg(c(t)))∥c′(t)∥dt=a∫abf(c(t))∥c′(t)∥dt+b∫abg(c(t))∥c′(t)∥dt=a∫cfds+b∫cgds
□
标量场的线积分不依赖于路径的参数化方式,只依赖于路径本身
命题
对于任意狭义单增的坐标变换 φ:[c,d]→[a,b],
∫cfds=∫c∘φfds
证明
∫c∘φfds=∫cdf((c∘φ)(t))∥(c∘φ)′(t)∥dt=∫cdf(c(φ(t)))∥c′(φ(t))∥⋅∣φ′(t)∣dt=∫abf(c(u))∥c′(u)∥du=∫cfds
□
但是注意:即使两路径的起点和终点相同,如果路径不同,线积分的值也可能不同,这体现了线积分的路径依赖性
示例
取 R2 上的标量场 f(x,y)=x2+y2,以及两条路径相同起点和终点的路径
- 以 (00) 为起点,(21) 为终点的直线段路径 c1(t)=(2tt), t∈[0,1]
- 以 (00) 为起点,(01) 为中点,(21) 为终点的折线段路径 c2(t)={(0t),(t−11),t∈[0,1]t∈[1,3]
计算对应的线积分
解
(1)
对于路径 c1,有
c1′(t)=(21),∥c1′(t)∥=5
所以
∫c1fds=∫01f(c1(t))∥c1′(t)∥dt=∫01(t2+(2t)2)5dt=5∫015t2dt=355
(2)
对于路径 c2,有
c2′(t)={(01),(10),t∈[0,1]t∈[1,3],∥c2′(t)∥={1,1,t∈[0,1]t∈[1,3]
所以
∫c2fds=∫01f(c2(t))∥c2′(t)∥dt+∫13f(c2(t))∥c2′(t)∥dt=∫01(t2+02)dt+∫13(12+(t−1)2)dt=5
□
# 向量场的线积分
映射值为向量的多元函数称为 向量场,即 F:Rn→Rm
向量场的线积分与标量场类似,但是需要将路径上每一点的向量场值与路径的切向量进行点积,得到一个标量值后再进行积分计算
定义
对于连续的向量场 F:Rn→Rn 和分段光滑曲线 c:[a,b]→Rn,定义其沿曲线 c 的 线积分 (Line Integral) 为
∫cF⋅ds:=∫abF(c(t))⋅c′(t)dt
向量场的线积分具有如下性质
但是注意,不同于标量场的线积分,向量场的线积分与路径的方向有关
命题 向量场线积分的计算性质
令 c,c1,c2 为分段光滑曲线
对于任意的连续向量场 F,G,以下成立
- 方向相关 : ∫c−1F⋅ds=−∫cF⋅ds
- 路径拼接 : ∫c1⋅c2F⋅ds=∫c1F⋅ds+∫c2F⋅ds
- 线性性质 : ∫c(aF+bG)⋅ds=a∫cF⋅ds+b∫cG⋅ds
证明
(1)
∫c−1F⋅ds=∫abF(c−1(t))⋅c−1′(t)dt=∫abF(c(a+b−t))⋅(−c′(a+b−t))dt=−∫baF(c(u))⋅c′(u)du=−∫abF(c(t))⋅c′(t)dt
(2)
∫c1⋅c2F⋅ds=∫abF((c1⋅c2)(t))⋅(c1⋅c2)′(t)dt=∫abF(c1(t))⋅c1′(t)dt+∫bcF(c2(t))⋅c2′(t)dt=∫c1F⋅ds+∫c2F⋅ds
(3)
∫c(aF+bG)⋅ds=∫ab(aF(c(t))+bG(c(t)))⋅c′(t)dt=a∫abF(c(t))⋅c′(t)dt+b∫abG(c(t))⋅c′(t)dt=a∫cF⋅ds+b∫cG⋅ds
□
向量场的线积分同样不依赖于路径的参数化方式,只依赖于路径本身
命题
对于任意狭义单增的坐标变换 φ:[c,d]→[a,b],
∫cF⋅ds=∫c∘φF⋅ds
证明
∫c∘φF⋅ds=∫cdF((c∘φ)(t))⋅(c∘φ)′(t)dt=∫cdF(c(φ(t)))⋅c′(φ(t))⋅φ′(t)dt=∫abF(c(u))⋅c′(u)du=∫cF⋅ds
□
示例
计算向量场
F(x,y)=(yx)
沿路径 c 的线积分,其中路径 c 为以 (00) 为起点,(21) 为终点的折线段路径 c(t)={(0t),(t−11),t∈[0,1]t∈[1,3]
解
(1)
对于路径 c 的第一段,有
c′(t)=(01)
所以
∫c1F⋅ds=∫01F(c(t))⋅c′(t)dt=∫01(0t)⋅(01)dt=∫01tdt=21
(2)
对于路径 c 的第二段,有
c′(t)=(10)
所以
∫c2F⋅ds=∫13F(c(t))⋅c′(t)dt=∫13(t−11)⋅(10)dt=∫13(t−1)dt=2
整体线积分为
∫cF⋅ds=∫c1F⋅ds+∫c2F⋅ds=21+2=25
□
作为微积分基本定理的推广
命题
令 f 为标量场,c 为分段光滑曲线,则有
∫cgradf⋅ds=f(c(b))−f(c(a))
证明
根据梯度的定义和链式法则,有
∫cgradf⋅ds=∫abgradf(c(t))⋅c′(t)dt=∫abdtdf(c(t))dt=f(c(b))−f(c(a))
□
特别地,若 c 为闭合曲线(即 c(a)=c(b)),则有
∫cgradf⋅ds=0
# Green 定理
Green 定理建立了平面封闭曲线上的线积分与区域内的二重积分之间的关系,这使得二者可以互相转换,在线积分计算困难时尝试使用 Green 定理转换为二重积分进行计算,反过来亦然
定理 Green 定理
令 D⊂R2 为有界闭的单连通区域,其边界 ∂D 为分段光滑闭合曲线,且取正向
那么对于任意开集 U⊃D 上的光滑向量场 F, 有
∫∂DF⋅ds=∬D(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA
证明
我们在 D 中构造一个递增列 {Dk}k=1∞,使得
- 每一个 Dk 均为有界闭的单连通区域
- 每一个 Dk 都可以被分解为 mk 个子区域 Ekj 的并集,且每个子区域的边界均为正向的分段光滑闭合曲线,即
Dk=j=1⋃mkEkj
- 当 k→∞ 时,Dk 的覆盖范围趋近于 D,即 k→∞limArea(D∖Dk)=0
不妨设各个 Dk 上的矩形分割为
Ekj=[akj,bkj]×[akj,bkj]
那么矩形的两个边长则可以分别表示为
ℓkj=bkj−akj,ℓkj=bkj−akj
显然矩形的周长为 2ℓkj+2ℓkj,定义正向的分段光滑闭合曲线 ckj 为矩形 Ekj 的边界,如下
ckj(t):[akj,akj+2ℓkj+2ℓkj]→R2,t↦⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧(akjt),(t−(akj+ℓkj)+akjbkj),(bkjakj+bkj+ℓkj+ℓkj−t),(akj+bkj+2ℓkj+ℓkj−takj),t∈[akj,akj+ℓkj]t∈[akj+ℓkj,akj+ℓkj+ℓkj]t∈[akj+ℓkj+ℓkj,akj+2ℓkj+ℓkj]t∈[akj+2ℓkj+ℓkj,akj+2ℓkj+2ℓkj]
以下开始证明对于各个矩形 Ekj,Green 定理成立。令向量场 F(x1,x2)=(F2(x1,x2)F1(x1,x2)),则有
∬Ekj(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA=∫akjbkj∫akjbkj∂x1∂F2dx2dx1−∫akjbkj∫akjbkj∂x2∂F1dx1dx2=∫akjbkj[F2(x1,bkj)−F2(x1,akj)]dx1−∫akjbkj[F1(bkj,x2)−F1(akj,x2)]dx2=∫akjbkjF2(x1,bkj)dx1−∫akjbkjF2(x1,akj)dx1−∫akjbkjF1(bkj,x2)dx2+∫akjbkjF1(akj,x2)dx2
另一方面,有
∫∂EkjF⋅ds=∫akjakj+2ℓkj+2ℓkjF(ckj(t))⋅ckj′(t)dt=∫akjakj+ℓkj(F2(t,akj)F1(t,akj))⋅(01)dt+∫akj+ℓkjakj+ℓkj+ℓkj(F2(bkj,t−(akj+ℓkj)+akj)F1(bkj,t−(akj+ℓkj)+akj))⋅(10)dt+∫akj+ℓkj+ℓkjakj+2ℓkj+ℓkj(F2(akj+bkj+ℓkj+ℓkj−t,bkj)F1(akj+bkj+ℓkj+ℓkj−t,bkj))⋅(0−1)dt+∫akj+2ℓkj+ℓkjakj+2ℓkj+2ℓkj(F2(akj,akj+bkj+2ℓkj+ℓkj−t)F1(akj,akj+bkj+2ℓkj+ℓkj−t))⋅(−10)dt=∫akjbkjF1(t,akj)dt+∫akjbkjF2(bkj,x2)dx2−∫akjbkjF1(x1,bkj)dx1−∫akjbkjF2(akj,x2)dx2
由此可见,对于每个矩形 Ekj,Green 定理成立,即
∫∂EkjF⋅ds=∬Ekj(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA
现在回到 Dk,矩阵分割的内边界处的线积分由于方向相反会相互抵消,所以有
∫∂DkF⋅ds=j=1∑mk∫∂EkjF⋅ds=j=1∑mk∬Ekj(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA=∬Dk(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA
因此
∬D(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA=k→∞lim∬Dk(∂x1∂F2−∂x2∂F1)dA=k→∞lim∫∂DkF⋅ds=∫∂DF⋅ds
□
示例
令 D:={(x2x1)∈R2∣3≤x1≤5, 1≤x2≤3}
设曲线 c 为 D 的边界,且取正向,计算向量场
F(x1,x2)=(2x1x2−3x12)
沿曲线 c 的线积分
解
根据 Green 定理,有
∫cF⋅ds=∬DrotFdA=∫13∫35−3x2−2x1dx1dx2=∫13−6x2−16dx2=−56
□