1. 線積分
線積分的對象為數值量函數,用於計算諸如“非均勻曲線質量”這樣的問題。解決辦法是將曲線分割成無數小段,在每個小段上質量近似不變,於是總質量就是∑ρ(xi,yi)⊿s,ρ是線密度且表示為(x,y)的函數,s是曲線長度。再想想如何計算曲線長度並將問題一般化,就可以得到二維情形下的積分式子:
(假定曲線方程為y(x),線密度為f(x,y))
∫f(s)ds = ∫f(x,y(x))sqrt(1+y'2)dx
拓展到三維,將曲線使用向量式子表示,並使用參變量,就得到:
f(x,y,z)在曲線上取值,上式中假定曲線r可寫為參變量t的形式<g(t), h(t), k(t)>,並利用了ds=|v(t)|dt。
實際計算時可由曲線向量式r(t)求導得到v(t)從而得到|v(t)|。
2. 向量場積分
同濟《高等數學》教材稱之為對坐標的曲線積分,因為積分式最終可化為對坐標積分形式。這里我們按《托馬斯微積分》的名詞稱之為向量場積分。這種積分可用於計算變力在曲線上做的功。在計算時取函數在向量方向的分量,積分對象為向量函數(相比之下,線積分的對象為數值量函數)。
從上式中看出,向量場上的積分也可看作被積向量在曲線切方向上的(數值)線積分。
r是曲線(位置)向量,dr是沿曲線切線方向的向量,∫F·dr就是向量場積分。
對於已知F和r的情況,使用∫F·vdt最為直觀。
另,上圖中r是位置向量,但dr不是(?)。
后三個式子(...=∫Mdx+Ndy+Pdz)可以這么理解:分別在各個方向計算“力”和“運動距離”的乘積然后累加。例如,M是“力”(F)在x方向的分量,而dx是“運動軌跡”(r)在x方向的瞬時分量。
3. 流量積分與環流量
流量積分有兩種:沿曲線方向和垂直曲線方向。這個小節先說第一種:沿曲線方向。如果曲線是直線,速度向量又沿着曲線方向且恆定,那么沿沿曲線方向的流量就是速率|v|乘上線長度。當然一般來說曲線非直線,速度也非恆定;此時流量積分(包括環流量)使用和向量場積分相同的式子:任意方向的“流”均可分解為沿曲線的切方向與法方向;只有切方向計入沿曲線的流量,法方向的“流”對流量的影響為0。
4. 通量
通量也稱為“穿過曲線的流量”,是流出與進入某曲線圍成區域流量的差,因此計算時使用垂直於曲線方向(法線方向)的速度分量。如果直接計算我們需要先算曲線的法向量n然后算F·n,好在一般來說我們不需要計算曲線的法向分量(對二維情況),而直接使用下述式子:
我們把一條平面曲線在某點的切分量和法分量都畫一下:
上圖中,法向量以小寫n表示,避免與流速向量的N分量沖突。對於一個在x方向和y方向上的分量分別為dx和dy的小線段,從該線段的M方向上流出區域的量為Mdy,N方向流入區域的量為Ndx,綜合起來在該線段上的總流出量就是Mdy-Ndx。上圖中T和n的x分量同符號,y分量反符號,於是Mdy取正(M沿x方向),Ndx取負(N沿y方向)。
也許下面的圖更加直觀一點(注意環線上的箭頭方向):
Mdy:流出矩形(M入左側負向環線,出右側正向環線)
Ndx:流入矩形(N入下側正向環線,出上側負向環線)
[附注:直接用F.n而不用Mdy-Ndx也是可以的;看哪個方便了。n是曲線方程標量形式f(x,y)梯度的單位化。]
5. 通量密度、散度;環量密度,旋度(k分量)
“散度”可理解為向量的“發散程度”,將x方向和y方向的發散程度(偏導)相加即得。
環量密度可以這樣考慮:向量繞某點“旋轉”的原因是內外流速差,N方向的內外流速差為dN/dx,M方向的流速差為-dM/dy。
6. 格林定理
[警告:以下兩張圖片復制自《托馬斯微積分》中文版,不幸的是存在錯誤。當然,我相信對於你發現這個錯誤並不困難。]
散度是向量在區域某點的“發散”程度,在整個區域內積分就得到該區域上的通量;
旋度是向量繞區域某點的“旋轉”程度,在整個區域內積分就得到該區域上的環量。
7. 積分路徑無關條件
梯度場總是指向函數增長最快的方向,所以梯度場的旋度為0(既然指向增長最快方向,那么肯定“旋”不回來)。
如果某個場的旋度為0,那就表示沿該場內任意閉路徑積分為0(路徑無關)。
如果某個場的旋度不為0,假設這是個力場,那就表示質點可以在力總是做正功的情況下回到起點(?)。
即:旋度為0 <=> 是某標量場梯度 <=> 積分路徑無關(保守場)
判斷是否為保守場直接計算旋度即可。