設R是一區域,若屬於R內任一簡單閉曲線的內部都屬於R,則稱R為單連通區域。更通俗地說,單連通區域是沒有“洞”的區域,多連通區域是有“洞”的區域。
格林公式的有效性
通過上章的內容,我們知道格林公式有兩種表達:
盡管物理意義不同,但數學上是相同的,都是把線積分轉換為R區域的二重積分。格林公式的成立有個前提條件——向量場需要在R區域處處有定義,更嚴格地說是F和其導數在R區域處處有定義。如果有一點在向量場中沒有定義,就不能簡單地使用格林公式,例如:
F在除原點以外都有意義,且在任意位置旋度都為0。如果在原點處也有定義,這將是個保守場。此時有兩種情況,曲線包圍了原點和曲線在原點之外:
其中C1是獨立路徑,它的線積分是0;但是C2只能使最原始的線積分計算。
格林公式的擴展
如果在C2的上挖去原點,那么新的R區域就又滿足了格林公式,此時如何計算線積分?
如果將連條曲線用兩個方向相反的向量鏈接起來,C和C’就變成了互相聯通的一條曲線,如下圖所示:
點從C’上的一點出發,經過L1走到C,最后經過L2回到C’,完成路徑的遍歷,其中L1和L2由於方向相反而互相抵消。所以,R區域的線積分相當於新連通曲線的線積分:
連通區域
上一節的R區被稱為多連通區域,與之相對的是單連通區域。通俗地說,單連通區域是沒有“洞”的區域,多連通區域是有“洞”的區域,這個洞必須在R上:
如果在連通區域的R上向量場處處有定義且處處可導,就可以使用格林公式或其擴展形式。
作者:我是8位的