曲线积分,顾名思义,就是沿着一条曲线进行的积分。与我们常见的定积分(在一段区间上积分)不同,曲线积分的积分路径是一条曲线。
在物理学中,很多问题都可以转化为曲线积分。例如,计算一个力沿一条路径所做的功,计算一个向量场沿一条曲线的环量等等。曲线积分可以用来计算曲线的长度、曲面面积等几何量。
第一型曲线积分: 计算一根非均匀密度细杆的总质量。此时,f(x,y)表示细杆在点(x,y)处的线密度,积分结果就是整根细杆的质量。
第二型曲线积分: 计算一个物体在变力作用下沿一条曲线移动所做的功。此时,F(x,y)表示作用力,dr表示位移,积分结果就是总功。
根据被积函数的不同,曲线积分可以分为两类:
第一型曲线积分:
其中,C为积分路径,f(x,y)为被积函数,ds为曲线C上的弧长微元。
被积函数为一个标量函数(即一个数值函数)。
几何意义:表示曲线上的某种物理量(如质量密度、线密度)的总量。在曲线上的函数值与弧长的乘积的累加。
∫_C f(x,y)ds
C为积分路径,f(x,y)为被积函数,ds为曲线C上的弧长微元。
第二型曲线积分:
其中,C为积分路径,F(x,y)为向量场,dr为曲线C上的微元向量。
被积函数为一个向量函数。
物理意义:表示一个力场沿一条路径所做的功,或一个向量场沿一条曲线的环量。
∫_C F(x,y)·dr
C为积分路径,F(x,y)为向量场,dr为曲线C上的微元向量,·表示向量点积。
参数方程法: 将曲线C用参数方程表示,然后将曲线积分转化为定积分。
格林公式: 对于闭合曲线上的第二型曲线积分,可以利用格林公式将其转化为二重积分。
格林公式告诉我们,在一定条件下,我们可以将一个闭合曲线的线积分转化为一个平面区域的二重积分。
格林公式将复杂的曲线积分转化为相对简单的二重积分。当曲线积分的计算比较困难时,通过格林公式,我们可以将积分区域转化为平面区域,从而简化计算过程。
设D为平面上的一个简单区域,C是D的正向光滑闭曲线,P(x,y)和Q(x,y)在D上具有连续的一阶偏导数,则有:
∮C Pdx + Qdy = ∬D (∂Q/∂x - ∂P/∂y)dxdy
其中:
∮C 表示沿闭曲线C的线积分
∬D 表示在区域D上的二重积分
∂Q/∂x 和 ∂P/∂y 分别表示函数Q和P对变量x和y的偏导数
格林公式只适用于简单区域和光滑闭曲线。
特别的有当一个第二型曲线积分的值只与路径的起点和终点有关,而与路径的具体形状无关时,我们就说这个曲线积分与路径无关。
从山脚爬到山顶,无论你走的是之字形小路、还是直线登山道,只要起点和终点不变,所做的功(即重力做功)就是一样的。
这就是一个典型的曲线积分与路径无关的例子。
保守力场: 在物理学中,重力、弹力等力被称为保守力。对于保守力场,其对应的曲线积分与路径无关。
全微分: 在数学上,如果一个向量场F(x,y) = P(x,y)i + Q(x,y)j满足条件:
∂Q/∂x = ∂P/∂y
那么向量场F(x,y)就是一个保守场,对应的曲线积分与路径无关。
单连通区域: 积分区域必须是单连通的,即区域内没有“洞”。
混合偏导数相等: 向量场的两个分量函数的混合偏导数相等。
有一个向量场F(x,y) = yi + xj,我们可以验证:
∂Q/∂x = ∂(x)/∂x = 1
∂P/∂y = ∂(y)/∂y = 1
由于∂Q/∂x = ∂P/∂y,所以这个向量场是一个保守场,对应的曲线积分与路径无关。
再次总结