格林公式

计算平面积分(“平面积分”也就是“”,后面会酌情使用这两个名词,不再特意说明了)的基本定理就是格林公式,我们会花两节来解释清楚这一点。

1 格林公式
由分段光滑的曲线构成,若函数上具有一阶连续偏导数,则有:

其中的取正向的曲线。

(1)先考虑既是型区域也是型区域的情况。比如某
  • 根据下图左侧的标注可得,此时型区域,这里还标出了之后会用到的
  • 根据下图右侧的标注可得,其中分段光滑弧对应函数对应函数,此时型区域

型区域

型区域

,即对应上图左侧,结合上可得:

或者,按照上图左侧的标注来计算的正向边界,结合上,可得:

综合上面两式可得:

又令,即对应上图右侧,结合上可得:

或者,按照上图右侧的标注来计算的正向边界,结合上,可得:

综合上面两式可得:

最终可得:

        (2)再考虑一般的,此时总能被划分为有限个,每个都满足(1)中的要求。比如下图左侧中的,就可以划分为下图右侧中的,划分后的每一部分都既是型区域也是型区域,这里还标出了边界的正向及之后会用到的点。

一般的闭区域

划分为

按照上图右侧的标注,根据(1)中的结论,可得:

上述三个等式的红色部分沿着直线来回积分,所以将这三个等式相加时红色部分会相互抵消,从而:

        (3)也可以按照(2)中的分析来处理。比如下图左侧中的,其外边界记作,内边界记作。在下图右侧中,我们将划分为,这里还标出了边界的正向及之后会用到的点。

复连通域

划分为闭区域

按照上图右侧的标注,根据(2)中的结论,可得:

上面两式中的深红部分是沿着直线来回积分,浅红部分是沿着直线来回积分,所以将上面等式相加时这两个部分会分别相互抵消,从而:

其中合起来就是的正向外边界合起来就是的正向内边界,并且合起来就是的正向边界,所以:

上述定理(格林公式)看起来很复杂,这里再图解下该公式。设在上定义有函数,在其正向边界上定义有向量函数,如下图所示。

闭区域上的函数,及上的向量函数

那么格林公式说的就是,上的平面积分可通过其边界上的来计算:

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