保守场及其充要条件

1 简单曲线和单连通域

不和自己相交的曲线称为 简单曲线 (Simple curve),头尾相接的曲线称为 闭曲线 (Closed curve)。这两个概念是可以组合的,如下面这些图像所示。

简单、非闭曲线

不简单、非闭曲线

简单、闭曲线

不简单、闭曲线

某平面区域,若其中任一简单闭曲线所围成的部分都属于,那么就称为 简单连通域 (Simply-connected region),或简称为 单连通域 ,如下图左侧所示。否则称为 复杂连通域 (Not simply-connected region),或简称为 复连通域 ,如下图右侧所示。直观来理解就是,单连通域不包含“洞”,而复连通域包含“洞”。

单连通域

复连通域

2 保守场与势函数
若存在一个数量函数,使得,则数量函数称为向量场 势函数 (Potential function),而向量场称为 保守场 (Conservative vector field)。

比如重力势能函数和重力场,因为有,重力势能函数是重力场的势函数,该函数的名也体现了这一点;而重力场是一个保守场。

3 保守场存在的充要条件
设平面区域为一个单连通域,向量场上有定义,若都在上具有一阶连续偏导数,且:

(1)证明“”。因为,所以存在数量函数使得,即:

由于都在上具有一阶连续偏导数,根据,所以:

        (2)证明“”,这很容易通过之后要学习的推出,届时再给出具体的证明。

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马同学高等数学
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