曲線積分與路徑無關性

對於滿足一些條件的曲線,起點和終點的位置固定,沿不同的路線積分,其積分值相同,即曲線積分只與起點和終點有關,與路線的選取無關。

定律定義

二維的情形

(1)平面上的單連通區域與復連通區域

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

設 是平面 上的區域。如果 內的任何封閉曲線 所圍成的區域 ,恆有 ,則 稱為單連通區域;否則, 稱為復連通區域。

(2)平面曲線積分與路徑無關的條件

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

定理1 設 是平面 上的單連通閉區域,函式 與 在 內具有一階連續偏導數,則下列 兩兩等價

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

沿 內任何光滑閉曲線 ,恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

對 內的曲線積分 ,只與這光滑曲線 的起點 、終點 有關,而與路徑無關,即恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

在 內是某一個函式 的全微分,即在 恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

在 內每一點處恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

三維的情形

(1)曲面單連通區域與曲面復連通區域

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

設 是 空間的區域。如果 內的任何簡單封閉曲線 ,都存在以 為邊界的曲面 ,使得 ,則 稱為曲面單連通區域;否則, 稱為曲面曲面復連通區域。

(2)空間曲線積分與路徑無關的條件

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

定理2 設 是平面 空間的曲面單連通閉區域,函式 、 、 在 內都具有一階連續偏導數,則下列 兩兩等價

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

沿 內任何光滑閉曲線 ,恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

對 內任何一個光滑曲線段 ,曲線積分

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

僅與 的起點 、終點 有關,而與路徑無關。

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

在 內是某一個函式 的全微分,即在內恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

在 內每一點處恆有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

套用領域

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

上述兩類定理條件中要求 和 為單連通區域是很重要的。如下面的例子:

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

例 1 計算 ,其中 為任一不包含原點的閉區域 的邊界曲線,分段光滑.

因為

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

在區域 上連續且相等,於是

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

所以根據格林公式即可得
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

倘若 為繞原點一周的封閉曲線,則函式 , 只在剔除原點外的任何區域 上有定義,所以 必含在某個復連通區域內。這時它不滿足定理1的條件,因而就不能保證 成立。事實上,設 為繞原點一周的圓

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

則有

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

若 , 滿足定理1的條件,則由上述證明可看到二元函式

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

具有性質

曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性
曲線積分與路徑無關性 曲線積分與路徑無關性

它與一元函式的原函式相仿。所以我們也稱 為 的一個原函式。

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