3.4.46 练习题(Übung)
计算积分 ∫Kf⋅ds 的值,其中向量场
f:R2→R2,f(x,y)=(2xy+y22xy+x2).

分别针对以下路径:
(i) 由线段 A1 与 A2 组成的曲线(参见图 3.32);
(ii) 由线段 B 组成的曲线;
(iii) 通过求向量场 f 的势函数 φ(并任取一条从 (−1,−1) 到 (1,2) 的曲线)。
解:判断并求势函数,曲线积分与路径无关。
- 保守性:∂y∂f1=2x+2y, ∂x∂f2=2x+2y,相等 ⇒ 场保守。
- 势函数:
φ=∫(2xy+y2)dx=x2y+xy2+C(y)
由 ∂y∂φ=x2+2xy+C′(y)=f2 得 C′(y)=0,故
φ(x,y)=x2y+xy2+const
- 端点取 P=(−1,−1),Q=(1,2)(三条路径端点相同):
φ(Q)=12⋅2+1⋅4=6,φ(P)=(−1)2(−1)+(−1)⋅1=−2
∫Kf⋅ds=φ(Q)−φ(P)=6−(−2)=8
因为是保守场,A1+A2、B 或任意曲线结果都相同,均为 8。
3.4.47 练习题(Übung)
计算积分 ∫Cf⋅ds 的值,其中积分路径 C 从点 P1=(1,0,1) 到点 P2=(2,3,2),向量场为
f:R3→R3,f(x,y,z)=3x2y+1x3+2yz22y2z+3z2.
解:同样先判保守性并求势函数。
- 保守性检查:
∂y∂f1=3x2=∂x∂f2,∂z∂f1=0=∂x∂f3,∂z∂f2=4yz=∂y∂f3
均相等 ⇒ 场保守。
2. 势函数:
φ=∫(3x2y+1)dx=yx3+x+C(y,z)
用 f2:∂y∂φ=x3+Cy=x3+2yz2⇒Cy=2yz2
C(y,z)=y2z2+D(z)
再用 f3:∂z∂φ=2y2z+D′(z)=2y2z+3z2⇒D′(z)=3z2,
故 D(z)=z3+const,于是
φ(x,y,z)=yx3+x+y2z2+z3+const
- 端点代入:
φ(P1)=0⋅13+1+0+1=2;φ(P2)=3⋅23+2+32⋅22+23=24+2+36+8=70
∫Cf⋅ds=φ(P2)−φ(P1)=68
路径任意(只要端点相同)结果都为 68。