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工程数学

线积分 是什么

向量沿路径累积的功,一般依赖路径,但在保守场中与路径无关

设想穿过一片刮风的田野。风从背后推,脚步就轻。风从正面挡,脚步就重。把每一步上当地的风对前进方向帮了多少全部加起来,就是沿路得到的帮助的总和。这就是线积分 ∫ F·dr,也就是场沿路径做的功 (work)。奇怪的是,出发和到达相同,走的路不同,总和也可以不同。在某一种特别的场里,路完全无关。下面的图指出这个差别从哪里来。重力或均匀的电力站在路无关的一边,打转的风站在答案随路而变的一边。

在旋涡场里,蓝色的起点 A 和蓝色的终点 B 是固定的。拖动中间的金色点把路弯起来,沿路径做的功 W 就立刻重算。路上的每一小段,当地箭头帮着前进就涂成绿色,挡着前进就涂成橙色。顺着旋涡弯,整条路变成绿色,W 升到正值。逆着旋涡弯,整条路变成橙色,W 降到负值。同样从 A 到 B,W 却上下变化,所以只靠起点和终点定不了答案。图下方的金色数字就是这个功,弯路的时候它跟着变。

现在把从 A 到 B 的两条路并排放着。一条弧向高处绕,一条弧向低处绕。按下按钮切换当前的路,那条路变亮,另一条变淡,每条路的功和两者之差都以数字出现。场是打转的旋涡,所以连接同样两点,上路和下路的值并不相同。背景里淡淡的箭头,就是和第一张图同一种旋涡。这个差恰好等于把两条路接成的闭合圈转一圈的环量。在有旋度的场里,路径会改变答案,两个数字的差把它显示出来。

一点一点看线积分实际上是怎样积累的。这一次的场是始终向北吹的风,路是先拱起再落下的弧。用滑块 t 在曲线上选一个点,两支箭头同时出现。风的箭头是金色的,前进方向的单位切线是蓝色的,两者的点积 F·t̂ 就是这一刻的贡献。上坡时风推着背,F·t̂ 以正数积累。过了顶部进入下坡,逆着风走,F·t̂ 以负数削减。移动滑块,部分和在顶部达到最大,然后又变小。线积分就是把这些小的 F·t̂ 沿路全部加起来。

这里两种场分开了。按下按钮,差别立刻出现。保守场是某个势的梯度,所以从 A 到 B 的金色直线和蓝色绕行弧所做的功恰好相等。答案只是起点和终点之差,路无关紧要。换成旋涡场,两条路的值就分开。同样的两个点、同样的两条路,场的一个性质决定了一切。两个数字下面那一行,变成绿色并写着两值相等,或者变成橙色并写着两值不同,这就是保守场的标记。

最后自己走一遍,看功是怎样一段一段积起来的。还是向北吹的风,先拱起再落下的弧被分成短段。每按一次单步,就前进一段。已经走过的路变成金色,还没走的路保持暗淡。左边上坡,风推着背,加上正的功。过了顶部的右边下坡,逆着风走,削去负的功。刚走的那一段的符号会显示出来,下方的条在累计为正时是绿色,为负时是橙色。按复位就从头再走。线积分就是这样一个段一个段加下去的过程。

实际应用线积分 ∫C F·dr 是场沿路径所做的功全部加起来的值。每一小段上积累场箭头与前进方向的点积 F·t̂,它的符号决定功是加上还是削去。在像旋涡那样打转的场里,连接同样两点,走的路不同,答案就不同。两条路之差,就是它们围成的闭合圈的环量。反过来,在保守场(F=∇势)里,答案只是起点和终点的势差,路完全无关。在工程中,重力做的功、电力做的功、电路的电动势,都是这个线积分。是不是保守,决定能量是守住还是漏掉。
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