如何記憶格林公式?

經常搞錯減的順序。


看它的向量表達式,從向量表達式推導:


不知道答主有沒有學過「旋度」(考慮到提問的時間,現在應該是已經學過了)。如果學過了的話,應該就可以看出來 frac{partial Q}{partial x}-frac{partial P}{partial y} 就是二維向量函數 mathbf{F}(x,y)=P(x,y)hat{x}+Q(x,y)hat{y}z 方向上的旋度,或者乾脆就可以稱之為二維向量函數的「旋度」。那麼,問題就轉化成了如何記住旋度的表達式。雖然行列式是個好辦法,但是如果你把第二、三行記反了,那最後的符號也就錯了,並無助於題主的問題。所以,不妨直接從 frac{partial Q}{partial x}-frac{partial P}{partial y} 的直觀「理解」開始入手。

首先,我們知道,一個矢量沿著它本身的方向如何變化(因為沿著它本身的方向,所以只能有大小的變化),這是「散度」的直觀含義。與之相反,旋度是研究一個矢量沿著它的垂直方向如何變化的量。所以,對於一個處於 (x,y) 點的矢量mathbf{F}(x,y)=P(x,y)hat{x}+Q(x,y)hat{y} ,它的旋度,必然是與「沿 hat{y} 軸稍稍動一下, hat{x} 方向的分量 P 如何變化」,以及「 沿 hat{x} 軸稍稍動一下, hat{y} 軸分量 Q 如何變化」有關。這樣我們就記住了兩個偏微分是 frac{partial Q}{partial x}frac{partial P}{partial y}

那麼,最關鍵的是,如何記住這兩個偏微分的符號呢?考慮到我們知道這兩個偏微分的組合叫做「旋度」,那麼必然和原矢量的方向變化(旋轉)有關。事實上,由於數學是自洽的,有逆時針旋轉趨勢的地方,旋度是正的,而有順時針旋轉趨勢的地方,旋度是負的……嗯,有正有負,好像和這兩個偏微分的符號有關?——我們就乾脆直接畫出這兩個偏微分的直觀表示,看看他們到底怎樣決定了原矢量的「旋轉」:

如上圖所示,向量 mathbf{F}(x,y) 可以直接用分量 QP 表示。先考慮 frac{partial Q}{partial x} 。不妨假設向量的「幅角」在0到90度之間(如果不在,你總可以重新選擇坐標系使之成立),並且 partial x > 0partial Q>0 ,這意味著將 Qhat{x} 正方向移動 partial xQ 將增長 partial Q 。因為移動和增長是有方向的,我在圖中將移動和增長的路徑用帶箭頭的虛線標出來了——現在應該看出來——上述的變化路徑,與 Q 的末端一起,形成了一個正的有向角度 	heta_+ ,而 frac{partial Q}{partial x} 就是有向角度 	heta_+ 的正切	an	heta_+ ,既然 	heta_+ 是正的,那麼 frac{partial Q}{partial x} 自然取正號了。為什麼 	heta_+ 是正的呢?因為形成它的路徑是逆時針的哈。有人也許會追問,現在我們得到了這個有向角度 	heta_+ ,可它到底又是一個什麼含義呢?它好像並不是向量 mathbf{F}(x,y) 向右移動 partial x ,整個向量所旋轉的角度吧?的確如此,但是這不妨礙我們用它來記住 frac{partial Q}{partial x} 的符號。實際上,假如 mathbf{F}(x,y) 的幅角在0到90度之間,並且大小不變,那麼 mathbf{F}(x,y) 向右移動了 partial x 並且分量 Q 增長了 partial Q ,的確意味著 mathbf{F}(x,y)沿逆時針正向旋轉了一定角度(請自己想一下),與 	heta_+ 的符號完全相同。總之, 	heta_+ 意味著, frac{partial Q}{partial x} 這一項對旋度的貢獻是正的,所以它的符號也是正的。

仿照完全類似的討論,我們可以看出 frac{partial P}{partial y} 對應於有向角度 	heta_- 的正切 	an	heta_- ,而 	heta_- 的符號是負的,那麼意味著frac{partial P}{partial y} 對旋度的貢獻是負的(順時針旋轉),所以它的符號也是負的。

bottom line: 我們可以直接從組成旋度的偏微分的表觀含義來「推導」出格林公式的符號。雖然並不嚴謹,但是看起來容易記憶。


格林公式么用外微分直接推不就好了么,考試前先寫一遍外微分,用不了10分鐘的。

dx wedge dy = - dy wedge dx

以下為一次、二次、三次外微分形式,零次記為函數f

P dx + Q dy + R dz

A dx wedge dy + B dy wedge dz + C dz wedge dx

H dx wedge dy wedge dz

現在定義外微分運算元d

零次情況: df = frac{partial{f}}{partial{x}}dx + frac{partial{f}}{partial{y}}dy + frac{partial{f}}{partial{z}}dz

一次情況: domega = dP wedge dx + dQ wedge dy + dR wedge dz

對P再用零次,即微分,隨後外乘積同理可以得到多次情況。

便可以容易地推得格林公式、斯托克斯公式、高斯公式。

可以統一的記為廣義斯托克斯公式:

int_{partial{Sigma}}omega = int_{Sigma}domega 其中Σ為積分區域,?Σ為邊界。要注意的情況只有注意方向了。

具體如何推出牛頓萊布尼茨公式、格林公式、斯托克斯公式、高斯公式。作為習題吧。


int(intfrac{partial P}{partial y}dy )dx 的時候, intfrac{partial P}{partial y}dy 表示在 x 固定時,由 y 所導致的 P 的變化量,如圖所示

由於反正下面計算了還要到上面去算,所以可以把把它們合起來就是 int (int frac{partial P}{partial y}dy )dx=int_a^b left{ /P[x,phi_2(x)]-P[x,phi_1(x)]
ight}dx

而當算 oint_L Pdx 的時候,由於是逆時針,而規定正方向是路徑左邊,所以是下減上。

而逆時針的時候右減左還是正數,所以格林公式裡面是一正一負。


int_{Omega}domega=int_{partial Omega}omega


給個比較污的記法:→py,所以py前面有個負號,而且py在一起


多做題就記住了。

另外,單單一個格林公式不難記,難記的在於區分格林公式、高斯公式、斯托克斯公式、梯度、散度、旋度、通量。以及它們的適用場合、線面積分和重積分的對應關係。

這些個公式長得太像了。


當作解析的複變函數記吧


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