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線積分

大二 · 微積分

觀念

xyABC灰箭頭:F(x,y) = (−y, x)沿 C 累積 F·drO

線積分 (line integral) 沿一條曲線累積:純量場的 ∫Cf ds\int_C f\,ds(例如細線的質量)與向量場的 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}(例如力沿路徑做的功)。參數化曲線後都化成單變數積分。

保守場(F=∇ϕ\mathbf{F} = \nabla\phi)的線積分只看起點與終點,與路徑無關——這是微積分基本定理的推廣;Green 定理再把封閉曲線的線積分與區域的二重積分接起來,通往 Stokes 與 Gauss 散度定理。

例題

xy-2-10123401234ABC₁

F(x,y)=(x−y, −2x+y)\mathbf{F}(x,y) = \left(x-y,\ -2x+y\right)。如圖,CC 是從 A(−2,1)A(-2, 1) 走直線到 B(−2,4)B(-2, 4)、再走直線到 C1(4,4)C_1(4, 4) 的折線。求 ∫CF⋅dr\displaystyle\int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}(填整數或最簡分數)。

看解法與答案

∂P∂y=−1≠∂Q∂x=−2\frac{\partial P}{\partial y} = -1 \ne \frac{\partial Q}{\partial x} = -2,不是保守場,要逐段參數化。

第一段 r(t)=(−2,1)+t⋅(0,3)\mathbf{r}(t) = (-2, 1) + t\cdot(0, 3),r′=(0,3)\mathbf{r}' = (0, 3)(0≤t≤10\le t\le 1)。代入得 F(r(t))⋅r′(t)=15+9t\mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot\mathbf{r}'(t) = 15 +9t,∫01(15+9t) dt=15+92=392\int_0^1 (15 +9t)\,dt = 15 + \frac{9}{2} = \frac{39}{2}。

第二段 r(t)=(−2,4)+t⋅(6,0)\mathbf{r}(t) = (-2, 4) + t\cdot(6, 0),r′=(6,0)\mathbf{r}' = (6, 0)。F⋅r′=−36+36t\mathbf{F}\cdot\mathbf{r}' = -36 +36t,∫01(−36+36t) dt=−36+362=−18\int_0^1 (-36 +36t)\,dt = -36 + \frac{36}{2} = -18。

合計 392+(−18)=32\frac{39}{2} + (-18) = \frac{3}{2}。

答案: 32\frac{3}{2}

用在哪裡

插畫

線積分:情境插畫線積分:例題插畫

學習路徑

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