窗户上的格林公式

前面严谨地介绍了格林公式,但缺少了一些直觉性。为了弥补这一缺陷,本节将深入挖掘该公式的发明背景及发明者的思考过程,以期帮助同学们建立更为直观的印象。

1 格林公式的发明人

让我们从格林公式的发明人乔治·格林说起,如下图左侧所示。乔治·格林 40 岁才考上了剑桥的本科生,后来留任在剑桥的凯斯学院。为了纪念他以及这个重要的公式,凯斯学院有一扇窗户上画了关于格林公式的一幅图,如下图右侧所示。

乔治·格林(1793-1841)

格林公式的推导思路

2 格林公式的发明背景

窗户上的这幅图虽简约却巧妙地展现了乔治·格林推导公式时的思路。接下来,我们将帮助同学们理解这幅图,并借此展示格林公式的直观意义。为了方便讲解,还是先列出格林公式:

由分段光滑的曲线构成,若函数上具有一阶连续偏导数,则有:

其中的取正向的曲线。

在乔治·格林生活的那个时代,电磁学正方兴未艾,上述公式正是在解决这门学科的具体问题中诞生的。当时电磁学的一个研究热点是电磁效应,为了研究这一效应,物理学家们会将通电的线圈放入磁场之中,如下图所示,此时线圈会受到磁力的作用,从而产生旋转。

磁场中的通电线圈

上述通电线圈可抽象为平面中的封闭有向曲线,其方向代表的是电流的方向,而磁力场可以表示为向量场,如下图所示。

位于磁场中的有向曲线,其方向代表的是电流的方向

物理学家往往会需要计算磁力场对该线圈的做功,也就是计算如下的

有时候上述积分是比较难计算的,所谓格林公式就给出了该积分的一个计算方法。假设封闭有向曲线所围的,如下图所示。

有向曲线所围的闭区域

那么根据格林公式,在有向曲线上的可转为在上的,即:

3 格林公式的推导思路

下面来看看乔治·格林是如何推导出上述结论的。他将划分为很多个小格子,如下图所示。

将闭区域划分为很多个小格子

这么做的原因是因为乔治·格林发现,如果在每个格子的边界上计算,相邻的边界会相互抵消。以下图中的个蓝色格子为例,内部灰色边界上有一对方向相反的积分,也就是黑色箭头所指方向上的积分,这两者会相互抵消;而外部黑色边界上只有一个方向的积分,也就是红色箭头所指方向上的积分,该积分会被保留下来。

个蓝色格子内部灰色边界上的积分会相互抵消

也就是说在这个蓝色格子上计算并且相加起来,得到的是外部正向边界上的,如下图所示,这里用红色描出了外部正向边界。

个蓝色格子边界上的积分相加,得到红色边界上的积分

如果计算内所有的小矩形格子上的并且相加起来,就会得到下图中红色边界上的

内所有的小矩形格子边界上的积分相加,得到红色边界上的积分

如果将划分为更多个小格子,然后计算内所有的小矩形格子上的并相加,就会得到下图中红色边界上的

划分为更多个小格子,得到红色边界上的积分

可以看到随着小矩形格子的增多,红色边界会逐渐逼近有向曲线,相应的红色边界上的也会逼近乔治·格林想要的计算结果,最终当小矩形格子的个数,并且这些小矩形格子的最大直径时,可以求出

4 格林公式的具体推导

思路解释清楚了,下面来计算单个小矩形格子的,以下图中的小矩形格子为例,个顶点分别为

小矩形格子,及其正向边界

注意到力场方向的分力与有向直线垂直,从而在这两条直线上不做功;及力场方向的分力与有向直线垂直,从而在这两条直线上不做功。结合上,可如下计算在正向边界上的

简写一下,上面的推导得到了如下结果:

按照最上面解释的思路,将划分为更多的小矩形格子,当这些小矩形格子的最大直径时,结合上单个小矩形格子的计算结果,就可以得到

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