新發現:一元微積分基本定理與格林公式之間存在著強大的數學關係

2020-12-10 電子通信和數學

格林公式是高等數學中的重要內容,但是要理解他,需要你掌握一元微積分和偏導數的所有內容,格林公式是非常有趣的,而且充滿了數學的魅力,今天我們拋開複雜的數學推導,僅從微積分的基本定理和圖形來向你展示格林公式的原理:

如下這幅動態圖很形象地揭示了格林公式的原理,為什麼,本篇就來解答這個問題

首先,都知道最基本的微積分定理,它的形式就是:

它的幾何含義就是:左圖是原函數圖形,右圖是導數函數圖形,

這個很容易理解,不需要過多的解釋,原函數的y值對應其導數的積分值,即線面的對應關係

我們由此把微積分基本定理,推廣到二元函數的情形,這是我們學數學的基本認知,根據微積分基本定理,在二元函數的情況下:原函數F(x,y)的的面積=偏導數的體積

F關於y的偏導數F/y,可以按照如下圖來理解

我們就以橢圓拋物面函數為例:左上角是原函數圖形,右上角是 F/y圖形(這裡將y/5畫在ZY坐標平面中,所以它是一個平面),那麼圖中平面X=4與F/y的的交線就是

如果我們把X的所有取值都做相同的操作,如下圖F/y就是一個類似柱狀的圖形,也可能不是柱狀,但絕對是一個封閉的圖形

我們也就得到如下圖示的結果,從X=0開始,到X=8結束,拋物面上形成一個類似橢圓的封閉圖像,

用公式表示上述原理就是

上述公式中C1和C2都是沿著一個方向計算,不是一個環,將C1添加一個負號,C1和C2就形成一個閉環,且為逆時針方向

按照同樣的方式,我們就可以得到F關於X的偏導數F/x

也就是

同樣,為了形成一個閉環,需將C2添加一個負號,這樣就是逆時針旋轉

這就是把微積分基本定理推廣到二元函數的基本原理,

如果我們用向量更為具體的來表示格林定理,下圖會更為直觀

如果我們按書本上的嚴格推導來描述通量和環量,就是如下形式

閉曲線的環量形式

閉曲線的通量形式

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