15.7
假设从某一高度向上抛出一个球。
在运动过程中,球体可能沿直线上升和下降,也可能沿曲线路径运动。当球体在地球引力场中移动时,重力所做的功仅取决于初始高度和最终高度,而与所经过的路径无关。这一特性称为路径无关性。
具有此性质的向量场称为保守向量场。该场来源于一个称为势函数的标量函数 f,可表示为 f 的梯度。
在二维情况下,场分量 P 和 Q 分别是函数 f 对 x 和 y 的偏导数。
由于两者源自同一个势函数,它们的混合偏导数相等。这由克莱罗定理(Clairaut’s theorem)得出,该定理指出当二阶导数连续时,这些混合偏导数相等。这一条件是保守场的必要条件。
要使该测试成立,该区域必须是开集且单连通,不能有孔洞或间隙。当满足这些条件时,即可确认该场为保守场。
这种分类通过比较端点处的势能值,简化了与路径无关的计算。
保守矢量场描述了一种力或场,在这种场中,两点之间所做的功仅取决于初始和最终位置。对于在地球引力场中运动的物体,重力所做的功仅由高度差决定,无论物体是垂直运动还是沿曲线轨迹运动。
如果一个向量场可以表示为一个标量势函数 f 的梯度,则该向量场是保守的。在二维情况下,这可以写成
\begin{equatio…