乙個保守場中的奇點對整個場有什麼影響?

時間 2021-06-19 16:50:41

1樓:劍拔青雲

由於無法編輯向量運算,請見諒

為方便起見假定這是乙個二維保守場,其表示式為 ,其梯度為

一般而言,物理學意義上的「保守」指沿某一封閉曲線繞行一周所做的功為0,數學表示式為 (其中 為連續封閉曲線),這實際上是乙個典型的第二類曲線積分。

實際上為了更方便的研究這個問題,我們需要引入「復變函式」與「解析函式」的概念。

定義1.設 是複數變數 的集合,如果存在乙個法則 ,使得每乙個 都有乙個(或多個)確定的複數變數 與之對應。那麼就稱 是 的復變函式,記作

定義2.如果函式 在 點和 點的某個鄰域內處處可導,那麼稱 在 點解析。如果 在區域 內處處解析,那麼就稱 是 上的乙個解析函式,並稱 是 的解析域

柯西-黎曼條件:假設 都是實變數, , ,則函式 解析的充要條件為: 且

假定 是區域 上的解析函式,曲線 是 內的一條封閉曲線那麼

格林公式

由此不難發現,解析函式本身的性質非常近似於保守場函式的性質。

假設 和 是曲線 上兩點,且這兩點把 分為兩段 和 ,若以逆時針方向為正方向,則

即 這說明解析函式的路徑積分只與端點有關,與路徑無關。

因此,記

說完保守場與解析函式的關係,再來談論一下奇點。

奇點在數學分析中常被定義為無定義點(或間斷點),一般而言分為四類:

可去間斷點:該點的左右(偏)導數存在且相等。

跳躍間斷點:該點的左右(偏)導數存在但不相等。

無窮間斷點:該點的左右(偏)導數至少有乙個趨於無窮。

振盪間斷點:該點的左右(偏)導數至少有乙個不存在。

一般而言,物理學中的奇點指的是左右導數一致趨於無窮的無窮間斷點,這類奇點附近的函式可以近似用洛朗級數(泰勒級數的一般情形)展開為

此時,記 稱其為留數,則有以下定理:

留數定理:如果 為 的 階極點,則

舉個例子,經典力學中的萬有引力場就是乙個有源保守場,如果令

(場源座標為 ,質量為 ,負號表示梯度指向場源)

由於 故 ( , 為繞周半徑)

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