问题
考虑向量场 $\vec{F} = \left( \frac{-y}{x^2+y^2}, \frac{x}{x^2+y^2} \right)$:
数学陷阱:计算可知 $\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial P}{\partial y} = \frac{y^2-x^2}{(x^2+y^2)^2}$,看起来场是“无旋”的。
直觉误区:如果直接套用格林公式,结论似乎应该是环流量为 $0$。
事实:但在原点 $(0,0)$处,函数分母为$0$,场不存在。如果闭合曲线包围了原点,实际积分为 $2\pi$而非$0$。当然,如果不包含原点,积分便恒为 $0$ 。
处理策略:“挖洞”法 (Excising the Singularity)
当区域 $D$内包含奇点时,格林公式的前提(函数在区域内$C^1$ 连续)不再满足。此时需要手动构造一个多连通区域:
构造内边界:以奇点为圆心,取一个极小的半径 $\epsilon$,构造一个闭合圆周 $\Gamma_{\epsilon}$ 将奇点“挖掉”。
应用公式:在剩下的区域 $D \setminus D_{\epsilon}$ 内,场是处处连续的,可以应用格林公式:
$$ \iint_{D \setminus D_{\epsilon}} (Q_x - P_y) \, dA = \oint_{L^+} \vec{F} \cdot d\vec{r} + \oint_{\Gamma_{\epsilon}^-} \vec{F} \cdot d\vec{r} = 0 $$
- 结果转化:这说明外部大环的积分等于内部小圆周的积分(换了一下 $\Gamma$ 的环流方向):
$$ \oint_{L^+} Pdx+Qdy = \oint_{\Gamma_{\epsilon}^+} Pdx+Qdy $$
计算:参数化极限
对于上述圆形小边界 $\Gamma_{\epsilon}$,利用极坐标极易计算:
令 $x = \epsilon \cos\theta, y = \epsilon \sin\theta$。
代入积分式:$\int_0^{2\pi} \frac{-\epsilon \sin\theta (-\epsilon \sin\theta) + \epsilon \cos\theta (\epsilon \cos\theta)}{\epsilon^2} d\theta = \int_0^{2\pi} 1 , d\theta = 2\pi$。
结论:只要曲线包围了该奇点,无论曲线形状如何,积分值永远是 $2\pi$。
那如果曲线只包含了半个奇点呢?如果只包含了四分之一个奇点呢?
直觉上,把积分上限变一下就好了(

半覆盖或特定角度($\alpha$)—— 分段积分或不完全环绕。
$\pi$的情况:如果路径仅在半个平面内围绕奇点旋转(例如从极角$0$到$\pi$),线积分的结果往往对应于张角的弧度值。
$\alpha$的情况:在更一般的情况下,如果边界曲线在奇点处张开的角度为$\alpha$,积分结果将直接正比于这个局部几何角。
虽然说不清楚严谨过程,但这是对的(
Maxwell 方程其一
格林公式会碰到奇点,高斯公式呢?