斯托克斯公式

斯托克斯公式的意义

斯托克斯公式建立了空间曲面上的第二类曲面积分与沿曲面边界曲线的第二类曲线积分之间的联系。它是格林公式在三维空间的推广(格林公式是斯托克斯公式在平面上的特例),将”曲面上的旋度通量”与”边界上的环流量”联系起来。

斯托克斯公式

定理1

设 Σ\Sigma 是分片光滑的有向曲面,LL 是 Σ\Sigma 的正向边界曲线,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z) 在包含 Σ\Sigma 的一个空间区域内具有一阶连续偏导数,则有

∮LP dx+Q dy+R dz=∬Σ∣dy dzdz dxdx dy∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣\oint_L P \, dx + Q \, dy + R \, dz = \iint_\Sigma \left| \begin{array}{ccc} dy\,dz & dz\,dx & dx\,dy \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{array} \right|

展开为: ∮LP dx+Q dy+R dz=∬Σ(∂R∂y−∂Q∂z)dy dz+(∂P∂z−∂R∂x)dz dx+(∂Q∂x−∂P∂y)dx dy\oint_L P \, dx + Q \, dy + R \, dz = \iint_\Sigma \left( \frac{\partial R}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial z} \right) dy\,dz + \left( \frac{\partial P}{\partial z} - \frac{\partial R}{\partial x} \right) dz\,dx + \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) dx\,dy

正向边界曲线的规定(右手定则)

用旋度表示

引入旋度的概念:

∇×F⃗=(∂R∂y−∂Q∂z,∂P∂z−∂R∂x,∂Q∂x−∂P∂y)\nabla \times \vec{F} = \left( \frac{\partial R}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial z}, \frac{\partial P}{\partial z} - \frac{\partial R}{\partial x}, \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right)

则斯托克斯公式可以简洁地表示为:

∮LF⃗⋅dr⃗=∬Σ(∇×F⃗)⋅dS⃗\oint_L \vec{F} \cdot d\vec{r} = \iint_\Sigma (\nabla \times \vec{F}) \cdot d\vec{S}

即:向量场沿闭曲线的环流量 = 旋度通过以该曲线为边界的任意曲面的通量。

斯托克斯公式的物理意义

空间曲线积分与路径无关

定理2

设空间区域 GG 是一维单连通区域(即 GG 内任一闭曲线都可以张成一片完全属于 GG 的曲面),函数 P,Q,RP, Q, R 在 GG 内具有一阶连续偏导数,则以下四个命题等价:

  1. 曲线积分 ∫LP dx+Q dy+R dz\int_L P \, dx + Q \, dy + R \, dz 在 GG 内与路径无关

  2. 沿 GG 内任意闭曲线 LL 的曲线积分为零:∮LP dx+Q dy+R dz=0\oint_L P \, dx + Q \, dy + R \, dz = 0

  3. 在 GG 内存在函数 u(x,y,z)u(x,y,z),使得 du=P dx+Q dy+R dzdu = P \, dx + Q \, dy + R \, dz

  4. 在 GG 内恒有 ∇×F⃗=0\nabla \times \vec{F} = 0(即旋度为零,∂R∂y=∂Q∂z, ∂P∂z=∂R∂x, ∂Q∂x=∂P∂y\frac{\partial R}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial z}, \, \frac{\partial P}{\partial z} = \frac{\partial R}{\partial x}, \, \frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial P}{\partial y})

旋度为零的向量场称为无旋场(或有势场/保守场)。

三大公式的统一视角

典型例题

例题1:用斯托克斯公式计算空间曲线积分

计算 ∮L(y−z) dx+(z−x) dy+(x−y) dz\oint_L (y-z) \, dx + (z-x) \, dy + (x-y) \, dz,其中 LL 是椭圆 x2+y2=a2, xa+zb=1x^2+y^2 = a^2, \, \frac{x}{a}+\frac{z}{b} = 1(a>0,b>0a>0, b>0),从 xx 轴正方向看去,椭圆取逆时针方向。

参考答案
斯托克斯公式空间曲线积分椭圆旋度右手定则

解题思路: 空间闭曲线积分,用斯托克斯公式转化为曲面积分。旋度可能为常数。

详细步骤:

  1. P=y−z, Q=z−x, R=x−yP = y-z, \, Q = z-x, \, R = x-y
  2. 旋度:∂R∂y−∂Q∂z=−1−1=−2\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z} = -1-1 = -2,∂P∂z−∂R∂x=−1−1=−2\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x} = -1-1 = -2,∂Q∂x−∂P∂y=−1−1=−2\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y} = -1-1 = -2
  3. ∇×F⃗=(−2,−2,−2)\nabla \times \vec{F} = (-2, -2, -2)
  4. 取 Σ\Sigma 为平面 xa+zb=1\frac{x}{a}+\frac{z}{b}=1 上以 LL 为边界的椭圆面。由右手定则,法向量应指向 xx 轴正方向一侧(即 xx 分量为正)。
  5. 平面法向量:(1a,0,1b)(\frac{1}{a}, 0, \frac{1}{b}),单位法向量 n⃗=(1a,0,1b)1a2+1b2\vec{n} = \frac{(\frac{1}{a}, 0, \frac{1}{b})}{\sqrt{\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}}}
  6. (∇×F⃗)⋅n⃗=−2/a−2/b1/a2+1/b2(\nabla \times \vec{F}) \cdot \vec{n} = \frac{-2/a - 2/b}{\sqrt{1/a^2+1/b^2}}
  7. 椭圆面积:椭圆在平面上,其在 xOyxOy 平面投影为圆 x2+y2≤a2x^2+y^2 \leq a^2,面积 πa2\pi a^2。平面与 xOyxOy 面夹角的余弦 cos⁡γ=1/b1/a2+1/b2\cos\gamma = \frac{1/b}{\sqrt{1/a^2+1/b^2}}。椭圆面积 =πa2cos⁡γ=πa21/a2+1/b21/b=πab1+a2/b2=πaa2+b2= \frac{\pi a^2}{\cos\gamma} = \pi a^2 \frac{\sqrt{1/a^2+1/b^2}}{1/b} = \pi a b \sqrt{1+a^2/b^2} = \pi a \sqrt{a^2+b^2}
  8. 积分 =(∇×F⃗)⋅n⃗×椭圆面积=−2(1/a+1/b)1/a2+1/b2×πaa2+b2=−2πa(a+b)= (\nabla \times \vec{F}) \cdot \vec{n} \times \text{椭圆面积} = \frac{-2(1/a+1/b)}{\sqrt{1/a^2+1/b^2}} \times \pi a \sqrt{a^2+b^2} = -2\pi a(a+b)

(注:此处需仔细核对方向和面积,最终结果为 −2πa(a+b)-2\pi a(a+b)。)

答案:−2πa(a+b)-2\pi a(a+b)

例题2:旋度为零的场

验证向量场 F⃗=(yz,xz,xy)\vec{F} = (yz, xz, xy) 的旋度为零,并计算曲线积分 ∫Lyz dx+xz dy+xy dz\int_L yz \, dx + xz \, dy + xy \, dz,其中 LL 是从点 A(1,0,0)A(1,0,0) 到点 B(1,0,2π)B(1,0,2\pi) 的螺旋线 x=cos⁡t, y=sin⁡t, z=tx = \cos t, \, y = \sin t, \, z = t。

参考答案
斯托克斯公式旋度为零路径无关原函数螺旋线

解题思路: 旋度为零,积分与路径无关,可以求原函数后代入端点。

详细步骤:

  1. P=yz, Q=xz, R=xyP = yz, \, Q = xz, \, R = xy
  2. 旋度:∂R∂y−∂Q∂z=x−x=0\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z} = x-x = 0,∂P∂z−∂R∂x=y−y=0\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x} = y-y = 0,∂Q∂x−∂P∂y=z−z=0\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y} = z-z = 0
  3. 旋度为零,积分与路径无关。
  4. 求原函数:du=yz dx+xz dy+xy dzdu = yz \, dx + xz \, dy + xy \, dz 观察得 u=xyzu = xyz(因为 d(xyz)=yz dx+xz dy+xy dzd(xyz) = yz \, dx + xz \, dy + xy \, dz)
  5. 积分 =u(B)−u(A)=xyz∣B−xyz∣A=1⋅0⋅2π−1⋅0⋅0=0= u(B) - u(A) = xyz|_B - xyz|_A = 1 \cdot 0 \cdot 2\pi - 1 \cdot 0 \cdot 0 = 0

答案:00

例题3:格林公式是斯托克斯公式的特例

说明格林公式是斯托克斯公式在平面上的特例。

参考答案
斯托克斯公式格林公式统一视角平面特例

解题思路: 在斯托克斯公式中取曲面为 xOyxOy 平面上的区域,即可得到格林公式。

详细步骤:

  1. 在斯托克斯公式中,取 Σ\Sigma 为 xOyxOy 平面上的区域 DD(z=0z=0),取上侧(法向量为 (0,0,1)(0,0,1))。
  2. 此时 dz=0dz = 0,曲线积分 ∮LP dx+Q dy+R dz=∮LP dx+Q dy\oint_L P \, dx + Q \, dy + R \, dz = \oint_L P \, dx + Q \, dy
  3. 曲面积分中,dy dz=0, dz dx=0dy\,dz = 0, \, dz\,dx = 0(因为曲面在 xOyxOy 平面上),只有 dx dydx\,dy 项: ∬Σ(∂Q∂x−∂P∂y)dx dy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dx dy\iint_\Sigma (\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}) dx\,dy = \iint_D (\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}) dx\,dy
  4. 因此斯托克斯公式变为:∮LP dx+Q dy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dx dy\oint_L P \, dx + Q \, dy = \iint_D (\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}) dx\,dy 这正是格林公式!

答案:格林公式是斯托克斯公式在 xOyxOy 平面上的特例。


练习题

练习1

计算 ∮L(y2+z2) dx+(z2+x2) dy+(x2+y2) dz\oint_L (y^2+z^2) \, dx + (z^2+x^2) \, dy + (x^2+y^2) \, dz,其中 LL 是球面 x2+y2+z2=2Rxx^2+y^2+z^2 = 2Rx 与柱面 x2+y2=2rxx^2+y^2 = 2rx(R>r>0R > r > 0)的交线,从 zz 轴正方向看去取逆时针方向。

参考答案
斯托克斯公式空间曲线积分球面与柱面交线

解题思路: 用斯托克斯公式,取球面在交线上方的部分为曲面,计算旋度通量。

详细步骤:

  1. P=y2+z2, Q=z2+x2, R=x2+y2P = y^2+z^2, \, Q = z^2+x^2, \, R = x^2+y^2
  2. 旋度:∇×F⃗=(2y−2z,2z−2x,2x−2y)=2(y−z,z−x,x−y)\nabla \times \vec{F} = (2y-2z, 2z-2x, 2x-2y) = 2(y-z, z-x, x-y)
  3. 取 Σ\Sigma 为球面 x2+y2+z2=2Rxx^2+y^2+z^2=2Rx 上以 LL 为边界的部分,法向量朝外。
  4. 球面方程可写为 (x−R)2+y2+z2=R2(x-R)^2+y^2+z^2=R^2,法向量为 (x−R,y,z)(x-R, y, z)。
  5. (∇×F⃗)⋅n⃗ dS=2[(y−z)(x−R)+(z−x)y+(x−y)z]dSR(\nabla \times \vec{F}) \cdot \vec{n} \, dS = 2[(y-z)(x-R) + (z-x)y + (x-y)z] \frac{dS}{R}(单位法向量乘以 dSdS)
  6. 展开分子:(y−z)(x−R)+(z−x)y+(x−y)z=xy−Ry−xz+Rz+yz−xy+xz−yz=R(z−y)(y-z)(x-R) + (z-x)y + (x-y)z = xy - Ry - xz + Rz + yz - xy + xz - yz = R(z-y)
  7. 因此 (∇×F⃗)⋅dS⃗=2⋅R(z−y)RdS=2(z−y)dS(\nabla \times \vec{F}) \cdot d\vec{S} = 2 \cdot \frac{R(z-y)}{R} dS = 2(z-y) dS
  8. 由对称性,∬Σy dS=0\iint_\Sigma y \, dS = 0(曲面关于 xOzxOz 平面对称,yy 是奇函数)
  9. ∬Σz dS\iint_\Sigma z \, dS:球面 (x−R)2+y2+z2=R2(x-R)^2+y^2+z^2=R^2,上半部分 z=R2−(x−R)2−y2z = \sqrt{R^2-(x-R)^2-y^2}。但由于交线在 z≥0z \geq 0 部分,需要具体计算。 (此处计算较复杂,最终结果为 2πRr22\pi R r^2。)

答案:2πRr22\pi R r^2

练习2

验证向量场 F⃗=(2x+y+z,x+3y+2z,x+2y+3z)\vec{F} = (2x+y+z, x+3y+2z, x+2y+3z) 的旋度为零,并求原函数。

参考答案
旋度为零原函数有势场保守场

解题思路: 计算旋度,验证为零后求原函数。

详细步骤:

  1. P=2x+y+z, Q=x+3y+2z, R=x+2y+3zP = 2x+y+z, \, Q = x+3y+2z, \, R = x+2y+3z
  2. 旋度:∂R∂y−∂Q∂z=2−2=0\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z} = 2-2 = 0,∂P∂z−∂R∂x=1−1=0\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x} = 1-1 = 0,∂Q∂x−∂P∂y=1−1=0\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y} = 1-1 = 0
  3. 旋度为零。
  4. 求原函数 uu: ∂u∂x=2x+y+z⇒u=x2+xy+xz+ϕ(y,z)\frac{\partial u}{\partial x} = 2x+y+z \Rightarrow u = x^2 + xy + xz + \phi(y,z) ∂u∂y=x+ϕy=x+3y+2z⇒ϕy=3y+2z⇒ϕ=32y2+2yz+ψ(z)\frac{\partial u}{\partial y} = x + \phi_y = x+3y+2z \Rightarrow \phi_y = 3y+2z \Rightarrow \phi = \frac{3}{2}y^2 + 2yz + \psi(z) ∂u∂z=x+2y+ψ′=x+2y+3z⇒ψ′=3z⇒ψ=32z2\frac{\partial u}{\partial z} = x + 2y + \psi' = x+2y+3z \Rightarrow \psi' = 3z \Rightarrow \psi = \frac{3}{2}z^2
  5. 原函数:u=x2+xy+xz+32y2+2yz+32z2+Cu = x^2 + xy + xz + \frac{3}{2}y^2 + 2yz + \frac{3}{2}z^2 + C

答案:原函数为 u=x2+xy+xz+32y2+2yz+32z2+Cu = x^2 + xy + xz + \frac{3}{2}y^2 + 2yz + \frac{3}{2}z^2 + C


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
∮L\oint_L闭曲线积分closed line integral沿闭曲线的积分
∇×F⃗\nabla \times \vec{F}旋度curl向量场的旋度
Σ\Sigma有向曲面oriented surface以 L 为边界的有向曲面
LL边界曲线boundary curve曲面 Σ 的正向边界曲线
dr⃗d\vec{r}有向弧长元素directed arc element(dx,dy,dz)(dx, dy, dz)
dS⃗d\vec{S}有向面积元素directed surface element(dydz,dzdx,dxdy)(dydz, dzdx, dxdy)

中英对照

中文术语英文术语音标说明
斯托克斯公式Stokes’ theorem/stoʊksɪz ˈθɪərəm/空间曲线积分与曲面积分的关系
旋度curl/kɜːrl/向量场的旋转强度
环流量circulation/ˌsɜːrkjəˈleɪʃən/沿闭曲线的第二类曲线积分
右手定则right-hand rule/raɪt hænd ruːl/确定边界曲线正向的法则
正向边界positive boundary/ˈpɒzətɪv ˈbaʊndəri/与曲面法向量满足右手定则的边界方向
无旋场irrotational field/ˌɪrəʊˈteɪʃənəl fiːld/旋度为零的向量场
有势场conservative field/kənˈsɜːrvətɪv fiːld/存在势函数的向量场,即无旋场
保守场conservative field/kənˈsɜːrvətɪv fiːld/即有势场,积分与路径无关
广义斯托克斯定理generalized Stokes theorem/ˈdʒɛnrəlaɪzd stoʊks ˈθɪərəm/微分形式的外微分积分定理
外微分exterior derivative/ɪkˈstɪəriər dɪˈrɪvətɪv/微分形式的微分运算
一维单连通simply connected (1D)/ˈsɪmpli kəˈnɛktɪd/任一闭曲线可张成属于区域的曲面

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