数学 数学分析

曲线积分

系统整理曲线弧长、一型与二型曲线积分、格林公式及其在调和函数中的应用。

本页目录5 节

曲线的弧长 #

定义

对于空间中的参数方程

{x=x(t),y=y(t),t∈[a,b]z=z(t),\begin{equation} \begin{cases} x=x(t), & \\ y=y(t), &\quad t\in[a,b] \\ z=z(t), & \end{cases} \end{equation}

所定义的曲线段 CC, 如果对任意的 a⩽t1<t2⩽ba\leqslant t_1<t_2\leqslant b, 当 t1=at_1=a 与 t2=bt_2=b 不同时成立时有

(x(t1),y(t1),z(t1))≠(x(t2),y(t2),z(t2)),(x(t_1),y(t_1),z(t_1))\neq(x(t_2),y(t_2),z(t_2)),

则称 CC 是简单曲线. 更进一步的, 如果有 (x(a),y(a),z(a))=(x(b),y(b),z(b))(x(a),y(a),z(a))=(x(b),y(b),z(b)) 则称 CC 为简单闭曲线.

定义

设曲线段 CC 由上文空间参数方程所定义. 若存在 s∈Rs\in\mathbb{R}, 使得对任意的 ε>0\varepsilon>0 而言, 存在 δ>0\delta>0, 对由区间 [a,b][a,b] 的任意一组满足 max⁡iΔti<δ\max\limits_{i}\Delta t_i<\delta 的分点

a=t0<t1<⋯<tn=ba=t_0<t_1<\cdots<t_n=b

所定义的曲线上的点 Mi(x(ti),y(ti),z(ti))M_i(x(t_i),y(t_i),z(t_i)) 均有

∣∑1⩽i⩽nMi−1Mi‾−s∣<ε,\left|\sum\limits_{1\leqslant i\leqslant n}\overline{M_{i-1}M_i}-s\right|<\varepsilon,

那么就称曲线段 CC 是可求长的, 并称 ss 是 CC 的弧长.

类似也可以给出由参数方程

{x=x(t),y=y(t),t∈[a,b]\begin{equation} \begin{cases} x=x(t), \\ y=y(t), \end{cases} \quad t\in[a,b] \end{equation}

所定义的平面上的曲线段及其弧长定义.

命题

设 CC 是由上文空间参数方程给出的可求长的曲线段, φ:[c,d]⟶[a,b]\varphi:[c,d]\longrightarrow[a,b] 是严格单调的满射, 并记

C1:{x=x(φ(u)),y=y(φ(u)),u∈[c,d]z=z(φ(u)),C_1:\begin{cases} x=x(\varphi(u)), & \\ y=y(\varphi(u)), &\quad u\in[c,d] \\ z=z(\varphi(u)), & \end{cases}

那么 C1C_1 也是可求长的曲线, 且其弧长等于 CC 的弧长. 简而言之, 曲线的弧长与参数方程的选取无关.

命题

如果 x(t),y(t),z(t)x(t),y(t),z(t) 均在区间 [a,b][a,b] 上连续可导, 则由上文空间参数方程所定义的曲线段 CC 是可求长的, 且弧长为

s=∫ab[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt.s=\int_a^b \sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2+[z'(t)]^2}\t d t.
命题

如果 x(t),y(t)x(t),y(t) 均在区间 [a,b][a,b] 上连续可导, 那么平面上由上文平面参数方程所定义的曲线段 CC 是可求长的, 且弧长为

s=∫ab[x′(t)]2+[y′(t)]2dt.s=\int_a^b \sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2}\t d t.
推论

对于定义在平面上的极坐标方程 r=r(θ) (θ∈[α,β])r=r(\theta)\ (\theta\in[\alpha,\beta]) 可以将其视作由参数方程

{x=r(θ)cos⁡θ,y=r(θ)sin⁡θ,θ∈[α,β]\begin{equation} \begin{cases} x=r(\theta)\cos\theta, \\ y=r(\theta)\sin\theta, \\ \end{cases} \quad \theta\in[\alpha,\beta] \end{equation}

那么此时就有

s=∫αβ[r′(θ)]2+[r(θ)]2dθ.s=\int_\alpha^\beta\sqrt{[r'(\theta)]^2+[r(\theta)]^2}\t d\theta.
例

设 a>0a>0. 对于星形线 (astroid) {x=acos⁡3t,y=asin⁡3t,(t∈[0,2π])\begin{cases} x=a\cos^3 t, \\ y=a\sin^3 t, \end{cases} (t\in[0,2\pi]) 而言, 其弧长为

∫02π[x′(t)]2+[y′(t)]2dt=3a∫02πcos⁡4tsin⁡2t+sin⁡4tcos⁡2t dt=3a∫02π∣sin⁡tcos⁡t∣dt=6a.\begin{aligned} & \int_0^{2\pi} \sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2}\t d t \\ &\\ = & 3a\int_0^{2\pi} \sqrt{\cos^4 t\sin^2 t+\sin^4 t\cos^2 t}\,\mathrm{d}t \\ & \\ = & 3a\int_0^{2\pi}|\sin t\cos t|\t d t = 6a. \end{aligned}
例
命题

简单曲线 CC 的弧长在正交变换下保持不变.

第一型曲线积分 #

定义

设 CC 是一条可求长的曲线, 其两端点是 AA 和 BB (若是闭曲线则 AA 和 BB 是一个点), ff 是定义在 CC 上的一个函数. 如果存在实数 II, 使得对任意的 ε>0\varepsilon>0, 均存在 δ>0\delta>0, 当我们依次取分点

A=M0,M1,…,Mn=BA=M_0,M_1,\ldots,M_n=B

时, 只要 max⁡1⩽i⩽nΔsi<δ\max\limits_{1\leqslant i\leqslant n}\Delta s_i<\delta (其中 Δsi\Delta s_i 表示曲线段 Mi−1Mi^\widehat{M_{i-1}M_i} 的弧长), 就对任意的 ξi∈Mi−1Mi^\bm\xi_i\in\widehat{M_{i-1}M_i} 有

∣∑i=1nf(ξi)Δsi−I∣<ε,\left|\sum\limits_{i=1}^n f(\bm\xi_i)\Delta s_i-I\right|<\varepsilon,

那么就称 II 为 ff 在 CC 上的第一型曲线积分(line integral of the first kind), 记作

I=∫Cf ds.I=\int_C f\ \text{d} s.

特别地, 当 CC 是闭曲线时, 我们也采用记号

I=∮Cf ds.I=\oint_C f\ \text{d} s.
注

当第一型曲线积分存在时, 积分值与曲线的定向无关.

命题

设 CC 时一条可求长曲线, ff 与 gg 是定义在 CC 上的两个函数,

  • (1) 如果 ff 与 gg 在 CC 上的第一型曲线积分都存在, 那么对任意的 α,β∈R\alpha,\beta\in\mathbb{R}, αf+βg\alpha f+\beta g 在 CC 上的第一型曲线积分存在并且,
∫C(αf+βg)ds=α∫Cfds+β∫Cgds.\int_C (\alpha f + \beta g)\text{d} s=\alpha\int_C f\text{d} s + \beta\int_C g\text{d} s.
  • (2) 如果 C=C1∪C2C=C_1\cup C_2, C1,C2C_1,C_2 均是可求长曲线, 且公共点为端点, 那么当 C1,C2C_1,C_2 的第一型曲线积分都存在时, ff 在 CC 上的第一型曲线积分也存在, 且
∫Cfds=∫C1fds+∫C2fds.\int_C f\text{d} s=\int_{C_1} f\text{d} s+\int_{C_2} f\text{d} s.
定义

设 CC 是 R3\mathbb{R}^3 中的光滑曲线段, 即存在参数方程

{x=x(t),y=y(t),z=z(t),t∈[a,b]\begin{cases} x=x(t),\\ y=y(t),\\ z=z(t), \end{cases} t\in [a,b]

表示 CC, 且 x(t),y(t),z(t)x(t),y(t),z(t) 均在 [a,b][a,b] 上连续可微.

取分点 ,求黎曼和, 用积分第一中值定理及闵可夫斯基不等式进行等价, 可得上述光滑曲线段的第一型曲线积分为

∫Cf(x,y,z)ds=∫abf(x(t),y(t),z(t))[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt.\begin{equation} \int_C f(x,y,z)\text{d} s=\int_a^b f(x(t),y(t),z(t)) \sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2+[z'(t)]^2} \text{d} t. \end{equation}

类似地, 如果是平面上的曲线, 则有

∫Cf(x,y)ds=∫abf(x(t),y(t))[x′(t)]2+[y′(t)]2dt.\begin{equation} \int_C f(x,y)\text{d} s=\int_a^b f(x(t),y(t)) \sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2} \text{d} t. \end{equation}

第二型曲线积分 #

定义

设 CC 是 R3\mathbb{R}^3 中的一条定向的可求长的曲线, 起点为 AA, 终点为 BB, 在 CC 上定义映射 f=(P,Q,R)T:C⟶R3f=(P,Q,R)^T:C\longrightarrow \mathbb{R}^3. 若存在实数 II, 使得对任意的 ε>0\varepsilon>0, 均存在 δ>0\delta>0, 当我们在 CC 上从 AA 到 BB 依次取分点

A=M0,M1,…,Mn=BA=M_0,M_1,\ldots,M_n=B

时, 只要 max⁡1⩽i⩽nMi−1Mi‾<δ\max\limits_{1\leqslant i\leqslant n}\overline{M_{i-1}M_i}<\delta, 就对任意的 ξi∈Mi−1Mi^\bm\xi_i\in\widehat{M_{i-1}M_i} 有

∣∑i=1n<f(ξi),Mi−1Mi→>−I∣<ε,\left|\sum\limits_{i=1}^n\left<f(\bm\xi_i),\overrightarrow{M_{i-1}M_i}\right>-I\right|<\varepsilon,

则称 II 为 f=(P,Q,R)Tf=(P,Q,R)^T 沿定向曲线 CC 的第二型曲线积分 (line integral of the second kind). 也称作 ff 沿道路 AB^\widehat{AB} 的第二型曲线积分, 记作

I=∫CPdx+Qdy+Rdz=∫AB^Pdx+Qdy+Rdz.I=\int_C P\text{d} x+Q\text{d} y+R\text{d} z=\int_{\widehat{AB}}P\text{d} x+Q\text{d} y+R\text{d} z.

特别地, 当 CC 是闭曲线时, 我们也采用记号

I=∮CPdx+Qdy+Rdz.I=\oint_C P\text{d} x+Q\text{d} y+R\text{d} z.

类似可定义 R2\mathbb{R}^2 中定向曲线 CC 的第二型曲线积分

∫CPdx+Qdy.\int_C P\text{d} x+Q\text{d} y.
注

在计算第二型曲线积分时, 需注意曲线的定向, 因为对于以 A,BA,B 为端点的曲线

∫AB^Pdx+Qdy+Rdz=−∫BA^Pdx+Qdy+Rdz\int_{\widehat{AB}}P\text{d} x+Q\text{d} y+R\text{d} z=-\int_{\widehat{BA}}P\text{d} x+Q\text{d} y+R\text{d} z
命题

设 AB^\widehat{AB} 是 R3\mathbb{R}^3 中的一条可求长的定向曲线, f=(P1,Q1,R1)Tf=(P_1,Q_1,R_1)^T 和 g=(P2,Q2,R2)Tg=(P_2,Q_2,R_2)^T 均是从 AB^\widehat{AB} 到 R3\mathbb{R}^3 的映射.

  • (1) 若 ff,gg 沿 AB^\widehat{AB} 的第二型曲线积分均存在, 则对任意的 α,β∈R, αf+βg\alpha,\beta\in \mathbb{R},\ \alpha f+\beta g 沿 AB^\widehat{AB} 的第二型曲线积分也存在, 并且等于
α(∫AB^P1dx+Q1dy+R1dz)+β(∫AB^P2dx+Q2dy+R2dz).\alpha\left(\int_{\widehat{AB}} P_1\text{d} x+Q_1\text{d} y+R_1\text{d} z\right)+\beta\left(\int_{\widehat{AB}}P_2\text{d} x+Q_2\text{d} y+R_2\text{d} z\right).
  • (2) 设 DD 是 AB^\widehat{AB} 上一点, 如果 ff 沿 AD^\widehat{AD} 和 DB^\widehat{DB} 的第二型曲线积分均存在, 则 ff 沿 AB^\widehat{AB} 的第二型曲线积分也存在, 并且等于
∫AD^P1dx+Q1dy+R1dz+∫DB^P1dx+Q1dy+R1dz.\int_{\widehat{AD}} P_1\text{d} x+Q_1\text{d} y+R_1\text{d} z+\int_{\widehat{DB}} P_1\text{d} x+Q_1\text{d} y+R_1\text{d} z.

设 AB^\widehat{AB} 是 R3\mathbb{R}^3 中的定向光滑曲线段, 再设

f=(P,Q,R)T:AB^⟶R3.f=(P,Q,R)^T:\widehat{AB}\longrightarrow\mathbb{R}^3.

则有

∫AB^Pdx+Qdy+Rdz=∫ab[P(x(t),y(t),z(t))x′(t)+Q(x(t),y(t),z(t))y′(t)+R(x(t),y(t),z(t))z′(t)]dt\begin{aligned} \int_{\widehat{AB}} P\text{d} x+Q\text{d} y+R\text{d} z=&\int_a^b[P(x(t),y(t),z(t))x'(t)+Q(x(t),y(t),z(t))y'(t)\\ &+R(x(t),y(t),z(t))z'(t)]\text{d} t \end{aligned}

格林公式 #

定义

对于 R2\mathbb{R}^2 平面上的有界闭区域 DD, 其边界 ∂D\partial D, 是由有限条光滑曲线组成. 当在边界上行走时, 如果与之相邻的区域的内部总是在左侧, 则称这个方向是正向

定理 格林公式

设 SS 是 R2\mathbb{R}^2 中的有界闭区域,∂S\partial S 由有限多条分段光滑的简单闭曲线组成。假定 P,QP,Q 在包含 SS 的某个开集上具有连续的一阶偏导数,则

∫∂SPdx+Qdy=∬S(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy\begin{equation} \int_{\partial S}P\text{d} x+Q\text{d} y = \iint\limits_S\left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)\text{d} x\text{d} y \end{equation}

其中 ∂S\partial S 的定向为正向.

在上述格林公式的条件下,再设 uu 在包含 SS 的某个开集上连续可微。将公式中的 PP 换为 uPuP,并取 Q=0Q=0 可得

∫∂SuPdx=−∬S∂(uP)∂ydxdy=−∬S(P∂u∂y+u∂P∂y)dxdy,\begin{equation*} \int_{\partial S} uP\text{d} x = -\iint\limits_{S}\frac{\partial(uP)}{\partial y}\text{d} x\text{d} y = -\iint\limits_{S}\left(P\frac{\partial u}{\partial y}+u\frac{\partial P}{\partial y}\right) \text{d} x\text{d} y, \end{equation*}

也即

−∬Su∂P∂ydxdy=∫∂SuPdx+∬SP∂u∂ydxdy.\begin{equation} -\iint\limits_{S}u\frac{\partial P}{\partial y}\text{d} x\text{d} y=\int_{\partial S}uP\text{d} x+\iint\limits_{S} P\frac{\partial u}{\partial y}\text{d} x\text{d} y. \end{equation}

同理, 将 QQ 换为 uQuQ 可得,

∬Su∂Q∂xdxdy=∫∂SuQdy−∬SQ∂u∂xdxdy.\begin{equation} \iint\limits_{S}u\frac{\partial Q}{\partial x}\text{d} x\text{d} y=\int_{\partial S}uQ\text{d} y-\iint\limits_{S} Q\frac{\partial u}{\partial x}\text{d} x\text{d} y. \end{equation}

相加后可得,

∬Su(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy=(∫∂SuPdx+uQdy)−∬S(Q∂u∂x−P∂u∂y)dxdy.\begin{equation} \iint\limits_{S}u\left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)\text{d} x\text{d} y=\left(\int_{\partial S}uP\text{d} x + uQ\text{d} y\right)-\iint\limits_{S}\left( Q\frac{\partial u}{\partial x}-P\frac{\partial u}{\partial y}\right)\text{d} x\text{d} y. \end{equation}

以上三式均被称作平面上的分部积分公式.

定义

对于 R2\mathbb{R}^2 中的一个区域 DD, 若 DD 中任意一条简单闭曲线所围成的区域均包含于 DD, 则称 DD 是单连通的 (simply connected), 否则称 DD 为多连通的 (multiply connected) 或者称作复连通的.

命题

利用格林公式计算闭曲线围成的面积. 设 SS 是 R2\mathbb{R}^2 中的一个有界闭区域, 且 ∂S\partial S 由有限多条光滑曲线组成, 那么由格林公式知

μ(S)=∬Sdxdy=∫∂Sxdy=−∫∂Sydx.\begin{equation} \mu(S)=\iint\limits_{S}\text{d} x\text{d} y = \int_{\partial S}x\text{d} y=-\int_{\partial S}y \text{d} x. \end{equation}

更进一步的, 有

μ(S)=12∫∂Sxdy−ydx.\begin{equation} \mu(S)=\frac 1 2\int_{\partial S}x\text{d} y-y\text{d} x. \end{equation}

这两种面积公式本质相同;当曲线具有对称性时,后一种对称形式往往更便于计算。

定理

设 DD 是 R2\mathbb{R}^2 中的一个单连通区域, P,Q∈C1(D)P,Q\in C^1(D), 则下列命题等价:

  • (1) 对 DD 中任意两点 A,BA,B 以及 DD 中从 AA 到 BB 的任意两条分段光滑曲线 C1,C2C_1,C_2 有
∫C1Pdx+Qdy=∫C2Pdx+Qdy.\int_{C_1} P\text{d} x+Q\text{d} y = \int_{C_2}P\text{d} x+Q\text{d} y.

即第二型曲线积分与路径无关.

  • (2) 对于 DD 中由有限多条光滑曲线组成的任一闭曲线 CC 有
∫CPdx+Qdy=0.\int_C P\text{d} x+Q\text{d} y = 0.
  • (3) 在 DD 上有 ∂P∂y=∂Q∂x\dfrac{\partial P}{\partial y} = \dfrac{\partial Q}{\partial x}.

应用: 调和函数 #

定义

设 D⊆R2D\subseteq\mathbb{R}^2 是开区域,f∈C2(D)f\in C^2(D)。若在 DD 上有

∂2f∂x2+∂2f∂y2=0,\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0,

则称 ff 是 DD 上的调和函数 (harmonic function).

通常记

Δf=∂2f∂x2+∂2f∂y2,\Delta f = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial y^2},

并称 Δ=∂2∂x2+∂2∂y2\Delta = \dfrac{\partial^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial y^2} 为拉普拉斯算子 (Laplace operator).

性质 拉普拉斯算子在正交变换下的不变性

设 Ω⊆R2\Omega\subseteq\mathbb{R}^2 为开集,f∈C2(Ω)f\in C^2(\Omega),且

A=(abcd),AAT=ATA=I.A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}, \qquad AA^{T}=A^{T}A=I.

在 A−1ΩA^{-1}\Omega 上定义 g(x,y)=f(ax+by,cx+dy)g(x,y)=f(ax+by,cx+dy),则

Δg(x,y)=(Δf)(ax+by,cx+dy).\Delta g(x,y)=(\Delta f)(ax+by,cx+dy).

也就是说,Δ(f∘A)=(Δf)∘A\Delta(f\circ A)=(\Delta f)\circ A。特别地,若 ff 在 Ω\Omega 上调和,则 gg 在 A−1ΩA^{-1}\Omega 上调和。

证明

先看二维情形。记 ξ=ax+by\xi=ax+by、η=cx+dy\eta=cx+dy。以下 ff 的各阶偏导数均在 (ξ,η)(\xi,\eta) 处取值。由链式法则,

gx=afξ+cfη,gy=bfξ+dfη.g_x=af_\xi+cf_\eta,\qquad g_y=bf_\xi+df_\eta.

再求一次偏导,并使用 f∈C2f\in C^2 保证混合偏导相等,得到

gxx=a2fξξ+2acfξη+c2fηη,gyy=b2fξξ+2bdfξη+d2fηη.\begin{aligned} g_{xx}&=a^2f_{\xi\xi}+2ac f_{\xi\eta}+c^2f_{\eta\eta},\\ g_{yy}&=b^2f_{\xi\xi}+2bd f_{\xi\eta}+d^2f_{\eta\eta}. \end{aligned}

因此

Δg(x,y)=(a2+b2)fξξ+(c2+d2)fηη+2(ac+bd)fξη=fξξ+fηη=(Δf)(ax+by,cx+dy).\begin{aligned} \Delta g(x,y) &=(a^2+b^2)f_{\xi\xi} +(c^2+d^2)f_{\eta\eta}\\ &\quad+2(ac+bd)f_{\xi\eta}\\ &=f_{\xi\xi}+f_{\eta\eta}\\ &=(\Delta f)(ax+by,cx+dy). \end{aligned}

最后一步使用了 AAT=IAA^T=I,即 a2+b2=c2+d2=1a^2+b^2=c^2+d^2=1、ac+bd=0ac+bd=0。

一般地,设 Ω⊆Rn\Omega\subseteq\mathbb{R}^n 为开集,f∈C2(Ω)f\in C^2(\Omega),A=(aji)A=(a_{ji}) 是 nn 阶正交矩阵。在 A−1ΩA^{-1}\Omega 上令 g(x)=f(Ax)g(\mathbf{x})=f(A\mathbf{x}),并记 y=Ax\mathbf{y}=A\mathbf{x}。由于 ∂yj/∂xi=aji\partial y_j/\partial x_i=a_{ji},

∂g∂xi(x)=∑j=1naji∂f∂yj(Ax).\frac{\partial g}{\partial x_i}(\mathbf{x}) =\sum_{j=1}^{n}a_{ji}\frac{\partial f}{\partial y_j}(A\mathbf{x}).

再次应用链式法则并对 ii 求和:

Δg(x)=∑i=1n∑j,k=1najiaki∂2f∂yj∂yk(Ax)=∑j,k=1n(AAT)jk∂2f∂yj∂yk(Ax)=∑j=1n∂2f∂yj2(Ax)=(Δf)(Ax).\begin{aligned} \Delta g(\mathbf{x}) &=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j,k=1}^{n} a_{ji}a_{ki}\frac{\partial^2 f}{\partial y_j\partial y_k}(A\mathbf{x})\\ &=\sum_{j,k=1}^{n}(AA^T)_{jk} \frac{\partial^2 f}{\partial y_j\partial y_k}(A\mathbf{x})\\ &=\sum_{j=1}^{n}\frac{\partial^2 f}{\partial y_j^2}(A\mathbf{x})\\ &=(\Delta f)(A\mathbf{x}). \end{aligned}

这里 ∑i=1najiaki=δjk\sum_{i=1}^{n}a_{ji}a_{ki}=\delta_{jk},即正交矩阵不同行正交、每行长度为 11。

Green 第一恒等式

设 D⊆R2D\subseteq\mathbb{R}^2 是有界区域,边界由有限多条分段 C1C^1 的简单闭曲线组成。设 UU 是包含 D‾\overline D 的开集,u∈C2(U)u\in C^2(U)、v∈C1(U)v\in C^1(U)。记 n\mathbf n 为边界光滑处指向 DD 外侧的单位法向量,∂nu=∇u⋅n\partial_{\mathbf n}u=\nabla u\cdot\mathbf n,ds\mathrm{d}s 为弧长微元,则

∬DvΔu dx dy=∫∂Dv ∂nu ds−∬D∇u⋅∇v dx dy.\begin{aligned} \iint_D v\Delta u\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_{\partial D}v\,\partial_{\mathbf n}u\,\mathrm{d}s\\ &\quad-\iint_D\nabla u\cdot\nabla v\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y. \end{aligned}

其中 ∇u⋅∇v=uxvx+uyvy\nabla u\cdot\nabla v=u_xv_x+u_yv_y。有限个边界拐角不影响边界积分。

证明只需对向量场 v∇uv\nabla u 应用平面散度公式:

div⁡(v∇u)=vΔu+∇v⋅∇u.\operatorname{div}(v\nabla u)=v\Delta u+\nabla v\cdot\nabla u.

仅当边界项确实为零时,例如 v=0v=0 或 ∂nu=0\partial_{\mathbf n}u=0 在整个 ∂D\partial D 上成立,才可以省去该边界积分。

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