Кіріспе

Кейбір функцияның градиенті болып табылатын векторлық өріс. Векторлық есептеуде консервативті векторлық өріс – бұл кейбір функцияның градиенті болып табылатын векторлық өріс. Консервативті векторлық өрістің ерекшелігі – оның сызықтық интегралы жолға тәуелсіз болады; екі нүкте арасындағы жолдың таңдалуы сызықтық интегралдың мәнін өзгертпейді. Сызықтық интегралдың жолға тәуелсіздігі, сызықтық интеграл астындағы векторлық өрістің консервативті болуымен тең. Консервативті векторлық өріс сондай-ақ айналмасыз болады; үш өлшемді кеңістікте бұл оның роторының нөлге тең екенін білдіреді. Егер домен жай байланысқан болса, айналмасыз векторлық өріс міндетті түрде консервативті болады. Консервативті векторлық өрістер механикада табиғи түрде кездеседі: олар энергия сақталатын физикалық жүйелердің күштерін көрсететін векторлық өрістер. Консервативті жүйе үшін конфигурациялық кеңістікте жол бойымен орындалған жұмыс тек жолдың бастапқы және соңғы нүктелеріне байланысты болады, сондықтан жолдың өзіне тәуелсіз потенциалдық энергияны анықтауға болады.

Бейресми қарау

Екі және үш өлшемді кеңістікте екі нүкте арасында интеграл есептеуде белгісіздік туындайды, себебі екі нүкте арасында шексіз көп жол бар. Екі нүкте арасындағы түзу сызықтан өзге, суретте көрсетілгендей, одан ұзын қисық жолды таңдауға болады. Сондықтан, әдетте интегралдың мәні таңдалған жолға байланысты. Дегенмен, консервативті векторлық өріс жағдайында интегралдың мәні жолға тәуелсіз болады, бұл екі нүкте арасындағы түзу сызыққа перпендикуляр емес барлық элементтердің ірі масштабта өшірілуімен түсіндіріледі. Мұны түсіну үшін, екі адамның тік жарға көтеріліп бара жатқанын көзге елестетіңіз. Бірі тік жолмен көтерілсе, екіншісі жардың биіктігінен ұзынрақ, бірақ көлденең жазықтыққа шағын бұрышпен иіліп өтетін жолмен жүреді. Екі турист те жардың шаңырағына әртүрлі жолмен жеткенімен, олардың екеуі де бірдей гравитациялық потенциалдық энергияны жинайды. Өйткені гравитациялық өріс консервативті болып табылады.

Түсініктемесі

М.С. Эшердің "Көтерілу және түсу" литографиялық басылымы консервативті емес векторлық өрісті суреттейді, ол баспалдақ бойымен қозғалғанда жер бетінен биіктіктің өзгеруі (гравитациялық потенциал) сияқты көрінуі мүмкін емес. Баспалдақпен қозғалатын адам сезінетін күш өрісі консервативті емес, себебі олар бастапқы нүктеге қайта оралу үшін көтерілуі төмен түсуден артық болуы мүмкін, немесе керісінше, нәтижесінде гравитация күші атқаратын жұмыс нөлге тең болмайды. Шын баспалдақта жер бетінен биіктік – скалярлық потенциалдық өріс: сол жерге қайта оралу үшін жоғары көтерілу мөлшері төмен түсу мөлшерімен дәл тең болуы керек, онда гравитация күші атқаратын жұмысқа нөл тең болады. Бұл баспалдақта атқарылған жұмыстың траекторияға тәуелсіз екенін көрсетеді; тиісінше, сезілетін күш өрісі консервативті (кейінірек қараңыз: Траекторияға тәуелсіздік және консервативті векторлық өріс). Басылымда бейнеленген жағдай мүмкін емес.

Консервативті векторлық өріс

Консервативті векторлық өрістің маңызды қасиеті – оның жол бойындағы интегралы тек қана сол жолдың бастапқы және соңғы нүктелеріне байланысты, ал алынған жолға емес. Яғни, егер бұл консервативті векторлық өріс болса, онда оның сызықтық интегралы жолдан тәуелсіз болады. Бір (үздіксіз дифференциалданатын) скалярлық өріс үшін консервативті векторлық өрістің сызықтық интегралы жолдан тәуелсіз екені дәлелденді делік. Керісінше, егер үздіксіз векторлық өріс (сызықтық интеграл) жолдан тәуелсіз болса, онда ол консервативті векторлық өріс болып табылады, сондықтан келесі эквиваленттік мәлімдеме орындалады: Келвиннің айналым теоремасы бойынша, инвизидті ағында айналымсыз сұйықтық айналымсыз күйде қалады. Бұл нәтижені Navier-Stokes теңдеулерінің роторын есептеу арқылы алынған, бұрқасындылық тасымалдау теңдеуінен шығаруға болады. Екі өлшемді өріс үшін бұрқасындылық сұйықтық элементтерінің жергілікті айналуын өлшеуге мүмкіндік береді. Бұрқасындылық сұйықтықтың жалпы мінез-құлқы туралы ештеңе көрсетпейді. Тіке сызықпен қозғалатын сұйықтықта бұрқасындылық болуы мүмкін, ал шеңбер бойымен қозғалатын сұйықтық айналымсыз болуы мүмкін.