Vector field that is the gradient of some function
В векторном анализе консервативное векторное поле – это векторное поле, которое является градиентом некоторой функции. Консервативное векторное поле обладает свойством, заключающимся в том, что его криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования; выбор пути между двумя точками не влияет на значение криволинейного интеграла. Независимость криволинейного интеграла от пути эквивалентна консервативности векторного поля, входящего под знак интеграла. Консервативное векторное поле также является потенциальным (ирротационным); в трехмерном пространстве это означает, что его ротор равен нулю. Потенциальное векторное поле обязательно является консервативным, при условии, что область определения просто связна. Консервативные векторные поля естественно возникают в механике: они представляют собой векторные поля, описывающие силы в физических системах, где энергия сохраняется. Для консервативной системы работа, совершаемая при перемещении по пути в пространстве конфигураций, зависит только от начальной и конечной точек этого пути, что позволяет определить потенциальную энергию, не зависящую от конкретного пройденного пути.
In vector calculus, a conservative vector field is a vector field that is the gradient of some function. A conservative vector field has the property that its line integral is path independent; the choice of path between two points does not change the value of the line integral. Path independence of the line integral is equivalent to the vector field under the line integral being conservative. A conservative vector field is also irrotational; in three dimensions, this means that it has vanishing curl. An irrotational vector field is necessarily conservative provided that the domain is simply connected. Conservative vector fields appear naturally in mechanics: They are vector fields representing forces of physical systems in which energy is conserved. For a conservative system, the work done in moving along a path in a configuration space depends on only the endpoints of the path, so it is possible to define potential energy that is independent of the actual path taken.
Неформальное обращение
В двух- и трехмерном пространстве возникает неоднозначность при вычислении интеграла между двумя точками, поскольку между ними существует бесконечное количество путей — помимо прямой линии, соединяющей эти точки, можно выбрать криволинейный путь большей длины, как показано на рисунке. Следовательно, в общем случае значение интеграла зависит от выбранного пути. Однако, в частном случае консервативного векторного поля, значение интеграла не зависит от выбранного пути, что можно представить как масштабное взаимное уничтожение всех составляющих, не имеющих компоненты вдоль прямой, соединяющей две точки. Чтобы это проиллюстрировать, представьте двух человек, поднимающихся на скалу: один решает подняться вертикально, а второй — идти по извилистой тропе, которая длиннее высоты скалы, но имеет небольшой угол наклона к горизонту. Несмотря на то, что оба альпиниста выбрали разные маршруты, достигнув вершины, они оба приобретут одинаковое количество потенциальной энергии. Это происходит потому, что гравитационное поле является консервативным.
In a two and three dimensional space, there is an ambiguity in taking an integral between two points as there are infinitely many paths between the two points—apart from the straight line formed between the two points, one could choose a curved path of greater length as shown in the figure. Therefore, in general, the value of the integral depends on the path taken. However, in the special case of a conservative vector field, the value of the integral is independent of the path taken, which can be thought of as a large scale cancellation of all elements that do not have a component along the straight line between the two points. To visualize this, imagine two people climbing a cliff; one decides to scale the cliff by going vertically up it, and the second decides to walk along a winding path that is longer in length than the height of the cliff, but at only a small angle to the horizontal. Although the two hikers have taken different routes to get up to the top of the cliff, at the top, they will have both gained the same amount of gravitational potential energy. This is because a gravitational field is conservative.
Интуитивное объяснение
Литография М. К. Эшера «Восхождение и нисхождение» иллюстрирует неконсервативное векторное поле, которое невозможно представить как градиент изменяющейся высоты над землей (гравитационный потенциал) при движении по лестнице. Силовое поле, испытываемое движущимся по лестнице человеком, является неконсервативным, поскольку можно вернуться в исходную точку, поднявшись больше, чем спустившись, или наоборот, что приводит к ненулевой работе, совершаемой силой тяжести. На реальной лестнице высота над землей представляет собой скалярное потенциальное поле: чтобы вернуться в то же место, необходимо подняться ровно на столько же, на сколько спуститься, в этом случае работа силы тяжести равна нулю. Это указывает на независимость работы от пути на лестнице; эквивалентно, силовое поле, которое испытывает человек, является консервативным (см. раздел «Независимость от пути и консервативное векторное поле»). Ситуация, изображенная на литографии, невозможна.
M. C. Escher's lithograph print Ascending and Descending illustrates a non conservative vector field, impossibly made to appear to be the gradient of the varying height above ground (gravitational potential) as one moves along the staircase. The force field experienced by the one moving on the staircase is non conservative in that one can return to the starting point while ascending more than one descends or vice versa, resulting in nonzero work done by gravity. On a real staircase, the height above the ground is a scalar potential field: one has to go upward exactly as much as one goes downward in order to return to the same place, in which case the work by gravity totals to zero. This suggests path independence of work done on the staircase; equivalently, the force field experienced is conservative (see the later section: Path independence and conservative vector field). The situation depicted in the print is impossible.
Консервативное векторное поле
Ключевое свойство консервативного векторного поля заключается в том, что его интеграл вдоль пути зависит только от начальной и конечной точек этого пути, а не от конкретной траектории. Иными словами, если векторное поле консервативно, то его линейный интеграл не зависит от пути. Предположим, что для некоторого (непрерывно дифференцируемого) скалярного поля.
A key property of a conservative vector field is that its integral along a path depends on only the endpoints of that path, not the particular route taken. In other words, if it is a conservative vector field, then its line integral is path independent. Suppose that for some (continuously differentiable) scalar field
До сих пор было доказано, что консервативное векторное поле обладает свойством независимости линейного интеграла от пути. Обратно, если непрерывное векторное поле обладает свойством независимости (линейного интеграла) от пути, то оно является консервативным, таким образом, справедливо следующее эквивалентное утверждение: Теорема циркуляции Кельвина утверждает, что жидкость, не имеющая вихрения в идеальной жидкости, останется без вихрения. Этот результат можно вывести из уравнения переноса вихря, полученного взятием ротора от уравнений Навье-Стокса. Для двумерного поля вихрение служит мерой локального вращения элементов жидкости. Вихрение не говорит ничего о глобальном поведении жидкости. Возможно, что жидкость, движущаяся по прямой линии, имеет вихрение, и возможно, что жидкость, движущаяся по окружности, не имеет вихрения.
So far it has been proven that a conservative vector field is line integral path independent. Conversely, if a continuous vector field is (line integral) path independent, then it is a conservative vector field, so the following biconditional statement holds: Kelvin's circulation theorem states that a fluid that is irrotational in an inviscid flow will remain irrotational. This result can be derived from the vorticity transport equation, obtained by taking the curl of the Navier–Stokes equations. For a two dimensional field, the vorticity acts as a measure of the local rotation of fluid elements. The vorticity does not imply anything about the global behavior of a fluid. It is possible for a fluid that travels in a straight line to have vorticity, and it is possible for a fluid that moves in a circle to be irrotational.