Path Independence, Conservative Field, and Potential Function

2025. 1. 26. 23:55·Mathematics/Calculus
목차
  1. Path Independence
  2. Potential Function
  3. Theorem 1
  4. Theorem 2
  5. Theorem 3
  6. Theorem 4

Path Independence

Definition 1. Let FF be a vector field defined on an open region DD in space, and suppose that for any two points AA and BB in DD the line integral ∫CF⋅dr∫CF⋅dr along a path CC from AA to BB in DD is the same over all paths from AA to BB. Then the integral ∫CF⋅dr∫CF⋅dr is path independent in DD and the field FF is conservative on DD. 

즉 주어진 벡터장의 line integral이 단순히 path의 양 끝점에 의해서만 결정된다면 그 line integral은 path independent하며, 벡터장 FF는 conservative, 즉 보존장이라고 부른다. Path independence를 강조하기 위해 종종 ∫C∫C 대신 ∫BA∫BA로 쓰곤 한다.

 

'Conservative'라는 이름은 에너지 보존 법칙에서 따온 것이다. 실제로 위 정의의 조건을 가정할 시 벡터장 FF가 정의된 공간에서 물체의 총 에너지는 보존된다. 

Potential Function

Definition 2. If FF is a vector field defined on DD and F=∇fF=∇f for some scalar function ff on DD, then ff is called a potential function for FF. 

역시나 물리학의 퍼텐셜 개념에서 따온 이름이다. 중력 퍼텐셜, 탄성 퍼텐셜, 전기 퍼텐셜과 같이 물리학에서 등장하는 수많은 퍼텐셜들은 벡터장 FF와 위와 같은 관계를 갖는 스칼라 함수 ff이다. 

Theorem 1

Theorem 1. Let F(x,y,z)=⟨M(x,y,z),N(x,y,z),P(x,y,z)⟩F(x,y,z)=⟨M(x,y,z),N(x,y,z),P(x,y,z)⟩ be a vector field whose components are continuous throughout an open connected region DD in space. Then FF is conservative ⟺⟺ F=∇fF=∇f for a differentiable function ff.
Proof. (⟸)(⟸) By the fundamental theorem of line integral, ∫CF⋅dr∫CF⋅dr depends on the curve's endpoints AA and BB. Hence, FF is conservative. (⟹)(⟹) Suppose that FF is conservative on DD. We need to show that there is a differentiable function f such that F=∇fF=∇f. Let define ff by f(x,y,z)=∫CF⋅drf(x,y,z)=∫CF⋅dr where CC is a smooth path in DD from a given point P0=(x0,y0,z0)P0=(x0,y0,z0) to any other point P=(x,y,z)P=(x,y,z). Since FF is conservative, the value of f(x,y,z)f(x,y,z) only depends on PP and does not depend on the choice of CC. We divide CC by C=C1∪LC=C1∪L where C1C1 is a smooth path from P0P0 to P1=(x0,y,z)P1=(x0,y,z) and LL is a line segment from P1P1 to PP. Then, we have ∂f∂x=∂∂x∫CF⋅dr=∂∂x(∫P1P0F⋅dr+∫PP1F⋅dr)=∂∂x∫PP1F⋅dr=ddx∫xx0M(t,y,z)dt=M(x,y,z) because L can be parametrized by r(t)=⟨t,y,z⟩,x0≤t≤x. Then ∂f∂x=M(x,y,z) and in the same manner, we can show that ∂f∂y=N(x,y,z) and ∂f∂z=P(x,y,z). Thus F=∇f. ◼

증명의 핵심은 F의 line integral을 항상 우리가 원하는 특정 축 x,y,z 성분으로 쪼개볼 수 있다는 것이다. 결국 gradient f도 f의 미분이므로, single variable의 기억을 떠올리면 f를 F의 적분 꼴로 두는 게 타당하다. 그런데 이 F의 line integral을 특정 축 성분으로, 다시 말해 우리가 원하는 변수 부분만 쏙 분리해 놓을 수 있으니 partial derivative를 쉽게 구해낼 수 있다는 것이다. 

Theorem 2

Theorem 2. The field F is conservative on D ⟺ ∮CF⋅dr=0 around every loop in D.
Proof. (⟹) By theorem 2, there is a differentiable function f such that F=∇f. Then, by the fundamental theorem of line integral, ∮CF⋅dr=f(A)−f(A)=0 where A is any point in a loop in D. 
(⟸) Take any two distinct points A and B in D. Suppose that F is not conservative on D, which means that ∫C1F⋅dr≠∫C2F⋅dr for two different smooth curves C1 and C2 from A to B.
We have the loop C1∪(−C2) where −C2 is the curve tracing C2 reversely. Then ∮CF⋅dr=∫C1F⋅dr+∫−C2F⋅dr∫C1F⋅dr−∫C2F⋅dr=0⟹∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr.⨂ Thus F is conservative on D. ◼

따라서 theorem 1, 2에 의해 벡터장 F는 보존장이다, 폐곡선에 대한 line integral이 0이다, 퍼텐셜 함수가 존재한다는 세 개의 명제는 모두 동치이다.

Theorem 3

Theorem 3. Let f(x,y,z) be a scalar function whose second partial derivatives are continuous. Then ∇×∇f=0.
Proof. ∇×∇f=|ijk∂x∂y∂z∂xf∂yf∂zf|=⟨∂zyf−∂yz,∂xzf−∂zxf,∂yxf−∂xyf. If the second partial derivatives are continuous, the mixed second derivatives in parentheses are equal and the vector is zero. ◼

만약 벡터장 F가 보존장이라고 하자. 그러면 퍼텐셜 함수 f가 존재하므로 ∇×F=∇×∇f=0이다. 즉 보존장은 회전하지 않는다.

Theorem 4

Theorem 4. If ∇×F=0 at every point of a simply connected open region D in space, then on any piecewise-smooth closed path C in D, ∮CF⋅dr=0.

Theorem 1~4의 내용을 요약하면 다음과 같다.

Thomas Calculus 14e 996p.

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