Незалежність криволінійного інтегралу від шляху інтегрування.
Теорема 10.2. Нехай і неперервні функції разом зі своїми частинними похідними і у плоскій однозв’язній області . Тоді кожне з чотирьох тверджень:
1) для довільного кусково-гладкого замкненого контуру
, (10.2)
2) для довільних точок значення інтеграла (10.3)
не залежить від кривої , яка з’єднує ці точки (незалежність від шляху),
3) вираз є повним диференціалом деякої функції в області , тобто існує така функція , визначена в , що , (10.4)
4) для довільної точки : , (10.5)
має наслідком три останніх.
1) |
3) |
5) |
6) |
2) |
4) |
Рис. 10.11 |
звідки
А це й означає, що не залежить від шляху . ■
ІІ. k l Нехай інтеграл (10.3) не залежить від шляху інтегрування. Доведемо, що диференціальний вираз інтеграл є повним диференціалом деякої функції двох змінних.
Рис. 10.12 |
(10.6) |
Дійсно, оскільки функції і неперервні в області , то і функції були б неперервними в , і звідси випливало б, що функція диференційовна в (див. відому теорему), причому
Зафіксуємо тепер точку і візьмемо точку . При достатньо малому відрізок . Тоді
Відрізок , отже
(тут ми використали теорему про середнє для визначеного інтеграла від неперервної функції). Розділимо ліву і праву частину останньої рівності на
і перейдемо до границі при :
Отже . Аналогічно доводиться, що ■
Бачимо, що якщо взяти дві довільні точки і кусково-гладку криву , яка визначається рівняннями , - початкова, - кінцева точки кривої , то використавши формулу (9.3) обчислення криволінійного інтегралу другого роду, отримаємо
або
(10.7)
ІІІ.l j Нехай виконується умова (10.4): . Доведемо, що криволінійний інтеграл вздовж довільної замкненої кусково-гладкої замкненої кривої , дорівнює нулеві. Дійсно,
■
IV.l m Якщо виконується умова (10.4), то
Продиференціюємо першу рівність по змінній , а другу – по змінній , отримаємо:
Оскільки змішані похідні рівні між собою: , то й , отже виконується умова 4) теореми. ■
Рис. 10.13 |
,
що й треба було довести. ■
(10.6) |
Рис. 10.14 |
Розглянемо в області деякий прямокутник (рис.10.14). Побудуємо функцію наступним чином. Візьмемо і зафіксуємо . Проінтегруємо першу рівність з (10.6):
,
звідки .
У другій рівності з (10.6) покладемо і проінтегруємо її по :
звідки , тоді
. (10.8)
Покажемо, що побудована функція задовольняє умови (10.6) . З цією метою обчислимо частинні похідні від функції (10.8) по змінних і :
Таким чином, ми побудували функцію таку, що . ■
Приклад 1. Обчислити криволінійний інтеграл
.
Розв’язання. Спочатку переконаємося, що інтеграл не залежить від шляху інтегрування. З цією метою знайдемо частинні похідні відповідно по змінних і від функцій , :
Тому інтеграл можна обчислити вздовж довільної кривої, що з’єднує точки , , зокрема відрізка прямої, рівняння якої .
■
Приклад 2. Перевірити, чи є вираз
повним диференціалом функції двох змінних, і якщо так, то знайти цю функцію.
Розв’язання. І спосіб. Знайдемо частинні похідні відповідно по змінних і від функцій , :
, ,
Отже, даний вираз є повним диференціалом від функції двох змінних, тобто , а
(10.9)
З першої рівності (10.9), після інтегрування по змінній , отримаємо:
Невідому функцію знайдемо, скориставшись другою рівністю з (10.8):
,
або
Отже ■
ІІ спосіб.Використаємо формулу (10.8).
■
Приклад 3. Обчислити за допомогою формули Гріна–Остроградського криволінійний інтеграл , де – контур трикутника з вершинами , , у додатному напрямку.
Розв’язання. Знайдемо спочатку рівняння прямих , і (рис.10.15):
.
Тепер знайдемо частинні похідні відповідно по змінних і від функцій , : , . Отже, за формулою Гріна–Остроградського маємо:
■