Лекция 4

Тема: Формула Грина. Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования.

Формула Грина.

Формула Грина устанавливает связь между криволинейным интегралом по замкнутому контуру Г на плоскости и двойным интегралом по области, ограниченной данным контуром.

Криволинейный интеграл по замкнутому контуру Г обозначается символом Замкнутый контур Г начинается в некоторой точке В этого контура и заканчивается в точке В. Интеграл по замкнутому контуру не зависит от выбора точки В.

Определение 1 . Обход контура Г считается положительным, если при обходе контура Г область D остаётся слева. Г + - контур Г обходится в положительном направлении, Г - - контур обходится в отрицательном направлении т.е. в противоположном направлении

.

Аналогично доказывается, что:

Из равенств (1) и (2) получаем:

Следовательно,

Формула Грина при сделанных предположениях доказана.

Замечание 1 . Формула Грина остаётся справедливой, если граница Г области D некоторыми прямыми, параллельными оси 0Х или 0Y пересекается более чем в двух точках. Кроме этого формула Грина справедлива и для n-связных областей.

Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования на плоскости.

В этом параграфе выясним условия, при выполнении которых криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования, а зависит от начальной и конечной точек интегрирования.

Теорема 1 . Для того, чтобы криволинейный интеграл не зависел от пути интегрирования в односвязной области необходимо и достаточно, чтобы этот интеграл, взятый по любому замкнутому кусочно-гладкому контуру в этой области равнялся нулю.

Доказательство: Необходимость. Дано: не зависит от пути интегрирования. Требуется доказать, что криволинейный интеграл по любому замкнутому кусочно-гладкому контуру равен нулю.

Пусть в рассматриваемой области D взят произвольный кусочно-гладкий замкнутый контур Г. На контуре Г возьмем произвольные точки B и C.

, т.е.

Достаточность . Дано: Криволинейный интеграл по любому замкнутому кусочно-гладкому контуру равен нулю.

Требуется доказать, что интеграл не зависит от пути интегрирования.

Рассмотрим криволинейный интеграл по двум кусочно-гладким контурам, соединяющим точки B и С. По условию:

Т.е. криволинейный

интеграл не зависит от пути интегрирования.

Теорема 2. Пусть непрерывны вместе с частными производными и в односвязной области D. Для того, чтобы криволинейный интеграл не зависел от пути интегрирования необходимо и достаточно, чтобы в области D выполнялось тождество

Доказательство: Достаточность. Дано: . Требуется доказать, что не зависит от пути интегрирования. Для этого достаточно доказать, что равен нулю по любому замкнутому кусочно-гладкому контуру. По формуле Грина имеем:

Необходимость. Дано: По теореме 1 криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования. Требуется доказать, что

Определение. Область G трехмерного пространства называется поверхностно односвяз-ной. если на любой замкнутый контур, лежащий в этой области, можно натянуть поверхность, целиком лежащую в области G. Например, внутренность сферы или все трехмерное пространство являются поверхностно односвязлыми областями; внутренность тора или трехмерное пространство, иа которого исключена прямая, поверхностно односвязными областями не являются. Пусть в поверхностно односвязной области G задан о непрерывное векторное поле Тогда имеет место следующая теорема. Теорема 9 .Для того чтобы криволинейный интеграл в поле вектора а не зависел от пути интегрирования, а зависел только от начальной и конечной точек пути (А и В), необходимо и достаточно, чтобы циркуляция вектора а вдоль любого замкнутого контура L, расположенного в области G, была равна нулю. 4 Необходимость. Пусть и т-еграл не зависит от пути интегрирования. Покажем, что тогда по любому замкнугому контуру L равен нулю. Рассмотрим произвольный замкнутый контур L в поле вектора а и возьмем на нем произвольно точки А и В (рис.35). По условию имеем - различные пути, соединяющие точни А и В\откуда как раз и есть выбранный зам!«утый контур L. Достаточность. Пусть для любого замкнутого контура L. Покажем, что в этом случае интеграл не зависит от пути интегрирования. Возьмем в поле вектора а две точки А и В, соединим их произвольными линиями L] и Ьг и покажем, что Для простоты ограничимся случаем, когда линии L\ и L2 не пересекаются. В этом случае объединение образует простой замкнутый контур L (рис. 36). По условию а по свойству аддитивности. Независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования Потенциальное поле Вычисление криволинейного интеграла в потенциальном поле Вычисление потенциала в декартовых координатах Следовательно, откуда справедливость равенства (2) и вытекает. Теорема 9 выражает необходимое и достаточное условия независимости криволинейного интеграла от формы пути, однако эти условия трудно проверяемы. Приведем более эффективный критерий. Теорема 10. Для того, чтобы криволинейный.интеграл не зависел от пути интегрирования L, необходимо и достаточно, чтобы векторное поле было безвихревым, Здесь предполагается, что координаты) вектора а(М) имеют непрерывные частные производные первого порядка и область определения вектора а(М) поверхностно односвязна. Замечание. В силу теоремы 9 независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования равносильна равенству нулю циркуляции век тора а вдоль любого замкнутого контура. Это обстоятельство мы используем при доказательстве теоремы. Необходимость. Пусть криволинейный интеграл не зависит от формы пути, или, что то же, циркуляция вектора а по любому замкнутому контуру L равна нулю. Тогда т. е. в каждой точке поля проекция вектора rot а на любое направление равна нулю. Это означает, что сам вектор rot а равен нулю во всех точках поля, Достаточность. Достаточность условия (3) вытекает из формулы Стокса, так как если rot а = 0, то и циркуляция вектора по любому замкнутому контуру L равна нулю: Ротор плоского поля равен что позволяет сформулировать для плоского поля следующую теорему. Теорема 11. Для того, чтобы криволинейный интеграл в односвязном плоском поле не зависел от формы линии L, необходимо и достаточно, чтобы соотношение выполнялось тождественно во всей рассматриваемой области. Если область неодносвязна, то выполнение условия вообще говоря, не обеспечивает независимости криволинейного интеграла от формы линии. Пример. Пусть Рассмотрим интеграл Ясно, что подынтегральное выражение не имеет смысла в точке 0(0,0). Поэтому исключим эту точку. В остальной части плоскости (это будет уже не односвязная область!) координаты вектора а непрерывны, имеют непрерывные частные производные и Рассмотрим интеграл (6) вдоль замкнутой кривой L - окружности радиуса R с центром в начале координат: Тогда Отличие циркуляции от нуля показывает, что интеграл (6) зависит от формы пути интегрирования. §10. Потенциальное поле Определение. Поле вектора а(М) называется потенциальным, если существует скалярная функция и(М) такая, что При этом функция и(М) называется потенциалом поля; ее поверхности уровня называются эквипотенциальными поверхностями. то соотношение (1) равносильно следующим трем скалярным равенствам: Заметим, что потенциал поля определяется с точностью до постоянного слагаемого: если следовательно, - постоянное число. Пример 1. Поле радиус-вектора г является потенциальным, так как напомним, что Потенциалом поля радиус-вектора является, следовательно. Пример 2. Поле вектора является потенциальным. Пусть функция такая, что найдена. Тогда и откуда Значит, - потенциал поля. Теорема 12. Для того чтобы паче вектора а было потенциальным, необходимо и достаточно, чтобы оно было безвихревым, т. е. чтобы его ротор равнялся нулю во всех точках поля. При этом предполагается непрерывность всех частных производных от координат вектора а и поверхностная односвязность области, в которой задан вектор а. Необходимость. Необходимость условия (2) устанавливается непосредственным подсчетом: если поле потенциально, т. е. в силу независимости смешанных производных от порядка дифференцирования. Достаточность. Пусть поле вектора безвихревое (2). Для того чтобы доказать потенциальность этого поля, построим его потенциал и(М). Из условия (2) следует, что криволинейный интеграл не зависит от формы линии L, а зависит только от ее начальной и конечной точек. Зафиксируем начальную точку а конечную точку Му, z) будем менять. Тогда интеграл (3) будет функцией точки. Обозначим эту функцию через и(М) и докажем, что В дальнейшем будем записывать интеграл (3), указывая лишь начальную и конечную точку пути интегрирования, Равенство равносильно трем скалярным равенствам Независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования Потенциальное поле Вычисление криволинейного интеграла в потенциальном поле Вычисление потенциала в декартовых координатах Докажем первое из них, второе и третье равенст ва доказываются аналогично. По определению частной производной имеем Рассмотрим точку, близкую к точке Так как функция и(М) определяется соотношением (4), в котором криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования, то выберем путь интегрирования так, как указано нарис.37. Тогда Отсюда Последний интеграл берется моль отрезка прямой ММ), параллельной оси Ох. На этом отрезке в качестве параметра можно принять координату ж: Применяя к интегралу в правой части (6) теорему о среднем, получаем где величина £ заключена между. Из формулы (7) вытекает, что Так как то в силу непрерывности функции получаем Аналогично доказывается, что Следствие. Векторное поле является потенциальным тогда и только тогда, когда криво линейный интеграл в нем не зависит от пути. Вычисление криволинейного интеграла в потенциальном поле Теорема 13. Интеграл в потенциальном поле а(М) равен разности значений потенциала и(М) поля в конечной и начальной точках пути интегрирования, Ранее был о доказано, что функция является потенциалом поля. В потенциальном поле криволинейный интефал не зависит от пуги интефирования. Поэтому, выбирая путь отточки М\ к точке М2 так, чтобы он прошел через точку Afo (рис. 38), получаем или, меняя ориентацию пути в первом интефале справа, Так как потенциал поля определяется с точностью до постоянного слагаемого, то любой потенциал рассматриваемого поля можетбыть записан в виде где с - постоянная. Делая в формуле (10) замену и- с, получим для произвольного потенциала v(M) требуемую формулу Пример 3. В примере 1 было показано, что потенциалом поля радиус-вектора г является функция где - расстояние от точки до начала координат. Вычисление потенциала в декартовых координатах Пусть задано потенциальное поле Ранее было показано, что потенциальная функция «(М) может быть найдена по формуле Интеграл (11) удобнее всего вычислять так: зафиксируем начальную точку и соединим ее с достаточно близкой текущей точкой М(х, y,z) ломаной, звенья которой параллельны координатным осям, . При этом на каждом звене ломаной изменяется только одна координата, что позволяет существенно упростить вычисления. В самом деле, на отрезке М0М\ имеем: На отрезке. Рис. 39 . На отрезке. Следовательно, потенциал равен где - координаты текущей точки на звеньях ломаной, вдоль которых ведется интегрирование. Пример 4. Доказать, что векторное поле к является потенциальным, и найти его потенциал. 4 Проверим, будет ли поле вектора a(Af) потенциально. С этой це/ью вычислим ротор поля. Имеем Поле является потенциальным. Потенциал этого поля найдем с помощью формулы (12). Возьмем за начальную точку Л/о начало координат О (так обычно поступают, если поле а(М) определено в начале координат). Тогда получим Итак, где с - произвольная постоянная. Потенциал этого поля можно найти и по-иному. По определению потенциал и(х, у, z) есть скалярная функция, для которой gradu = а. Это векторное равенство равносильно трем скалярным равенствам: Интегрируя (13) по х, получим где - произвольная дифференцируемая функция ог у и г. Продифференцируем по у: Независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования Потенциальное поле Вычисление криволинейного интеграла в потенциальном поле Вычисление потенциала в декартовых координатах Проинтегрировав (17) по у, найдем - некоторая функция z. Подставив (18) в (16), получим. Дифференцируя последнее равенство no z и учитывая соотношение (15), получим уравнение для откуда

Рассмотрим криволинейный интеграл

взятый по некоторой плоской кривой L, соединяющей точки М и N. Будем предполагать, что функции имеют непрерывные частные производные в рассматриваемой области D. Выясним, при каких условиях написанный криволинейный интеграл не зависит от формы кривой L, а зависит только от положения начальной и конечной точек М и N.

Рассмотрим две произвольные кривые MPN и MQN, лежащие в рассматриваемой области D и соединяющие точки М и N (рис. 351). Пусть

Тогда на основании свойств 1 и 2 криволинейных интегралов (§ 1) имеем

т. e. криволинейный интеграл по замкнутому контуру

В последней формуле криволинейный интеграл взят по замкнутому контуру L, составленному из кривых . Этот контур L можно, очевидно, считать произвольным.

Таким образом, из условия, что для любых двух точек М и N криволинейный интеграл не зависит формы соединяющей их кривой, а зависит только от положения этих точек, следует, что криволинейный интеграл по любому замкнутому контуру равен нулю.

Справедливо и обратное заключение: если криволинейный интеграл по любому замкнутому контуру равен нулю, то этот криволинейный интеграл не зависит от формы кривой, соединяющей две любые точки, а зависит только от положения этих точек. Действительно, из равенства (2) следует равенство (1).

В примере 4 § 2 криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования, в примере 3 криволинейный интеграл зависит от пути интегрирования, так как в этом примере интеграл по замкнутому контуру не равняется нулю, а дает площадь, ограниченную рассматриваемым контуром; в примерах 1 и 2 криволинейные интегралы также зависят от пути интегрирования.

Естественно возникает вопрос: каким условиям должны удовлетворять функции для того, чтобы криволинейный интеграл по любому замкнутому контуру был равен нулю. Ответ на этот вопрос дает следующая теорема:

Теорема. Пусть во всех точках некоторой области D функции вместе со своими частными производными и непрерывны. Тогда, для того чтобы криволинейный интеграл по любому замкнутому контуру L, лежащему в области D, был равен нулю, т. е. чтобы

необходимо и достаточно выполнение равенства

во всех течках области

Доказательство. Рассмотрим произвольный замкнутый контур L в области D и для него напишем формулу Грина:

Если выполняется условие (3), то двойной интеграл, стоящий слева, тождественно равен нулю и, следовательно,

Таким образом, достаточность условия (3) доказана.

Докажем теперь необходимость этого условия, т. е. докажем, что если равенство (2) выполняется для любой замкнутой кривой L в области D, та в каждой точке этой области выполняется и условие (3).

Допустим, напротив, что равенство (2) выполняется, т. е.

а условие (3) не выполняется, т. е.

хотя бы в одной точке. Пусть, например, в некоторой точке имеем неравенство

Так как в левой части неравенства стоит непрерывная функция, то она будет положительна и больше некоторого числа во всех точках некоторой достаточно малой области D, содержащей точку . Возьмем двойной интеграл по этой области от разности . Он будет иметь положительное значение. Действительно,

Но по формуле Грина левая часть последнего неравенства равна криволинейному интегралу по границе области который равен нулю. Следовательно, последнее неравенство противоречит условию (2) и, значит, предположение, что отлично от нуля хотя бы в одной точке, неверно. Отсюда

вытекает, что

во всех точках данной области

Таким образом, теорема полностью доказана.

В § 9 гл. XIII было доказано, что выполнение условия равносильно тому, что выражение есть полный дифференциал некоторой функции , т. е.

Но в этом случае вектор

есть градиент функции функция градиент которой равен вектору называется потенциалом этого вектора. Докажем, что в этом случае криволинейный интеграл

По любой кривой L, соединяющей точки М и N, (М) равняется разности значений функции и в этих точках:

Доказательство. Если является полным дифференциалом функции то и криволинейный интеграл примет вид

Для вычисления этого интеграла напишем параметрические уравнения кривой L, соединяющей точки М и

интеграл, сведется к следующему определенному интегралу:

Выражение, стоящее в скобках, есть функция от являющаяся полной производной от функции Поэтому

Как мы видим, криволинейный интеграл от полного дифференциала не зависит от формы кривой, по которой производится интегрирование.

Аналогичное утверждение имеет место и для криволинейного интеграла по пространственной кривой (см. ниже § 7).

Замечание. Иногда приходится рассматривать криволинейные интегралы по длине дуги L от некоторой функции

Формула Остроградского - Грина

Эта формула устанавливает связь между криволинейным интегралом по замкнутому контуры С и двойным интегралом по области, ограниченной этим контуром.

Определение 1. Область D называется простой областью, если её можно разбить на канечное число областей первого типа и независимо от этого на конечное число областей второго типа.

Теорема 1. Пусть в простой области определены функции P(x,y) и Q(x,y) непрерывные вместе со своими частными производными и

Тогда имеет место формула

где С - замкнутый контур области D.

Это формула Остроградского - Грина.

Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования

Определение 1. Говорят, что замкнутая квадрируемая область D односвязна, если любую замкнутую кривую l D можно непрерывно диформировать в точку так, что все точки этой кривой принадлежали бы области D (область без “дырок” - D 1), если такое деформирование невозможно, то область назывется многосвязной (с “дырками” - D 2).

Определение 2. Если значение криволинейного интеграла по кривой АВ не зависит от вида кривой, соединяющей точки А и В, то говорят, что этот криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования:

Теорема 1. Пусть в замкнутой односвязной области D определены непрерывные, вместе со своими частными производными функции P(x,y) и Q(x,y). Тогда следующие 4 условия равносильны (эквивалентны):

1) криволинейный интеграл по замкнутому контуру

где С - любой замкнутый контур в D;

2) криволинейный интеграл по замкнутому контуру не зависит от пути интегрирования в области D, т.е.

3) дифференциальная форма P(x,y)dx + Q(x,y)dy является полным дифференциалом некоторой функции F в области D, т.е., что существует функция F такая, что (х,у) D имеет место равенство

dF(x,y) = P(x,y)dx + Q(x,y)dy; (3)

4) для всех точек (х,у) D будет выполняться следующее условие:

Докажем по схеме.

Докажем, что из.

Пусть дано 1), т.е. = 0 по свойству 2 §1, что = 0 (по свойству 1 §1) .

Докажем, что из.

Дано, что кр.инт. не зависит от пути интегрирования, а только от выбора начала и канца пути

Рассмотрим функцию

Пакажем, что дифференциальная форма P(x,y)dx + Q(x,y)dy является полным дифференциалом функции F(x,y), т.е. , что

Зададим частный прирост

х F (x,y)= F(х + х, у) -F (x,y)= = == =

(по свойству 3 § 1, ВВ* Оу) = = P (c,y)х (по теореме о среднем, с -const), где x

(всилу непрерывности функции Р). Получили формулу (5). Аналогично получается формула (6).

Докажем, что из.

Дана формула

dF(x,y) = P(x,y)dx + Q(x,y)dy.

Очевидно, что = Р(х,у). Тогда

По условию теоремы правые части равенств (7) и (8) непрерывные функции, то по теореме о равенстве смешанных производных будут равны и левые части, т.е.., что

Докажем, что из 41.

Выберем любой замкнутый контур из области D, который ограничивает область D 1 .

Функции P и Q удовлетворяют условиям Остроградского-Грина:

В силу равенства (4) в левой части (9) интеграл равен 0, а это значит, что и правая часть равенства равна

Замечание 1. Теорема 1. может быть сформулировано в виде трёх самостоятельных теорем

Теорема 1*. Для того, чтобы в односвязной квадрируемой области D крив.инт. не зависил от пути интегрирования чтобы выполнялось условие (.1), т.е.

Теорема 2*. Для того, чтобы в односвязной квадрируемой области D крив.инт. не зависил от пути интегрирования чтобы выполнялось условие (3):

дифференциальная форма P(x,y)dx + Q(x,y)dy является полным дифференциалом некоторой функции F в области D.

Теорема 3*. Для того, чтобы в односвязной квадрируемой области D крив.инт. не зависил от пути интегрирования чтобы выполнялось условие (4):

Замечание 2. В теореме2* область D может быть и многосвязной.