§ 4. Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования

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.

Рис. 351.

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

т. е.

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.

причем

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

Будем считать, что значению параметра соответствует точка М, а значению точка N. Тогда криволинейный

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

где дифференциал дуги. Вычисляются такие интегралы аналогично вычислению рассмотренных выше криволинейных интегралов. Пусть кривая L задана параметрическими уравнениями

где непрерывные функции от .

Пусть — значения параметра t, соответствующие началу и концу дуги

Так как

то мы получаем формулу для вычисления интеграла (4):

Можно рассматривать криволинейный интеграл по дуге пространственной кривой

С помощью криволинейных интегралов по дуге определяются, например, координаты центра масс линий.

Рассуждая так же, как в § 8 гл. XII (т. I), получим формулу для вычисления координат центра масс пространственной кривой:

Пример. Найти координаты центра масс одного витка винтовой линии

если ее линейная плотность постоянна.

Решение. Применяя формулу (5), найдем

Аналогично

Итак, координаты центра масс одного витка винтовой линии равны