Криволинейный интеграл второго рода

Задача о вычислении работы силы вдоль кривой.

Пусть С – спрямляемая кривая в пространстве XYZ с заданным направлением движения по ней. В каждой точке кривой задан вектор силы

.

Следует вычислить работу силы вдоль кривой C.

Если бы кривая была прямолинейным направленным отрезком , а сила была постоянной вдоль всего этого отрезка, работу мы вычислили бы с помощью скалярного произведения по формуле .

Будем полагать компоненты вектора силы , , непрерывными на C функциями. Будем считать кривую C гладкой, то есть такой, что в каждой точке кривой существует касательная к кривой в этой точке, а при разбиении кривой точками на дуговые фрагменты и при измельчении такого разбиения хорда, соединяющая концы дугового фрагмента, становится сколь угодно близкой к соответствующему дуговому фрагменту.

Для вычисления работы силы вдоль кривой разобьем кривую C на n фрагментов точками с координатами так, что при движении в заданном направлении по кривой параметр i растет. Выберем на i-м дуговом фрагменте точку с координатами . При измельчении разбиения кривой вектор силы на i-м дуговом фрагменте мало отличается от вектора вследствие непрерывности компонент вектора силы. В свою очередь, путь вдоль i-го дугового фрагмента от точки с координатами к точке с координатами при измельчении разбиения мало отличается от пути вдоль соответствующей хорды. Прямолинейный путь вдоль хорды задается вектором , причем измельчение разбиения равносильно стремлению к нулю компонент вектора . Таким образом, работа силы вдоль i-го дугового фрагмента близка к значению , и это значение тем точнее, чем мельче разбиение кривой C.

Работу вдоль всей кривой C мы получим, если просуммируем значения работы на всех дуговых фрагментах кривой C, измельчая разбиение и увеличивая одновременно количество дуговых фрагментов:

.

Переходя от предела интегральных сумм к интегралу, имеем

.

Интеграл в правой части последнего выражения называется криволинейным интегралом второго рода или криволинейным интегралом по координатам. Этот интеграл вычисляют только вдоль ориентированных кривых – то есть, кривых, на которых задано направление. Заметим, что, если мы сменим направление движения вдоль кривой C на противоположное, а значит, заменим при вычислении вектор на вектор , то получим замену знака на противоположный знак. Поэтому при задании криволинейного интеграла второго рода обязательно задают направление движения по кривой интегрирования.

Как и интеграл по отрезку, криволинейный интеграл по непрерывной кривой, состоящей из нескольких фрагментов, равен сумме криволинейных интегралов по этим фрагментам. Поэтому можно рассматривать криволинейный интеграл и по кусочно-гладкой кривой, то есть, непрерывной кривой, состоящей из конечного числа гладких фрагментов.

В случае, когда кривая C замкнута, символ интеграла обычно несколько изменяют, добавляя пересекающий его кружок: .

Дата добавления: 2014-01-07