МатВектор

Command Palette

Search for a command to run...

📈 Матанализ

Криволинейный интеграл

англ. Line integral

Интеграл вдоль кривой: по длине дуги ($\int_L f\,ds$ — масса провода) и по координатам ($\int_L P\,dx + Q\,dy$ — работа векторного поля). Оба сводятся к обычному определённому интегралу параметризацией.

Криволинейный интеграл — интегрирование вдоль кривой, и у него два вида. Интеграл по длине дуги (первого рода) берёт значения функции вдоль кривой с весом элемента длины : кривая нарезается на кусочки длиной , составляется сумма и берётся предел. Интеграл по координатам (второго рода) собирает проекции вектора на направление движения — это работа силового поля вдоль ориентированного пути. Ключевое различие: первый род не зависит от направления обхода, второй меняет знак при смене направления.

Интуиция — провод и ветер. Согнули проволоку в дугу , плотность материала меняется от точки к точке: . Масса проволоки — : в каждом кусочке плотность умножить на длину, сложить. Теперь тащим тел вдоль пути в неоднородном силовом поле: на каждом метре сила делает работу , суммарно — . Вдобавок второй род чувствует ориентацию: прошёл путь в обратную сторону — работа сменяет знак, ведь каждый и перевернулся. Оба интеграла сводятся к обычному определённому интегралу параметризацией кривой — техника одна и та же.

сведение к обычному интегралу через параметризацию , ; в первом роде появляется якобиан — элемент длины дуги

Микропример: отрезок от до вдоль прямой , параметризация , , , при этом . Масса провода с плотностью : . Работа того же отрезка в поле : . Поле потенциально: даёт , значит работа по любому пути равна скачку потенциала: — наш отрезок подтвердил без вычислений.

Техника и приложения — урок приложения определённого интеграла, параметризация и длина дуги — урок определённый интеграл. Словарь: двойной интеграл — двумерный собрат по площади, вектор — поле и перемещение, градиент — признак потенциальности: если , работа не зависит от пути. Физическая сторона работы силы — урок работа и энергия.

Частые вопросы

Как связаны интегралы первого и второго рода?

Через косинус угла между касательной и осями: , поэтому . Иначе говоря, интеграл второго рода — интеграл первого рода от проекции поля на касательную. Отсюда же и различие в ориентации: меняет знак при развороте обхода, а — нет.

Когда работа поля не зависит от пути?

Когда поле потенциально в односвязной области: , критерий — равенство . Тогда , а по любому замкнутому контуру работа нулевая. Примеры из механики: сила тяжести и упругость — потенциальны, сила трения — нет, её работа зависит от длины пройденного пути.

пошагово

Решатель интегралов

Свести криволинейный интеграл к обычному

Параметризация кривой — та же замена переменной: решатель покажет пересчёт дифференциалов по шагам.

Открыть решатель