background image

2. CAŁKI KRZYWOLINIOWE ZORIENTOWANE 

 
2.1 DEFINICJE I WŁASNOŚCI CAŁEK KRZYWOLINIOWYCH ZORIENTOWANYCH 
 
Def. 2.1.1 (pole wektorowe na płaszczyźnie i w przestrzeni) 

a)  Niech D będzie obszarem na płaszczyźnie. Polem wektorowym na D nazywamy funkcję wektorową 

2

:

R

D

F

, gdzie 

)

,

(

),

,

(

)

,

(

y

x

Q

y

x

P

y

x

F

 dla (x,y

 D

 

 

 

 

Rys. 2.1.1 Pole wektorowe na płaszczyźnie 

 

Rys. 2.1.2 Pole wektorowe w przestrzeni 

b)  Niech V będzie obszarem w przestrzeni. Polem wektorowym na V nazywamy funkcję wektorową 

3

:

R

D

F

, gdzie 

)

,

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

,

(

z

y

x

R

y

x

Q

y

x

P

z

y

x

F

 dla (x,y,z

 V

c)  Jeżeli funkcje PQ lub PQR są ciągłe odpowiednio na obszarach D lub V, to mówimy, że pole wektorowe 

F

 jest ciągłe 

na tych obszarach. 

d)  Podobnie, jeżeli funkcje  PQ lub PQR mają ciągłe wszystkie pochodne cząstkowe pierwszego rzędu odpowiednio na 

obszarach D lub V, to mówimy, że pole wektorowe 

F

 jest różniczkowalne w sposób ciągły na tych obszarach. 

 

Uwaga.  Będziemy  także  pisali  krótko 

)

(

),

(

)

(

r

Q

r

P

r

F

,  gdzie 

)

,

(

y

x

r

  lub 

)

(

),

(

),

(

)

(

r

R

r

Q

r

P

r

F

,  gdzie 

)

,

,

(

z

y

x

r

 
Def. 2.1.2 (łuk zorientowany) 
Łuk zwykły niezamknięty, na którym ustalono początek i koniec (kierunek) nazywamy łukiem zorientowanym. Łuk zoriento-
wany oznaczamy tym samym symbolem co łuk. Łuk o orientacji przeciwnej do orientacji łuku 

 oznaczamy przez – 

. Jeżeli 

ze wzrostem parametru łuku zorientowanego poruszamy się po nim w kierunku orientacji, to mówimy, że parametryzacja łuku 
jest zgodna z jego orientacją. 
 

 

 

 

Rys. 2.1.3 Łuk zorientowany 

 

 

Rys. 2.1.4 Łuk -

 o orientacji przeciwnej do 

łuku zorientowanego 

 

 
 
Oznaczenia w definicji całki krzywoliniowej zorientowanej 
Niech 

  będzie  łukiem  zorientowanym  na  płaszczyźnie  opisanym  równaniem  parametrycznym 

]

,

[

),

(

t

t

r

r

,  gdzie 

)

,

(

y

x

r

  oraz 

)

(

),

(

)

(

t

y

t

x

t

r

. Zakładamy przy tym, że orientacja łuku 

  jest  zgodna  z  jego  parametryzacją.  Wprowa-

dzamy następujące oznaczenia: 
P = {t

0

t

1

, ..., t

n

}, gdzie 

 = t

0

 < t

1

 < … < t

n

 = 

 – podział odcinka [

,

] na n 

 N odcinków; 

t

k

 =  t

k

 – t

k-1 

 – długość k-tego odcinka podziału 

P, 1 

 k 

 n

(

P) = max{

t

k

: 1 

 k 

 n } – średnica podziału 

P; 

n

t

t

t

,

,

,

2

1

, gdzie 

]

,

[

1

k

k

k

t

t

t

 dla 1 

 k 

 n – zbiór punktów pośrednich podziału 

P. 

)

(

k

k

t

r

A

– punkty podziału łuku 

 indukowane przez podział 

P, 0 

 k 

 n (A

0

 jest początkiem, a A

n

 końcem łuku zoriento-

wanego 

); 

background image

)

(

),

(

)

,

(

)

(

k

k

k

k

k

k

t

y

t

x

y

x

t

r

r

 – punkty pośrednie na łuku A

k-1

A

k

 indukowane przez wybór punktów pośrednich podziału 

P, 1 

 k 

 n

)

,

(

)

(

)

(

1

k

k

k

k

k

y

x

t

r

t

r

r

, gdzie 

)

(

)

(

1

k

k

k

t

x

t

x

x

)

(

)

(

1

k

k

k

t

y

t

y

y

, 1 

 k 

 n

 

 

Rys. 2.1.5 Podział odcinka [

,

] i podział łuku zorientowanego 

 indukowany przez ten  podział 

 
Def. 2.1.3 (całka krzywoliniowa zorientowana) 

Niech 

)

,

(

Q

P

F

  będzie  polem  wektorowym  określonym  na  łuku  zorientowanym 

 

  R

2

.  Całkę  krzywoliniową  zoriento-

waną z pola wektorowego 

F

 po łuku 

 definiujemy wzorem: 

n

k

k

k

k

k

k

k

def

y

y

x

Q

x

y

x

P

dy

y

x

Q

dx

y

x

P

1

0

)

(

)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

)

,

(

P

o ile granica po prawej stronie znaku równości istnieje oraz nie zależy od sposobu podziału P przedziału [

,

], ani od sposobu 

wyboru punktów pośrednich 

. Powyższą całkę oznaczamy krótko przez 

dy

Q

dx

P

Uwaga. Całkę krzywoliniową zorientowaną z pola wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 po łuku 

 położonym w przestrzeni definiu-

jemy analogicznie i oznaczamy symbolem: 

dz

z

y

x

R

dy

z

y

x

Q

dx

z

y

x

P

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

 lub krótko 

dz

R

dy

Q

dx

P

W zapisie wektorowym definicja całki krzywoliniowej zorientowanej z pola wektorowego 

)

,

(

Q

P

F

 lub pola wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

F

  po  łuku  zorientowanym 

  położonym  odpowiednio  na  płaszczyźnie  lub  w  przestrzeni  przyjmuje  jednolitą 

formę: 

n

k

k

k

def

r

r

F

r

d

r

F

1

0

)

(

)

(

lim

)

(

P

gdzie 

)

,

(

dy

dx

r

d

def

  lub 

)

,

,

(

dz

dy

dx

r

d

def

. Całkę  krzywoliniową  z  pola  wektorowego 

F

  po  łuku 

  oznaczamy  też  krótko 

symbolem 

r

d

F

 

Rys. 2.1.6 Ilustracja do definicji całki krzywoliniowej zorientowanej w formie wektorowej 

 
Def. 2.1.4 (całka krzywoliniowa po sumie łuków zorientowanych) 

background image

Niech łuk zorientowany 

  będzie  sumą  łuków  niezamkniętch  zorientowanych 

1

2

, …, 

m

, przy czym koniec łuku 

k

  jest 

początkiem łuku 

k+1

, 1 

  k 

 m – 1. Ponadto niech 

F

 będzie polem  wektorowym określonym  na łuku 

. Całkę krzywoli-

niową zorientowaną z pola 

F

 po łuku 

 określamy wzorem: 

m

r

d

F

r

d

F

r

d

F

r

d

F

def

...

2

1

o ile całki po prawej stronie znaku równości istnieją. 

Uwaga. Jeżeli łuk zorientowany na płaszczyźnie jest zamknięty, to wtedy piszemy 

w miejsce 

 

Rys. 2.1.7 Ilustracje do definicji całki krzywoliniowej zorientowanej po sumie łuków 

 
Tw. 2.1.5 (liniowość całki krzywoliniowej zorientowanej) 
Jeżeli istnieją całki krzywoliniowe z pól wektorowych 

F

 i 

G

 po kawałkami gładkim łuku zorientowanym 

 oraz jeżeli c jest 

stałą dowolną, to: 

a)  istnieje całka krzywoliniowa z pola wektorowego 

G

F

 po łuku 

 oraz 

r

d

G

r

d

F

r

d

G

F

b)  istnieje całka z pola wektorowego 

F

c

 po łuku 

 oraz 

 

r

d

F

c

r

d

F

c

c)  istnieje całka krzywoliniowa z pola wektorowego 

F

 po łuku o orientacji przeciwnej – 

 oraz 

r

d

F

r

d

F

 
Tw. 2.1.6 (zależność między całkami krzywoliniowymi) 
Niech pole wektorowe 

)

,

(

Q

P

F

 będzie ciągłe na łuku gładkim 

. Wtedy 

dl

y

x

y

x

Q

y

x

y

x

P

dy

y

x

Q

dx

y

x

P

)

,

(

cos

)

,

(

)

,

(

cos

)

,

(

)

,

(

)

,

(

gdzie 

(x,y)  oznacza  kąt  między  wektorem  stycznym  do  łuku 

  w  punkcie  (x,y)  a  dodatnią  częścią  osi  Ox,  natomiast 

(x,y

oznacza kąt między tym samym wektorem i dodatnią  częścią osi Oy. Zakładamy przy tym, że zwrot wektora stycznego jest 
zgodny z orientacją łuku 

Uwaga. Prawdziwa jest także analogiczna równość dla całek krzywoliniowych po łuku położonym w przestrzeni. Równości te 
niektórzy autorzy przyjmują jako definicję całki krzywoliniowej zorientowanej. 

 

Rys. 2.1.8 Ilustracja do twierdzenia o zależności między dwoma rodzajami całek krzywoliniowych 

 
 
2.2 ZAMIANA CAŁKI KRZYWOLINIOWEJ ZORIENTOWANEJ NA CAŁKĘ POJEDYNCZĄ 
 
Tw. 2.2.1 (o zamianie całki krzywoliniowej na całkę pojedynczą) 
a)  Jeżeli 

1. łuk 

 = {(x(t), y(t)) : t 

 [

,

]} jest niezamknięty i gładki, 

2. orientacja łuku 

 jest zgodna z jego polaryzacją, 

background image

3. pole wektorowe 

)

,

(

Q

P

F

 jest ciągłe na 

to  

dt

t

y

t

y

t

x

Q

t

x

t

y

t

x

P

dy

y

x

Q

dx

y

x

P

)

(

)

(

),

(

)

(

)

(

),

(

)

,

(

)

,

(

/

/

b)  Podobnie, jeżeli 

1. łuk 

 = {(x(t), y(t), z(t)) : t 

 [

,

]}jest niezamknięty i gładki, 

2. orientacja łuku 

 jest zgodna z jego polaryzacją, 

3. pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 jest ciągłe na 

to  

dt

t

z

t

z

t

y

t

x

R

t

y

t

z

t

y

t

x

Q

t

x

t

z

t

y

t

x

P

dz

z

y

x

Q

dy

z

y

x

Q

dx

z

y

x

P

)

(

)

(

),

(

),

(

)

(

)

(

),

(

),

(

)

(

)

(

),

(

),

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

/

/

/

Uwaga. Powyższe wzory w formie wektorowej przyjmują jednolitą postać: 

 

dt

t

r

t

r

F

r

d

r

F

)

(

)

(

)

(

/

gdzie 

)

(t

r

r

 jest parametryzacją łuku 

 oraz 

)

(

),

(

)

(

/

/

/

t

y

t

x

t

r

 lub 

)

(

),

(

),

(

)

(

/

/

/

/

t

z

t

y

t

x

t

r

Jeżeli pole wektorowe 

)

,

(

Q

P

F

 jest ciągłe na łuku gładkim 

 opisanym równaniem y = y(x), gdzie a 

 x 

 b i orientacja 

łuku 

 jest zgodna ze wzrostem zmiennej x, to 

b

a

dx

x

y

x

y

x

Q

x

y

x

P

dy

y

x

Q

dx

y

x

P

)

(

)

(

,

)

(

,

)

,

(

)

,

(

/

 
 
2.3 NIEZALEŻNOŚĆ CAŁKI OD DROGI CAŁKOWANIA 
 
Def. 2.3.1 (pole potencjalne, potencjał pola) 
Pole wektorowe 

F

 określone na obszarze D nazywamy polem potencjalnym, gdy istnieje funkcja UD 

 R taka, że 

U

F

grad

Funkcję U nazywamy potencjałem pola wektorowego 

F

 

Uwaga. Dla pola wektorowego na płaszczyźnie 

)

,

(

Q

P

F

 powyższy warunek ma postać 

y

U

Q

x

U

P

,

Podobnie, dla pola wektorowego w przestrzeni 

)

,

,

(

R

Q

P

F

, mamy 

z

U

R

y

U

Q

x

U

P

,

,

 
Tw. 2.3.2 (całka krzywoliniowa z pola potencjalnego) 
a)  Niech 

1. pole wektorowe 

)

,

(

Q

P

F

 będzie ciągłe na obszarze D 

 R

2

2. pole wektorowe 

F

 będzie potencjalne na obszarze D z potencjałem U

Wtedy 

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

1

1

2

2

)

,

(

)

,

(

2

2

1

1

y

x

U

y

x

U

y

x

U

dy

y

x

Q

dx

y

x

P

y

x

y

x

B

A

gdzie 

B

A

 jest dowolnym zorientowanym kawałkami gładkim łukiem o początku w punkcie A = (x

1

,y

1

) i końcu w punkcie 

B = (x

2

,y

2

), całkowicie zawartym w obszarze D

b)  Podobnie, niech 

1. pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 będzie ciągłe na obszarze V 

 R

3

2. pole wektorowe 

F

 będzie potencjalne na obszarze V z potencjałem U

Wtedy 

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

1

1

1

2

2

2

)

,

,

(

)

,

,

(

2

2

2

1

1

1

z

y

x

U

z

y

x

U

z

y

x

U

dz

z

y

x

R

dy

z

y

x

Q

dx

z

y

x

P

z

y

x

z

y

x

B

A

background image

gdzie 

B

A

  jest  dowolnym  zorientowanym  kawałkami  gładkim  łukiem  o  początku  w  punkcie  A  =  (x

1

,y

1

,z

1

)  i  końcu  w 

punkcie B = (x

1

,y

1

,z

1

), całkowicie zawartym w obszarze V

Uwaga. W formie wektorowej powyższe wzory przyjmują jednolitą postać: 

)

(

)

(

)

(

A

U

B

U

r

U

r

d

U

B

A

B

A

grad

Inaczej mówiąc, całka zorientowana w polu potencjalnym nie zależy od drogi całkowania i jest równa różnicy potencjałów w 
punktach końcowym i początkowym drogi całkowania. W szczególności w polu potencjalnym 

F

 mamy 

0

r

d

F

gdzie 

 jest dowolnym łukiem zamkniętym zawartym w rozważanym obszarze. 

 
Tw. 2.3.3 (warunek konieczny i wystarczający potencjalności pola) 
a)  Niech 

1. obszar D 

 R

2

 będzie wypukły, 

2. pole wektorowe 

)

,

(

Q

P

F

 będzie różniczkowalne w sposób ciągły na D

Wówczas pole wektorowe 

F

 jest potencjalne na D wtedy i tylko wtedy, gdy 

)

,

(

)

,

(

y

x

x

Q

y

x

y

P

 dla każdego punktu 

D

y

x

)

,

(

b)  Niech 

1. obszar V 

 R

3

 będzie wypukły, 

2. pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 będzie różniczkowalne w sposób ciągły na V

Wówczas pole wektorowe 

F

 jest potencjalne na V wtedy i tylko wtedy, gdy 

)

,

,

(

)

,

,

(

z

y

x

x

Q

z

y

x

y

P

)

,

,

(

)

,

,

(

z

y

x

x

R

z

y

x

z

P

)

,

,

(

)

,

,

(

z

y

x

y

R

z

y

x

z

Q

 

dla każdego punktu 

V

z

y

x

)

,

,

(

 

Uwaga. Zamiast wypukłości obszarów D i V można założyć, że są one obszarami jednospójnymi odpowiednio na płaszczyźnie 
lub w przestrzeni. 
 
Def. 2.3.4 (rotacja pola wektorowego) 

Niech pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 będzie różniczkowalne w sposób ciągły na obszarze V 

 R

3

. Rotacją pola wektorowego 

F

 nazywamy pole wektorowe określone wzorem: 

k

y

P

x

Q

j

x

R

z

P

i

z

Q

y

R

R

Q

P

z

y

x

k

j

i

F

def









rot

 
Fakt 2.3.5 (kryterium potencjalności pola wektorowego) 

Pole wektorowe  

)

,

,

(

R

Q

P

F

 na obszarze V 

 R

3

 jest potencjalne wtedy i tylko wtedy, gdy 

0

rot

F

 
 
2.4 TWIERDZENIE GREENA 
 
Def. 2.4.1 (znak orientacji) 
Niech 

 będzie kawałkami gładkim łukiem zamkniętym (bez samoprzecięć) na płaszczyźnie, tzn. krzywą Jordana. Mówimy, 

że orientacja łuku 

 jest dodatnia względem swego wnętrza D, gdy podczas ruchu łuku 

 w kierunku jego orientacji obszar D 

leży cały czas po lewej stronie łuku. W przeciwnym przypadku mówimy, że orientacja łuku jest ujemna. 
 

background image

 

 

 

Rys. 2.4.1 Łuk 

1

 jest zorientowany dodatnio 

względem obszaru D

1

 

 

Rys. 2.4.2 Łuk 

2

 jest zorientowany ujemnie 

względem obszaru D

2

 

 
Tw. 2.4.2 (wzór Greena) 
Niech 

1. obszar domknięty D 

 R

2

 będzie normalny względem obu osi układu, 

2. brzeg 

 obszaru D będzie zorientowany dodatnio, 

3. pole wektorowe 

)

,

(

Q

P

F

 będzie różniczkowalne w sposób ciągły na D

Wtedy 







D

dy

dx

y

P

x

Q

dy

Q

dx

P

Uwaga. Wzór Greena jest prawdziwy także dla obszaru  D, który można podzielić na skończoną liczbę obszarów normalnych 
(względem obu osi). 
 
Def. 2.4.3 (cyrkulacja pola wektorowego) 
Cyrkulacją pola wektorowego 

F

 po łuku zamkniętym zorientowanym 

 nazywamy całkę krzywoliniową zorientowaną 

r

d

F

 
2.5 ZASTOSOWANIA CAŁEK KRZYWOLINIOWYCH ZORIENTOWANYCH 
 
Fakt 2.5.1 (zastosowania w geometrii) 
Pole obszaru  D 

 R

2

 ograniczonego łukiem zamkniętym  kawałkami  gładkim 

, dodatnio zorientowanym względem obszaru 

D, wyraża się wzorami: 

ydx

xdy

xdy

ydx

D

2

1

 

 

 

Fakt 2.5.2 (zastosowania w fizyce) 

1.  Praca w polu  wektorowym 

F

 wykonana  wzdłuż łuku zorientowanego 

, od punktu początkowego do końcowego, wy-

raża się wzorem: 

r

d

F

W

 

background image

 

 

 

 

2.  Ilość płaskiej (umownej) cieczy przepływającej w jednostce czasu przez łuk zorientowany 

 wyraża się wzorem: 

dy

y

x

P

dx

y

x

Q

A

)

,

(

)

,

(

gdzie 

)

,

(

),

,

(

)

,

(

y

x

Q

y

x

P

y

x

v

 oznacza prędkość przepływu cieczy w punkcie (x,y) tego łuku.