Całka róż niczki zupełnej.

Niech D - obszar jednospójny, P, Q ∈ C 1( D) .

Pytamy czy w obszarze D ∃ taka funkcja U ( x, y) , aby wyrażenie P(x,y)dx+Q(x,y)dy

było różniczką zupełną funkcji U w D ?

∂ U

∂ U

Oczywiście musi zachodzić P = ∂ i Q =

x

∂ .

y

Wtedy

∂ P

∂  ∂ U 

∂ 2 U





∂ =

=

y

∂ y  ∂ x 

∂ y ∂ x

∂ Q

∂  ∂ U 

∂ 2 U





∂

=

=

x

∂ x  ∂ y 

∂ x ∂ y

Z założenia

∂ Q ∂ P

2 U

2 U

t w .

2 U

2 U

,

∈ C ( D )

∂

∂

⇒

,

∈ C ( D )

∂

∂

∂

⇒

=

x

∂ y

∂ x ∂ y ∂ y ∂ x

∂ x ∂ y

∂ y ∂ x

Zatem warunkiem koniecznym istnienia funkcji U jest równość

∂ P

∂ Q

∂ =

.

y

∂ x

Stwierdzenie

Niech D - obszar jednospójny, P, Q ∈ C 1( D) .

Wtedy

 ∂ P

∂ Q



=

 ⇔ 1ο P( x, y) dx + Q( x, y) , jest różniczką zupełną funkcji U,

 ∂

dy

y

∂ x 

ponadto:

2ο U ( x, y) = ∫ P( x, y) dx + Q( x, y) dy + C , gdzie C ∈R , A A

0

A ( x , y - ustalony punkt 0

0

0 )

( Ax, y)- punkt zmienny, A A - krzywa regularna, 0

A A ⊂ D ,

0

czyli

x

y

U ( x, y) = ∫ P( t, y) dt + ∫ (

Q x , t

. (*)

0

) dt + C

x

y

0

0

3ο ∫ P( x, y) dx + (

Q x, y) dy = U ( ) A − U ( B) dla dowolnej krzywej AB ⊂ D .

AB

13

Uzasadnienie wzoru (*)

Dla

 x = x 0

K :

, gdzie t ∈[ y , y 1

0

]

 y = t

mamy x′ = 0, y′ = 1.

Podobnie dla

 x = t

K :

, gdzie t ∈[ x , x 2

0

]

 y = y

otrzymujemy x′ = 1, y′ = 0 .

Stąd

y

x

tw.

∫ P( x, y) dx + (

Q x, y) dy = ∫ P( x, y) dx + (

Q x, y) dy = ∫ (

Q x , t

+ ∫

,

0

) dt P( t y) dt A A

K ∪ K

0

1

2

y

x

0

0

na podstawie twierdzenia o niezależności całki krzywoliniowej od kształtu drogi całkowania.

Zatem

x

y

U ( x, y) = ∫ P( t, y) dt + ∫ (

Q x , t

.

0

) dt + C

x

y

0

0

Uwaga

Wektor W = [ P, Q] jest gradientem funkcji U, W = [ P, Q] = gra U

d

.

Definicja

Funkcję U nazywamy potencjałem pola wektorowego W.

14

Przykład

Wykazać, że (3 + 2 )

+ (2 + 4 2

x

y dx

x

y ) dy jest różniczką zupełną pewnej funkcji U ( x, y) i wyznaczyć tę funkcję (potencjał).

 P = 3 x + 2 y



1

2

⇒ P, Q ∈ C (R ) Q

 = 2 x + 4 y 2

∂ P

∂ Q

=

2

⇒

2 =

∃ U ( x, y)

∂

oraz U( x, y) = ∫ (3 x + 2 y) dx + (2 x + 4 y ) dy .

y

∂ x

A A

0

U ( x, y) = ∫ Pdx + Qdy = ∫ Pdx + Qdy + ∫ Pdx + Qdy =

A BA

A B

BA

0

0

x

y

x

y

= ∫ P( x, y 2

3

2

2

4

0 ) dx + ∫

(

Q x, y) dy = ∫ ( x + y 0 ) dx + ∫ ( x + y ) dy =

x

y

x

y

0

0

0

0

x

y

 3





4



3

4

= 

2

x + 2 y x

+ 2 xy +

3

y 

=

2

x + 2 xy +

3

y +



C .

0



2





3

2

3

x

y

0

0

15