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English

経路によるかどうかで線積分の手間はまるごと変わる

の線積分は、どの経路をとっても両端だけで決まります。 では経路ごとに値が変わる。

見分けは が成り立つかどうかです。成り立てば、ポテンシャルを つ求めて引き算するだけで終わります[1]

以下は 問です。スカラー場とベクトル場の定義から始め、経路独立性、グリーンの定理、面積公式、そして条件がそろっていても破れる例まで並べました。

2 種類の線積分

積分するものが違います[1]

スカラー場
ベクトル場

前者は弧長についての積分で、向きを逆にしても値が変わりません。後者は向きを逆にすると符号が変わります[1]

どちらも媒介変数のとり方によりません。速く進むか遅く進むかは、 で打ち消し合います。

問題 1:スカラー場の線積分

を計算せよ。 は原点から への直線とする。

解答 1

と媒介変数表示します。

です。

値は です。 が入るところを落とすと、 になってしまいます。

問題 2:ベクトル場の線積分

について、 から への に沿った線積分を求めよ。

解答 2

です。 になります。

内積をとってから積分します。ベクトルのまま積分しようとすると形が合いません。

問題 3:保存場の判定

が保存場か判定し、ポテンシャルを求めよ。

解答 3

偏微分を比べます。

一致するので、単連結な領域では保存場です[1]。ポテンシャルを積み上げます。

から です。 で微分して比べます。

になります。線積分は両端での の差です。

問題 4:経路によらないことを確かめる

について、 から への線積分を 通りで計算せよ。

解答 4

直線 では です。

折れ線 では、前半が で被積分関数が 、後半が で第 成分だけ残ります。

一致しました。 なので、勾配定理から両端の値の差 になります[1]

問題 5:経路によって変わる場合

について、同じ 経路で線積分を比べよ。

解答 5

直線では です。

折れ線では、前半が 、後半は かつ第 成分が なので になります。合計 です。

値が違います。判定式を見ると で一致しません。

保存場でなければ、経路ごとに計算するほかありません。ポテンシャルも存在しない。

問題 6:閉曲線

を計算せよ。 は原点中心、半径 の円で反時計回りとする。

解答 6

と置きます。 です。

保存場なら閉曲線での積分は になります。 なので保存場ではありません。

問題 7:グリーンの定理で確かめる

問題 をグリーンの定理で計算せよ。

解答 7

閉曲線に沿う積分を、囲む領域上の重積分に直します[2]

で、被積分関数は です。

問題 と一致します。 次元の積分が 次元の積分に置きかわり、被積分関数が定数になりました。

問題 8:面積を線積分で出す

で楕円 の面積を求めよ。

解答 8

と置きます。

なら です。境界をなぞるだけで内部の面積が出ます。

グリーンの定理で被積分関数が になる場合にあたります。プラニメータという製図器具は、この原理で動きます。

問題 9:3 次元の線積分

について、 から への単位円周上の弧に沿う線積分を求めよ。

解答 9

とします。

です。

成分は の側が なので効きません。 次元でも手順は同じです。

問題 10:仕事の計算

が、原点から を経て へ物体を動かすときの仕事を求めよ。

解答 10

前半は なので被積分関数が です。

後半は で、第 成分だけ残ります。

この場は保存場ではないので、別の経路なら別の値になります。仕事の大きさが道のりに依存する、という状況です。

問題 11:弧長

の弧長を求めよ。

解答 11

です。 としたスカラー場の線積分になります。

値は です。 と置くか、 の公式を使います。

直線距離は なので、曲がったぶんだけ長くなっています。

問題 12:媒介変数のとり方によらない

問題 で計算し、同じ値になることを確かめよ。

解答 12

です。

問題 と同じ値になりました。同じ曲線を違う速さでなぞっても、値は変わりません[1]

速く進むところでは が大きく、 の刻みが少ない。 つが打ち消し合っています。

問題 13:向きを逆にする

問題 の経路を逆向きにたどると、値はどうなるか。

解答 13

ベクトル場の線積分では、向きを逆にすると符号が変わります[1]。値は です。

と置き直すと の符号が反転するので、内積の符号も反転します。

スカラー場の では変わりません。 が絶対値なので、符号が出てこないためです。

種類の線積分で振る舞いが違う点は、書き分けるときの目印になります。

問題 14:判定式が成り立つのに保存場でない

について、判定式を確かめ、単位円周に沿う積分を計算せよ。

解答 14

偏微分を計算します。どちらも同じ式になります。

ところが単位円周に沿う積分は になりません。 を入れると被積分関数が です。

原因は定義域です。この場は原点で定義されず、領域が単連結ではありません[3]

判定式は必要条件にすぎない、と言いかえられます。単連結という条件があって初めて十分条件になります。

問題 15:条件を確かめる順序

線積分を計算するとき、どの順に確かめればよいかをまとめよ。

解答 15

まず積分の種類を見ます。 かで、向きの扱いが変わります。

ベクトル場なら判定式を見ます。成り立たなければ、経路ごとに媒介変数表示して計算するほかありません。

成り立つなら定義域を見ます。単連結なら保存場で、ポテンシャルの差だけで済みます。

穴があるなら、経路が穴を回るかどうかで値が変わります。閉曲線なら、グリーンの定理を使う前に領域の中に特異点がないかを確かめます[2]

つまずきやすいところ

定義のとり違えと、定理の適用条件で誤ります。

を掛け忘れる

スカラー場の線積分では、この因子が本体です。

判定式だけで保存場と決める

領域が単連結であることが要ります。原点を抜いた平面では成り立ちません。

グリーンの定理を穴のある領域に当てる

囲む領域の中で場が定義されていることを確かめます。

向きの扱いを 種類で混ぜる

なら向きによらず、 なら符号が変わります。

判定式と定義域を つセットで見る。ここを分けて考えると、必要条件を十分条件と読み違えます。

から への線積分はどれですか。

  • 経路によって変わる
__RESULT__

判定式は で成り立ち、全平面は単連結です。ポテンシャルは で、両端の差は になります。

よくある誤り

を掛け忘れる。スカラー場ではこの因子が本体です。
内積をとらずにベクトルのまま積分する。成分ごとに掛けて足します。
判定式だけで保存場と決める。領域が単連結であることが要ります。
グリーンの定理を穴のある領域に当てる。内部で場が定義されているかを見ます。
の積分で向きの符号を変える。向きによらないのはこちらです。
媒介変数のとり方で値が変わると思う。同じ曲線なら同じ値です。
閉曲線での積分が なら保存場だと決める。 本の経路では足りません。

種類・判定式・定義域。この つを順に見れば、計算に入る前に手が決まります。

参考文献

[1] がスカラー場とベクトル場の線積分の定義・媒介変数によらないこと・勾配定理と経路独立性、[2] がグリーンの定理、[3] が保存場と単連結性、[4] がドイツ語での定式化、[5] が弧長の計算です。

Line integral - Wikipedia
Green's theorem - Wikipedia
Conservative vector field - Wikipedia
Kurvenintegral - Wikipedia
Arc length - Wikipedia
$\mathbf{F}=(2xy,\,x^2)$ はどの経路でも両端だけで値が決まり、$\mathbf{F}=(y,\,0)$ は経路ごとに変わります。見分けは偏微分を $2$ つ比べるだけ。$15$ 問で、スカラー場の $ds$ に $|\mathbf{r}'(t)|$ が要ること、ポテンシャルの積み上げ方、グリーンの定理で $1$ 次元を $2$ 次元に置きかえる手順、境界をなぞって楕円の面積を出す公式を扱いました。媒介変数のとり方によらないこと、向きで符号が変わるのは $d\mathbf{r}$ の側だけであること、判定式が成り立つのに保存場でない渦の場まで並べています。