LINE INTEGRALS

Fig. 6-2
Fig. 6-2

Let C be a curve in the xy plane which connects points A (a_1, b_1) and B (a_2, b_2), (see Fig. 6-2). Let P(x, y) and Q(x, y) be single-valued functions defined at all points of C. Subdivide C into n parts by choosing n – 1 points on it given by (x_1, y_1),\ (x_2, y_2),\ \dots,\ (x_{n-1}, y_{n-1}). Call \Delta x_k = x_k - x_{k-1} and \Delta y_k = y_k - y_{k-1},\ k = 1,\ 2,\ \dots\ n and suppose that points (\xi_k, \eta_k) are chosen so that they are situated on C between points (x_{k-1}, y_{k-1}) and (x_k, y_k). Form the sum

\displaystyle \sum_{k=1}^{n}\{P(\xi_k, \eta_k)\Delta x_k + Q(\xi_k, \eta_k)\Delta y_k\}\cdots(13)

The limit of this sum as n\rightarrow\infty in such a way that all quantities \Delta x_k,\ \Delta y approaches zero, if such limit exists, is called a line integral along C and is denoted by

\displaystyle \int_C \left[ P(x, y)dx + Q(x, y)dy \right] or \displaystyle \int_{(a_1, b_1)}^{(a_2, b_2)}\left[ Pdx + Qdy \right]\cdots(14)

The limit does exist if P and Q are continuous (or piecewise continuous) at all points of C. The value of the integral depends in general on P, Q, the particular curve C, and on the limits (a_1, b_1) and (a_2, b_2).

In an exactly analogous manner one may define a line integral along a curve C in three dimensional space as

\displaystyle \lim\limits_{n \rightarrow\infty}\sum_{k=1}^{n}\left\{ A_1(\xi_k, \eta_k, \zeta_k)\Delta x_k + A_2(\xi_k, \eta_k, \zeta_k)\Delta y_k + A_3(\xi_k, \eta_k, \zeta_k)\Delta z_k  \right\} \\ = \int_C \left[ A_1dx + A_2dy + A_3dz \right] \cdots(15)

where A_1, A_2 and A_3 are functions of x, y and z.

Other types of line integrals, depending on particular curves, can be defined. For example, if \Delta s_k denotes the arc length along curve C in the above figure between points (x_k, y_k) and (x_{k+1}, y_{k+1}), then

\displaystyle \lim\limits_{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} U(\xi_k, \eta_k)\Delta s_k = \int_C U(x, y)ds\cdots(16)

is called the line integral of U(x, y) along curve C. Extensions to three (or higher) dimensions are possible.

線積分

Fig. 6-2
Fig. 6-2

 Cxy 平面において 2 点 A (a_1, b_1) および B (a_2, b_2) をつなぐ曲線とします(Fig. 6-2参照).P(x, y) および Q(x, y) を曲線 C 上のすべての点を定義する単一値関数とします. (x_1, y_1),\ (x_2, y_2),\ \dots,\ (x_{n-1}, y_{n-1}) により得られた n – 1 個の点を選択して Cn 個に細分化します.Call \Delta x_k = x_k - x_{k-1} および \Delta y_k = y_k - y_{k-1},\ k = 1,\ 2,\ \dots\ n を呼び,C 上にあり点 (x_{k-1}, y_{k-1}) および点 (x_k, y_k) の間にあるような点 (\xi_k, \eta_k) を想定します.以下のように和を形成します.

\displaystyle \sum_{k=1}^{n}\{P(\xi_k, \eta_k)\Delta x_k + Q(\xi_k, \eta_k)\Delta y_k\}\cdots(13)

 仮に極限が存在するなら n\rightarrow\infty となるにつれ全ての \Delta x_k,\ \Delta y の量はゼロに近づき,この和の極限を C 周りの 線積分 と呼び,以下のように記述します.

\displaystyle \int_C \left[ P(x, y)dx + Q(x, y)dy \right] または \displaystyle \int_{(a_1, b_1)}^{(a_2, b_2)}\left[ Pdx + Qdy \right]\cdots(14)

 P および QC 上の全ての点について連続(または区間的に連続)ならこの極限は存在します.その積分値は一般に P, Q, 特に曲線 C に依存し,また (a_1, b_1) および (a_2, b_2) の極限に依存します.

 正確に類似した方法で 3 次元空間における曲線 C 周りの線積分を以下のように定義できるでしょう.

\displaystyle \lim\limits_{n \rightarrow\infty}\sum_{k=1}^{n}\left\{ A_1(\xi_k, \eta_k, \zeta_k)\Delta x_k + A_2(\xi_k, \eta_k, \zeta_k)\Delta y_k + A_3(\xi_k, \eta_k, \zeta_k)\Delta z_k  \right\} \\ = \int_C \left[ A_1dx + A_2dy + A_3dz \right] \cdots(15)

ここで A_1, A_2 および A_3x, y および z の関数です.

 他の種類の線積分,特に曲線に依存するものも定義可能です.例えば仮に \Delta s_k が上図のように点 (x_k, y_k) および点 (x_{k+1}, y_{k+1}) 間の曲線 C の弧長を記述するなら

\displaystyle \lim\limits_{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} U(\xi_k, \eta_k)\Delta s_k = \int_C U(x, y)ds\cdots(16)

上記は曲線 C 周りの U(x, y) の線積分と呼びます.3次元またはそれ以上の次元への拡張も可能です.