Независимость криволинейного интеграла от пути
Криволинейный интеграл второго рода в общем случае зависит от того, по какой кривой идёт интегрирование. Но иногда - в задачах физики и математики - результат оказывается одинаковым для любого пути с теми же концами. Тогда поле называют потенциальным, а интеграл - независимым от пути. Ниже разберём, при каком условии это происходит, как проверить его за секунду и как восстановить потенциал по заданным и . Чтобы увидеть, как условие работает в числах, покрутите слайдеры в калькуляторе ниже - он покажет, совпадают ли частные производные для вашего поля.
Критерий независимости от пути
Пусть функции и непрерывно дифференцируемы в односвязной области . Тогда интеграл не зависит от пути в тогда и только тогда, когда в каждой точке области выполнено условие:
Это равенство - признак того, что является полным дифференциалом некоторой функции : . Функцию называют потенциалом поля с проекциями .
Условие $\partial P/\partial y = \partial Q/\partial x$ работает только в **односвязной** области (без дырок). В многосвязной области (например, кольце) равенство производных не гарантирует независимости от пути - пример: поле $P = -y/(x^2+y^2)$, $Q = x/(x^2+y^2)$ вне начала координат.
Геометрически это означает, что интеграл по любому замкнутому контуру равен нулю: . Это следует из теоремы Грина и является равносильным переформулированием того же условия.
Как найти потенциал
Если условие выполнено, функция восстанавливается в два шага.
Шаг 1. Интегрируем по , считая параметром:
Здесь - произвольная функция, зависящая только от .
Шаг 2. Находим из условия :
откуда должна не содержать (по условию это обеспечивается), и её достаточно проинтегрировать.
После того как найдена, значение интеграла между любыми двумя точками и вычисляется мгновенно по формуле Ньютона–Лейбница:
Путь интегрирования в итоге не важен - достаточно знать концы отрезка.

На изображении выше - поверхность потенциала и линии уровня (окружности). Силовые линии поля направлены вдоль градиента и перпендикулярны изолиниям. Работа по замкнутому пути на такой поверхности всегда равна нулю.
Пример: проверка и вычисление интеграла
Задача. Вычислить .
Шаг 1. Проверка условия. Здесь , . Считаем:
Производные равны, поэтому интеграл не зависит от пути.
Шаг 2. Потенциал. Интегрируем по :
Из условия : , откуда и .
Шаг 3. Результат. Потенциал . Значение интеграла:
Связь с ротором и физическим смыслом
В трёхмерном случае аналогичное условие формулируется через ротор (вихрь) вектора : поле потенциально тогда и только тогда, когда (в односвязной области). Плоское условие - это плоская компонента этого требования.
В механике потенциальное поле сил называют консервативным: работа сил не зависит от пути, существует потенциальная энергия , и полная механическая энергия сохраняется. Поле тяготения, кулоновское электрическое поле и поле упругих сил - примеры консервативных полей.
В термодинамике условие полного дифференциала позволяет различать функции состояния (внутренняя энергия , энтальпия ) и процессные величины (теплота , работа ): у первых - полный дифференциал, у вторых нет.
Алгоритм решения задач
- Выписать и из подынтегрального выражения.
- Вычислить и и сравнить.
- Если равны и область односвязна - восстановить потенциал интегрированием.
- Подставить координаты концов пути в и взять разность.
- Если равенство производных не выполнено - путь убрать нельзя, нужно параметризовать конкретный контур.
Частые ошибки
- Не проверяют односвязность области. Равенство производных в кольцеобразной области не гарантирует независимости от пути - поле может иметь «особую точку» внутри контура.
- Путают переменную интегрирования при восстановлении потенциала. При интегрировании по переменная - параметр, а не константа; результат зависит от .
- Забывают в потенциале. Без этой функции уравнение обычно не выполняется и потенциал окажется неверным.
- Проверяют условие только в одной точке. Условие должно выполняться во всей области, а не в отдельной точке.
- Применяют формулу к разомкнутой кривой без восстановления потенциала. Если потенциал не найден, нельзя подставлять граничные точки - сначала нужен .
FAQ
Как быстро проверить, зависит ли интеграл от пути? Вычислите и . Если они равны во всей (односвязной) области - нет, интеграл не зависит от пути. Если хотя бы в одной точке не равны - зависит.
Что делать, если область не односвязна? Следует проверить, охватывает ли контур интегрирования «особые» точки (где или не определены). Если охватывает - интеграл по замкнутому контуру может быть ненулевым даже при равенстве производных. Чаще всего используют теорему Грина: .
Можно ли всегда выбирать удобный путь интегрирования? Да, если условие выполнено. Стандартный приём - ломаная из двух звеньев: сначала горизонтальный отрезок (фиксируем , меняем ), затем вертикальный (фиксируем , меняем ). Это упрощает вычисления.
Коротко
Криволинейный интеграл не зависит от пути в односвязной области тогда и только тогда, когда во всей области. В этом случае существует потенциал такой, что , и интеграл вычисляется как - независимо от выбранной кривой.
Читайте также

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY
Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум
Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

Куча как структура данных: массив и просеивание
Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

Линейная зависимость векторов: критерии и примеры
Что такое линейная зависимость векторов, как проверить её определителем и рангом матрицы, чем коллинеарность отличается от компланарности и как всё это связано с базисом.

Линейное уравнение второго порядка: общее решение
Как решить линейное однородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами: характеристическое уравнение, три случая корней, фундаментальная система и задача Коши с разбором.

Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера
Метод вариации произвольных постоянных: как из решений однородного уравнения собрать частное, зачем здесь определитель Вронского и когда быстрее оказывается подбор по виду правой части.