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線積分(経路積分)

スカラをスカラで積分する

 三次元空間で定義される関数F()を点からまで経路Lにしたがって距離によって積分する表現を考える。
経路を線と考えれば、一つの変数(ここでは、't'とする)で線は表現される。つまり、経路の線上の点(=x(t),y(t),z(t))の各成分は、ただ一つの’媒介変数’tの関数で表現される。(もちろんx(yやz)を媒介変数として使ってもよい)
さて、線の大きさだけに対する積分の一般表現は、∫F(d l(d l;Lに沿って積分する)である。
(=(x(t),y(t),z(t)))の集合が、線Lをあらわせば、d lと|d |は等しくなる。
今、媒介変数によってd lとd を関連づける。
d lは、線L上での点からd 迄の長さ|d |である。

 d l=|d |=|(d x,d y,d z)|=(d d d 1/2

媒介変数tでそれぞれの変位をあらわすとd x=d x/d t*d t、・・とかける。d tでくくり出せば、d t>0(tを増やす方向に積分)として、

 d l=((d x/d t)+(d y/d t)+(d z/d t)1/2d

よって次のように与えられる。

∫F(d l=∫F(x(t),y(t),z(t))((d x/d t)+(d y/d t)+(d z/d t)1/2d

面積分と体積積分で扱ったようにを一つの独立変数tによる表現で表せば、(の集合は線を表すので、点の集合を記述する独立変数は一つ)
∫Fd l=∫F(t)|d d t|d
を成分で表せば、先ほどの式になる。


例えば、太さを無視できる半径Rの円環状に線電荷密度λ〔C/m〕で電荷が分布する時、円環の中心軸上の円環からの距離H (円環の中心軸をz軸とし、円環を含む平面をz=0とする)の位置での電位φを求める。

 電荷の分布は、XYの座標軸を設定して、媒介変数θを使って、(X,Y,Z)=(Rcosθ,Rsinθ,0)で与えられる。(θは、XY面内でX軸からのなす角に相当する。)

 円環の経路は、θ;0〜2π で表される。

 円環上の微小線分dlによるHでの電位dφは、距離が(H2+X2+Y2)1/2であるから dφ=λdl/4πε0(H2+X2+Y2)1/2

 X2+Y2=R2であるから

 dφ=λdl/4πε0(H2+R2)1/2

 dl=((dX/dt)2+(dY/dt)2+(dZ/dt)2)1/2dt=((-Rsinθ)2+(Rcosθ)2)1/2dθ=Rdθ であるから、(dl=Rdθになるのは、作図をみれば明らか)

 φ=∫dφ=∫λdl/4πε0(H2+R2)1/2(dl;円環に沿った経路)=∫λ/4πε0(H2+R2)1/2Rdθ(θ;0〜2π)

 =λ/4πε0(H2+R2)1/2*2πR

 =λR/2ε0(H2+R2)1/2


ベクトルをスカラで積分する

例えば、'太さを無視できる半径Rの円環上に均一に線電荷蜜度λ(C/m)で電荷が分布する場合、円環の中心軸上の円環からの距離H (円環の中心軸をz軸とし、円環を含む平面をz=0とする)の位置での電界を求める。'で示したように、各成分それぞれの線積分を求めれば良い。


ベクトルをベクトルで内積を取りながら積分する

 三次元空間で定義されるベクトル関数)を点1から2まで経路Lにしたがって Lの接線方向(dのこと。がL上を移動する時変化dはLの接線の方向をあらわす)との内積を取りながら距離に対して積分する(の'の移動方向'の成分を移動距離に対して積分する)表現を考える。

さて、積分の一般表現は、∫・d(;Lに沿って積分する)である。

・dにおいて、・d=EXdX+EYdY+EZdZと分解されるので、 各項について一つの独立変数で積分を表現して、(第一項でXをそのまま積分変数とすれば、yとzは、xで表される従属変数)各項を別々に積分して値を求めることができる。
(すべての項を共通の独立変数で表しても良い。スカラのスカラによる積分と同じになる。)
(積分経路によって、ある変数について多価関数になるときには、値の重なりを考慮して積分する必要がある。 重なった領域においては、それぞれの領域に分けて積分する。)

またとdのなす角をφとすれば、・d=|||d|cosφであるから、 スカラ関数||cosφをスカラ|d|で積分することになる。(もちろん、スカラ関数の変数は'積分変数(一つの変数)だけで'表現されねばならない)

もし、ベクトル関数()がスカラ関数U()によって

()=gradU()と表されれば、gradU()・d=dUであるから

 ∫・d(d12
      =∫gradU()・d(d12
      =∫dU(dU;12)=U(2)-U(1)

とかける。この積分は、二点間のUの差で与えられることから、経路Lによらず一定であることが分かる。



これでこの項目は終わり

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