Beispiel: Kurvenintegral eines Vektorfeldes

Betrachten wir das Kurvenintegral eines Vektorfeldes F ( x , y ) = ( y , x ) \mathbf{F}(x,y) = (y, x) entlang der Kurve γ \gamma auf dem Kreisbogen des Einheitskreises von ( 1 , 0 ) (1,0) nach ( 0 , 1 ) (0,1) .


Definition der Kurve:

γ ( t ) = ( cos t , sin t ) , t [ 0 , π 2 ] \gamma(t) = (\cos t, \sin t), \quad t \in [0, \frac{\pi}{2}]


Vektorfeld:

F ( x , y ) = ( y , x ) \mathbf{F}(x,y) = (y, x)


Kurvenintegral:

γ F d s = 0 π / 2 F ( γ ( t ) ) γ ( t ) d t \int_{\gamma} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{s} = \int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(\gamma(t)) \cdot \gamma'(t) dt

Berechne zuerst: γ ( t ) = ( sin t , cos t ) \gamma'(t) = (-\sin t, \cos t) F ( γ ( t ) ) = ( sin t , cos t ) \mathbf{F}(\gamma(t)) = (\sin t, \cos t)

Skalarprodukt: F ( γ ( t ) ) γ ( t ) = sin t ( sin t ) + cos t cos t = sin 2 t + cos 2 t \mathbf{F}(\gamma(t)) \cdot \gamma'(t) = \sin t \cdot (-\sin t) + \cos t \cdot \cos t = -\sin^2 t + \cos^2 t

Integral: 0 π / 2 ( cos 2 t sin 2 t ) d t \int_0^{\pi/2} (\cos^2 t - \sin^2 t) dt


Berechnung

Visualisierung der Kurve und des Vektorfeldes

Das Integral ist 0 π / 2 ( cos 2 t sin 2 t ) d t = 0 π / 2 cos ( 2 t ) d t , \int_0^{\pi/2} (\cos^2 t - \sin^2 t) dt = \int_0^{\pi/2} \cos(2t) dt, weil gilt: cos 2 t sin 2 t = cos ( 2 t ) \cos^2 t - \sin^2 t = \cos(2t) .

Nun: 0 π / 2 cos ( 2 t ) d t = sin ( 2 t ) 2 0 π / 2 = sin ( π ) 2 sin ( 0 ) 2 = 0. \int_0^{\pi/2} \cos(2t) dt = \left.\frac{\sin(2t)}{2}\right|_0^{\pi/2} = \frac{\sin(\pi)}{2} - \frac{\sin(0)}{2} = 0.

Erklärung:
Die positive und negative Arbeit der Vektorfeld-Komponenten heben sich entlang dieses Kurvenabschnitts genau auf, so dass sich kein Netto-Beitrag ergibt. Alternativ bedeutet es, dass das Feld "keine Arbeit" entlang dieses Weges verrichtet.

In der Visualisierung sieht man:

  • Die Kurve verläuft vom Punkt ( 1 , 0 ) (1,0) nach ( 0 , 1 ) (0,1) auf dem Kreisbogen.
  • Das Vektorfeld F ( x , y ) = ( y , x ) \mathbf{F}(x,y) = (y, x) zeigt entlang der Kurve Vektoren, die teils parallel, teils antiparallel zur Kurvenrichtung sind.
  • Durch die Mischung positiver und negativer Beiträge (Richtung der Vektoren relativ zum Weg) heben sich die Arbeitselemente auf.
  • Insgesamt entsteht daher keine Nettoarbeit, was das Integral 0 0 erklärt.

Kurz: Die entgegengesetzte Ausrichtung der Feldvektoren entlang der Kurve ist in der Grafik erkennbar.