stringtranslate.com

Теорема Грина

В векторном исчислении теорема Грина связывает линейный интеграл по простой замкнутой кривой C с двойным интегралом по плоской области D , ограниченной C . Это двумерный частный случай теоремы Стокса .

Теорема

Пусть C — положительно ориентированная , кусочно- гладкая , простая замкнутая кривая на плоскости , и пусть D — область, ограниченная C. Если L и M являются функциями ( x , y ) , определенными в открытой области , содержащей D , и имеют там непрерывные частные производные , то

где путь интегрирования вдоль C идет против часовой стрелки . [1] [2]

В физике теорема Грина находит множество применений. Один из них решает двумерные интегралы потока, утверждая, что сумма жидкости, вытекающей из объема, равна общему вытоку, суммированному по окружающей области. В плоской геометрии и, в частности, при геодезии территорий , теорема Грина может использоваться для определения площади и центроида плоских фигур исключительно путем интегрирования по периметру.

Доказательство, когда D — простая область.

Если D — область простого типа, граница которой состоит из кривых C1 , C2 , C3, C4 , можно продемонстрировать половину теоремы Грина .

Ниже приводится доказательство половины теоремы для упрощенной области D , области типа I, где C1 и C3 — кривые, соединенные вертикальными линиями (возможно, нулевой длины). Аналогичное доказательство существует и для второй половины теоремы, когда D — область типа II, где C 2 и C 4 — кривые, соединенные горизонтальными линиями (опять же, возможно, нулевой длины). Таким образом, объединив эти две части, теорема доказана для регионов типа III (определяемых как регионы, которые относятся как к типу I, так и к типу II). Общий случай затем можно вывести из этого частного случая путем разложения D на набор областей типа III.

Если можно показать, что

и

верны, то для области D немедленно следует теорема Грина. Мы можем легко доказать ( 1 ) для областей типа I и ( 2 ) для областей типа II. Тогда теорема Грина следует для областей типа III.

Предположим, что область D является областью типа I и, таким образом, может быть охарактеризована, как показано на рисунке справа, следующим образом:

g1g2непрерывные[ a , b ] . _1

Теперь вычислите линейный интеграл в ( 1 ). C можно переписать как объединение четырех кривых : C1 , C2 , C3 , C4 .

Для C 1 используйте параметрические уравнения : x = x , y = g 1 ( x ), axb . Затем

С C 3 используйте параметрические уравнения: x = x , y = g 2 ( x ), axb . Затем

Интеграл по C 3 отменяется, поскольку он идет в отрицательном направлении от b к a , поскольку C ориентирован положительно (против часовой стрелки). На C 2 и C 4 x остается постоянным, что означает

Поэтому,

Объединив ( 3 ) с ( 4 ), получим ( 1 ) для регионов типа I. Аналогичная трактовка дает ( 2 ) для регионов типа II. Объединив эти два значения, мы получим результат для регионов типа III.

Доказательство спрямляемых жордановых кривых

Мы собираемся доказать следующее

Теорема . Пусть  —  спрямляемая, положительно ориентированная жорданова кривая , и пусть обозначает ее внутреннюю область. Предположим, что являются непрерывными функциями со свойством, которое имеет вторую частную производную в каждой точке , имеет первую частную производную в каждой точке и что функции интегрируемы по Риману по . Затем

Нам понадобятся следующие леммы, доказательства которых можно найти в: [3]

Лемма 1 (лемма о разложении)  .  Предположим, что это спрямляемая, положительно ориентированная кривая Жордана на плоскости, и пусть это ее внутренняя область. Для каждого положительного вещественного числа пусть обозначается совокупность квадратов на плоскости, ограниченной прямыми , где пробегает множество целых чисел. Тогда для этой существует разложение на конечное число непересекающихся подобластей таким образом, что

  1. Каждый из субрегионов, содержащихся , скажем , представляет собой квадрат из .
  2. Каждая из оставшихся подобластей, скажем , имеет в качестве границы спрямляемую жордановую кривую, образованную конечным числом дуг и частей сторон некоторого квадрата из .
  3. Каждую из граничных областей можно заключить в квадрат с длиной ребра .
  4. Если – положительно ориентированная граничная кривая , то
  5. Число приграничных регионов не превышает , где – длина .

Лемма 2. Пусть  —  спрямляемая кривая на плоскости, и пусть — набор точек на плоскости, расстояние от которых (диапазон) не превышает . Внешнее содержимое Jordan этого набора удовлетворяет требованиям .

Лемма 3. Пусть  —  спрямляемая кривая и непрерывная функция. Затем

и
где колебание в диапазоне .

Теперь мы можем доказать теорему:

Доказательство теоремы. Пусть – произвольное положительное действительное число. В силу непрерывности и компактности данного , существует такое, что всякий раз, когда две точки меньше, чем друг от друга, их изображения под ними меньше, чем друг от друга. Для этого рассмотрим разложение, данное предыдущей леммой. У нас есть

Помещать .

Для каждого кривая представляет собой положительно ориентированный квадрат, для которого справедлива формула Грина. Следовательно

Каждая точка приграничной области находится на расстоянии не более чем от . Таким образом, если — объединение всех приграничных областей, то ; следовательно , по лемме 2. Заметим, что

С таким же успехом мы можем выбрать так, чтобы правая часть последнего неравенства была равна

Замечание в начале этого доказательства означает, что колебания и на каждой приграничной области не более . У нас есть

По лемме 1(iii),

Объединив их, мы наконец получим

Валидность при различных гипотезах

Гипотезы последней теоремы — не единственные, при которых справедлива формула Грина. Другой распространенный набор условий следующий:

Функции по-прежнему считаются непрерывными. Однако теперь мы требуем, чтобы они были дифференцируемы по Фреше в каждой точке . Отсюда следует существование всех производных по направлению, в частности , где, как обычно, – канонический упорядоченный базис . Кроме того, мы требуем, чтобы функция была интегрируема по Риману по .

Как следствие этого, мы получаем интегральную теорему Коши для спрямляемых жордановых кривых:

Теорема (Коши)  —  Если — спрямляемая жорданова кривая в и если — непрерывное отображение, голоморфное во внутренней области , то

интеграл является комплексным контурным интегралом.
Доказательство

Мы рассматриваем комплексную плоскость как . Теперь определим , что эти функции явно непрерывны. Хорошо известно, что и дифференцируемы по Фреше и удовлетворяют уравнениям Коши-Римана: .

Теперь, анализируя суммы, используемые для определения рассматриваемого комплексного контурного интеграла, легко понять, что

интегралы на правой части являются обычными линейными интегралами. Эти замечания позволяют нам применить теорему Грина к каждому из этих линейных интегралов, завершая доказательство.

Многосвязные регионы

Теорема. Пусть – положительно ориентированные спрямляемые жордановые кривые, удовлетворяющие условию

Пусть и — непрерывные функции, ограничение которых на дифференцируемо по Фреше. Если функция

Связь с теоремой Стокса

Теорема Грина является частным случаем теоремы Кельвина-Стокса , примененной к области на -плоскости.

Мы можем дополнить двумерное поле трехмерным полем с компонентом z , который всегда равен 0. Запишите F для векторной функции . Начнём с левой части теоремы Грина:

Теорема Кельвина–Стокса:

Поверхность — это просто область на плоскости , где единичная нормаль определена (по соглашению) как имеющая положительную компоненту z, чтобы соответствовать определениям «положительной ориентации» для обеих теорем.

Выражение внутри интеграла принимает вид

Таким образом, мы получаем правую часть теоремы Грина.

Теорема Грина также является прямым результатом общей теоремы Стокса с использованием дифференциальных форм и внешних производных :

Связь с теоремой о дивергенции

Рассматривая только двумерные векторные поля, теорема Грина эквивалентна двумерной версии теоремы о дивергенции :

где – дивергенция двумерного векторного поля , – направленный наружу единичный вектор нормали на границе.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим единичную нормаль в правой части уравнения. Поскольку в теореме Грина это вектор, направленный по касательной вдоль кривой, а кривая C представляет собой положительно ориентированную (т. е. против часовой стрелки) кривую вдоль границы, внешней нормалью будет вектор, указывающий на 90° вправо от нее; один из вариантов был бы . Длина этого вектора равна So

Начнём с левой части теоремы Грина:

Расчет площади

Теорему Грина можно использовать для вычисления площади по линейному интегралу. [4] Площадь плоской области определяется выражением

Выберите и такое , чтобы площадь была равна

Возможные формулы площади включения [4]

История

Он назван в честь Джорджа Грина , который заявил аналогичный результат в статье 1828 года под названием « Очерк применения математического анализа к теориям электричества и магнетизма» . В 1846 году Огюстен-Луи Коши опубликовал статью, в которой в предпоследнем предложении была сформулирована теорема Грина. Фактически это первая печатная версия теоремы Грина в той форме, которая присутствует в современных учебниках. Бернхард Риман дал первое доказательство теоремы Грина в своей докторской диссертации по теории функций комплексной переменной. [5] [6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Райли, К.Ф.; Хобсон, член парламента; Бенс, SJ (2010). Математические методы в физике и технике . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-86153-3.
  2. ^ Шпигель, MR; Липшуц, С.; Спеллман, Д. (2009). Векторный анализ . Очерки Шаума (2-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN 978-0-07-161545-7.
  3. ^ Апостол, Том (1960). Математический анализ (1-е изд.). Ридинг, Массачусетс, США: Addison-Wesley Publishing Company, INC.
  4. ^ Аб Стюарт, Джеймс (1999). Исчисление (6-е изд.). Томсон, Брукс/Коул. ISBN 9780534359492.
  5. ^ Джордж Грин, Очерк применения математического анализа к теориям электричества и магнетизма (Ноттингем, Англия: Т. Уилхаус, 1828). На самом деле Грин не вывел форму «теоремы Грина», которая появляется в этой статье; скорее, он вывел форму «теоремы о дивергенции», которая появляется на страницах 10–12 его « Эссе» .
    В 1846 году форма «теоремы Грина», представленная в этой статье, была впервые опубликована без доказательства в статье Огюстена Коши : А. Коши (1846) «Sur les intégrales qui s'étendent à tous les point d'une courbe Fermée» (Об интегралах, распространяющихся по всем точкам замкнутой кривой), Comptes rendus , 23 : 251–255. (Уравнение появляется внизу страницы 254, где ( S ) обозначает линейный интеграл функции k вдоль кривой s , охватывающей область S. )
    Окончательное доказательство теоремы было представлено в 1851 году Бернхардом Риманом в его первой книге. диссертация: Бернхард Риман (1851) Grundlagen für eine allgemeine Theorie der Functionen einer veränderlichen complexen Grösse (Основы общей теории функций переменной комплексной величины), (Геттинген, (Германия): Адальберт Ренте, 1867); см. страницы 8–9.
  6. ^ Кац, Виктор (2009). «22.3.3: Комплексные функции и линейные интегралы». История математики: Введение . Аддисон-Уэсли. стр. 801–5. ISBN 978-0-321-38700-4.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки