Теорема Грина - Википедия - Greens theorem

В векторном исчислении Теорема Грина связывает линейный интеграл вокруг простая замкнутая кривая ${ displaystyle C}$ к двойной интеграл над самолет область, край ${ displaystyle D}$ ограничен ${ displaystyle C}$. Это двумерный частный случай Теорема Стокса.

Теорема

Позволять ${ displaystyle C}$ быть положительно ориентированный, кусочно гладкий, простая замкнутая кривая в самолет, и разреши ${ displaystyle D}$ быть областью, ограниченной ${ displaystyle C}$. Если L и M являются функциями ${ Displaystyle (х, у)}$ определено на открытый регион содержащий ${ displaystyle D}$ и имея непрерывный частные производные там тогда

${ displaystyle { scriptstyle C}}$ ${ Displaystyle (L , dx + M , dy) = iint _ {D} left ({ frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} right) , dx , dy}$

где путь интеграции по C является против часовой стрелки.^[1][2]

В физике теорема Грина находит множество приложений. Один из них решает двумерные интегралы потока, утверждая, что сумма жидкости, истекающей из объема, равна полному истечению, суммированному для окружающей области. В плоская геометрия, и в частности, площадь геодезия Теорема Грина может быть использована для определения площади и центра тяжести плоских фигур исключительно путем интегрирования по периметру.

Доказательство, когда D это простой регион

Если D представляет собой простую область типа I, граница которой состоит из кривых C₁, C₂, C₃, C₄, можно продемонстрировать половину теоремы Грина.

Ниже приводится доказательство половины теоремы для упрощенной области. D, регион типа I, где C₁ и C₃ - кривые, соединенные вертикальными линиями (возможно, нулевой длины). Аналогичное доказательство существует и для другой половины теоремы, когда D регион типа II, где C₂ и C₄ - кривые, соединенные горизонтальными линиями (опять же, возможно, нулевой длины). Таким образом, объединяя эти две части, теорема доказывается для областей типа III (определяемых как области, которые относятся к типу I и типу II). Общий случай можно вывести из этого частного случая, разложив D в набор регионов III типа.

Если можно показать, что если

${ displaystyle oint _ {C} L , dx = iint _ {D} left (- { frac { partial L} { partial y}} right) , dA qquad mathrm {( 1)}}$

и

${ displaystyle oint _ {C} M , dy = iint _ {D} left ({ frac { partial M} { partial x}} right) , dA qquad mathrm {( 2)}}$

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

Предположим регион D является областью типа I и, таким образом, может быть охарактеризована, как показано на рисунке справа,

${ displaystyle D = {(x, y) mid a leq x leq b, g_ {1} (x) leq y leq g_ {2} (x) }}$

куда грамм₁ и грамм₂ находятся непрерывные функции на [а, б]. Вычислите двойной интеграл в (1):

${ displaystyle { begin {align} iint _ {D} { frac { partial L} { partial y}} , dA & = int _ {a} ^ {b} , int _ {g_ {1} (x)} ^ {g_ {2} (x)} { frac { partial L} { partial y}} (x, y) , dy , dx & = int _ { a} ^ {b} { Big {} L (x, g_ {2} (x)) - L (x, g_ {1} (x)) { Big }} , dx. qquad mathrm {(3)} конец {выровнено}}}$

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

С C₁, использовать параметрические уравнения: Икс = Икс, у = грамм₁(Икс), а ≤ Икс ≤ б. потом

${ displaystyle int _ {C_ {1}} L (x, y) , dx = int _ {a} ^ {b} L (x, g_ {1} (x)) , dx.}$

С C₃, используйте параметрические уравнения: Икс = Икс, у = грамм₂(Икс), а ≤ Икс ≤ б. потом

${ Displaystyle int _ {C_ {3}} L (x, y) , dx = - int _ {- C_ {3}} L (x, y) , dx = - int _ {a} ^ {b} L (x, g_ {2} (x)) , dx.}$

Интеграл по C₃ отрицается, потому что идет в отрицательном направлении от б к а, так как C ориентирована положительно (против часовой стрелки). На C₂ и C₄, Икс остается постоянным, то есть

${ Displaystyle int _ {C_ {4}} L (x, y) , dx = int _ {C_ {2}} L (x, y) , dx = 0.}$

Следовательно,

${ displaystyle { begin {align} int _ {C} L , dx & = int _ {C_ {1}} L (x, y) , dx + int _ {C_ {2}} L (x , y) , dx + int _ {C_ {3}} L (x, y) , dx + int _ {C_ {4}} L (x, y) , dx & = int _ { a} ^ {b} L (x, g_ {1} (x)) , dx- int _ {a} ^ {b} L (x, g_ {2} (x)) , dx. qquad mathrm {(4)} конец {выровнено}}}$

Комбинируя (3) с (4), мы получаем (1) для областей типа I. Аналогичная обработка дает (2) для областей типа II. Соединяя их вместе, мы получаем результат для регионов III типа.

Доказательство спрямляемой жордановой кривой.

Мы собираемся доказать следующее

Теорема. Позволять ${ displaystyle Gamma}$ быть исправляемым, позитивно ориентированным Кривая Иордании в ${ displaystyle mathbf {R} ^ {2}}$ и разреши ${ displaystyle R}$ обозначают его внутреннюю область. Предположим, что ${ displaystyle A, B: { overline {R}} longrightarrow mathbf {R}}$ являются непрерывными функциями со свойством ${ displaystyle A}$ имеет вторую частную производную в каждой точке ${ displaystyle R}$, ${ displaystyle B}$ имеет первую частную производную в каждой точке ${ displaystyle R}$ и что функции ${ displaystyle D_ {1} B}$, ${ displaystyle D_ {2} A: R longrightarrow mathbf {R}}$ интегрируемы по Риману над ${ displaystyle R}$. потом

$${ Displaystyle int _ { Gamma} A , dx + B , dy = int _ {R} , , left (D_ {1} B (x, y) -D_ {2} A ( x, y) right) , d (x, y).}$$

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

Лемма 1 (лемма о разложении). Предполагать ${ displaystyle Gamma}$ является спрямляемой положительно ориентированной жордановой кривой на плоскости, и пусть ${ displaystyle R}$ быть его внутренней областью. Для каждого позитивного реального ${ displaystyle delta}$, позволять ${ Displaystyle { mathcal {F}} ( дельта)}$ обозначим совокупность квадратов на плоскости, ограниченную прямыми ${ Displaystyle х = м дельта, у = м дельта}$, куда ${ displaystyle m}$ пробегает набор целых чисел. Тогда для этого ${ displaystyle delta}$, существует разложение ${ displaystyle { overline {R}}}$ на конечное число неперекрывающихся подобластей таким образом, что

(i) Каждый из субрегионов, входящих в ${ displaystyle R}$, сказать ${ Displaystyle R_ {1}, R_ {2}, ldots, R_ {k}}$, это квадрат из ${ Displaystyle { mathcal {F}} ( дельта)}$.

(ii) Каждый из оставшихся субрегионов, скажем, ${ Displaystyle R_ {k + 1}, ldots, R_ {s}}$, имеет в качестве границы спрямляемую жорданову кривую, образованную конечным числом дуг ${ displaystyle Gamma}$ и части сторон некоторого квадрата из ${ Displaystyle { mathcal {F}} ( дельта)}$.

(iii) Каждый из приграничных регионов ${ Displaystyle R_ {к + 1}, ldots, R_ {s}}$ может быть заключен в квадрат длиной до кромки ${ displaystyle 2 delta}$.

(iv) Если ${ displaystyle Gamma _ {i}}$ положительно ориентированная граничная кривая ${ displaystyle R_ {i}}$, тогда ${ displaystyle Gamma = Gamma _ {1} + Gamma _ {2} + cdots + Gamma _ {s}.}$

(v) Число ${ displaystyle s-k}$ приграничных регионов не более ${ displaystyle 4 ! left ({ frac { Lambda} { delta}} + 1 right)}$, куда ${ displaystyle Lambda}$ это длина ${ displaystyle Gamma}$.

Лемма 2. Позволять ${ displaystyle Gamma}$ - спрямляемая кривая на плоскости и пусть ${ Displaystyle Delta _ { Gamma} (ч)}$ набор точек на плоскости, расстояние от которых (диапазон) ${ displaystyle Gamma}$ самое большее ${ displaystyle h}$. Внешнее жордановое содержание этого множества удовлетворяет ${ displaystyle { overline {c}} , , Delta _ { Gamma} (h) leq 2h Lambda + pi h ^ {2}}$.

Лемма 3. Позволять ${ displaystyle Gamma}$ быть спрямляемой кривой в ${ displaystyle mathbf {R} ^ {2}}$ и разреши ${ displaystyle f: { text {диапазон}} Gamma longrightarrow mathbf {R}}$ - непрерывная функция. потом

${ displaystyle left vert int _ { Gamma} f (x, y) , dy right vert}$ и

${ displaystyle left vert int _ { Gamma} f (x, y) , dx right vert}$ находятся ${ displaystyle leq { frac {1} {2}} Lambda Omega _ {f},}$куда ${ displaystyle Omega _ {f}}$ колебание ${ displaystyle f}$ в диапазоне ${ displaystyle Gamma}$.

Теперь мы готовы доказать теорему:

Доказательство теоремы. Позволять ${ displaystyle varepsilon}$ - произвольное положительное действительное число. По преемственности ${ displaystyle A}$, ${ displaystyle B}$ и компактность ${ displaystyle { overline {R}}}$, данный ${ displaystyle varepsilon> 0}$, Существует ${ Displaystyle 0 < дельта <1}$ так что всякий раз, когда две точки ${ displaystyle { overline {R}}}$ меньше чем ${ displaystyle 2 { sqrt {2}} , delta}$ отдельно, их изображения под ${ displaystyle A, B}$ меньше чем ${ displaystyle varepsilon}$ Кроме. За это ${ displaystyle delta}$рассмотрим разложение, данное предыдущей леммой. У нас есть

${ Displaystyle int _ { Gamma} A , dx + B , dy = sum _ {i = 1} ^ {k} int _ { Gamma _ {i}} A , dx + B , dy quad + sum _ {i = k + 1} ^ {s} int _ { Gamma _ {i}} A , dx + B , dy.}$

Положить ${ displaystyle varphi: = D_ {1} B-D_ {2} A}$.

Для каждого ${ Displaystyle я в {1, ldots, к }}$, Кривая ${ displaystyle Gamma _ {i}}$ положительно ориентированный квадрат, для которого справедлива формула Грина. Следовательно

${ displaystyle sum _ {я = 1} ^ {k} int _ { Gamma _ {i}} A , dx + B , dy = sum _ {я = 1} ^ {k} int _ {R_ {i}} , , varphi = int _ { bigcup _ {i = 1} ^ {k} R_ {i}} , varphi.}$

Каждая точка приграничной области находится на расстоянии не более ${ displaystyle 2 { sqrt {2}} , delta}$ из ${ displaystyle Gamma}$. Таким образом, если ${ displaystyle K}$ является объединением всех приграничных регионов, то ${ displaystyle K subset Delta _ { Gamma} (2 { sqrt {2}} , delta)}$; следовательно ${ displaystyle c (K) leq { overline {c}} , Delta _ { Gamma} (2 { sqrt {2}} , delta) leq 4 { sqrt {2}} , delta +8 pi delta ^ {2}}$, по лемме 2. Заметим, что

${ displaystyle int _ {R} varphi , , - int _ { bigcup _ {i = 1} ^ {k} R_ {i}} varphi = int _ {K} varphi.}$ Это дает

${ displaystyle left vert sum _ {i = 1} ^ {k} int _ { Gamma _ {i}} A , dx + B , dy quad - int _ {R} varphi right vert leq M delta (1+ pi { sqrt {2}} , delta) { text {для некоторых}} M> 0.}$

Мы также можем выбрать ${ displaystyle delta}$ так что правая часть последнего неравенства равна ${ displaystyle < varepsilon.}$

Замечание в начале этого доказательства означает, что колебания ${ displaystyle A}$ и ${ displaystyle B}$ на каждом приграничном районе не более ${ displaystyle varepsilon}$. У нас есть

${ displaystyle left vert sum _ {i = k + 1} ^ {s} int _ { Gamma _ {i}} A , dx + B , dy right vert leq { frac {1} {2}} varepsilon sum _ {i = k + 1} ^ {s} Lambda _ {i}.}$

По лемме 1 (iii)

${ displaystyle sum _ {i = k + 1} ^ {s} Lambda _ {i} leq Lambda + (4 delta) , 4 ! left ({ frac { Lambda} { delta}} + 1 right) leq 17 Lambda +16.}$

Комбинируя их, мы наконец получаем

${ Displaystyle left vert int _ { Gamma} A , dx + B , dy quad - int _ {R} varphi right vert$

для некоторых ${ displaystyle C> 0}$. Поскольку это верно для каждого ${ displaystyle varepsilon> 0}$, мы сделали.

Действительность при разных гипотезах

Гипотеза последней теоремы - не единственная, при которой формула Грина верна. Еще один распространенный набор условий:

Функции ${ displaystyle A, B: { overline {R}} longrightarrow mathbf {R}}$ по-прежнему считаются непрерывными. Однако теперь мы требуем, чтобы они были дифференцируемыми по Фреше в каждой точке ${ displaystyle R}$. Отсюда следует существование всех производных по направлениям, в частности ${ displaystyle D_ {e_ {i}} A =: D_ {i} A, D_ {e_ {i}} B =: D_ {i} B, , i = 1,2}$, где, как обычно, ${ Displaystyle (е_ {1}, е_ {2})}$ канонический упорядоченный базис ${ displaystyle mathbf {R} ^ {2}}$. Кроме того, нам потребуется функция ${ displaystyle D_ {1} B-D_ {2} A}$ быть интегрируемым по Риману над ${ displaystyle R}$.

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

Теорема (Коши). Если ${ displaystyle Gamma}$ является спрямляемой жордановой кривой в ${ displaystyle mathbf {C}}$ и если ${ displaystyle f: { text {закрытие внутренней области}} Gamma longrightarrow mathbf {C}}$ - непрерывное отображение, голоморфное во всей внутренней области ${ displaystyle Gamma}$, тогда

${ displaystyle int _ { Gamma} f = 0,}$

интеграл является комплексным контурным интегралом.

Доказательство. Мы рассматриваем комплексную плоскость как ${ displaystyle mathbf {R} ^ {2}}$. Теперь определим ${ displaystyle u, v: { overline {R}} longrightarrow mathbf {R}}$ быть таким, чтобы ${ Displaystyle f (x + iy) = u (x, y) + iv (x, y).}$ Эти функции явно непрерывны. Хорошо известно, что ${ displaystyle u}$ и ${ displaystyle v}$ дифференцируемы по Фреше и удовлетворяют уравнениям Коши-Римана: ${ displaystyle D_ {1} v + D_ {2} u = D_ {1} u-D_ {2} v = { text {нулевая функция}}}$.

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

${ Displaystyle int _ { Gamma} е = int _ { Gamma} и , dx-v , dy quad + i int _ { Gamma} v , dx + u , dy,}$

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

Многосвязные регионы

Теорема. Позволять ${ Displaystyle Gamma _ {0}, Gamma _ {1}, ldots, Gamma _ {n}}$ - положительно ориентированные спрямляемые жордановы кривые в ${ displaystyle mathbf {R} ^ {2}}$ удовлетворение

${ displaystyle { begin {align} Gamma _ {i} subset R_ {0}, && { text {if}} 1 leq i leq n Gamma _ {i} subset mathbf { R} ^ {2} smallsetminus { overline {R}} _ {j}, && { text {if}} 1 leq i, j leq n { text {and}} i neq j, конец {выровнен}}}$

куда ${ displaystyle R_ {i}}$ это внутренняя область ${ displaystyle Gamma _ {i}}$. Позволять

${ displaystyle D = R_ {0} smallsetminus ({ overline {R}} _ {1} cup { overline {R}} _ {2} cup cdots cup { overline {R}} _ {n}).}$

Предполагать ${ displaystyle p: { overline {D}} longrightarrow mathbf {R}}$ и ${ displaystyle q: { overline {D}} longrightarrow mathbf {R}}$ - непрерывные функции, ограничение которых на ${ displaystyle D}$ дифференцируема по Фреше. Если функция

${ displaystyle (x, y) longmapsto { frac { partial q} { partial e_ {1}}} (x, y) - { frac { partial p} { partial e_ {2}}} (х, у)}$

интегрируема по Риману над ${ displaystyle D}$, тогда

${ Displaystyle { begin {align} & int _ { Gamma _ {0}} p (x, y) , dx + q (x, y) , dy- sum _ {i = 1} ^ {n} int _ { Gamma _ {i}} p (x, y) , dx + q (x, y) , dy [5pt] = {} & int _ {D} left {{ frac { partial q} { partial e_ {1}}} (x, y) - { frac { partial p} { partial e_ {2}}} (x, y) right } , d (x, y). end {выровнено}}}$

Связь с теоремой Стокса

Теорема Грина - частный случай Теорема Кельвина – Стокса, применительно к области в ${ displaystyle xy}$-самолет.

Мы можем дополнить двумерное поле до трехмерного поля с z компонент, который всегда равен 0. Запись F для вектор -значная функция ${ Displaystyle mathbf {F} = (L, M, 0)}$. Начнем с левой части теоремы Грина:

${ Displaystyle oint _ {C} (L , dx + M , dy) = oint _ {C} (L, M, 0) cdot (dx, dy, dz) = oint _ {C} mathbf {F} cdot d mathbf {r}.}$

Теорема Кельвина – Стокса:

${ displaystyle oint _ {C} mathbf {F} cdot d mathbf {r} = iint _ {S} nabla times mathbf {F} cdot mathbf { hat {n}} , dS.}$

Поверхность ${ displaystyle S}$ это просто регион в плоскости ${ displaystyle D}$, с нормальным агрегатом ${ Displaystyle mathbf { шляпа {п}}}$ определено (по соглашению), чтобы иметь положительный компонент z, чтобы соответствовать определениям "положительной ориентации" для обеих теорем.

Выражение внутри интеграла принимает вид

${ displaystyle nabla times mathbf {F} cdot mathbf { hat {n}} = left [ left ({ frac { partial 0} { partial y}} - { frac { частичный M} { partial z}} right) mathbf {i} + left ({ frac { partial L} { partial z}} - { frac { partial 0} { partial x}} right) mathbf {j} + left ({ frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} right) mathbf {k} right] cdot mathbf {k} = left ({ frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} right).}$

Таким образом, мы получаем правую часть теоремы Грина

${ displaystyle iint _ {S} nabla times mathbf {F} cdot mathbf { hat {n}} , dS = iint _ {D} left ({ frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} right) , dA.}$

Теорема Грина также является прямым результатом общей теоремы Стокса с использованием дифференциальные формы и внешние производные:

${ displaystyle { begin {align} & oint _ {C} L , dx + M , dy = oint _ { partial D} omega = int _ {D} , d omega [5pt] = {} & int _ {D} { frac { partial L} { partial y}} , dy wedge , dx + { frac { partial M} { partial x}} , dx wedge , dy = iint _ {D} left ({ frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} right) , dx , dy. end {align}}}$

Связь с теоремой о расходимости

Рассматривая только двумерные векторные поля, теорема Грина эквивалентна двумерной версии теории теорема расходимости:

${ Displaystyle iiint _ {V} left ( mathbf { nabla} cdot mathbf {F} right) , dV =}$ ${ displaystyle partial scriptstyle V}$ ${ displaystyle ( mathbf {F} cdot mathbf { hat {n}}) , dS.}$

куда ${ Displaystyle набла cdot mathbf {F}}$ - дивергенция на двумерном векторном поле ${ displaystyle mathbf {F}}$, и ${ Displaystyle mathbf { шляпа {п}}}$ - направленный наружу единичный вектор нормали на границе.

Чтобы в этом убедиться, считайте агрегат нормальным. ${ Displaystyle mathbf { шляпа {п}}}$ в правой части уравнения. Поскольку в теореме Грина ${ displaystyle d mathbf {r} = (dx, dy)}$ - вектор, касательный вдоль кривой, а кривая C положительно ориентированная (то есть против часовой стрелки) кривая вдоль границы, внешняя нормаль будет вектором, который указывает на 90 ° вправо от нее; один выбор был бы ${ displaystyle (dy, -dx)}$. Длина этого вектора равна ${ displaystyle { sqrt {dx ^ {2} + dy ^ {2}}} = ds.}$ Так ${ displaystyle (dy, -dx) = mathbf { hat {n}} , ds.}$

Начнем с левой части теоремы Грина:

${ Displaystyle oint _ {C} (L , dx + M , dy) = oint _ {C} (M, -L) cdot (dy, -dx) = oint _ {C} (M , -L) cdot mathbf { hat {n}} , ds.}$

Применяя теорему о двумерной расходимости с ${ Displaystyle mathbf {F} = (M, -L)}$, получаем правую часть теоремы Грина:

${ Displaystyle oint _ {C} (M, -L) cdot mathbf { hat {n}} , ds = iint _ {D} left ( nabla cdot (M, -L) right) , dA = iint _ {D} left ({ frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} right) , dA .}$

Расчет площади

Теорема Грина может использоваться для вычисления площади с помощью линейного интеграла.^[4] Площадь плоской области ${ displaystyle D}$ дан кем-то

${ displaystyle A = iint _ {D} dA.}$

выбирать ${ displaystyle L}$ и ${ displaystyle M}$ такой, что ${ displaystyle { frac { partial M} { partial x}} - { frac { partial L} { partial y}} = 1}$, площадь определяется как

${ Displaystyle A = oint _ {C} (L , dx + M , dy).}$

Возможные формулы для площади ${ displaystyle D}$ включают^[4]

${ displaystyle A = oint _ {C} x , dy = - oint _ {C} y , dx = { tfrac {1} {2}} oint _ {C} (- y , dx + x , dy).}$

История

Он назван в честь Джордж Грин, который указал аналогичный результат в статье 1828 г., озаглавленной Очерк применения математического анализа к теориям электричества и магнетизма. В 1846 г. Огюстен-Луи Коши опубликовал статью, в которой теорема Грина была указана в качестве предпоследнего предложения. Фактически, это первая печатная версия теоремы Грина в том виде, в котором она встречается в современных учебниках. Бернхард Риманн дал первое доказательство теоремы Грина в своей докторской диссертации по теории функций комплексного переменного.^[5][6]

Смотрите также

• Планиметр
• Способ оплаты имиджа - Метод, используемый в электростатике, который использует преимущество теоремы единственности (полученной из теоремы Грина)
• Формула шнурков - Частный случай теоремы Грина для простых многоугольников.

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Марсден, Джеррольд Э .; Тромба, Энтони Дж. (2003). «Интегральные теоремы векторного анализа». Векторное исчисление (Пятое изд.). Нью-Йорк: Фриман. С. 518–608. ISBN  0-7167-4992-0.

внешняя ссылка

• Теорема Грина о MathWorld