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大学数学基礎解説
文献あり

面積分学習記録 (2) 【ガウスの発散定理】

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全体の概要

この記事は,前回の『 面積分学習記録 (1) 』の続きです。

今回は『ガウスの発散定理』の証明が目標です。

以下では,特に断りのない限り,$N \in \mathbb{Z} \cap \left[ 2 ,\, \infty \right)$ とします。

また,$\Omega \subset \mathbb{R}^{N}$ を有界領域,$\partial \Omega \subset \mathbb{R}^{N}$$\Omega$ の境界とし,$\overline{\Omega} := \Omega \cup \partial \Omega$ とします。
${}$

関数のグラフの定義については再掲します:

(関数のグラフ)

$D \subset \mathbb{R}^{N-1}$ を空でない集合とする。

  1. $f \, \boldsymbol{:} \, D \to \mathbb{R}$ を実数値関数とする。このとき,集合 $ \displaystyle G \left( D \, ; \, f \right) \subset D \times f(D) $ を,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} G \left( D \, ; \, f \right) := \Bigl\{ \, \left( x ,\, f (x) \right) \ \, \Big{|} \, \ x \in D \, \Bigr\} \end{aligned} \end{align*}
    として定める。
    ${}$

  2. $f_{1} ,\, \dots ,\, f_{N-1} ,\, f_{N} \, \boldsymbol{:} \, D \to \mathbb{R}$ を実数値関数とする。このとき,集合 $ \displaystyle G \left( D \, ; \, f_{1} ,\, \dots ,\, f_{N-1} ,\, f_{N} \right) \subset \prod_{j=1}^{N-1} f_{j} (D) \times f_{N} (D) $ を,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} G \left( D \, ; \, f_{1} ,\, \dots ,\, f_{N-1} ,\, f_{N} \right) := \Bigl\{ \, \left( f_{1} (x) ,\, \dots ,\, f_{N-1} (x) ,\, f_{N} (x) \right) \ \, \Big{|} \, \ x \in D \, \Bigr\} \end{aligned} \end{align*}
    として定める。

${}$

境界の滑らかさ

$\displaystyle k \in \mathbb{N} \cup \left\{ 0 \right\} \cup \left\{ \infty \right\} \cup \left\{ \omega \right\} $ とする。
${}$

(境界の平滑性)

$\partial \Omega$$C^{k}$ 級境界 であるということを,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & \forall \, \Gamma \subset \partial \Omega \ \boldsymbol{:} \ \mathsf{十分小さく、空でない、単連結な有界\color{blue}{閉集合}} \, \boldsymbol{,} \\[5pt] & \exists \, D \subset \mathbb{R}^{N-1} \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, \gamma \in C^{k} (D) \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, \sigma \, \boldsymbol{:} \, \mathbb{R}^{N} \to \mathbb{R}^{N} \, \boldsymbol{:} \, \textsf{合同変換} \ \ \boldsymbol{;} \qquad \sigma ( \Gamma ) = G \left( D \, ; \, \gamma \right) \end{aligned} \end{align*}
として定める。

${}$

なお,境界が極座標などで表現されるような場合,$\partial \Omega$$C^{k}$ 性は以下のようになる:

(境界の平滑性)

$\partial \Omega$$C^{k}$ 級境界 であるということを,

\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & \forall \, \Gamma \subset \partial \Omega \ \boldsymbol{:} \ \mathsf{十分小さく、空でない、単連結な有界\color{blue}{閉集合}} \, \boldsymbol{,} \\[5pt] & \exists \, V \subset \mathbb{R}^{N-1} \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, \gamma_{1} ,\, \dots ,\, \gamma_{N-1} ,\, \gamma_{N} \in C^{k} (V) \ \boldsymbol{;} \qquad \Gamma = G \left( V \, ; \, \gamma_{1} ,\, \dots ,\, \gamma_{N-1} ,\, \gamma_{N} \right) \end{aligned} \end{align*}
として定める。

境界の滑らかさの定義は,前回内容の『曲面の平滑性』の定義を踏襲している。

${}$

単位法ベクトルと方向  (外向き/内向き)

$\partial \Omega$$C^{1}$ 級境界とし,$x_{0} \in \partial \Omega$ を任意の点 (ベクトル) とする。
$\\[5pt]$
ここで,$ \boldsymbol{\nu} := \boldsymbol{\nu} \left( x_{0} \right) \in \mathbb{R}^{N} $ を単位ベクトルとし,$x_{0}$ を含む十分小さい閉近傍を $\Gamma \subset \partial \Omega$ とする。

このとき,ある $ \displaystyle D \subset \mathbb{R}^{N-1} \, \boldsymbol{,} \ \ \gamma \in C^{1} (D) \, \boldsymbol{,} \ \ \textsf{合同変換}\ \ \sigma \, \boldsymbol{:} \, \mathbb{R}^{N} \to \mathbb{R}^{N} $ によって,$\sigma \left( \Gamma \right) = G \left( D \, ; \, \gamma \right)$ と表される。
${}$
また,$ \displaystyle \tilde{x}_{0} := \sigma \left( x_{0} \right) \, \boldsymbol{,} \ \ \tilde{\Gamma} := \sigma \left( \Gamma \right) $ とし,$\sigma$ に対応する回転行列を $R \in \mathbb{R}^{N \times N}$ とする。
${}$
さらに,ベクトル値関数 $ \displaystyle \tilde{\boldsymbol{\nu}} \, \boldsymbol{:} \ \tilde{\Gamma} \to \mathbb{R}^{N} $ を単位法ベクトル場とすると,
\begin{align} \qquad \begin{aligned} \left| \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right| = 1 \qquad \textsf{かつ} \qquad \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \perp \mathrm{T}_{\tilde{x}_{0}} ( \tilde{\Gamma} ) \end{aligned} \end{align}
を満たす。

${}$

(単位法ベクトルと方向  (外向き/内向き) )

単位ベクトル $\boldsymbol{\nu}$ が,条件
\begin{align} \qquad \begin{aligned} \displaystyle \boldsymbol{\nu} = R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \end{aligned} \end{align}
を満たすとする。このとき $\boldsymbol{\nu}$ を,$x_{0}$ における $\partial \Omega$ 上の単位法ベクトル と呼ぶ。

また,

  1. $\boldsymbol{\nu}$$\Omega$ に対して 外向き であるということを,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \exists \, r > 0 \ \boldsymbol{;} \quad \forall \, \varepsilon \in \left( 0 ,\, r \right) \, \boldsymbol{,} \qquad x_{0} + \varepsilon \boldsymbol{\nu} \in \mathbb{R}^{N} \setminus \overline{\Omega} \end{aligned} \end{align*}
    を満たすこととして定める;
    $\\[5pt]$

  2. $\boldsymbol{\nu}$$\Omega$ に対して 内向き であるということを,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \exists \, r > 0 \ \boldsymbol{;} \quad \forall \, \varepsilon \in \left( 0 ,\, r \right) \, \boldsymbol{,} \qquad x_{0} + \varepsilon \boldsymbol{\nu} \in \Omega \end{aligned} \end{align*}
    を満たすこととして定める。

  1. $ \displaystyle R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) $ は単位ベクトルである。実際に,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \left| R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right|^{2} &= \left( R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right)^{\mathsf{T}} \left( R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right) \\[5pt] &= \left\{ \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right)^{\mathsf{T}} \left( R^{-1} \right)^{\mathsf{T}} \right\} \left( R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right) \\[5pt] &= \left\{ \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right)^{\mathsf{T}} \left( R^{\mathsf{T}} \right)^{\mathsf{T}} \right\} \left( R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right) \\[5pt] &= \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right)^{\mathsf{T}} \left( R R^{-1} \right) \ \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) = \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right)^{\mathsf{T}} \ E_{N} \ \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \\[5pt] &= \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right)^{\mathsf{T}} \ \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) = \left| \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) \right|^{2} = 1 \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  2. $ \displaystyle \boldsymbol{\nu} = R^{-1} \, \tilde{\boldsymbol{\nu}} \left( \tilde{x}_{0} \right) $ のとき,$x_{0}$ における $\partial \Omega$ 上の接平面 $\mathrm{T}_{x_{0}} \left( \partial \Omega \right)$ は,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \mathrm{T}_{x_{0}} \left( \partial \Omega \right) = \Bigl\{ \ x \in \mathbb{R}^{N} \ \, \Big{|} \, \ \boldsymbol{\nu} \boldsymbol{\cdot} \left( x - x_{0} \right) = 0 \ \Bigr\} \end{aligned} \end{align*}
    と表される。

$\\[5pt]$

ガウス--グリーンの定理

(ガウス--グリーンの定理)

$\partial \Omega$$C^{1}$ 級境界,$ \displaystyle \boldsymbol{\nu} := \left( \nu_{1} ,\, \dots ,\, \nu_{N} \right) \, \boldsymbol{:} \, \partial \Omega \to \mathbb{R}^{N} $$\partial \Omega$ 上の外向き単位法ベクトル場とし,$u \in C^{1} ( \overline{\Omega} )$ とする。
このとき,各 $j \in \left\{ 1 ,\, \dots ,\, N \right\}$ に対して,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx = \int_{ \partial \Omega } u \, \nu_{j} \ dS \end{aligned} \end{align*}
が成り立つ。(ここで,$ x = \left( x_{1} ,\, \dots ,\, x_{N} \right) \, \boldsymbol{,} \ \ dx = dx_{1} \cdots dx_{N} $ である。)

  1. ある有界閉集合 $K \subset \mathbb{R}^{N}$ および $\psi \in C_{0}^{\infty} \left( \mathbb{R}^{N} \right)$ として,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \overline{\Omega} \subset K \qquad \textsf{かつ} \qquad \left\{ \begin{array}{l} \psi ( \overline{\Omega} ) = \left\{ 1 \right\} \\[5pt] \psi ( K \setminus \overline{\Omega} ) = \left[ 0 ,\, 1 \right) \\[5pt] \psi ( \mathbb{R}^{N} \setminus K ) = \left\{ 0 \right\} \end{array} \right. \end{aligned} \end{align*}
    を満たすものを取り,$u$$\mathbb{R}^{N}$ への拡張 $ \displaystyle \tilde{u} := \left. u \right|_{\mathbb{R}^{N}} \, \boldsymbol{:} \, \mathbb{R}^{N} \to \mathbb{R} $ を,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \tilde{u} \left( x \right) := \psi (x) \cdot u ( x ) = \left\{ \begin{array}{cl} u ( x ) &{\quad} \left( \ x \in \overline{\Omega} \ \right) \\[0pt] \psi (x) \cdot u ( x ) &{\quad} \left( \ x \in K \setminus \overline{\Omega} \ \right) \\[2.5pt] 0 &{\quad} \left( \ x \in \mathbb{R}^{N} \setminus K \ \right) \end{array} \right. \end{aligned} \qquad \left( \ \forall \, x \in \mathbb{R}^{N} \ \right) \end{align*}
    として定める。このとき,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \tilde{u} \in C^{1}_{0} \left( \mathbb{R}^{N} \right) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  2. $\partial \Omega$ は有界閉集合かつ $C^{1}$ 級なので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & \exists \, m \in \mathbb{Z} \cap \left[ 1 ,\, \infty \right) \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, \Gamma_{1} ,\, \dots ,\, \Gamma_{m} \subset \partial \Omega \, \boldsymbol{:} \, \textsf{十分小さい、空でない、単連結な有界閉集合} \ \boldsymbol{;} \\[7.5pt] & \forall \, i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\} \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, D_{i} \subset \mathbb{R}^{N-1} \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, \gamma_{i} \in C^{1} ( D_{i} ) \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, \sigma_{i} \, \boldsymbol{:} \, \mathbb{R}^{N} \to \mathbb{R}^{N} \, \boldsymbol{:} \, \textsf{合同変換} \ \boldsymbol{;} \\[7.5pt] & \left[ \ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) = G \left( D_{i} \, ; \, \gamma_{i} \right) \qquad \textsf{かつ} \qquad \bigcup_{i=1}^{m} \Gamma_{i} = \partial \Omega \ \right] \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    ここで,各 $i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\}$ に対して,$\sigma_{i}$ に対応する回転行列を,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} R^{i} = \Bigl[ \, R^{i}_{1} \ \ \cdots \ \ R^{i}_{N} \, \Bigr] = \left[ \begin{array}{ccc} R^{i}_{1 ,\, 1} & \cdots & R^{i}_{1 ,\, N} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ R^{i}_{N ,\, 1} & \cdots & R^{i}_{N ,\, N} \end{array} \right] \in \mathbb{R}^{N \times N} \end{aligned} \end{align*}
    とする。
    $\\[5pt]$

  3. 関数 $\gamma \, \boldsymbol{:} \, \mathbb{R}^{N-1} \to \mathbb{R}$ を,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \gamma \left( x' \right) := \left\{ \begin{array}{cl} \gamma_{1} \left( x' \right) &{\quad} \left( \ x' \in D_{1} \ \right) \\[0pt] \vdots &{\quad} {\hspace{20pt}} \vdots \\[0pt] \gamma_{m} \left( x' \right) &{\quad} \left( \ x' \in D_{m} \ \right) \\[5pt] 0 &{\quad} \displaystyle \left( \ x' \in \mathbb{R}^{N-1} \setminus \bigcup_{i=1}^{m} D_{i} \ \right) \end{array} \right. \end{aligned} \qquad \left( \ \forall \, x' \in \mathbb{R}^{N-1} \ \right) \end{align*}
    と定める。
    また,各 $i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\}$ に対して,法ベクトル場 $ \displaystyle \boldsymbol{\nu}^{i} := \left( \nu_{1}^{i} ,\, \dots ,\, \nu_{N}^{i} \right) \, \boldsymbol{:} \, \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) \to \mathbb{R} $ を,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \boldsymbol{\nu}^{i} \left( y \right) = \begin{bmatrix} \nu_{1}^{i} ( y ) \\[0pt] \vdots \\[0pt] \nu_{N}^{i} ( y ) \\[0pt] \end{bmatrix} := \dfrac{ 1 }{ \sqrt{ \left| \nabla_{\! \! y'} \, \gamma ( y' ) \right|^{2} + 1 } } \begin{bmatrix} - \nabla_{\! \! y'} \, \gamma ( y' ) \\[2.5pt] 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \qquad \left( \ \forall \, y = \left( y' ,\, y_{N} \right) \in \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) \ \right) \end{align*}
    と定める。
    $\\[5pt]$
    このとき,ある $i_{0} \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\}$ を選んだときに,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \forall \, y \in \sigma_{i_{0}} \left( \Gamma_{i_{0}} \right) \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, x^{i_{0}} \in \Gamma_{i_{0}} \ \boldsymbol{;} \qquad \left( R^{i_{0}} \right)^{-1} \, \boldsymbol{\nu}^{i_{0}} \left( y \right) = - \boldsymbol{\nu} \left( x^{i_{0}} \right) \end{aligned} \end{align*}
    となる場合は,$\sigma_{i_{0}}$ を取り直して,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \forall \, y \in \sigma_{i_{0}} \left( \Gamma_{i_{0}} \right) \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, x^{i_{0}} \in \Gamma_{i_{0}} \ \boldsymbol{;} \qquad \left( R^{i_{0}} \right)^{-1} \, \boldsymbol{\nu}^{i_{0}} \left( y \right) = \boldsymbol{\nu} \left( x^{i_{0}} \right) \end{aligned} \end{align*}
    となるようにする。
    $\\[5pt]$
    ここで,$R_{i_{0}}$ は正規行列であることから,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \forall \, y \in \sigma_{i_{0}} \left( \Gamma_{i_{0}} \right) \, \boldsymbol{,} \quad \exists \, x^{i_{0}} \in \Gamma_{i_{0}} \ \boldsymbol{;} \qquad \left( R^{i_{0}} \right)^{\mathsf{T}} \, \boldsymbol{\nu}^{i_{0}} \left( y \right) = \left( R^{i_{0}} \right)^{-1} \, \boldsymbol{\nu}^{i_{0}} \left( y \right) = \boldsymbol{\nu} \left( x^{i_{0}} \right) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  4. $i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\}$ に対して,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} U_{i} := \Bigl\{ \, \left( x' ,\, x_{N} \right) \in D_{i} \times \mathbb{R} \ \, \Big{|} \, \ x_{N} \leq \gamma (x') \, \Bigr\} \, \boldsymbol{,} \qquad \overline{ \Omega }_{i} := \sigma_{i}^{-1} \left( U_{i} \cap \sigma_{i} \bigl( \overline{ \Omega } \bigr) \right) \end{aligned} \end{align*}
    と定める。
    $\\[5pt]$
    $\displaystyle \overline{ \Omega } = \bigcup_{i=1}^{m} \overline{ \Omega }_{i} $ であることを示す。
    $\\[5pt]$
    まず,$x \in \overline{\Omega}$ が与えられたとする。このとき,ある適当な $i_{1} \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\}$ を取れば,
    \begin{align*} \qquad & \left\{ \begin{aligned} & \sigma_{i_{1}} \left( x \right) \in \sigma_{i_{1}} \bigl( \overline{ \Omega } \bigr) \\[10pt] & \exists \, \tilde{x}' \in D_{i_{1}} \ \boldsymbol{;} \quad \exists \, \tilde{x}_{N} \in \bigl( - \infty \, , \ \gamma ( \tilde{x}' ) \bigr] \ \boldsymbol{;} \qquad \sigma_{i_{1}} \left( x \right) = \left( \tilde{x}' ,\, \tilde{x}_{N} \right) \in U_{i_{1}} \end{aligned} \right. \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & \sigma_{i_{1}} \left( x \right) \in U_{i_{1}} \cap \sigma_{i_{1}} \bigl( \overline{\Omega} \bigr) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    ゆえに,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & x \in \sigma_{i_{1}}^{-1} \left( U_{i_{1}} \cap \sigma_{i_{1}} \bigl( \overline{\Omega} \bigr) \right) = \overline{ \Omega }_{i_{1}} \subset \bigcup_{i=1}^{m} \overline{ \Omega }_{i} \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \overline{\Omega} \subset \bigcup_{i=1}^{m} \overline{ \Omega }_{i} \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    次に,$ \displaystyle y \in \bigcup_{i=1}^{m} \overline{ \Omega }_{i} $ が与えられたとする。このとき,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & \exists \, i_{2} \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\} \ \boldsymbol{;} \qquad y \in \overline{ \Omega }_{i_{2}} \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & \sigma_{i_{2}} \left( y \right) \in \sigma_{i_{2}} \bigl( \overline{ \Omega }_{i_{2}} \bigr) = U_{i_{2}} \cap \sigma_{i_{2}} \bigl( \overline{\Omega} \bigr) \subset \sigma_{i_{2}} \bigl( \overline{\Omega} \bigr) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    ゆえに,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & y \in \sigma_{i_{2}}^{-1} \left( \sigma_{i_{2}} \bigl( \overline{ \Omega } \bigr) \right) = \overline{ \Omega } \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \overline{\Omega} \supset \bigcup_{i=1}^{m} \overline{ \Omega }_{i} \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    以上のことから,$ \displaystyle \overline{ \Omega } = \bigcup_{i=1}^{m} \overline{ \Omega }_{i} $ である。
    $\\[5pt]$

  5. $ \displaystyle \operatorname{supp}_{\overline{\Omega}} \left( u \right) \subset \Omega $ の場合を考える。各 $ \displaystyle j \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, N \, \right\} $ に対して,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx &= \int_{\Omega } \dfrac{\partial \tilde{u}}{\partial x_{j}} \, dx = \int_{\mathbb{R}^{N} } \dfrac{\partial \tilde{u}}{\partial x_{j}} \, dx \\[5pt] &= \int_{ \mathbb{R}^{N-1} } d \hat{x} \int_{-\infty}^{\infty} \dfrac{\partial \tilde{u}}{\partial x_{j}} \left( x \right) \, dx_{j} \qquad \left( \ \hat{x} := \left( x_{1} ,\, \dots ,\, x_{j-1} ,\, x_{j+1} ,\, \dots ,\, x_{N} \right) \ \right) \\[5pt] &= \int_{ \mathbb{R}^{N-1} } \Bigl[ \tilde{u} \left( x \right) \Bigr]_{x_{j} = -\infty}^{x_{j} = \infty} \, d \hat{x} \\[5pt] &= \int_{ \mathbb{R}^{N-1} } 0 \ d \hat{x} = 0 \, \boldsymbol{,} \end{aligned} \\[15pt] & \begin{aligned} \int_{ \partial \Omega } u \, \nu_{j} \ dS &= \int_{ \partial \Omega } 0 \cdot \nu_{j} \ dS = 0 \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx = 0 = \int_{ \partial \Omega } u \, \nu_{j} \ dS \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  6. 次に,$ \displaystyle \operatorname{supp}_{\overline{\Omega}} \left( u \right) \not\subset \Omega $ の場合を考える。
    $\\[5pt]$

    ある有限な実数値関数列 $ \displaystyle \left( \eta_{i} \right)_{i=1}^{m} \in C^{\infty} ( \mathbb{R}^{N} )^{ \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\} } $ で,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \left\{ \begin{array}{l} \eta_{i} \left( \mathbb{R}^{N} \right) \subset \left[ 0 ,\, 1 \right] \\[5pt] \operatorname{supp} \left( \eta_{i} \right) \subset \overline{ \Omega }_{i} \end{array} \right. \quad \left( \, \forall \, i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\} \, \right) \qquad \textsf{かつ} \qquad \sum_{i=1}^{m} \eta_{i} ( x ) = 1 \quad \left( \, \forall \, x \in \overline{\Omega} \, \right) \end{aligned} \end{align*}
    を満たすものを取る。このとき,各 $ \displaystyle i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\} $ に対して,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \tilde{u}_{i} := \eta_{i} \cdot \tilde{u} \end{aligned} \end{align*}
    と置くと,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \tilde{u}_{i} \in C^{1}_{0} \left( \mathbb{R}^{N} \right) \qquad \textsf{かつ} \qquad \operatorname{supp} \left( \tilde{u}_{i} \right) \subset \overline{ \Omega }_{i} \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$
    $ \displaystyle j \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, N \, \right\} $ に対して,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx &= \int_{ \overline{ \Omega } } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx = \int_{ \overline{ \Omega } } \dfrac{\partial \tilde{u}}{\partial x_{j}} \, dx \\[5pt] &= \int_{ \overline{ \Omega } } \left\{ 0 \cdot \tilde{u} \left( x \right) + 1 \cdot \dfrac{\partial \tilde{u}}{\partial x_{j}} \left( x \right) \right\} \, dx \\[5pt] &= \int_{ \overline{ \Omega } } \left\{ \sum_{i=1}^{m} \dfrac{\partial \eta_{i}}{\partial x_{j}} \left( x \right) \cdot \tilde{u} \left( x \right) + \sum_{i=1}^{m} \eta_{i} \left( x \right) \cdot \dfrac{\partial \tilde{u}}{\partial x_{j}} \left( x \right) \right\} \, dx \\[5pt] &= \int_{ \overline{ \Omega } } \sum_{i=1}^{m} \dfrac{\partial}{\partial x_{j}} \left\{ \eta_{i} ( x ) \cdot \tilde{u} \left( x \right) \right\} \, dx \\[5pt] &= \int_{ \overline{ \Omega } } \sum_{i=1}^{m} \dfrac{\partial \tilde{u}_{i}}{\partial x_{j}} \left( x \right) \, dx = \sum_{i=1}^{m} \int_{ \overline{ \Omega }_{i} } \dfrac{\partial \tilde{u}_{i}}{\partial x_{j}} \left( x \right) \, dx \\[5pt] &= \sum_{i=1}^{m} \int_{ \overline{ \Omega }_{i} } \dfrac{ \partial \left( \tilde{u}_{i} \circ \sigma_{i}^{-1} \right) }{\partial x_{j}} \left( \sigma_{i} \left( x \right) \right) \, dx \end{aligned} \end{align*}
    となるので,各 $i \in \left\{ 1 ,\, \dots ,\, m \right\}$ に対して,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} v_{i} := \tilde{u}_{i} \circ \sigma_{i}^{-1} \, \boldsymbol{,} \qquad y := \left( y_{1} ,\, \dots ,\, y_{N} \right) = \sigma_{i} \left( x \right) \end{aligned} \quad \left( \, x \in \overline{ \Omega }_{i} \, \right) \end{align*}
    とすると,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx &= \sum_{i=1}^{m} \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \sum_{k=1}^{N} \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot \dfrac{\partial y_{k}}{\partial x_{j}} \cdot \left| \det \left( \dfrac{\partial x}{\partial y} \right) \right| \, dy \\[5pt] &= \sum_{i=1}^{m} \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \sum_{k=1}^{N} \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \cdot \left| \det \left( \left( R^{i} \right)^{-1} \right) \right| \, dy \\[5pt] &= \sum_{i=1}^{m} \sum_{k=1}^{N} \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \cdot 1 \, dy \\[5pt] &= \sum_{i=1}^{m} \left( \sum_{k=1}^{N-1} \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy + \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \cdot R_{N ,\, j}^{i} \, dy \right) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  7. 以下では,各 $ \displaystyle j ,\, k \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, N \, \right\} $ および $ \displaystyle i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\} $ を任意に固定し,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} I_{k ,\, j}^{i} := \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy \end{aligned} \end{align*}
    と置く。ここで,$ \displaystyle \operatorname{supp} \left( \tilde{u}_{i} \right) \subset \overline{ \Omega }_{i} $ であることに注意すると,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} I_{k ,\, j}^{i} &= \int_{ \sigma_{i} \left( \overline{ \Omega }_{i} \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy = \int_{ U_{i} } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy \\[5pt] &= \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ \gamma \left( y' \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, y_{N} \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy_{N} \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$
    $k = N$ の場合は,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} I_{N ,\, j}^{i} &= \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ \gamma \left( y' \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \left( y' ,\, y_{N} \right) \cdot R_{N ,\, j}^{i} \, dy_{N} \\[5pt] &= \int_{D_{i}} \Bigl[ v_{i} \left( y' ,\, y_{N} \right) \Bigr]_{ y_{N} = -\infty }^{ y_{N} = \gamma \left( y' \right) } \cdot R_{N ,\, j}^{i} \, dy' \\[5pt] &= \int_{D_{i}} v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot R_{N ,\, j}^{i} \cdot 1 \, dy' \\[5pt] &= \int_{D_{i}} v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot R_{N ,\, j}^{i} \cdot \nu_{N}^{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot \sqrt{ \left| \nabla_{\! \! y'} \, \gamma \left( y' \right) \right|^{2} + 1 } \, dy' \\[5pt] &= \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot \left[ \, R_{1 ,\, j}^{i} \ \ \cdots \ \ R_{N ,\, j}^{i} \, \right] \left[ \, \begin{array}{c} \boldsymbol{0} \\ \nu_{N}^{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \end{array} \, \right] \, dS \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \\[5pt] &= \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \left[ \, \begin{array}{c} \boldsymbol{0} \\ \nu_{N}^{i} \left( y \right) \end{array} \, \right] \, dS \left( y \right) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$
    また,$k < N$ の場合は,$I_{k ,\, j}^{i}$ において,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} y_{N} = \gamma \left( y' \right) + s \end{aligned} \end{align*}
    と変数変換すると,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} dy_{N} = ds \, \boldsymbol{,} \qquad - \infty < s \leq 0 \end{aligned} \end{align*}
    となり,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} w_{i} \left( y' ,\, s \right) := v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) + s \right) \end{aligned} \end{align*}
    と置くと,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \dfrac{\partial w_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, s \right) &= \dfrac{\partial}{\partial y_{k}} \left\{ v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) + s \right) \right\} \\[5pt] &= \sum_{p=1}^{N-1} \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{p}} \dfrac{\partial y_{p}}{\partial y_{k}} + \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \dfrac{\partial y_{N}}{\partial y_{k}} \\[5pt] &= \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} + \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \dfrac{\partial \gamma}{\partial y_{k}} \left( y' \right) \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} I_{k ,\, j}^{i} &= \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ \gamma \left( y' \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, y_{N} \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy_{N} \\[5pt] &= \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ 0 } \left\{ \dfrac{\partial w_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, s \right) - \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \dfrac{\partial \gamma}{\partial y_{k}} \left( y' \right) \right\} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, ds \\[5pt] &= \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ 0 } \dfrac{\partial w_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, s \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, ds + \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ 0 } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \left\{ - \dfrac{\partial \gamma}{\partial y_{k}} \left( y' \right) \right\} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, ds \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    ゆえに,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} & J_{1} := \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ 0 } \dfrac{\partial w_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, s \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, ds \, \boldsymbol{,} \\[10pt] & J_{2} := \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ 0 } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \left\{ - \dfrac{\partial \gamma}{\partial y_{k}} \left( y' \right) \right\} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, ds \end{aligned} \end{align*}
    と置き,$ \displaystyle e_{1} ,\, \dots ,\, e_{N} $$\mathbb{R}^{N}$ 内における基本ベクトルとすると,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} J_{1} &= \iint_{ \mathbb{R}^{N} } \dfrac{\partial w_{i}}{\partial y_{k}} \left( y' ,\, s \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy' \, ds \\[5pt] &= \int_{ \mathbb{R}^{N} } \dfrac{\partial w_{i}}{\partial y_{k}} \left( y \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy \\[5pt] &= \int_{ \mathbb{R}^{N-1} } \Bigl[ w_{i} \left( y \right) \Bigr]_{ y_{k} = - \infty }^{ y_{k} = - \infty } \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, d \hat{y} \qquad \left( \ \hat{y} := \left( y_{1} ,\, \dots ,\, y_{k-1} ,\, y_{k+1} ,\, \dots ,\, y_{N} \right) \ \right) \\[5pt] &= \int_{ \mathbb{R}^{N-1} } 0 \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, d \hat{y} = 0 \, \boldsymbol{,} \end{aligned} \\[15pt] & \begin{aligned} J_{2} &= \int_{D_{i}} dy' \int_{ -\infty }^{ \gamma \left( y' \right) } \dfrac{\partial v_{i}}{\partial y_{N}} \left( y' ,\, y_{N} \right) \cdot \left\{ - \dfrac{\partial \gamma}{\partial y_{k}} \left( y' \right) \right\} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy_{N} \\[5pt] &= \int_{D_{i}} v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot \left\{ - \dfrac{\partial \gamma}{\partial y_{k}} \left( y' \right) \right\} \cdot R_{k ,\, j}^{i} \, dy' \\[5pt] &= \int_{D_{i}} v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot R_{k ,\, j}^{i} \cdot \nu_{k}^{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot \sqrt{ \left| \nabla_{\! \! y'} \, \gamma \left( y' \right) \right|^{2} + 1 } \, dy' \\[5pt] &= \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \cdot \left\{ \left[ \, R_{1 ,\, j}^{i} \ \ \cdots \ \ R_{N ,\, j}^{i} \, \right] \, \nu_{k}^{i} \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) e_{k} \right\} \, dS \left( y' ,\, \gamma \left( y' \right) \right) \\[5pt] &= \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \nu_{k}^{i} \left( y \right) e_{k} \right\} \, dS \left( y \right) \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} I_{k ,\, j}^{i} = J_{1} + J_{2} = \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \nu_{k}^{i} \left( y \right) e_{k} \right\} \, dS \left( y \right) \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  8. よって,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \sum_{k=1}^{N} I_{k ,\, j}^{i} &= \sum_{k=1}^{N-1} I_{k ,\, j}^{i} + I_{N ,\, j}^{i} \\[5pt] &= \sum_{k=1}^{N-1} \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \nu_{k}^{i} \left( y \right) e_{k} \right\} \, dS \left( y \right) \\ &{\hspace{50pt}}+ \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \nu_{N}^{i} \left( y \right) e_{N} \right\} \, dS \left( y \right) \\[5pt] &= \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \boldsymbol{\nu}^{i} \left( y \right) \right\} \, dS \left( y \right) \end{aligned} \end{align*}
    となるので,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx &= \sum_{i=1}^{m} \left( \sum_{k=1}^{N} I_{k ,\, j}^{i} \right) = \sum_{i=1}^{m} \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } v_{i} \left( y \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \boldsymbol{\nu}^{i} \left( y \right) \right\} \, dS \left( y \right) \\[5pt] &= \sum_{i=1}^{m} \int_{ \sigma_{i} \left( \Gamma_{i} \right) } \tilde{u}_{i} \left( \sigma_{i}^{-1} \left( y \right) \right) \cdot \left\{ \left( \, R_{j}^{i} \, \right)^{ \mathsf{T} } \, \boldsymbol{\nu}^{i} \left( y \right) \right\} \, dS \left( y \right) \\[5pt] &= \sum_{i=1}^{m} \int_{ \Gamma_{i} } \tilde{u}_{i} \left( x \right) \cdot \nu_{j} \left( x \right) \, dS \left( x \right) \qquad \left( \, \textsf{面積分の定義 および } \left( R^{i} \right)^{\mathsf{T}} \, \boldsymbol{\nu}^{i} \left( y \right) = \boldsymbol{\nu} \left( x \right) \textsf{ より} \, \right) \\[5pt] &= \int_{ \partial \Omega } \sum_{i=1}^{m} \tilde{u}_{i} \left( x \right) \cdot \nu_{j} \left( x \right) \, dS \left( x \right) \\[5pt] &= \int_{ \partial \Omega } \sum_{i=1}^{m} \eta_{i} \left( x \right) \cdot \left\{ \tilde{u} \left( x \right) \cdot \nu_{j} \left( x \right) \right\} \, dS \left( x \right) = \int_{ \partial \Omega } \tilde{u} \cdot \nu_{j} \, dS \\[5pt] &= \int_{ \partial \Omega } u \cdot \nu_{j} \, dS \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
    $\\[5pt]$

  9. したがって,以上のことから,
    \begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u}{\partial x_{j}} \, dx &= \int_{ \partial \Omega } u \cdot \nu_{j} \, dS \end{aligned} \end{align*}
    が成り立つ。$\hspace{0pt} \blacksquare$

$\\[5pt]$

勾配定理とガウスの発散定理

ガウス--グリーンの定理から,次の定理の成立が分かる:

(勾配定理)

$\partial \Omega$$C^{1}$ 級境界,$ \displaystyle \boldsymbol{\nu} \, \boldsymbol{:} \, \partial \Omega \to \mathbb{R}^{N} $$\partial \Omega$ 上の外向き単位法ベクトル場とし,$u \in C^{1} ( \overline{\Omega} )$ とする。
このとき,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \nabla u \, dx = \int_{ \partial \Omega } u \, \boldsymbol{\nu} \, dS \end{aligned} \end{align*}
が成り立つ。

明らかに,ガウス--グリーンの定理と勾配定理は同値である。

${}$

また,ガウス--グリーンの定理から,次の定理が証明できる:

(ガウスの発散定理)

$\partial \Omega$$C^{1}$ 級境界,$ \displaystyle \boldsymbol{\nu} \, \boldsymbol{:} \, \partial \Omega \to \mathbb{R}^{N} $$\partial \Omega$ 上の外向き単位法ベクトル場とし,$ \displaystyle \boldsymbol{u} \in C^{1} \bigl( \overline{\Omega} \, \boldsymbol{;} \, \mathbb{R}^{N} \bigr) $ とする。
このとき,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \nabla \boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{u} \, dx = \int_{ \partial \Omega } \boldsymbol{u} \boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\nu} \, dS \end{aligned} \end{align*}
が成り立つ。

$\displaystyle \boldsymbol{u} := \left( u_{1} ,\, \dots ,\, u_{N} \right) \, \boldsymbol{,} \ \ \boldsymbol{\nu} := \left( \nu_{1} ,\, \dots ,\, \nu_{N} \right) $ とする。このとき,ガウス--グリーンの定理から,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \nabla \boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{u} \, dx &= \int_{ \Omega } \sum_{k=1}^{N} \dfrac{\partial u_{k}}{\partial x_{k}} \, dx = \sum_{k=1}^{N} \int_{ \Omega } \dfrac{\partial u_{k}}{\partial x_{k}} \, dx = \sum_{k=1}^{N} \int_{ \partial \Omega } u_{k} \cdot \nu_{k} \, dS \\[5pt] &= \int_{ \partial \Omega } \sum_{k=1}^{N} u_{k} \cdot \nu_{k} \, dS = \int_{ \partial \Omega } \boldsymbol{u} \boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\nu} \, dS \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}

ガウスの発散定理から勾配定理が導出される。

$\partial \Omega$$C^{1}$ 級境界,$ \displaystyle \boldsymbol{\nu} \, \boldsymbol{:} \, \partial \Omega \to \mathbb{R}^{N} $$\partial \Omega$ 上の外向き単位法ベクトル場とし,$ \displaystyle u \in C^{1} \bigl( \overline{\Omega} \bigr) $ とする。

$\displaystyle \boldsymbol{a} \in \mathbb{R}^{N} \setminus \left\{ \boldsymbol{0} \right\} $ を任意の定ベクトルとする。このとき,ガウスの発散定理から,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \boldsymbol{a} \boldsymbol{\cdot} \int_{ \Omega } \nabla u \, dx &= \int_{ \Omega } \boldsymbol{a} \boldsymbol{\cdot} \nabla u \, dx = \int_{ \Omega } \nabla \boldsymbol{\cdot} \left( u \, \boldsymbol{a} \right) \, dx = \int_{ \partial \Omega } \left( u \boldsymbol{a} \right) \boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\nu} \, dS \\[5pt] &= \int_{ \partial \Omega } \boldsymbol{a} \boldsymbol{\cdot} \left( u \, \boldsymbol{\nu} \right) \, dS = \boldsymbol{a} \boldsymbol{\cdot} \int_{ \partial \Omega } u \, \boldsymbol{\nu} \, dS \end{aligned} \end{align*}
となるので,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \boldsymbol{a} \boldsymbol{\cdot} \left( \int_{ \Omega } \nabla u \, dx - \int_{ \partial \Omega } u \, \boldsymbol{\nu} \, dS \right) &= 0 \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}
ゆえに,$ \displaystyle \int_{ \Omega } \nabla u \, dx - \int_{ \partial \Omega } u \, \boldsymbol{\nu} \, dS $$\boldsymbol{a}$ に依存しないことから,$\boldsymbol{a}$ の任意性より,
\begin{align*} \qquad & \begin{aligned} \int_{ \Omega } \nabla u \, dx - \int_{ \partial \Omega } u \, \boldsymbol{\nu} \, dS &= \boldsymbol{ 0 } \, \boldsymbol{.} \end{aligned} \end{align*}

${}$

感想

ガウス--グリーンの定理の証明については,例えば参考文献 [4], [5] では触れられています。(超難解)

ベクトル解析の延長で証明したかったので,面積分の定義からしてやや傍流になってしまいましたが,測度論や多様体論に踏み込まなかったのは,粗削りながら個人的には良かった感じがあります。

(なお,過不足やミスがあれば修正していきます。)

『面積分学習記録 (3)』に続きます。

参考文献

[1]
松坂 和夫, 『解析入門(下)』, (数学入門シリーズ 6), 岩波書店, 2018
[2]
栗田 稔, 『微分形式とその応用 ―曲線・曲面から解析力学まで―』(新装版), 現代数学社, 2019
[3]
Lawrence C. Evans, Partial Differential Equations (2nd ed.), (The Graduate Studies in Mathematics, 19), American Mathematical Society, 2010
[4]
Hans Wilhelm Alt, Linear Functional Analysis: An Application-Oriented Introduction (Translated by Robert Nürnberg), (Universitext), Springer, 2016
[5]
Lawrence C. Evans, Ronald F. Gariepy, Measure Theory and Fine Properties of Functions, Revised Edition, (Textbooks in Mathematics), Chapman and Hall/CRC, 2015
投稿日:219
更新日:99
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スキマ産業。

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