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,
また,
関数のグラフの定義については再掲します:
として定める。
として定める。
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,
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。
ここで,
このとき,ある
また,
さらに,
(つまり,ベクトル値関数
条件
また,
を満たすこととして定める;
を満たすこととして定める。
と表される。
このとき,各
が成り立つ。(ここで,
ある有界閉集合
を満たすものを取り,
として定める。このとき,
ここで,各
とする。
関数
と定める。
また,各
と定める。
このとき,ある
となる場合は,
となるようにする。
ここで,
各
と定める。
まず,
となるので,
ゆえに,
となるので,
次に,
となるので,
ゆえに,
となるので,
以上のことから,
となるので,
次に,
ある有限な実数値関数列
を満たすものを取る。このとき,各
と置くと,
各
となるので,各
とすると,
以下では,各
と置く。ここで,
また,
と変数変換すると,
となり,
と置くと,
となるので,
ゆえに,
と置き,
となるので,
よって,
となるので,
したがって,以上のことから,
が成り立つ。
Gauss–Green の定理から,次の定理の成立が分かる:
このとき,
が成り立つ。
明らかに,Gauss–Green の定理と勾配定理は同値である。
また,Gauss–Green の定理から,次の定理が証明できる:
このとき,
が成り立つ。
ガウスの発散定理から勾配定理が導出される。
となるので,
ゆえに,
Gauss–Green 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。(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。