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,$\partial \Omega \subset \mathbb{R}^{N}$ を $\Omega$ 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:
$D \subset \mathbb{R}^{N-1}$ を空でない集合とする。
$f \, \boldsymbol{:} \, D \to \mathbb{R}$ 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。
${}$
$f_{1} ,\, \dots ,\, f_{N-1} ,\, f_{N} \, \boldsymbol{:} \, D \to \mathbb{R}$ 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。
${}$
$\displaystyle
k
\in
\mathbb{N} \cup \left\{ 0 \right\}
\cup
\left\{ \infty \right\} \cup \left\{ \omega \right\}
$ とする。
${}$
$\partial \Omega$ が $C^{k}$ 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,$\partial \Omega$ の $C^{k}$ 性は以下のようになる:
$\partial \Omega$ が $C^{k}$ 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。
${}$
$\partial \Omega$ を $C^{1}$ 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,
$\boldsymbol{\nu}$ が $\Omega$ 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;
$\\[5pt]$
$\boldsymbol{\nu}$ が $\Omega$ 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。
$
\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*}
$\\[5pt]$
$
\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。
$\\[5pt]$
$\partial \Omega$ を $C^{1}$ 級境界,$
\displaystyle
\boldsymbol{\nu} := \left( \nu_{1} ,\, \dots ,\, \nu_{N} \right)
\, \boldsymbol{:} \,
\partial \Omega \to \mathbb{R}^{N}
$ を $\partial \Omega$ 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。)
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,$u$ の $\mathbb{R}^{N}$ 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*}
$\\[5pt]$
$\partial \Omega$ 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。
$\\[5pt]$
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*}
$\\[5pt]$
各 $i \in \left\{ \, 1 ,\, \dots ,\, m \, \right\}$ 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。
$\\[5pt]$
$
\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*}
$\\[5pt]$
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*}
$\\[5pt]$
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_{ \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*}
$\\[5pt]$
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}
$ を $\mathbb{R}^{N}$ 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*}
$\\[5pt]$
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*}
$\\[5pt]$
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。$\hspace{0pt} \blacksquare$
$\\[5pt]$
ガウス--グリーンの定理から,次の定理の成立が分かる:
$\partial \Omega$ を $C^{1}$ 級境界,$
\displaystyle
\boldsymbol{\nu}
\, \boldsymbol{:} \,
\partial \Omega \to \mathbb{R}^{N}
$ を $\partial \Omega$ 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:
$\partial \Omega$ を $C^{1}$ 級境界,$
\displaystyle
\boldsymbol{\nu}
\, \boldsymbol{:} \,
\partial \Omega \to \mathbb{R}^{N}
$ を $\partial \Omega$ 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。
$\partial \Omega$ を $C^{1}$ 級境界,$ \displaystyle \boldsymbol{\nu} \, \boldsymbol{:} \, \partial \Omega \to \mathbb{R}^{N} $ を $\partial \Omega$ 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
$ は $\boldsymbol{a}$ 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*}
${}$
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。