定理
3次元空間において
- v(x):滑らかなベクトル関数
- C:空間内の閉曲線
- S:閉曲線 C を境界とする任意の曲面
- n(x):曲面 S 上の点 x における法線ベクトル(|n|=1)
を考える。
このとき、以下の2つは等しい。
- v(x) の回転 ∇×v と S の法線ベクトル n(x) の内積 (∇×v)⋅n を S 全体で面積分した値
- v(x) の S の境界線 C に沿って1周線積分した値
すなわち、
∫S(∇×v)⋅ndS=∮Cv⋅dl※ ∇ 演算子やベクトル場の回転についてはナブラ演算子を参照
雑な証明
ベクトル場の回転は、その点におけるベクトル場のトルクを表す(cf. ナブラ演算子)。
下図のように、曲面 S を1辺 Δ の微小な正方形の集合に分割する。
点 x=(x,y,z) を中心とする正方形の4辺に沿った v の線積分 Δs(x) を考える。
S 内で Δs 全ての和を取ると、ほとんどの辺の線積分は、隣接する正方形の辺の線積分と打ち消し合う(上図の赤矢印)。
打ち消されないのは閉曲線 C と接する辺のみ(上図のオレンジ矢印)であるから、残るのは C に沿った線積分:
次に、実際に Δs(x) を計算してみる。
厳密な計算は大変なので、簡単のため、曲面 S が xy 平面に平行な場合を考える。
このとき、注目する正方形は
- 重心:x=(x,y,z)
- 頂点:(x+Δ/2,y,z),(x−Δ/2,y,z),(x,y+Δ/2,z),(x,y−Δ/2,z)
よって
Δs(x)=∫x+Δ/2x−Δ/2vx(x,y−Δ/2,z)dx+∫y+Δ/2y−Δ/2vy(x+Δ/2,y,z)dy+∫x−Δ/2x+Δ/2vx(x,y+Δ/2,z)dx+∫y−Δ/2y+Δ/2vy(x−Δ/2,y,z)dy=vx(x,y−Δ/2,z)∫x+Δ/2x−Δ/2dx+vy(x+Δ/2,y,z)∫y+Δ/2y−Δ/2dy+vx(x,y+Δ/2,z)∫x−Δ/2x+Δ/2dx+vy(x−Δ/2,y,z)∫y−Δ/2y+Δ/2dy={vx(x,y−Δ/2,z)+vy(x+Δ/2,y,z)−vx(x,y+Δ/2,z)−vy(x−Δ/2,y,z)}Δ途中、正方形が十分小さいことから vx,vy は一定と見なして積分の外に出した。
テイラー展開により
{vx(x,y−Δ/2,z)≃vx(x,y,z)−∂vx∂yΔ2vy(x,y+Δ/2,z)≃vy(x,y,z)+∂vy∂xΔ2vx(x,y+Δ/2,z)≃vx(x,y,z)+∂vx∂yΔ2vy(x,y−Δ/2,z)≃vy(x,y,z)−∂vy∂xΔ2なので、
Δs(x)={−∂vx∂yΔ2+∂vy∂xΔ2−∂vx∂yΔ2−(−∂vy∂xΔ2)}Δ=(∂vy∂x−∂vx∂y)Δ2=(∇×v)zΔ2曲面 S 全体で和を取れば、
∑x∈SΔs(x)=∑x∈S(∇×v)zΔ2≃∫S(∇×v)zdS最後の変形では、正方形の面積 Δ2→dS として和を積分に書き換えた。
ここでは xy 平面に並行な曲面 S を想定しているので、S 上の任意の点で n=(0,0,1)。 したがって、
∑x∈SΔs(x)≃∫S(∇×v)zdS=∫S(∇×v)⋅ndS(2)(3) より、
∫S(∇×v)⋅ndS=∮Cv⋅dl