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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。

stokes-1

このとき、以下の2つは等しい。

  • v(x) の回転 ×vS の法線ベクトル n(x) の内積 (×v)nS 全体で面積分した値
  • v(x)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=Cvdl

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。

stokes-2

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:

xSΔs(x)=Cvdl

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 Sxy 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),(xΔ/2,y,z),(x,y+Δ/2,z),(x,yΔ/2,z)

よって

Δs(x)=x+Δ/2xΔ/2vx(x,yΔ/2,z)dx+y+Δ/2yΔ/2vy(x+Δ/2,y,z)dy+xΔ/2x+Δ/2vx(x,y+Δ/2,z)dx+yΔ/2y+Δ/2vy(xΔ/2,y,z)dy=vx(x,yΔ/2,z)x+Δ/2xΔ/2dx+vy(x+Δ/2,y,z)y+Δ/2yΔ/2dy+vx(x,y+Δ/2,z)xΔ/2x+Δ/2dx+vy(xΔ/2,y,z)yΔ/2y+Δ/2dy={vx(x,yΔ/2,z)+vy(x+Δ/2,y,z)vx(x,y+Δ/2,z)vy(xΔ/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,yΔ/2,z)vx(x,y,z)vxyΔ2vy(x,y+Δ/2,z)vy(x,y,z)+vyxΔ2vx(x,y+Δ/2,z)vx(x,y,z)+vxyΔ2vy(x,yΔ/2,z)vy(x,y,z)vyxΔ2

なので、

Δs(x)={vxyΔ2+vyxΔ2vxyΔ2(vyxΔ2)}Δ=(vyxvxy)Δ2=(×v)zΔ2

曲面 S 全体で和を取れば、

xSΔs(x)=xS(×v)zΔ2S(×v)zdS

最後の変形では、正方形の面積 Δ2dS 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、

xSΔs(x)S(×v)zdS=S(×v)ndS

(2)(3) より、

S(×v)ndS=Cvdl