下文保留初等的局部证明;局部化证明及角点、棱边估计将其推广至精确规定的有限正则边界类,包括孔洞和空腔,而不假设未经证明的分解。
局部旋转与边界环流
定理
格林定理:环流形式
设 是有界平面区域,其边界 由有限条互不相交的分段光滑简单闭曲线组成,相对于 取正向。假设 在 的开邻域上属 。则
正向指沿边界行走时区域保持在左侧:外边界逆时针,孔洞边界顺时针。
证明
双向简单区域类的完整证明
先假设 同时有两种描述:、,以及 、;边界函数连续、上下界有序,且图像给出了有限个分段 弧参数化,边界取所述正向。由微积分基本定理,
下边界从左到右、上边界从右到左,故这正是它们的 贡献;垂直边满足 。同理,
右边界向上、左边界向下,水平边满足 。相加即证明此区域类的格林公式。如果具体给出了分成有限个这类区块的分割,且内部互不重叠、分段光滑边界弧相互匹配,就把各块恒等式相加;每条内边界的两个诱导方向相反,因而抵消。
只要连续边界图像已给出有限个分段 弧参数化,就不必要求图函数在投影端点有有限导数。所需换参数论证如下:对下边界令 ,其被积函数连续。沿 递增的定向正则弧,链式法则给出 。由微积分基本定理,此弧的 积分等于 ,即使反过来的图参数在端点具有竖直切线。反向行走改变符号;上边界及两个 图像也同理。这就证明了上面的边界积分辨认,而未假设每个图函数在端点有界导数。
特别地,圆盘 、 的界为连续函数 ,水平描述同理。半圆可用正则角参数化,所以圆盘属于已证明的区域类。对圆环 ,分成四个象限块:第一象限的垂直描述为 、,交换坐标便得水平描述。这些界连续,边界弧为分段 ;反射后的区块具有匹配的内边界,故所述有限抵消推广也包括这个圆环。
这证明了双向简单区域及上述已给定有限分割上的公式。定理陈述中的一般区域类还需要额外的分割或近似结果;仅凭此计算,并未证明每个这类区域都存在所需的有限分割。
例题
用面积积分求环流
令 是矩形 、 的逆时针边界,。因 ,
若反转边界方向,答案为 。
通量形式与面积
对同一正向边界, 的向外通量是 。对 应用环流形式得
因此环流使用平面旋度 ,向外通量使用散度 。在环流形式取 ,对正向 得 。
例题
为何孔洞改变边界
对圆环 ,正向边界由逆时针外圆及顺时针内圆组成。向量场 在此圆环的开邻域上光滑且旋度为零。其外圆环流为 、内圆顺时针环流为 ,总和为零。若对整个圆盘应用定理则不合法,因为向量场在原点没有定义。
方法比较
边界积分较难而面积积分较易,或反之,可用格林定理。首先检查整个区域上的光滑性、包括每个边界分量并判断方向。若曲线简单,直接参数化可能更方便。即使奇异点以外旋度为零,也不能忽略拟用区域内的奇异点。
练习
- 对半径 的逆时针圆 ,求 。
- 求 穿过半径 圆盘边界的向外通量。
- 写出圆环两个边界的正方向。
- 解释为何不能直接对整个单位圆盘及向量场 使用格林定理。
详解
- ,所以答案为 。
- 散度为 ,故向外通量为 。
- 外边界逆时针、内边界顺时针;行走时圆环都保持在左侧。
- 向量场在圆盘内的原点无定义,违反光滑性假设。若去掉小圆盘以排除原点,拓扑改变并产生内边界。
总结
格林定理把整体定向边界积分与局部旋度或散度的累积相等同。方向、整个区域上的正则性及所有孔洞都是定理的一部分,并非可省略的记帐细节。