下文保留初等的局部證明;局部化證明及角點、稜邊估計將其推廣至精確規定的有限正則邊界類,包括孔洞和空腔,而不假設未經證明的分解。
局部旋轉與邊界環流
定理
格林定理:環流形式
設 是有界平面區域,其邊界 由有限條互不相交的分段光滑簡單閉曲線組成,相對於 取正向。假設 在 的開鄰域上屬 。則
正向指沿邊界行走時區域保持在左側:外邊界逆時針,孔洞邊界順時針。
證明
雙向簡單區域類的完整證明
先假設 同時有兩種描述:、,以及 、;邊界函數連續、上下界有序,且圖像給出了有限個分段 弧參數化,邊界取所述正向。由微積分基本定理,
下邊界從左到右、上邊界從右到左,故這正是它們的 貢獻;垂直邊滿足 。同理,
右邊界向上、左邊界向下,水平邊滿足 。相加即證明此區域類的格林公式。如果具體給出了分成有限個這類區塊的分割,且內部互不重疊、分段光滑邊界弧相互匹配,就把各塊恆等式相加;每條內邊界的兩個誘導方向相反,因而抵消。
只要連續邊界圖像已給出有限個分段 弧參數化,就不必要求圖函數在投影端點有有限導數。所需換參數論證如下:對下邊界令 ,其被積函數連續。沿 遞增的定向正則弧,鏈式法則給出 。由微積分基本定理,此弧的 積分等於 ,即使反過來的圖參數在端點具有豎直切線。反向行走改變符號;上邊界及兩個 圖像也同理。這就證明了上面的邊界積分辨認,而未假設每個圖函數在端點有界導數。
特別地,圓盤 、 的界為連續函數 ,水平描述同理。半圓可用正則角參數化,所以圓盤屬於已證明的區域類。對圓環 ,分成四個象限塊:第一象限的垂直描述為 、,交換座標便得水平描述。這些界連續,邊界弧為分段 ;反射後的區塊具有匹配的內邊界,故所述有限抵消推廣也包括這個圓環。
這證明了雙向簡單區域及上述已給定有限分割上的公式。定理陳述中的一般區域類還需要額外的分割或近似結果;僅憑此計算,並未證明每個這類區域都存在所需的有限分割。
例題
用面積積分求環流
令 是矩形 、 的逆時針邊界,。因 ,
若反轉邊界方向,答案為 。
通量形式與面積
對同一正向邊界, 的向外通量是 。對 應用環流形式得
因此環流使用平面旋度 ,向外通量使用散度 。在環流形式取 ,對正向 得 。
例題
為何孔洞改變邊界
對圓環 ,正向邊界由逆時針外圓及順時針內圓組成。向量場 在此圓環的開鄰域上光滑且旋度為零。其外圓環流為 、內圓順時針環流為 ,總和為零。若對整個圓盤應用定理則不合法,因為向量場在原點沒有定義。
方法比較
邊界積分較難而面積積分較易,或反之,可用格林定理。首先檢查整個區域上的光滑性、包括每個邊界分量並判斷方向。若曲線簡單,直接參數化可能更方便。即使奇異點以外旋度為零,也不能忽略擬用區域內的奇異點。
練習
- 對半徑 的逆時針圓 ,求 。
- 求 穿過半徑 圓盤邊界的向外通量。
- 寫出圓環兩個邊界的正方向。
- 解釋為何不能直接對整個單位圓盤及向量場 使用格林定理。
詳解
- ,所以答案為 。
- 散度為 ,故向外通量為 。
- 外邊界逆時針、內邊界順時針;行走時圓環都保持在左側。
- 向量場在圓盤內的原點無定義,違反光滑性假設。若去掉小圓盤以排除原點,拓撲改變並產生內邊界。
總結
格林定理把整體定向邊界積分與局部旋度或散度的累積相等同。方向、整個區域上的正則性及所有孔洞都是定理的一部分,並非可省略的記帳細節。