グリーンの定理(補題1)

xy  平面上において D  を有界な領域とする. D  の境界は有限個の区分的に滑らかな閉曲線からなるものとする.この境界を C  とし,正の向きを定める.閉領域 D  が縦線形領域 D : a≦x≦b , ψ( x )≦y≦ϕ( x )   と表せ,2変数関数 f( x,y )  が閉領域 D  で1回微分可能であるならば次式が成り立つ.

∬ D f y ( x,y )dxdy =− ∫ C f( x,y )dx  ・・・・・・(1)

■導出

領域を図示すると図のようになる. ∬ D f y ( x,y )dxdy を累次積分(重積分)と考えて式を変形すると

∬ D f y ( x,y )dxdy = ∫ a b   ( ∫ ψ( x ) ϕ( x ) f y ( x,y )dy )dx

x  を固定して f y ( x,y )  を y  で積分する

= ∫ a b   ( [ f( x,y ) ] ψ( x ) ϕ( x ) )dx

x  は固定しているので y  のみが変化する

= ∫ a b { f( x,ϕ( x ) )−f( x,ψ( x ) ) }dx

定積分の基本式を使用して2つの積分に分ける

= ∫ a b f( x,ϕ( x ) )dx − ∫ a b f( x,ψ( x ) )dx   ・・・・・・(2)

次に,線積分と考えて式を変形する.

境界 C において点 A→点B→点C→点D→点 E→点F→点G→点H→点A と一周する経路を正の向きとする.

点 A  から点 D  に至る経路を C 1
点 D  から点 E  に至る経路を C 2
点 E  から 点 H  に至る経路を C 3
点 H  から点 A  に至る経路を C 4

とすると,境界 C  に沿った線積分は次のように表せる.

∫ C f( x,y )dx = ∫ C 1 f( x,y )dx + ∫ C 2 f( x,y )dx + ∫ C 3 f( x,y )dx + ∫ C 4 f( x,y )dx  ・・・・・・(3)

右辺の各項について考える.

[1] ∫ C 1 f( x,y )dx  

x=t  とおいて, C 1 を変数 t  を用いて表すと

{ ( t,ψ( t ) );t∈[ a,b ] }  ・・・・・・(4)

となる.

この曲線上において t  を a  から b  に変化させると,点 t,ψ t は経路 C 1 に沿って点 A  から点 D  に移動することから,線積分 ∫ C 1 f( x,y )dx   を積分変数が t の 定積分に置換すると

∫ C 1 f( x,y )dx = ∫ a b f( t,ψ( t ) ) dx dt dt  ・・・・・・(5)

ここで, x=t  であるから

dx dt =1  ・・・・・・(6)

となる.(6)を(5)に代入すると

∫ C 1 f( x,y )dx = ∫ a b f( t,ψ( t ) )dt  ・・・・・・(7)

[2] ∫ C 2 f( x,y )dx  

経路 C 2 において, x  は常に x=b  である.

よって, y=t  とおいて, C 2 を変数 t  および定数 b  を用いて表すと

{ ( b,t );t∈[ ψ( b ),ϕ( b ) ] }  ・・・・・・(8)

[1]と同様に積分変数が t の定積分に置換すると

∫ C 1 f( x,y )dx = ∫ ψ( x ) ϕ( x ) f( b,t ) dx dt dt  ・・・・・・(9)

となる. x=b  と一定であるから,

dx dt =0  ・・・・・・(10)

となる.よって,(9)は

∫ C 2 f( x,y )dx = ∫ ψ( x ) ϕ( x ) f( b,t ) dx dt dt =0  ・・・・・・(11)

となる.

[3] ∫ C 3 f( x,y )dx  

[1]と同様に x=t  とおいて C 3 を変数 t  を用いて表すと

{ ( t,ϕ( t ) );t∈[ a,b ] }  ・・・・・・(12)

となる.

この曲線上において t  を b  から a  に変化させると,経路 C 3 に沿って点 t,ϕ t は点 E から点 H に移動することから, 線積分 ∫ C 3 f( x,y )dx   を積分変数が t の定積分に置換すると

∫ C 3 f( x,y )dx = ∫ b a f( t,ϕ( t ) ) dx dt dt =− ∫ a b f( t,ϕ( t ) ) dx dt dt  ・・・・・・(13)

となる. x=t  であるから

dx dt =1  ・・・・・・(14)

となる.(14)を(13)に代入すると

∫ C 3 f( x,y )dx =− ∫ a b f( t,ϕ( t ) )dt  ・・・・・・(15)

となる.

[4] ∫ C 4 f( x,y )dx  

経路 C 4 において, x  は常に x=a  である.

よって,[2]と同様に

dx dt =0  ・・・・・・(16)

となる.よって,(14)は

∫ C 4 f( x,y )dx =0  ・・・・・・(17)

となる.

[1],[2],[3],[4]より

∫ C f( x,y )dx

= ∫ C 1 f( x,y )dx + ∫ C 2 f( x,y )dx + ∫ C 3 f( x,y )dx + ∫ C 4 f( x,y )dx

= ∫ a b f( t,ψ( t ) )dt +0− ∫ a b f( t,ϕ( t ) )dt +0

= ∫ a b f( t,ψ( t ) )dt − ∫ a b f( t,ϕ( t ) )dt

=−[ ∫ a b f( t,ϕ( t ) )dt − ∫ a b f( t,ψ( t ) )dt ]  ・・・・・・(18)

累次積分と線積分による解をまとめると

累次積分による解((2)を再掲載)

∬ D f y ( x,y )dxdy = ∫ a b f( x,ϕ( x ) )dx − ∫ a b f( x,ψ( x ) )dx  ・・・・・・(19)

線積分による解((16)を再掲載)

∫ C f( x,y )dx =−[ ∫ a b f( t,ϕ( t ) )dt − ∫ a b f( t,ψ( t ) )dt ]  ・・・・・・(20)

(20)に(19)を代入すると

∫ C f( x,y )dx   =− ∬ D f y ( x,y )dxdy

∬ D f y ( x,y )dxdy =− ∫ C f( x,y )dx  ・・・・・・(21)

が得られる.

 

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最終更新日:2024年10月7日