Yeşiller teoremi - Greens theorem - Wikipedia

Vektör analizinde, Green teoremi bir çizgi integrali etrafında basit kapalı eğri bir çift ​​katlı üzerinde uçak bölge ile sınırlı . İki boyutlu özel durumdur Stokes teoremi.

Teoremi

İzin Vermek olumlu olmak yönelimli, parça parça pürüzsüz, basit kapalı eğri içinde uçak ve izin ver bölge olmak . Eğer L ve M fonksiyonlarıdır üzerinde tanımlanmış açık bölge kapsamak ve sahip olmak sürekli kısmi türevler o zaman orada

 ointctrclockwise

entegrasyon yolu nerede C dır-dir saat yönünün tersine.[1][2]

Fizikte Green teoremi birçok uygulama bulur. Biri, iki boyutlu akış integrallerini çözerek, bir hacimden çıkan sıvının toplamının, bir çevreleyen alan hakkında toplanan toplam çıkışa eşit olduğunu belirtir. İçinde uçak geometrisi ve özellikle alan ölçme Green teoremi, yalnızca çevre üzerinden integral alarak düzlem şekillerinin alanını ve merkezini belirlemek için kullanılabilir.

Kanıtı ne zaman D basit bir bölge

Eğer D eğrilerden oluşan sınırı ile basit bir tip I bölgesidir C1, C2, C3, C4Green teoreminin yarısı gösterilebilir.

Aşağıdaki basitleştirilmiş alan için teoremin yarısının bir kanıtıdır Dbir tip I bölge C1 ve C3 dikey çizgilerle birbirine bağlanan eğrilerdir (muhtemelen sıfır uzunluktadır). Teoremin diğer yarısı için benzer bir kanıt vardır. D bir tip II bölgedir C2 ve C4 yatay çizgilerle birbirine bağlanan eğrilerdir (yine, muhtemelen sıfır uzunluktadır). Bu iki parçayı bir araya getirdiğimizde teorem böylece tip III bölgeleri için kanıtlanmıştır (hem tip I hem de tip II olan bölgeler olarak tanımlanır). Genel durum daha sonra bu özel durumdan ayrıştırılarak çıkarılabilir. D bir dizi tip III bölgeye.

Eğer gösterilebilirse eğer

ve

doğrudur, o zaman Green teoremi D bölgesi için hemen izler. (1) Tip I bölgeler için kolayca ve (2) tip II bölgeler için ispatlayabiliriz. Green teoremi daha sonra tip III bölgeleri için takip eder.

Bölge varsay D bir tip I bölgedir ve bu nedenle sağda gösterildiği gibi,

nerede g1 ve g2 vardır sürekli fonksiyonlar üzerinde [a, b]. (1) 'deki çift katlı integrali hesaplayın:

Şimdi (1) 'deki çizgi integralini hesaplayın. C dört eğrinin birleşimi olarak yeniden yazılabilir: C1, C2, C3, C4.

İle C1, kullan parametrik denklemler: x = x, y = g1(x), axb. Sonra

İle C3parametrik denklemleri kullanın: x = x, y = g2(x), axb. Sonra

İntegral bitti C3 olumsuz yöne gittiği için olumsuzlanır b -e a, gibi C pozitif yöndedir (saat yönünün tersine). Açık C2 ve C4, x sabit kalır, anlamı

Bu nedenle,

(3) 'ü (4) ile birleştirerek, tip I bölgeleri için (1) elde ederiz. Tip II bölgeleri için benzer bir işlem verimi (2) elde edilir. İkisini bir araya getirirsek, sonucu Tip III bölgeleri için alırız.


Düzeltilebilir Jordan eğrilerinin kanıtı

Aşağıdakileri kanıtlayacağız

Teorem. İzin Vermek düzeltilebilir, pozitif odaklı olmak Jordan eğrisi içinde ve izin ver iç bölgesini gösterir. Farz et ki özelliği ile sürekli fonksiyonlardır. her noktasında ikinci kısmi türevi vardır , her noktasında ilk kısmi türevi vardır ve fonksiyonların , Riemann ile entegre edilebilir mi? . Sonra

Delilleri bulunabilecek şu lemlere ihtiyacımız var:[3]

Lemma 1 (Ayrışma Lemması). Varsaymak düzlemde düzeltilebilir, pozitif yönelimli bir Jordan eğrisidir ve iç bölgesi olabilir. Her pozitif gerçek için , İzin Vermek çizgilerle sınırlanmış düzlemdeki karelerin koleksiyonunu gösterir , nerede tamsayılar kümesi boyunca çalışır. Sonra bunun için bir ayrışma var sınırlı sayıda üst üste binmeyen alt bölgelere, öyle ki

(i) İçerdiği alt bölgelerin her biri , söyle , bir kare .

(ii) Kalan alt bölgelerin her biri, diyelim ki , sınır olarak, sonlu sayıda yaydan oluşan düzeltilebilir bir Jordan eğrisine sahiptir. ve bir karenin kenarlarının bazı kısımları .

(iii) Sınır bölgelerinin her biri kenar uzunluğunda bir kare içine alınabilir .

(iv) Eğer pozitif yönelimli sınır eğrisi , sonra

(v) numara sınır bölgelerinin yüzdesi şundan büyük değildir: , nerede uzunluğu .

Lemma 2. İzin Vermek düzlemde düzeltilebilir bir eğri olsun ve (aralığı) mesafesine sahip olan düzlemdeki noktalar kümesi en fazla . Bu setin dış Jordan içeriği tatmin edici .

Lemma 3. İzin Vermek düzeltilebilir bir eğri olmak ve izin ver sürekli bir işlev olabilir. Sonra

ve
vardır nerede salınımı aralığında .

Şimdi Teoremi ispatlayacak konumdayız:

Teoremin Kanıtı. İzin Vermek rastgele bir pozitif gerçek sayı olabilir. Sürekliliği ile , ve kompaktlığı , verilen var öyle ki iki nokta daha az ayrı, görüntüleri altında daha az ayrı. Bunun için , önceki Lemma tarafından verilen ayrıştırmayı düşünün. Sahibiz

Koymak .

Her biri için eğri Green'in formülünün geçerli olduğu pozitif yönelimli bir karedir. Bu nedenle

Bir sınır bölgesinin her noktası, en fazla itibaren . Böylece, eğer tüm sınır bölgelerinin birliğidir, o zaman ; dolayısıyla , Lemma 2. Dikkat edin

Bu verir

Biz de seçebiliriz böylece son eşitsizliğin sağ tarafı

Bu ispatın başındaki sözler, ve her sınır bölgesinde en fazla . Sahibiz

Lemma 1 (iii) tarafından,

Bunları birleştirerek nihayet anladık

bazı . Bu herkes için doğru olduğundan , İşimiz bitti.

Farklı hipotezler altında geçerlilik

Green formülünün doğru olduğu tek teoremin hipotezi değildir. Diğer bir yaygın koşul kümesi şudur:

Fonksiyonlar hala sürekli olduğu varsayılmaktadır. Ancak, şimdi bunların her noktasında Fréchet'den farklılaştırılabilir olmalarını istiyoruz. . Bu, özellikle tüm yönlü türevlerin varlığını ima eder her zamanki gibi nerede kanonik sıralı temelidir . Ek olarak, fonksiyona ihtiyacımız var Riemann ile entegre olmak .


Bunun bir sonucu olarak, düzeltilebilir Jordan eğrileri için Cauchy İntegral Teoremini elde ederiz:

Teorem (Cauchy). Eğer doğrultulabilir bir Jordan eğrisidir ve eğer iç bölge boyunca sürekli bir haritalama holomorfiktir. , sonra

integral, karmaşık bir kontur integralidir.

Kanıt. Karmaşık düzlemi şöyle kabul ediyoruz . Şimdi tanımla öyle olmak Bu işlevler açıkça süreklidir. İyi bilinmektedir ki ve Fréchet ile türevlenebilir ve Cauchy-Riemann denklemlerini karşılarlar: .

Şimdi, söz konusu karmaşık kontur integralini tanımlamak için kullanılan toplamları analiz ederek, bunu anlamak kolaydır

RHS üzerindeki integraller normal çizgi integralleridir. Bu açıklamalar Green Teoremini bu çizgi integrallerinin her birine uygulayarak ispatı bitirmemize izin verir.

Çoklu bağlantılı bölgeler

Teorem. İzin Vermek pozitif yönelimli doğrultulabilir Jordan eğrileri doyurucu

nerede iç bölgesi . İzin Vermek

Varsayalım ve kısıtlaması olan sürekli işlevlerdir Fréchet-türevlenebilir. İşlev

Riemann ile entegre edilebilir mi , sonra

Stokes teoremi ile ilişki

Green teoremi özel bir durumdur Kelvin-Stokes teoremi, içindeki bir bölgeye uygulandığında -uçak.

İki boyutlu alanı, üç boyutlu bir alana genişletebiliriz. z her zaman 0 olan bileşen. Yaz F için vektör değerli işlev . Green teoreminin sol tarafıyla başlayın:

Kelvin-Stokes teoremi:

Yüzey sadece düzlemdeki bölge normal ünite ile her iki teorem için "pozitif yönelim" tanımlarıyla eşleşmek için pozitif bir z bileşenine sahip olmak üzere tanımlanmıştır (geleneksel olarak).

İntegralin içindeki ifade olur

Böylece Green teoreminin sağ tarafını elde ederiz

Green teoremi ayrıca genel Stokes teoreminin basit bir sonucudur. diferansiyel formlar ve dış türevler:

Diverjans teoremi ile ilişki

Sadece iki boyutlu vektör alanları dikkate alındığında, Green teoremi, iki boyutlu versiyonuna eşdeğerdir. diverjans teoremi:

 oiint

nerede iki boyutlu vektör alanındaki sapmadır , ve sınırda dışa dönük birim normal vektördür.

Bunu görmek için birimi normal kabul edin denklemin sağ tarafında. Green teoreminden beri eğri boyunca teğeti gösteren bir vektördür ve eğri C sınır boyunca pozitif olarak yönlendirilmiş (yani saat yönünün tersine) eğridir, dışa doğru normal bunun 90 ° sağını gösteren bir vektör olacaktır; bir seçenek olurdu . Bu vektörün uzunluğu Yani

Green teoreminin sol tarafıyla başlayın:

İki boyutlu diverjans teoremini uygulamak Green teoreminin sağ tarafını alıyoruz:

Alan hesaplama

Green teoremi, alanı çizgi integraline göre hesaplamak için kullanılabilir.[4] Düzlemsel bir bölgenin alanı tarafından verilir

Seç ve öyle ki alan tarafından verilir

Alanı için olası formüller Dahil etmek[4]

Tarih

Adını almıştır George Green, benzer bir sonucu 1828 tarihli bir yazıda ifade eden Elektrik ve Manyetizma Teorilerine Matematiksel Analizin Uygulanması Üzerine Bir Deneme. 1846'da, Augustin-Louis Cauchy Green teoremini sondan bir önceki cümle olarak belirten bir makale yayınladı. Aslında bu, Green teoreminin modern ders kitaplarında görünen formdaki ilk basılı versiyonudur. Bernhard Riemann Green teoreminin ilk kanıtını, karmaşık bir değişkenin fonksiyonlar teorisi üzerine doktora tezinde verdi.[5][6]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Riley, K. F .; Hobson, M. P .; Bence, S. J. (2010). Fizik ve Mühendislik için Matematiksel Yöntemler. Cambridge University Press. ISBN  978-0-521-86153-3.
  2. ^ Spiegel, M.R .; Lipschutz, S .; Büyücü, D. (2009). Vektör Analizi. Schaum's Outlines (2. baskı). McGraw Hill. ISBN  978-0-07-161545-7.
  3. ^ Apostol, Tom (1960). Matematiksel analiz (1 ed.). Reading, Massachusetts, ABD: Addison-Wesley Publishing Company, INC.
  4. ^ a b Stewart James (1999). Matematik (6. baskı). Thomson Brooks / Cole.
  5. ^ George Green, Elektrik ve Manyetizma Teorilerine Matematiksel Analizin Uygulanması Üzerine Bir Deneme (Nottingham, İngiltere: T. Wheelhouse, 1828). Green aslında bu makalede yer alan "Green teoremi" biçimini türetmedi; daha ziyade, üzerinde görünen "diverjans teoremi" nin bir biçimini türetmiştir. sayfalar 10-12 onun Makale.
    1846 yılında, bu makalede yer alan "Green teoremi" formu ilk kez kanıtsız olarak bir makalede yayınlandı. Augustin Cauchy: A. Cauchy (1846) "Sur les intégrales qui s'étendent à tous les points d'une courbe fermée" (Kapalı bir eğrinin tüm noktalarına yayılan integrallerde), Comptes rendus, 23: 251–255. (Denklem 254. sayfanın altında görünür, burada (S) bir fonksiyonun çizgi integralini gösterir k eğri boyunca s alanı çevreleyen S.)
    Teoremin bir kanıtı nihayet 1851'de Bernhard Riemann açılış tezinde: Bernhard Riemann (1851) Grundlagen für eine allgemeine Theorie der Functionen einer veränderlichen complexen Grösse (Değişken bir karmaşık büyüklüğün genel bir fonksiyon teorisinin temeli), (Göttingen, (Almanya): Adalbert Rente, 1867); 8-9. sayfalara bakın.
  6. ^ Katz Victor (2009). "22.3.3: Karmaşık Fonksiyonlar ve Çizgi İntegraller". Matematik Tarihi: Giriş. Addison-Wesley. s. 801–5. ISBN  0-321-38700-7.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar