1 正則立体と外向き法線
定義 1.1. Ω ⊂ R 3 \Omega\subset\mathbb R^3 Ω ⊂ R 3 を有限個の連結成分をもつ有界開集合とし、D = Ω ‾ D=\overline\Omega D = Ω 、int ( D ) = Ω \tpint{D}=\Omega int ( D ) = Ω とする。次の条件を満たすとき、D D D を区分的に一階連続微分可能な正則立体 (piecewiseC 1 C^1 C 1 regular solid ) という。
∂ D \partial D ∂ D は有限個のコンパクトなC 1 C^1 C 1 級正則曲面パッチS 1 , … , S N S_1,\ldots,S_N S 1 , … , S N の和である。各S j S_j S j は、区分的C 1 C^1 C 1 級境界をもつコンパクトな Jordan 可測集合K j ⊂ R 2 K_j\subset\mathbb R^2 K j ⊂ R 2 と、その近傍で定義されたC 1 C^1 C 1 級写像σ j \boldsymbol\sigma_j σ j によりS j = σ j ( K j ) S_j=\boldsymbol\sigma_j(K_j) S j = σ j ( K j ) と表される。σ j ∣ K j \boldsymbol\sigma_j|_{K_j} σ j ∣ K j は単射であり、K j K_j K j 上で( σ j ) u × ( σ j ) v ≠ 0 (\boldsymbol\sigma_j)_u\times(\boldsymbol\sigma_j)_v\ne0 ( σ j ) u × ( σ j ) v = 0 である。
各相対内部S j ∘ = σ j ( int ( K j ) ) S_j^\circ=\boldsymbol\sigma_j(\tpint{K_j}) S j ∘ = σ j ( int ( K j )) は互いに交わらない。異なるパッチの共通部分は有限個の区分的C 1 C^1 C 1 級正則曲線の像と有限個の点からなる。全パッチの境界の和を稜線・頂点集合 (edge and vertex set )E E E という。
各p ∈ S j ∘ p\in S_j^\circ p ∈ S j ∘ の球近傍B B B を十分小さく取ると、B ∖ S j ∘ B\setminus S_j^\circ B ∖ S j ∘ は二つの局所成分をもち、一方にB ∩ Ω B\cap\Omega B ∩ Ω が、他方にB ∩ ( R 3 ∖ D ) B\cap(\mathbb R^3\setminus D) B ∩ ( R 3 ∖ D ) が含まれる。
R 3 ∖ D \mathbb R^3\setminus D R 3 ∖ D は一つの非有界連結成分と有限個の有界連結成分からなる。後者をD D D の空洞 (cavity ) という。
S j ∘ S_j^\circ S j ∘ 上の外向き単位法線 (outward unit normal )n \boldsymbol n n は、Ω \Omega Ω の側からR 3 ∖ D \mathbb R^3\setminus D R 3 ∖ D の側を向く単位法線である。空洞の内面では空洞の内部を向く。境界流束 (boundary flux ) は、各S j ∘ S_j^\circ S j ∘ に外向き法線を入れた流束の和として定める。稜線と頂点は§E4.20 命題 4.2 により曲面上の Jordan 零集合であるため、この和の値へ寄与しない。
補題 1.2. 定義 1.1 の各境界パッチは三次元の Jordan 零集合である。したがって、∂ D \partial D ∂ D は Jordan 零集合であり、D D D は Jordan 可測である。
証明. 一つのパッチをS = σ ( K ) S=\boldsymbol\sigma(K) S = σ ( K ) と書く。K K K の近傍にあるコンパクト集合上でD σ D\boldsymbol\sigma D σ は有界であるため、§E4.3 定理 2.1 によりσ \boldsymbol\sigma σ はその集合上で Lipschitz 連続である。K K K を含む長方形を一辺h h h の正方形へ分けると、K K K と交わる正方形はO ( h − 2 ) O(h^{-2}) O ( h − 2 ) 個であり、各正方形の像は一辺O ( h ) O(h) O ( h ) の立方体に含まれる。したがって、それらの立方体の総体積はO ( h ) O(h) O ( h ) である。h ↓ 0 h\downarrow0 h ↓ 0 とすればS S S は Jordan 零集合である。
境界パッチは有限個であるから、§E4.11 補題 1.2 により∂ D \partial D ∂ D も Jordan 零集合である。D D D は有界であり、その境界が Jordan 零集合なので、§E4.11 定義 2.1 により Jordan 可測である。▨
2 単純立体の累次積分
補題 2.1. K ⊂ R 2 K\subset\mathbb R^2 K ⊂ R 2 をコンパクトな Jordan 可測集合とし、K K K の近傍で連続な関数α , β \alpha,\beta α , β がα ≤ β \alpha\leq\beta α ≤ β を満たすとする。
V = { ( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ K , α ( x , y ) ≤ z ≤ β ( x , y ) } V=\{(x,y,z):(x,y)\in K,\ \alpha(x,y)\leq z\leq\beta(x,y)\} V = {( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ K , α ( x , y ) ≤ z ≤ β ( x , y )} とおく。f f f がV V V の近傍で連続ならば、V V V は Jordan 可測であり、
∭ V f d V = ∬ K ( ∫ α ( x , y ) β ( x , y ) f ( x , y , z ) d z ) d x d y (1) \iiint_Vf\,dV
=\iint_K\left(\int_{\alpha(x,y)}^{\beta(x,y)}f(x,y,z)\,dz\right)dx\,dy
\tag{1} ∭ V f d V = ∬ K ( ∫ α ( x , y ) β ( x , y ) f ( x , y , z ) d z ) d x d y ( 1 ) が成り立つ。
証明. K = ∅ K=\emptyset K = ∅ の場合は両辺が零なので、以下ではK ≠ ∅ K\ne\emptyset K = ∅ とする。K K K を閉長方形R R R に含め、V ⊂ R × [ c , d ] V\subset R\times[c,d] V ⊂ R × [ c , d ] となるc < d c<d c < d を取る。α \alpha α とβ \beta β はK K K のコンパクトな近傍で一様連続である。底面を幅h h h の小長方形へ分けると、各グラフを覆う柱の総体積は、R R R の面積とα , β \alpha,\beta α , β の連続率との積で上から評価され、h ↓ 0 h\downarrow0 h ↓ 0 で零へ収束する。また、∂ K × [ c , d ] \partial K\times[c,d] ∂ K × [ c , d ] は Jordan 零集合である。したがって
∂ V ⊂ graph ( α ∣ K ) ∪ graph ( β ∣ K ) ∪ ( ∂ K × [ c , d ] ) \partial V\subset\operatorname{graph}(\alpha|_K)\cup
\operatorname{graph}(\beta|_K)\cup(\partial K\times[c,d]) ∂ V ⊂ graph ( α ∣ K ) ∪ graph ( β ∣ K ) ∪ ( ∂ K × [ c , d ]) は Jordan 零集合であり、V V V は Jordan 可測である。
g ( x , y ) = ∫ α ( x , y ) β ( x , y ) f ( x , y , z ) d z g(x,y)=\int_{\alpha(x,y)}^{\beta(x,y)}f(x,y,z)\,dz g ( x , y ) = ∫ α ( x , y ) β ( x , y ) f ( x , y , z ) d z とおく。積分区間の共通部分ではf f f の一様連続性を用い、対称差ではsup V ∣ f ∣ \sup_V|f| sup V ∣ f ∣ と端点の差を用いると、g g g はK K K 上で連続である。したがって、§E4.11 補題 3.4 によりg g g はK K K 上で可積分である。
S = R × [ c , d ] S=R\times[c,d] S = R × [ c , d ] とし、f ∣ V f|_V f ∣ V をS S S 上で零拡張した関数をf ^ \widehat f f とする。§E4.11 補題 3.4 と§E4.11 命題 3.3 によりf ^ \widehat f f は可積分であり、∫ S f ^ = ∭ V f \int_S\widehat f=\iiint_Vf ∫ S f = ∭ V f である。q = ( x , y ) ∈ R q=(x,y)\in R q = ( x , y ) ∈ R に対して
G ( q ) = ∫ c d f ^ ( q , z ) d z G(q)=\int_c^d\widehat f(q,z)\,dz G ( q ) = ∫ c d f ( q , z ) d z とおく。q ∈ K q\in K q ∈ K ならば、この切片は連続関数z ↦ f ( q , z ) z\mapsto f(q,z) z ↦ f ( q , z ) の区間[ α ( q ) , β ( q ) ] [\alpha(q),\beta(q)] [ α ( q ) , β ( q )] から[ c , d ] [c,d] [ c , d ] への零拡張なので可積分であり、G ( q ) = g ( q ) G(q)=g(q) G ( q ) = g ( q ) である。q ∉ K q\notin K q ∈ / K ならばG ( q ) = 0 G(q)=0 G ( q ) = 0 である。したがってG G G はg g g の零拡張であり、同じ二つの既証明の結果から∫ R G = ∬ K g \int_RG=\iint_Kg ∫ R G = ∬ K g を得る。
P R P_R P R をR R R の直積分割、P z P_z P z を[ c , d ] [c,d] [ c , d ] の分割とする。各Q ∈ P R Q\in P_R Q ∈ P R に対して
ℓ Q = ∑ J ∈ P z inf Q × J f ^ ∣ J ∣ , u Q = ∑ J ∈ P z sup Q × J f ^ ∣ J ∣ \ell_Q=\sum_{J\in P_z}\inf_{Q\times J}\widehat f\,|J|,
\qquad
u_Q=\sum_{J\in P_z}\sup_{Q\times J}\widehat f\,|J| ℓ Q = J ∈ P z ∑ Q × J inf f ∣ J ∣ , u Q = J ∈ P z ∑ Q × J sup f ∣ J ∣ とおく。各q ∈ Q q\in Q q ∈ Q の切片に一変数の Darboux 和を適用するとℓ Q ≤ G ( q ) ≤ u Q \ell_Q\leq G(q)\leq u_Q ℓ Q ≤ G ( q ) ≤ u Q である。q ∈ Q q\in Q q ∈ Q について下限と上限を取り、∣ Q ∣ |Q| ∣ Q ∣ を掛けて加えると
L ( f ^ , P R × P z ) ≤ L ( G , P R ) ≤ ∫ R G ≤ U ( G , P R ) ≤ U ( f ^ , P R × P z ) L(\widehat f,P_R\times P_z)\leq L(G,P_R)\leq\int_RG
\leq U(G,P_R)\leq U(\widehat f,P_R\times P_z) L ( f , P R × P z ) ≤ L ( G , P R ) ≤ ∫ R G ≤ U ( G , P R ) ≤ U ( f , P R × P z ) を得る。これは§E4.12 定理 1 の Darboux 和比較を、零拡張f ^ \widehat f f に対して直接示したものである。f ^ \widehat f f の可積分性により、この不等式の両端の差を任意の正数未満にできる。したがって∫ S f ^ = ∫ R G \int_S\widehat f=\int_RG ∫ S f = ∫ R G であり、式 (1) が従う。▨
定義 2.2. 有界な閉立体V V V が
V = { ( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ D x y , α z ( x , y ) ≤ z ≤ β z ( x , y ) } V=\{(x,y,z):(x,y)\in D_{xy},\ \alpha_z(x,y)\leq z\leq\beta_z(x,y)\} V = {( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ D x y , α z ( x , y ) ≤ z ≤ β z ( x , y )} と表され、D x y D_{xy} D x y がコンパクトな Jordan 可測集合、α z , β z \alpha_z,\beta_z α z , β z がその近傍でC 1 C^1 C 1 級であるとき、V V V は z z z 方向に単純 (simple in the z-direction ) であるという。x x x 方向に単純 (simple in the x-direction ) であることとy y y 方向に単純 (simple in the y-direction ) であることも、座標を巡回して同様に定める。三方向の全てについて単純であり、境界が有限個のC 1 C^1 C 1 級正則曲面パッチからなる立体を座標単純立体 (coordinate-simple solid ) という。
補題 2.3. V V V を座標単純立体、F = ( P , Q , R ) F=(P,Q,R) F = ( P , Q , R ) をV V V の近傍で定義されたC 1 C^1 C 1 級ベクトル場とする。∂ V \partial V ∂ V に外向き法線を入れると、
∬ ∂ V F ⋅ n d A = ∭ V ( ∂ x P + ∂ y Q + ∂ z R ) d V (2) \iint_{\partial V}F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA
=\iiint_V(\partial_xP+\partial_yQ+\partial_zR)\,dV
\tag{2} ∬ ∂ V F ⋅ n d A = ∭ V ( ∂ x P + ∂ y Q + ∂ z R ) d V ( 2 ) が成り立つ。
証明. z z z 方向の表示を用いる。( 0 , 0 , R ) (0,0,R) ( 0 , 0 , R ) の流束に寄与するのは上面と下面だけであり、それぞれの外向き面積ベクトルの第三成分は1 1 1 と− 1 -1 − 1 である。したがって、§D1.19 定理 2.1 と補題 2.1 により
∬ ∂ V ( 0 , 0 , R ) ⋅ n d A = ∬ D x y [ R ( x , y , β z ) − R ( x , y , α z ) ] d x d y = ∭ V ∂ z R d V . \begin{aligned}
\iint_{\partial V}(0,0,R)\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA
&=\iint_{D_{xy}}[R(x,y,\beta_z)-R(x,y,\alpha_z)]\,dx\,dy\\
&=\iiint_V\partial_zR\,dV.
\end{aligned} ∬ ∂ V ( 0 , 0 , R ) ⋅ n d A = ∬ D x y [ R ( x , y , β z ) − R ( x , y , α z )] d x d y = ∭ V ∂ z R d V . x x x 方向とy y y 方向の表示を用いると、同じ議論から
∬ ∂ V ( P , 0 , 0 ) ⋅ n d A = ∭ V ∂ x P d V , ∬ ∂ V ( 0 , Q , 0 ) ⋅ n d A = ∭ V ∂ y Q d V \iint_{\partial V}(P,0,0)\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA=\iiint_V\partial_xP\,dV,
\qquad
\iint_{\partial V}(0,Q,0)\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA=\iiint_V\partial_yQ\,dV ∬ ∂ V ( P , 0 , 0 ) ⋅ n d A = ∭ V ∂ x P d V , ∬ ∂ V ( 0 , Q , 0 ) ⋅ n d A = ∭ V ∂ y Q d V を得る。三式を加えれば式 (2) が従う。▨
3 境界グラフの局所公式
補題 3.1. T ( ξ ) = a + R ξ T(\xi)=a+R\xi T ( ξ ) = a + R ξ とし、R R R をdet R = 1 \det R=1 det R = 1 の直交行列とする。F ~ ( ξ ) = R T F ( T ( ξ ) ) \widetilde F(\xi)=R^{\mathsf T}F(T(\xi)) F ( ξ ) = R T F ( T ( ξ )) とおくと、
div F ~ = ( div F ) ∘ T . \operatorname{div}\widetilde F=(\operatorname{div}F)\circ T. div F = ( div F ) ∘ T . また、T T T は体積、立体の内外、外向き面積ベクトルおよび境界流束を保つ。
証明. 連鎖律からD F ~ = R T ( D F ∘ T ) R D\widetilde F=R^{\mathsf T}(DF\circ T)R D F = R T ( D F ∘ T ) R である。行列の跡の巡回性とR R T = I RR^{\mathsf T}=I R R T = I により発散の式を得る。∣ det R ∣ = 1 |\det R|=1 ∣ det R ∣ = 1 なので体積は保たれる。さらに、det R = 1 \det R=1 det R = 1 であるため
( R u ) × ( R v ) = R ( u × v ) (Ru)\times(Rv)=R(u\times v) ( R u ) × ( R v ) = R ( u × v ) が成り立つ。内側と外側もT T T によって対応するから、外向き面積ベクトルと流束が保たれる。▨
補題 3.2. D D D を区分的にC 1 C^1 C 1 級正則立体、p ∈ ∂ D ∖ E p\in\partial D\setminus E p ∈ ∂ D ∖ E とする。向きを保つ剛体座標、閉長方形B ⊂ R 2 B\subset\mathbb R^2 B ⊂ R 2 、c < d c<d c < d およびB B B の近傍で定義されたC 1 C^1 C 1 級関数φ \varphi φ を選び、
c < min B φ ≤ max B φ < d c<\min_B\varphi\leq\max_B\varphi<d c < B min φ ≤ B max φ < d を満たすように取ることができる。U = ( int ( B ) ) × ( c , d ) U=(\tpint{B})\times(c,d) U = ( int ( B )) × ( c , d ) とおけばp ∈ U p\in U p ∈ U であり、
∂ D ∩ U = { ( x , y , φ ( x , y ) ) : ( x , y ) ∈ int ( B ) } , D ∩ U = { ( x , y , z ) ∈ U : z ≤ φ ( x , y ) } (3) \partial D\cap U=\{(x,y,\varphi(x,y)):(x,y)\in\tpint{B}\},
\qquad
D\cap U=\{(x,y,z)\in U:z\leq\varphi(x,y)\}
\tag{3} ∂ D ∩ U = {( x , y , φ ( x , y )) : ( x , y ) ∈ int ( B )} , D ∩ U = {( x , y , z ) ∈ U : z ≤ φ ( x , y )} ( 3 ) が成り立つ。グラフ上の外向き面積ベクトルは( − φ x , − φ y , 1 ) d x d y (-\varphi_x,-\varphi_y,1)\,dx\,dy ( − φ x , − φ y , 1 ) d x d y である。
証明. 新しいz z z 軸をp p p における外向き法線の向きに取る。境界パッチからx y xy x y 平面への射影の微分はp p p で可逆であるため、§E4.7 定理 2.1 により、パッチはp p p の近傍でC 1 C^1 C 1 級グラフになる。p ∉ E p\notin E p ∈ / E なので、近傍を縮小すれば他の境界パッチは現れない。外向き法線のz z z 成分は近傍で正であり、局所的な片側性からD D D はグラフの下側にある。この近傍の内部にB × [ c , d ] B\times[c,d] B × [ c , d ] を取ってさらに縮小すると、表示された不等式と式 (3) が成り立つ。外向き法線の向きから面積ベクトルの表示を得る。▨
補題 3.3. B = [ a , b ] × [ c 1 , d 1 ] B=[a,b]\times[c_1,d_1] B = [ a , b ] × [ c 1 , d 1 ] 、φ ∈ C 1 ( B ) \varphi\in C^1(B) φ ∈ C 1 ( B ) 、c 0 < min B φ c_0<\min_B\varphi c 0 < min B φ とし、
C = { ( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ B , c 0 ≤ z ≤ φ ( x , y ) } C=\{(x,y,z):(x,y)\in B,\ c_0\leq z\leq\varphi(x,y)\} C = {( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ B , c 0 ≤ z ≤ φ ( x , y )} とおく。F = ( P , Q , R ) F=(P,Q,R) F = ( P , Q , R ) はC C C の近傍でC 1 C^1 C 1 級であり、グラフ面以外の人工境界の近傍で零であるとする。このとき
∭ C div F d V = ∬ B F ( x , y , φ ( x , y ) ) ⋅ ( − φ x , − φ y , 1 ) d x d y (4) \iiint_C\operatorname{div}F\,dV
=\iint_BF(x,y,\varphi(x,y))\boldsymbol\cdot(-\varphi_x,-\varphi_y,1)\,dx\,dy
\tag{4} ∭ C div F d V = ∬ B F ( x , y , φ ( x , y )) ⋅ ( − φ x , − φ y , 1 ) d x d y ( 4 ) が成り立つ。
証明. 補題 2.1 と一変数の微積分学の基本定理から
∭ C ∂ z R d V = ∬ B R ( x , y , φ ( x , y ) ) d x d y \iiint_C\partial_zR\,dV=\iint_BR(x,y,\varphi(x,y))\,dx\,dy ∭ C ∂ z R d V = ∬ B R ( x , y , φ ( x , y )) d x d y を得る。下面の項はF = 0 F=0 F = 0 により消える。
H 1 ( x , y ) = ∫ c 0 φ ( x , y ) P ( x , y , z ) d z H_1(x,y)=\int_{c_0}^{\varphi(x,y)}P(x,y,z)\,dz H 1 ( x , y ) = ∫ c 0 φ ( x , y ) P ( x , y , z ) d z とおく。有限区間上のパラメータ積分の微分公式§D1.26 補題 2.1 と連鎖律§E4.3 定理 1.1 により
∂ x H 1 = ∫ c 0 φ ( x , y ) ∂ x P ( x , y , z ) d z + P ( x , y , φ ( x , y ) ) φ x ( x , y ) \partial_xH_1=\int_{c_0}^{\varphi(x,y)}\partial_xP(x,y,z)\,dz
+P(x,y,\varphi(x,y))\varphi_x(x,y) ∂ x H 1 = ∫ c 0 φ ( x , y ) ∂ x P ( x , y , z ) d z + P ( x , y , φ ( x , y )) φ x ( x , y ) である。H 1 H_1 H 1 は∂ B \partial B ∂ B の近傍で零なので、x x x 方向の基本定理を適用してからy y y について積分すると
∭ C ∂ x P d V = − ∬ B P ( x , y , φ ( x , y ) ) φ x ( x , y ) d x d y \iiint_C\partial_xP\,dV=-\iint_BP(x,y,\varphi(x,y))\varphi_x(x,y)\,dx\,dy ∭ C ∂ x P d V = − ∬ B P ( x , y , φ ( x , y )) φ x ( x , y ) d x d y を得る。同様に
∭ C ∂ y Q d V = − ∬ B Q ( x , y , φ ( x , y ) ) φ y ( x , y ) d x d y \iiint_C\partial_yQ\,dV=-\iint_BQ(x,y,\varphi(x,y))\varphi_y(x,y)\,dx\,dy ∭ C ∂ y Q d V = − ∬ B Q ( x , y , φ ( x , y )) φ y ( x , y ) d x d y である。三式を加えれば式 (4) が従う。▨
4 有限局所化と稜線の切断
補題 4.1. D D D を区分的にC 1 C^1 C 1 級正則立体、E E E をその稜線・頂点集合とする。F F F がD D D の近傍でC 1 C^1 C 1 級であり、E E E のある近傍で零ならば
∬ ∂ D F ⋅ n d A = ∭ D div F d V (5) \iint_{\partial D}F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA
=\iiint_D\operatorname{div}F\,dV
\tag{5} ∬ ∂ D F ⋅ n d A = ∭ D div F d V ( 5 ) が成り立つ。
証明. F F F の定義域をW W W とする。§E4.19 系 2.2 を用いて、D D D の近傍では値を変えず、W W W にコンパクトな台をもつC 1 C^1 C 1 級ベクトル場へF F F を延長する。K = D ∩ supp F K=D\cap\operatorname{supp}F K = D ∩ supp F はE E E と交わらないコンパクト集合である。K ∩ Ω K\cap\Omega K ∩ Ω を閉包までΩ \Omega Ω に含まれる開直方体で覆い、K ∩ ∂ D K\cap\partial D K ∩ ∂ D を補題 3.2 のグラフ近傍で覆う。有限部分被覆を取り、§E4.19 定理 2.1 により従属する有限局所化( θ ν ) (\theta_\nu) ( θ ν ) を選び、F ν = θ ν F F_\nu=\theta_\nu F F ν = θ ν F とおく。
内部直方体に台をもつF ν F_\nu F ν には補題 2.3 を適用する。F ν F_\nu F ν は直方体の境界近傍で零であるため、発散の体積積分と∂ D \partial D ∂ D 上の流束はともに零である。境界グラフに台をもつF ν F_\nu F ν には、補題 3.1 で座標を移す。対応する補題 3.2 の直方柱をU = ( int ( B ) ) × ( c , d ) U=(\tpint{B})\times(c,d) U = ( int ( B )) × ( c , d ) とし、局所化の台をU U U の内部に取る。式 (3) により、この台上ではD D D とグラフ立体
C = { ( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ B , c ≤ z ≤ φ ( x , y ) } C=\{(x,y,z):(x,y)\in B,\ c\leq z\leq\varphi(x,y)\} C = {( x , y , z ) : ( x , y ) ∈ B , c ≤ z ≤ φ ( x , y )} が一致する。F ν F_\nu F ν はC C C の人工境界の近傍で零であるため、補題 3.3 を適用できる。各局所項について、D D D 上の発散積分は実境界グラフを通る外向き流束に等しい。
K K K の近傍で∑ ν θ ν = 1 \sum_\nu\theta_\nu=1 ∑ ν θ ν = 1 であり、その外ではF = 0 F=0 F = 0 である。したがってD D D の近傍でF = ∑ ν F ν F=\sum_\nu F_\nu F = ∑ ν F ν かつdiv F = ∑ ν div F ν \operatorname{div}F=\sum_\nu\operatorname{div}F_\nu div F = ∑ ν div F ν である。有限個の等式を加えると式 (5) を得る。▨
補題 4.2. D D D を区分的にC 1 C^1 C 1 級正則立体、E E E を稜線・頂点集合とする。十分小さいr > 0 r>0 r > 0 に対して、開集合U r U_r U r とC 1 C^1 C 1 級関数χ r : R 3 → [ 0 , 1 ] \chi_r:\mathbb R^3\to[0,1] χ r : R 3 → [ 0 , 1 ] で次を満たすものが存在する。
χ r = 0 \chi_r=0 χ r = 0 はE E E の開近傍で、χ r = 1 \chi_r=1 χ r = 1 はU r U_r U r の外で成り立つ。
∥ ∇ χ r ∥ ≤ C / r \lVert\nabla\chi_r\rVert\leq C/r ∥ ∇ χ r ∥ ≤ C / r 。
vol ( U r ) ≤ C r 2 \operatorname{vol}(U_r)\leq Cr^2 vol ( U r ) ≤ C r 2 。
area ( ∂ D ∩ U r ) ≤ C r \operatorname{area}(\partial D\cap U_r)\leq Cr area ( ∂ D ∩ U r ) ≤ C r 。
証明. E E E は有限個の有限長な区分的C 1 C^1 C 1 級正則曲線と有限個の点の和である。一辺r r r の格子立方体のうちE E E と交わるものの個数をN r N_r N r とする。各正則曲線片では、有限個の小区間へ分ければ一つの座標成分をパラメータとして用いることができ、残りの座標成分は Lipschitz 連続になる。したがってN r = O ( r − 1 ) N_r=O(r^{-1}) N r = O ( r − 1 ) である。
選んだ格子立方体の中心をq ν q_\nu q ν とする。§E4.19 補題 1.3 の切断関数を用いて、各立方体を含み半径O ( r ) O(r) O ( r ) の球に台をもつ関数b ν b_\nu b ν を取り、
χ r = ∏ ν = 1 N r ( 1 − b ν ) \chi_r=\prod_{\nu=1}^{N_r}(1-b_\nu) χ r = ν = 1 ∏ N r ( 1 − b ν ) とおく。半径O ( r ) O(r) O ( r ) の球族の和をU r U_r U r とすれば、χ r \chi_r χ r はE E E の近傍で零、U r U_r U r の外で一である。格子中心の間隔はr r r なので球族の重なり度には一様な上界があり、各∥ ∇ b ν ∥ = O ( r − 1 ) \lVert\nabla b_\nu\rVert=O(r^{-1}) ∥ ∇ b ν ∥ = O ( r − 1 ) と積の微分から∥ ∇ χ r ∥ = O ( r − 1 ) \lVert\nabla\chi_r\rVert=O(r^{-1}) ∥ ∇ χ r ∥ = O ( r − 1 ) を得る。また
vol ( U r ) = N r O ( r 3 ) = O ( r 2 ) . \operatorname{vol}(U_r)=N_rO(r^3)=O(r^2). vol ( U r ) = N r O ( r 3 ) = O ( r 2 ) . 各境界パッチは有限個のグラフチャートで覆われ、各チャートの面積要素は有界である。したがって、半径O ( r ) O(r) O ( r ) の球と一つのパッチとの共通部分の面積はO ( r 2 ) O(r^2) O ( r 2 ) であり、パッチ数も有限である。ゆえに
area ( ∂ D ∩ U r ) = N r O ( r 2 ) = O ( r ) \operatorname{area}(\partial D\cap U_r)=N_rO(r^2)=O(r) area ( ∂ D ∩ U r ) = N r O ( r 2 ) = O ( r ) である。▨
5 Gauss の発散定理
定理 5.1 (Gauss の発散定理). D = Ω ‾ D=\overline\Omega D = Ω を定義 1.1 の区分的にC 1 C^1 C 1 級正則立体とし、∂ D \partial D ∂ D の各パッチ相対内部に外向き単位法線n \boldsymbol n n を与える。F F F がD D D を含む開集合上のC 1 C^1 C 1 級ベクトル場ならば
∬ ∂ D F ⋅ n d A = ∭ D div F d V (6) \iint_{\partial D}F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA
=\iiint_D\operatorname{div}F\,dV
\tag{6} ∬ ∂ D F ⋅ n d A = ∭ D div F d V ( 6 ) が成り立つ。空洞の内面ではn \boldsymbol n n は空洞の内部を向く。
証明. E E E を稜線・頂点集合とし、補題 4.2 のU r , χ r U_r,\chi_r U r , χ r を取る。F r = χ r F F_r=\chi_rF F r = χ r F はE E E の近傍で零なので、補題 4.1 により
∬ ∂ D χ r F ⋅ n d A = ∭ D [ χ r div F + ∇ χ r ⋅ F ] d V (7) \iint_{\partial D}\chi_rF\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA
=\iiint_D[\chi_r\operatorname{div}F+\nabla\chi_r\boldsymbol\cdot F]\,dV
\tag{7} ∬ ∂ D χ r F ⋅ n d A = ∭ D [ χ r div F + ∇ χ r ⋅ F ] d V ( 7 ) である。
M M M をD D D 上の∥ F ∥ \lVert F\rVert ∥ F ∥ と∣ div F ∣ |\operatorname{div}F| ∣ div F ∣ の共通上界とする。1 − χ r 1-\chi_r 1 − χ r と∇ χ r \nabla\chi_r ∇ χ r の台はU r U_r U r に含まれるため、
∣ ∬ ∂ D ( 1 − χ r ) F ⋅ n d A ∣ ≤ M area ( ∂ D ∩ U r ) = O ( r ) , \left|\iint_{\partial D}(1-\chi_r)F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA\right|
\leq M\operatorname{area}(\partial D\cap U_r)=O(r), ∬ ∂ D ( 1 − χ r ) F ⋅ n d A ≤ M area ( ∂ D ∩ U r ) = O ( r ) , ∣ ∭ D ( 1 − χ r ) div F d V ∣ = O ( r 2 ) , ∣ ∭ D ∇ χ r ⋅ F d V ∣ ≤ M C r − 1 vol ( U r ) = O ( r ) . \left|\iiint_D(1-\chi_r)\operatorname{div}F\,dV\right|=O(r^2),
\qquad
\left|\iiint_D\nabla\chi_r\boldsymbol\cdot F\,dV\right|
\leq MC r^{-1}\operatorname{vol}(U_r)=O(r). ∭ D ( 1 − χ r ) div F d V = O ( r 2 ) , ∭ D ∇ χ r ⋅ F d V ≤ M C r − 1 vol ( U r ) = O ( r ) . 式 (7) でr ↓ 0 r\downarrow0 r ↓ 0 とすれば式 (6) を得る。▨
6 有限分割と流束計算
命題 6.1. 有界な閉立体V V V が座標単純立体V 1 , … , V N V_1,\ldots,V_N V 1 , … , V N の有限和であり、異なる小立体の内部は交わらず、各内部曲面はちょうど二つの小立体に共有され、残る境界面の和が∂ V \partial V ∂ V であるとする。小立体の共通部分は有限個のC 1 C^1 C 1 級正則曲面パッチ、区分的C 1 C^1 C 1 級曲線および点からなると仮定する。F F F がV V V の近傍でC 1 C^1 C 1 級ならば、式 (6) がV V V について成り立つ。
例 6.2 (発散定理による直方体の流束計算). a , b , c > 0 a,b,c>0 a , b , c > 0 、V = [ 0 , a ] × [ 0 , b ] × [ 0 , c ] V=[0,a]\times[0,b]\times[0,c] V = [ 0 , a ] × [ 0 , b ] × [ 0 , c ] 、F ( x , y , z ) = ( x , y , z ) F(x,y,z)=(x,y,z) F ( x , y , z ) = ( x , y , z ) とする。div F = 3 \operatorname{div}F=3 div F = 3 なので、定理 5.1 により
∬ ∂ V F ⋅ n d A = 3 a b c . \iint_{\partial V}F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA=3abc. ∬ ∂ V F ⋅ n d A = 3 ab c . 直接計算では、x = a x=a x = a 、y = b y=b y = b 、z = c z=c z = c の各面がa b c abc ab c を与え、反対側の三面は零を与えるため、同じ値になる。
例 6.3 (球面から出る流束). a > 0 a>0 a > 0 、D = { x ∈ R 3 : ∥ x ∥ ≤ a } D=\{x\in\mathbb R^3:\lVert x\rVert\leq a\} D = { x ∈ R 3 : ∥ x ∥ ≤ a } 、F ( x ) = x F(x)=x F ( x ) = x とする。div F = 3 \operatorname{div}F=3 div F = 3 であるから、
∬ ∂ D F ⋅ n d A = 3 vol ( D ) = 4 π a 3 . \iint_{\partial D}F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA
=3\operatorname{vol}(D)=4\pi a^3. ∬ ∂ D F ⋅ n d A = 3 vol ( D ) = 4 π a 3 . 一方、球面上ではn = x / a \boldsymbol n=x/a n = x / a なのでF ⋅ n = a F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n=a F ⋅ n = a であり、直接計算もa ⋅ 4 π a 2 = 4 π a 3 a\cdot4\pi a^2=4\pi a^3 a ⋅ 4 π a 2 = 4 π a 3 を与える。
7 演習
問題 7.1 (稜線近傍の切断誤差). 定理 5.1 の証明で、∥ ∇ χ r ∥ = O ( r − 1 ) \lVert\nabla\chi_r\rVert=O(r^{-1}) ∥ ∇ χ r ∥ = O ( r − 1 ) であるにもかかわらず、∭ D ∇ χ r ⋅ F d V \iiint_D\nabla\chi_r\boldsymbol\cdot F\,dV ∭ D ∇ χ r ⋅ F d V が零へ収束する理由を示せ。また、境界流束の切断誤差も零へ収束することを示せ。
解答. 補題 4.2 により、∇ χ r \nabla\chi_r ∇ χ r の台を含むU r U_r U r の体積はO ( r 2 ) O(r^2) O ( r 2 ) である。F F F はD D D 上で有界なので
∣ ∭ D ∇ χ r ⋅ F d V ∣ ≤ O ( r − 1 ) O ( r 2 ) = O ( r ) ⟶ 0. \left|\iiint_D\nabla\chi_r\boldsymbol\cdot F\,dV\right|
\leq O(r^{-1})O(r^2)=O(r)\longrightarrow0. ∭ D ∇ χ r ⋅ F d V ≤ O ( r − 1 ) O ( r 2 ) = O ( r ) ⟶ 0. また、∂ D ∩ U r \partial D\cap U_r ∂ D ∩ U r の面積はO ( r ) O(r) O ( r ) であるため、
∣ ∬ ∂ D ( 1 − χ r ) F ⋅ n d A ∣ ≤ sup D ∥ F ∥ O ( r ) ⟶ 0. \left|\iint_{\partial D}(1-\chi_r)F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dA\right|
\leq\sup_D\lVert F\rVert\,O(r)\longrightarrow0. ∬ ∂ D ( 1 − χ r ) F ⋅ n d A ≤ D sup ∥ F ∥ O ( r ) ⟶ 0. ▨