1 向きづけ可能性
定義 1.1. S ⊂ R 3 S\subset\mathbb R^3 S ⊂ R 3 をコンパクトなC 1 C^1 C 1 級正則曲面とする。各p ∈ S p\in S p ∈ S においてT p S T_pS T p S に直交する単位ベクトルn ( p ) \boldsymbol n(p) n ( p ) を連続に選んだ場
n : S ⟶ R 3 \boldsymbol n:S\longrightarrow\mathbb R^3 n : S ⟶ R 3 をS S S の向き (orientation ) という。向きが存在する曲面を向きづけ可能 (orientable ) という。同じ曲面上のn \boldsymbol n n と− n -\boldsymbol n − n は反対の向きを定める。
曲面チャートc : K → S \boldsymbol c:K\to S c : K → S がn \boldsymbol n n と整合する (compatible with the orientation ) とは、全てのw ∈ K w\in K w ∈ K で
n ( c ( w ) ) = c u ( w ) × c v ( w ) ∥ c u ( w ) × c v ( w ) ∥ \boldsymbol n(\boldsymbol c(w))
=\frac{\boldsymbol c_u(w)\times\boldsymbol c_v(w)}
{\lVert\boldsymbol c_u(w)\times\boldsymbol c_v(w)\rVert} n ( c ( w )) = ∥ c u ( w ) × c v ( w )∥ c u ( w ) × c v ( w ) が成り立つことをいう。
命題 1.2. c : K → S \boldsymbol c:K\to S c : K → S とc ~ : K ~ → S \widetilde{\boldsymbol c}:\widetilde K\to S c : K → S を、重なり上でc ~ = c ∘ T \widetilde{\boldsymbol c}=\boldsymbol c\circ T c = c ∘ T を満たすC 1 C^1 C 1 級チャートとする。重なりの各点で
c ~ ξ × c ~ η = det D T ( c u × c v ) ∘ T \widetilde{\boldsymbol c}_{\xi}\times\widetilde{\boldsymbol c}_{\eta}
=\det DT\,
(\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v)\circ T c ξ × c η = det D T ( c u × c v ) ∘ T が成り立つ。したがって、両チャートが同じ向きに整合することとdet D T > 0 \det DT>0 det D T > 0 は同値であり、両チャートが反対の向きを表すこととdet D T < 0 \det DT<0 det D T < 0 は同値である。
証明. 連鎖律から
c ~ ξ = c u ( T ) ∂ ξ T 1 + c v ( T ) ∂ ξ T 2 , c ~ η = c u ( T ) ∂ η T 1 + c v ( T ) ∂ η T 2 \widetilde{\boldsymbol c}_{\xi}
=c_u(T)\,\partial_{\xi}T_1+c_v(T)\,\partial_{\xi}T_2,
\qquad
\widetilde{\boldsymbol c}_{\eta}
=c_u(T)\,\partial_{\eta}T_1+c_v(T)\,\partial_{\eta}T_2 c ξ = c u ( T ) ∂ ξ T 1 + c v ( T ) ∂ ξ T 2 , c η = c u ( T ) ∂ η T 1 + c v ( T ) ∂ η T 2 を得る。外積を双線形に展開すると、同じベクトルどうしの外積が消え、残る係数は∂ ξ T 1 ∂ η T 2 − ∂ η T 1 ∂ ξ T 2 = det D T \partial_{\xi}T_1\partial_{\eta}T_2-
\partial_{\eta}T_1\partial_{\xi}T_2=\det DT ∂ ξ T 1 ∂ η T 2 − ∂ η T 1 ∂ ξ T 2 = det D T である。二つの外積は零でないため、正規化した単位法線が一致する場合に限り係数は正であり、反対になる場合に限り係数は負である。▨
例 1.3 (向きづけ可能な曲面と向きづけ不可能な曲面). R > 0 R>0 R > 0 とする。半径R R R の球面はn ( p ) = p / R \boldsymbol n(p)=p/R n ( p ) = p / R によって向きづけ可能である。一方、0 < a < R 0<a<R 0 < a < R とし、標準的な Möbius 帯を0 ≤ θ ≤ 2 π 0\le\theta\le2\pi 0 ≤ θ ≤ 2 π 、∣ t ∣ ≤ a |t|\le a ∣ t ∣ ≤ a において
m ( θ , t ) = ( ( R + t cos ( θ / 2 ) ) cos θ , ( R + t cos ( θ / 2 ) ) sin θ , t sin ( θ / 2 ) ) \boldsymbol m(\theta,t)=
\bigl((R+t\cos(\theta/2))\cos\theta,
(R+t\cos(\theta/2))\sin\theta,t\sin(\theta/2)\bigr) m ( θ , t ) = ( ( R + t cos ( θ /2 )) cos θ , ( R + t cos ( θ /2 )) sin θ , t sin ( θ /2 ) ) で表し、m ( 0 , t ) \boldsymbol m(0,t) m ( 0 , t ) とm ( 2 π , − t ) \boldsymbol m(2\pi,-t) m ( 2 π , − t ) を同一視する。この幅の条件の下で表示は正則な埋め込みを与える。中心線t = 0 t=0 t = 0 に沿うm θ × m t \boldsymbol m_{\theta}\times\boldsymbol m_t m θ × m t の向きは一周後に反転する。連続単位法線が存在すれば、中心線上では正規化した外積の二択の一方を連続に選ぶ必要があり、その符号は連結区間上で一定になる。同じ点へ戻ったときに法線が反転するため矛盾し、Möbius 帯は向きづけ不可能である。
2 境界の誘導向き
定義 2.1. p ∈ ∂ S p\in\partial S p ∈ ∂ S を滑らかな境界点とする。p p p の近傍の曲面チャートc : H → S \boldsymbol c:H\to S c : H → S が
H = { ( s , t ) : ∣ s ∣ < ε , 0 ≤ t < ε } , c ( 0 , 0 ) = p H=\{(s,t): |s|<\varepsilon,\ 0\le t<\varepsilon\},
\qquad \boldsymbol c(0,0)=p H = {( s , t ) : ∣ s ∣ < ε , 0 ≤ t < ε } , c ( 0 , 0 ) = p を定義域とし、t = 0 t=0 t = 0 を境界へ、t > 0 t>0 t > 0 を曲面の内側へ写すとき、( s , t ) (s,t) ( s , t ) を境界適合座標 (boundary-compatible coordinates ) という。
補題 2.2. 二つの境界適合チャートの遷移写像をT = ( T 1 , T 2 ) T=(T_1,T_2) T = ( T 1 , T 2 ) とする。境界上では
T 2 ( s , 0 ) = 0 , ∂ s T 2 ( s , 0 ) = 0 , ∂ t T 2 ( s , 0 ) > 0 T_2(s,0)=0,
\qquad
\partial_sT_2(s,0)=0,
\qquad
\partial_tT_2(s,0)>0 T 2 ( s , 0 ) = 0 , ∂ s T 2 ( s , 0 ) = 0 , ∂ t T 2 ( s , 0 ) > 0 が成り立つ。
証明. 遷移写像は境界を境界へ写すためT 2 ( s , 0 ) = 0 T_2(s,0)=0 T 2 ( s , 0 ) = 0 であり、s s s で微分して∂ s T 2 ( s , 0 ) = 0 \partial_sT_2(s,0)=0 ∂ s T 2 ( s , 0 ) = 0 を得る。内側は両方の座標で第二成分が正であるから、t > 0 t>0 t > 0 に対してT 2 ( s , t ) > 0 T_2(s,t)>0 T 2 ( s , t ) > 0 である。したがって右微分は非負である。境界上では
det D T = ∂ s T 1 ∂ t T 2 \det DT=\partial_sT_1\,\partial_tT_2 det D T = ∂ s T 1 ∂ t T 2 であり、遷移写像が局所微分同相なので行列式は零でない。ゆえに∂ t T 2 ( s , 0 ) > 0 \partial_tT_2(s,0)>0 ∂ t T 2 ( s , 0 ) > 0 である。▨
定理 2.3. S S S を向きづけられた曲面とし、p ∈ ∂ S p\in\partial S p ∈ ∂ S を滑らかな境界点とする。境界適合チャートc \boldsymbol c c に対し、c t ( p ) \boldsymbol c_t(p) c t ( p ) から境界接線方向の成分を除いた
b = c t − c t ⋅ c s ∥ c s ∥ 2 c s \boldsymbol b
=\boldsymbol c_t-
\frac{\boldsymbol c_t\boldsymbol\cdot\boldsymbol c_s}
{\lVert\boldsymbol c_s\rVert^2}\boldsymbol c_s b = c t − ∥ c s ∥ 2 c t ⋅ c s c s は、T p S T_pS T p S 内で境界に直交して曲面の内側を向く。単位ベクトル
η ( p ) = − b ∥ b ∥ \boldsymbol\eta(p)=-\frac{\boldsymbol b}{\lVert\boldsymbol b\rVert} η ( p ) = − ∥ b ∥ b は境界適合チャートによらず、滑らかな境界弧上で連続である。このベクトル場を外向き余法線 という。
証明. 正則性によりc s \boldsymbol c_s c s とc t \boldsymbol c_t c t は一次独立なのでb ≠ 0 \boldsymbol b\ne0 b = 0 であり、定義からb ⊥ c s \boldsymbol b\perp\boldsymbol c_s b ⊥ c s である。別の境界適合チャートc ~ = c ∘ T \widetilde{\boldsymbol c}=\boldsymbol c\circ T c = c ∘ T を取る。前の補題から境界上で
c ~ η = c s ∂ η T 1 + c t ∂ η T 2 , ∂ η T 2 > 0 \widetilde{\boldsymbol c}_{\eta}
=\boldsymbol c_s\,\partial_{\eta}T_1
+\boldsymbol c_t\,\partial_{\eta}T_2,
\qquad \partial_{\eta}T_2>0 c η = c s ∂ η T 1 + c t ∂ η T 2 , ∂ η T 2 > 0 である。境界接線方向を除く直交射影を施すとb ~ = ( ∂ η T 2 ) b \widetilde{\boldsymbol b}=(\partial_{\eta}T_2)\boldsymbol b b = ( ∂ η T 2 ) b となる。係数が正なので正規化後の− b -\boldsymbol b − b は一致する。各チャート内の式が連続であり、重なりで一致するため、η \boldsymbol\eta η は滑らかな境界弧上で連続である。▨
定義 2.4. 向きn \boldsymbol n n をもつ曲面S S S の滑らかな境界弧上で
τ = n × η \boldsymbol\tau=\boldsymbol n\times\boldsymbol\eta τ = n × η を正の単位接ベクトルと定める。外向き余法線のチャート独立性により、τ \boldsymbol\tau τ もチャートによらず連続である。この向きを∂ S \partial S ∂ S の誘導向き (induced orientation ) という。
命題 2.5. c : K → S \boldsymbol c:K\to S c : K → S をn \boldsymbol n n と整合するチャートとする。K K K の滑らかな境界弧をγ \boldsymbol\gamma γ が、領域K K K を進行方向の左側に見る向きにパラメータ化すると、c ∘ γ \boldsymbol c\circ\boldsymbol\gamma c ∘ γ は∂ S \partial S ∂ S の誘導向きを向く。
証明. s 0 s_0 s 0 を一つ固定する。K K K がγ \boldsymbol\gamma γ の進行方向の左側にあるため、det ( γ ′ ( s 0 ) , v ) > 0 \det(\boldsymbol\gamma'(s_0),\boldsymbol v)>0 det ( γ ′ ( s 0 ) , v ) > 0 を満たし、K K K の内側を向く固定ベクトルv ∈ R 2 \boldsymbol v\in\mathbb R^2 v ∈ R 2 を選ぶことができる。s 0 s_0 s 0 の近傍を十分小さく取るとdet ( γ ′ ( s ) , v ) > 0 \det(\boldsymbol\gamma'(s),\boldsymbol v)>0 det ( γ ′ ( s ) , v ) > 0 が保たれ、
χ ( s , q ) = γ ( s ) + q v \boldsymbol\chi(s,q)=\boldsymbol\gamma(s)+q\boldsymbol v χ ( s , q ) = γ ( s ) + q v はq ≥ 0 q\ge0 q ≥ 0 の側をK K K へ写すC 1 C^1 C 1 級境界適合座標になる。v \boldsymbol v v は固定されているため、χ \boldsymbol\chi χ のC 1 C^1 C 1 級正則性には境界接線の微分を必要としない。曲面チャートc ∘ χ \boldsymbol c\circ\boldsymbol\chi c ∘ χ について、正の行列式をもつ遷移写像の命題から
( c ∘ χ ) s × ( c ∘ χ ) q (\boldsymbol c\circ\boldsymbol\chi)_s\times
(\boldsymbol c\circ\boldsymbol\chi)_q ( c ∘ χ ) s × ( c ∘ χ ) q はn \boldsymbol n n の向きを向く。q q q 方向はs = s 0 s=s_0 s = s 0 で曲面の内側を向くため、外向き余法線はその境界接線直交成分の反対を向く。従って正規直交基底の向きは( τ , 内向き余法線 , n ) (\boldsymbol\tau,\text{内向き余法線},\boldsymbol n) ( τ , 内向き余法線 , n ) の順で正であり、( c ∘ γ ) ′ ( s 0 ) (\boldsymbol c\circ\boldsymbol\gamma)'(s_0) ( c ∘ γ ) ′ ( s 0 ) はτ \boldsymbol\tau τ の正の倍数になる。s 0 s_0 s 0 は任意であるため、結論は境界弧全体で成り立つ。▨
3 流束と再パラメータ化
定義 3.1. 向きn \boldsymbol n n をもつコンパクトな正則曲面S S S と、S S S 上の連続ベクトル場F : S → R 3 \boldsymbol F:S\to\mathbb R^3 F : S → R 3 に対し、F \boldsymbol F F のS S S を通る流束 (flux ) を
∬ S F ⋅ n d S : = ∬ S ( F ⋅ n ) d S \iint_S\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dS
:=\iint_S(\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n)\,dS ∬ S F ⋅ n d S := ∬ S ( F ⋅ n ) d S と定める。右辺は§E4.20 定義 5.4 のスカラー面積分である。
命題 3.2. S S S を向きn \boldsymbol n n をもつ境界つきコンパクトC 1 C^1 C 1 級正則曲面とする。Ω ⊂ R 2 \Omega\subset\mathbb R^2 Ω ⊂ R 2 を有界連結開集合とし、D = Ω ‾ D=\overline\Omega D = Ω 、Ω = int ( D ) \Omega=\tpint{D} Ω = int ( D ) とする。∂ D \partial D ∂ D は有限個の互いに交わらない区分的C 1 C^1 C 1 級正則単純閉曲線からなり、各境界点の近傍で∂ D \partial D ∂ D の一方の側がΩ \Omega Ω に、他方の側がR 2 ∖ D \mathbb R^2\setminus D R 2 ∖ D に含まれると仮定する。
D D D を含む開集合上のC 1 C^1 C 1 級写像c \boldsymbol c c は、D D D 上で単射かつ正則であり、
c ( D ) = S , c ( ∂ D ) = ∂ S \boldsymbol c(D)=S,
\qquad
\boldsymbol c(\partial D)=\partial S c ( D ) = S , c ( ∂ D ) = ∂ S を満たし、n \boldsymbol n n と整合するとする。このとき、全ての連続ベクトル場F : S → R 3 \boldsymbol F:S\to\mathbb R^3 F : S → R 3 について
∬ S F ⋅ n d S = ∬ D F ( c ( u , v ) ) ⋅ ( c u × c v ) ( u , v ) d u d v \iint_S\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dS
=\iint_D
\boldsymbol F(\boldsymbol c(u,v))\boldsymbol\cdot
(\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v)(u,v)\,du\,dv ∬ S F ⋅ n d S = ∬ D F ( c ( u , v )) ⋅ ( c u × c v ) ( u , v ) d u d v が成り立つ。
証明. §E4.20 系 5.7 を連続関数f = F ⋅ n f=\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n f = F ⋅ n に適用する。整合性から
n ∘ c = c u × c v ∥ c u × c v ∥ \boldsymbol n\circ\boldsymbol c
=\frac{\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v}
{\lVert\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v\rVert} n ∘ c = ∥ c u × c v ∥ c u × c v である。従って、f ∘ c f\circ\boldsymbol c f ∘ c とスカラー面積要素の積はF ( c ) ⋅ ( c u × c v ) \boldsymbol F(\boldsymbol c)\boldsymbol\cdot(\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v) F ( c ) ⋅ ( c u × c v ) に等しく、表示された式を得る。▨
定理 3.3. K , K ′ ⊂ R 2 K,K'\subset\mathbb R^2 K , K ′ ⊂ R 2 をコンパクトな Jordan 可測集合とする。T T T をK ′ K' K ′ の開近傍からK K K の開近傍へのC 1 C^1 C 1 級微分同相とし、T ( K ′ ) = K T(K')=K T ( K ′ ) = K を仮定する。c : K → S \boldsymbol c:K\to S c : K → S を向きn \boldsymbol n n と整合する正則曲面パッチとし、c ~ = c ∘ T \widetilde{\boldsymbol c}=\boldsymbol c\circ T c = c ∘ T とする。det D T > 0 \det DT>0 det D T > 0 ならばc \boldsymbol c c とc ~ \widetilde{\boldsymbol c} c は同じ向きを表し、全ての連続ベクトル場F : c ( K ) → R 3 \boldsymbol F:\boldsymbol c(K)\to\mathbb R^3 F : c ( K ) → R 3 について
∬ K ′ F ( c ~ ) ⋅ ( c ~ ξ × c ~ η ) d ξ d η = ∬ K F ( c ) ⋅ ( c u × c v ) d u d v \iint_{K'}\boldsymbol F(\widetilde{\boldsymbol c})\boldsymbol\cdot
(\widetilde{\boldsymbol c}_{\xi}\times\widetilde{\boldsymbol c}_{\eta})\,d\xi\,d\eta
=\iint_K\boldsymbol F(\boldsymbol c)\boldsymbol\cdot
(\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v)\,du\,dv ∬ K ′ F ( c ) ⋅ ( c ξ × c η ) d ξ d η = ∬ K F ( c ) ⋅ ( c u × c v ) d u d v が成り立つ。det D T < 0 \det DT<0 det D T < 0 ならばc ~ \widetilde{\boldsymbol c} c は反対向きを表し、左辺は右辺の符号を反転した値になる。
証明. 命題 1.2 の外積変換式から、左辺の被積分関数は
[ F ( c ) ⋅ ( c u × c v ) ] ∘ T det D T \bigl[\boldsymbol F(\boldsymbol c)\boldsymbol\cdot
(\boldsymbol c_u\times\boldsymbol c_v)\bigr]\circ T\,\det DT [ F ( c ) ⋅ ( c u × c v ) ] ∘ T det D T である。det D T > 0 \det DT>0 det D T > 0 の場合はdet D T = ∣ det D T ∣ \det DT=|\det DT| det D T = ∣ det D T ∣ なので、§E4.14 系 2.2 をE = K ′ E=K' E = K ′ とΦ = T \Phi=T Φ = T に適用すると右辺を得る。det D T < 0 \det DT<0 det D T < 0 の場合はdet D T = − ∣ det D T ∣ \det DT=-|\det DT| det D T = − ∣ det D T ∣ であり、同じ変数変換公式から右辺の負を得る。▨
証明. §E4.20 命題 5.6 をf = F ⋅ n f=\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n f = F ⋅ n に適用し、整合する単位法線の式を代入する。得られるノルムは面積要素のノルムと相殺し、表示された外積を含む積分になる。▨
命題 3.5. 同じ曲面に反対向き− n -\boldsymbol n − n を入れると、流束は
∬ ( S , − n ) F ⋅ ( − n ) d S = − ∬ ( S , n ) F ⋅ n d S \iint_{(S,-\boldsymbol n)}\boldsymbol F\boldsymbol\cdot(-\boldsymbol n)\,dS
=-\iint_{(S,\boldsymbol n)}\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dS ∬ ( S , − n ) F ⋅ ( − n ) d S = − ∬ ( S , n ) F ⋅ n d S と符号を変える。
証明. スカラー面積分の線形性とF ⋅ ( − n ) = − ( F ⋅ n ) \boldsymbol F\boldsymbol\cdot(-\boldsymbol n)=
-(\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n) F ⋅ ( − n ) = − ( F ⋅ n ) から従う。▨
4 内部境界の相殺
命題 4.1. 同じ向きn \boldsymbol n n をもつ二つの曲面片S 1 , S 2 S_1,S_2 S 1 , S 2 が滑らかな共通境界弧C C C をもち、C C C の両側で一つの曲面を構成するとする。S i S_i S i の外向き余法線をη i \boldsymbol\eta_i η i 、誘導境界接ベクトルをτ i \boldsymbol\tau_i τ i とすると、C C C 上で
η 2 = − η 1 , τ 2 = − τ 1 \boldsymbol\eta_2=-\boldsymbol\eta_1,
\qquad
\boldsymbol\tau_2=-\boldsymbol\tau_1 η 2 = − η 1 , τ 2 = − τ 1 である。従って共通境界に沿う向き付き線積分は二つの曲面片からの寄与を加えると相殺する。
証明. C C C に直交するT p S T_pS T p S 内の直線には二つの単位ベクトルしかない。C C C の一方の側にS 1 S_1 S 1 の内側があり、反対側にS 2 S_2 S 2 の内側があるため、二つの外向き余法線は反対になる。同じ曲面向きn \boldsymbol n n を用いるので
τ 2 = n × η 2 = − n × η 1 = − τ 1 . \boldsymbol\tau_2
=\boldsymbol n\times\boldsymbol\eta_2
=-\boldsymbol n\times\boldsymbol\eta_1
=-\boldsymbol\tau_1. τ 2 = n × η 2 = − n × η 1 = − τ 1 . 最後の相殺は§E4.18 命題 3.2 における向きの反転による符号変化から従う。▨
5 例と問題
例 5.1 (グラフ曲面を通る流束). D ⊂ R 2 D\subset\mathbb R^2 D ⊂ R 2 を Jordan 可測なコンパクト集合とし、g ∈ C 1 ( D ) g\in C^1(D) g ∈ C 1 ( D ) のグラフを
c ( x , y ) = ( x , y , g ( x , y ) ) \boldsymbol c(x,y)=(x,y,g(x,y)) c ( x , y ) = ( x , y , g ( x , y )) で表す。上向きの向きでは
c x × c y = ( − g x , − g y , 1 ) \boldsymbol c_x\times\boldsymbol c_y=(-g_x,-g_y,1) c x × c y = ( − g x , − g y , 1 ) であるから、連続ベクトル場F = ( P , Q , R ) \boldsymbol F=(P,Q,R) F = ( P , Q , R ) の流束は
∬ D ( − P ( c ) g x − Q ( c ) g y + R ( c ) ) , d x , d y \iint_D\bigl(-P(\boldsymbol c)g_x-Q(\boldsymbol c)g_y+R(\boldsymbol c)\bigr),dx,dy ∬ D ( − P ( c ) g x − Q ( c ) g y + R ( c ) ) , d x , d y となる。特にF = ( 0 , 0 , 1 ) \boldsymbol F=(0,0,1) F = ( 0 , 0 , 1 ) ならば、グラフの傾きによらず流束は平面領域の面積area ( D ) \operatorname{area}(D) area ( D ) に等しい。
問題 5.2 (放物面の流束と境界向き). R > 0 R>0 R > 0 とする。D = { ( x , y ) : x 2 + y 2 ≤ R 2 } D=\{(x,y):x^2+y^2\le R^2\} D = {( x , y ) : x 2 + y 2 ≤ R 2 } 、S = { ( x , y , x 2 + y 2 ) : ( x , y ) ∈ D } S=\{(x,y,x^2+y^2):(x,y)\in D\} S = {( x , y , x 2 + y 2 ) : ( x , y ) ∈ D } とし、S S S を上向きに向きづける。F ( x , y , z ) = ( x , y , z ) \boldsymbol F(x,y,z)=(x,y,z) F ( x , y , z ) = ( x , y , z ) とする。
S S S を通るF \boldsymbol F F の流束を求めよ。
曲面の向きを下向きに変えたときの流束を求めよ。
上向きの曲面が境界円に誘導する向きをx y xy x y 平面への射影で答えよ。
解答. g ( x , y ) = x 2 + y 2 g(x,y)=x^2+y^2 g ( x , y ) = x 2 + y 2 なので、上向きの面素ベクトルは( − 2 x , − 2 y , 1 ) (-2x,-2y,1) ( − 2 x , − 2 y , 1 ) である。従って
F ( x , y , g ( x , y ) ) ⋅ ( − 2 x , − 2 y , 1 ) = − ( x 2 + y 2 ) . \boldsymbol F(x,y,g(x,y))\boldsymbol\cdot(-2x,-2y,1)
=-(x^2+y^2). F ( x , y , g ( x , y )) ⋅ ( − 2 x , − 2 y , 1 ) = − ( x 2 + y 2 ) . 極座標で積分すると
∬ S F ⋅ n d S = − ∫ 0 2 π ∫ 0 R r 3 d r d θ = − π R 4 2 . \iint_S\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol n\,dS
=-\int_0^{2\pi}\int_0^R r^3\,dr\,d\theta
=-\frac{\pi R^4}{2}. ∬ S F ⋅ n d S = − ∫ 0 2 π ∫ 0 R r 3 d r d θ = − 2 π R 4 . 下向きでは命題 3.5 によりπ R 4 / 2 \pi R^4/2 π R 4 /2 となる。上向き法線と外向き余法線に対してτ = n × η \boldsymbol\tau=\boldsymbol n\times\boldsymbol\eta τ = n × η であるから、境界の射影は上から見て反時計回りになる。▨