MathLabs
Định lýĐã chứng minh

Định lý Green

Phát biểu

Cho D⊂R2D \subset \mathbb{R}^2 là một miền với biên ∂D\partial D định hướng dương, trơn từng khúc, và cho P(x,y)P(x,y), Q(x,y)Q(x,y) có đạo hàm riêng liên tục trên một miền mở chứa DD. Khi đó ∮∂D(P dx+Q dy)=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dA\oint_{\partial D} (P\,dx + Q\,dy) = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA.

Vì sao đúng?

Vế phải cộng dồn 'mật độ tuần hoàn' cục bộ ∂Q∂x−∂P∂y\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} (curl 2 chiều) trên mọi điểm của DD; các tuần hoàn bên trong của những ô nhỏ liền kề triệt tiêu nhau dọc cạnh chung, chỉ còn lại tuần hoàn dọc biên ngoài ∂D\partial D.

Phác thảo chứng minh

Trước hết chứng minh cho hình chữ nhật R=[a,b]×[c,d]R = [a,b]\times[c,d] với D=RD = R. Theo định lý Fubini, ∬R∂Q∂x dA=∫cd(Q(b,y)−Q(a,y))dy\iint_R \frac{\partial Q}{\partial x}\,dA = \int_c^d \left(Q(b,y) - Q(a,y)\right) dy và ∬R∂P∂y dA=∫ab(P(x,d)−P(x,c))dx\iint_R \frac{\partial P}{\partial y}\,dA = \int_a^b \left(P(x,d) - P(x,c)\right) dx.

Đây chính xác là các tích phân đường của Q dyQ\,dy dọc cạnh phải và cạnh trái của RR và của P dxP\,dx dọc cạnh trên và cạnh dưới, nên ∬R(∂Q∂x−∂P∂y)dA=∮∂R(P dx+Q dy)\iint_R \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA = \oint_{\partial R} (P\,dx + Q\,dy), khớp với định lý cho hình chữ nhật.

Với một miền DD tổng quát, xấp xỉ nó bằng một lưới mịn gồm các hình chữ nhật nhỏ phủ DD. Áp dụng trường hợp hình chữ nhật cho từng mảnh nhỏ rồi cộng lại trên mọi mảnh. Mỗi cạnh trong được chia sẻ bởi hai mảnh liền kề bị đi qua một lần theo mỗi hướng bởi biên của hai mảnh đó, nên hai đóng góp tích phân đường dọc cạnh chung ấy triệt tiêu nhau hoàn toàn.

Phần còn lại sau khi triệt tiêu chính xác là tích phân đường quanh biên ngoài ∂D\partial D, trong khi tổng các tích phân kép trên các hình chữ nhật nhỏ hội tụ về ∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dA\iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA khi lưới mịn dần, chứng minh đẳng thức cho DD.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. Jerrold E. Marsden, Anthony J. Tromba (2012). Vector Calculus
  2. H. M. Schey (2005). Div, Grad, Curl, and All That: An Informal Text on Vector Calculus
  3. Tom M. Apostol (1969). Calculus, Vol. 2: Multi-Variable Calculus and Linear Algebra with Applications