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格林定理


格林定理是一個向量恆等式,它等價於平面上的旋度定理。在平面上邊界為partialD的區域D上,格林定理表述為

 ∮_(partialD)P(x,y)dx+Q(x,y)dy=intint_(D)((partialQ)/(partialx)-(partialP)/(partialy))dxdy,
(1)

其中左邊是線積分,右邊是面積分。這也可以緊湊地寫成向量形式:

 ∮_(partialD)F·ds=intint_(D)(del xF)·da.
(2)

如果在繞partialD行進時區域D在左側,那麼面積D可以使用優雅的公式計算:

 A=1/2∮_(partialD)xdy-ydx,
(3)

這給出了區域面積與其邊界周圍的線積分之間令人驚訝的聯絡。對於引數化指定的平面曲線(x(t),y(t)),對於t in [t_0,t_1],方程 (3) 變為:

 A=1/2int_(t_0)^(t_1)(xy^'-yx^')dt,
(4)

這給出了曲線所包圍的有符號面積。

上面的對稱形式對應于格林定理,其中P(x,y)=-y/2Q(x,y)=x/2,得出:

A=intint_(D)dxdy
(5)
=intint_(D)((partialQ)/(partialx)-(partialP)/(partialy))dxdy
(6)
=∮_(partialD)(-y/2)dx+(x/2)dy
(7)
=1/2int_(t_0)^(t_1)(-yx^'dt+xy^'dt)
(8)
=1/2int_(t_0)^(t_1)(xy^'-yx^')dt.
(9)

然而,我們也可以自由選擇PQ的其他值,包括P(x,y)=0Q(x,y)=x,得到“更簡單”的形式:

 A=int_(t_0)^(t_1)xy^'dt,
(10)

以及P(x,y)=yQ(x,y)=0,得到:

 A=-int_(t_0)^(t_1)yx^'dt.
(11)

類似的程式可以應用於計算關於x-軸的力矩,使用P=-y^2/2Q=0,如下所示:

 M_x=intintydxdy=-1/2∮y^2dx=-1/2int_(t_0)^(t_1)y^2x^'dt
(12)

以及關於y-軸的力矩,使用P=0Q=x^2/2,如下所示:

 M_y=intintxdxdy=1/2∮x^2dx=1/2int_(t_0)^(t_1)x^2y^'dt,
(13)

其中幾何質心x^_=(x^_,y^_)x^_=M_y/Ay^_=M_x/A給出。

最後,可以使用P=-y^3/3Q=0計算面積慣性矩,如下所示:

 I_(xx)=intinty^2dxdy=-1/3∮y^3dx=-1/3int_(t_0)^(t_1)y^3x^'dt,
(14)

使用P=-xy^2/2Q=0,如下所示:

 I_(xy)=intintxydxdy=-1/2∮xy^2dx=-1/2int_(t_0)^(t_1)y^2xx^'dt,
(15)

以及使用P=0Q=x^3/3,如下所示:

 I_(yy)=intintx^2dxdy=1/3∮x^3dy=1/3int_(t_0)^(t_1)x^3y^'dt.
(16)

另請參閱

面積, 面積慣性矩, 旋度定理, 散度定理, 幾何質心, 多元微積分, 斯托克斯定理

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參考文獻

Arfken, G. "高斯定理." §1.11 in 物理學家的數學方法,第 3 版。 奧蘭多,佛羅里達州:學術出版社,第 57-61 頁,1985 年。Kaplan, W. "格林定理." §5.5 in 高等微積分,第 4 版。 雷丁,馬薩諸塞州:艾迪生-韋斯利出版社,第 286-291 頁,1991 年。

請引用為

Weisstein, Eric W. "格林定理." 來自 Web 資源. https://mathworld.tw/GreensTheorem.html

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