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格林定理


格林定理是一个向量恒等式,它等价于平面上的旋度定理。在平面上边界为partialD的区域D上,格林定理表述为

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

其中左边是线积分,右边是面积分。这也可以紧凑地写成向量形式:

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

如果在绕partialD行进时区域D在左侧,那么面积D可以使用优雅的公式计算:

 A=1/2∮_(partialD)xdy-ydx,
(3)

这给出了区域面积与其边界周围的线积分之间令人惊讶的联系。对于参数化指定的平面曲线(x(t),y(t)),对于t in [t_0,t_1],方程 (3) 变为:

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

这给出了曲线所包围的有符号面积。

上面的对称形式对应于格林定理,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,我们也可以自由选择PQ的其他值,包括P(x,y)=0Q(x,y)=x,得到“更简单”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)

类似的程序可以应用于计算关于x-轴的力矩,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)

以及关于y-轴的力矩,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)

其中几何质心x^_=(x^_,y^_)x^_=M_y/Ay^_=M_x/A给出。

最后,可以使用P=-y^3/3Q=0计算面积惯性矩,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)

另请参阅

面积, 面积惯性矩, 旋度定理, 散度定理, 几何质心, 多元微积分, 斯托克斯定理

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参考文献

Arfken, G. "高斯定理." §1.11 in 物理学家的数学方法,第 3 版。 奥兰多,佛罗里达州:学术出版社,第 57-61 页,1985 年。Kaplan, W. "格林定理." §5.5 in 高等微积分,第 4 版。 雷丁,马萨诸塞州:艾迪生-韦斯利出版社,第 286-291 页,1991 年。

请引用为

Weisstein, Eric W. "格林定理." 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源. https://mathworld.net.cn/GreensTheorem.html

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