次は,ストークスの定理
∮ C A ⋅ d r = ∫ S ( ∇ × A ) ⋅ n d S
\oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \int_S \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n} dS
∮ C A ⋅ d r = ∫ S ( ∇ × A ) ⋅ n d S
を証明します。ガウスの発散定理の証明と似ていますが,以下の4ステップで説明します。
任意のループの周回積分は分割して考えられる
細かい四角形に分解し,
この四角形の一つに焦点をあてて周回積分を計算して,
それをたしあわせる
ループの周回積分は分割して考えられる
A \boldsymbol{A} A の任意のループ C C C に対する周回積分:
∮ C A ⋅ d r
\oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r}
∮ C A ⋅ d r
を考えます。
C C C を,C 中 C_{\text{中}} C 中 という線で,C 左 C_{\text{左}} C 左 と C 右 C_{\text{右}} C 右 という曲線に分割します。これら2つは図の矢印のような向きがある経路だと思ってください。また,C 中 C_{\text{中}} C 中 にも向きをつけ,C 左 + C 中 ↘ C_{\text{左}} + C_{\text{中}\searrow} C 左 + C 中 ↘ で一つのループ C 1 C_1 C 1 ,C 右 + C 中 ↖ C_{\text{右}} + C_{\text{中}\nwarrow} C 右 + C 中 ↖ で一つのループ C 2 C_2 C 2 ができるようにします。
C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 の周回積分について
∮ C 1 A ⋅ d r = ∫ C 左 A ⋅ d r + ∫ C 中 ↘ A ⋅ d r ∮ C 2 A ⋅ d r = ∫ C 右 A ⋅ d r + ∫ C 中 ↖ A ⋅ d r \begin{aligned}
\oint_{C_1} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= \int_{C_{\text{左}}} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_{\text{中}} \searrow} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r}\\
\oint_{C_2} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= \int_{C_{\text{右}}} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_{\text{中}} \nwarrow} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r}
\end{aligned} ∮ C 1 A ⋅ d r ∮ C 2 A ⋅ d r = ∫ C 左 A ⋅ d r + ∫ C 中 ↘ A ⋅ d r = ∫ C 右 A ⋅ d r + ∫ C 中 ↖ A ⋅ d r
です。C 中 ↘ , C 中 ↖ C_{\text{中}} \searrow, C_{\text{中}} \nwarrow C 中 ↘ , C 中 ↖ は互いに逆向きの経路なので,これらの線積分の和は打ち消し合います。つまり,
∫ C 中 ↘ A ⋅ d r + ∫ C 中 ↖ A ⋅ d r = 0
\int_{C_{\text{中}} \searrow} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_{\text{中}} \nwarrow} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = 0
∫ C 中 ↘ A ⋅ d r + ∫ C 中 ↖ A ⋅ d r = 0
が成立します。よって,
∮ C 1 A ⋅ d r + ∮ C 2 A ⋅ d r = ∫ C 左 A ⋅ d r + ∫ C 右 A ⋅ d r = ∮ C A ⋅ d r
\oint_{C_1} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \oint_{C_2} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \int_{C_{\text{左}}} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_{\text{右}}} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r}
∮ C 1 A ⋅ d r + ∮ C 2 A ⋅ d r = ∫ C 左 A ⋅ d r + ∫ C 右 A ⋅ d r = ∮ C A ⋅ d r
∴ ∮ C 1 A ⋅ d r + ∮ C 2 A ⋅ d r = ∮ C A ⋅ d r (**)
\therefore \oint_{C_1} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \oint_{C_2} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} \tag{**}
∴ ∮ C 1 A ⋅ d r + ∮ C 2 A ⋅ d r = ∮ C A ⋅ d r ( ** )
この式 ( ∗ ∗ ) (**) ( ∗ ∗ ) は,ガウスの発散定理の証明で登場した式 ( ∗ ) (*) ( ∗ ) と同様に重要で,「任意のループ C C C における A \boldsymbol{A} A の周回積分は,それを分割したときにできる2つのループ C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 における A \boldsymbol{A} A の周回積分の和に等しい」 ということを表しています。周回積分は面積分同様,好きなようにループを分割して良いわけです。
微小ループの集合として考える
C C C を,C C C とその中身が C 1 , C 2 , ⋯ , C N C_1, C_2, \cdots, C_N C 1 , C 2 , ⋯ , C N という正方形型の微小ループで構成できるようになるまで切り刻んでいきます。
このとき,周回積分について,
∮ C A ⋅ d r = lim N → ∞ { ∑ i = 1 N ∮ C i A ⋅ d r }
\oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \lim_{N \to \infty}\left\{\sum_{i = 1}^N \oint_{C_i} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r}\right\}
∮ C A ⋅ d r = N → ∞ lim { i = 1 ∑ N ∮ C i A ⋅ d r }
が成り立ちます。
任意のループの周回積分が微小ループの周回積分の総和で置き換えられました。
微小ループの周回積分を考える
まず,x y xy x y 平面上に微小ループが乗っている場合を考えます。
この微小ループを C i C_i C i と呼ぶことにします。このとき,C i C_i C i の周回積分は
∮ C A ⋅ d r = ∫ C A A ⋅ d r + ∫ C B A ⋅ d r + ∫ C C A ⋅ d r + ∫ C D A ⋅ d r
\oint_{C} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \int_{C_A} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_B} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_C} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} + \int_{C_D} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r}
∮ C A ⋅ d r = ∫ C A A ⋅ d r + ∫ C B A ⋅ d r + ∫ C C A ⋅ d r + ∫ C D A ⋅ d r
と計算できます。
ここで,
∫ C A A ⋅ d r = ∫ x x + Δ x ( A x ( x , y , z ) A y ( x , y , z ) A z ( x , y , z ) ) ⋅ ( d x 0 0 ) = { A x ( x , y , z ) + ( Δ x によるズレ ) } Δ x ≈ A x ( x , y , z ) Δ x \begin{aligned}
\int_{C_A} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= \int_x^{x + \Delta x} \left(\begin{array}{c}
A_x\left(x,y,z\right)\\
A_y\left(x,y,z\right)\\
A_z\left(x,y,z\right)
\end{array}\right) \cdot
\left(\begin{array}{c}
dx\\
0\\
0
\end{array}\right)\\
&= \left\{A_x\left(x,y,z\right) + \left(\Delta x \text{によるズレ}\right)\right\} \Delta x\\
&\approx A_x\left(x,y,z\right) \Delta x
\end{aligned} ∫ C A A ⋅ d r = ∫ x x + Δ x ⎝ ⎛ A x ( x , y , z ) A y ( x , y , z ) A z ( x , y , z ) ⎠ ⎞ ⋅ ⎝ ⎛ d x 0 0 ⎠ ⎞ = { A x ( x , y , z ) + ( Δ x によるズレ ) } Δ x ≈ A x ( x , y , z ) Δ x
また,
∫ C B A ⋅ d r = ∫ y y + Δ y ( A x ( x + Δ x , y , z ) A y ( x + Δ x , y , z ) A z ( x + Δ x , y , z ) ) ⋅ ( 0 d y 0 ) = { A y ( x + Δ x , y , z ) + ( Δ y によるズレ ) } Δ y ≈ A y ( x + Δ x , y , z ) Δ y \begin{aligned}
\int_{C_B} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= \int_y^{y + \Delta y} \left(\begin{array}{c}
A_x\left(x+\Delta x,y,z\right)\\
A_y\left(x+\Delta x,y,z\right)\\
A_z\left(x+\Delta x,y,z\right)
\end{array}\right) \cdot
\left(\begin{array}{c}
0\\
dy\\
0
\end{array}\right)\\
&= \left\{A_y\left(x+\Delta x,y,z\right) + \left(\Delta y \text{によるズレ}\right)\right\} \Delta y\\
&\approx A_y\left(x+\Delta x,y,z\right) \Delta y
\end{aligned} ∫ C B A ⋅ d r = ∫ y y + Δ y ⎝ ⎛ A x ( x + Δ x , y , z ) A y ( x + Δ x , y , z ) A z ( x + Δ x , y , z ) ⎠ ⎞ ⋅ ⎝ ⎛ 0 d y 0 ⎠ ⎞ = { A y ( x + Δ x , y , z ) + ( Δ y によるズレ ) } Δ y ≈ A y ( x + Δ x , y , z ) Δ y
他についても同様に計算すれば
∫ C C A ⋅ d r = − A x ( x , y + Δ y , z ) Δ x ∫ C D A ⋅ d r = − A y ( x , y , z ) Δ y \begin{aligned}
\int_{C_C} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= -A_x (x,y + \Delta y, z) \Delta x\\
\int_{C_D} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= -A_y (x,y, z) \Delta y\\
\end{aligned} ∫ C C A ⋅ d r ∫ C D A ⋅ d r = − A x ( x , y + Δ y , z ) Δ x = − A y ( x , y , z ) Δ y
これより,
∮ C i A ⋅ d r = Δ x ( A x ( x , y , z ) − A x ( x , y + Δ y , z ) ) + Δ y ( A y ( x + Δ x , y , z ) − A y ( x , y , z ) ) = Δ x ( − ∂ A x ∂ y ) Δ y + Δ y ( ∂ A y ∂ x ) Δ x = Δ x Δ y ( ∂ A y ∂ x − ∂ A x ∂ y ) = Δ x Δ y ( ∇ × A ) z = Δ x Δ y ( ∇ × A ) ⋅ n z \begin{aligned}
&\oint_{C_i} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} \\&= \Delta x \left(A_x\left(x,y,z\right) -A_x (x,y + \Delta y, z)\right) + \Delta y \left(A_y\left(x+\Delta x,y,z\right)-A_y (x,y, z) \right)\\
&= \Delta x \left(-\dfrac{\partial{A_x}}{\partial{y}}\right)\Delta y + \Delta y \left(\dfrac{\partial{A_y}}{\partial{x}}\right)\Delta x\\
&= \Delta x \Delta y \left(\dfrac{\partial{A_y}}{\partial{x}} - \dfrac{\partial{A_x}}{\partial{y}}\right)\\
&= \Delta x \Delta y \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right)_z\\
&= \Delta x \Delta y \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n_z}
\end{aligned} ∮ C i A ⋅ d r = Δ x ( A x ( x , y , z ) − A x ( x , y + Δ y , z ) ) + Δ y ( A y ( x + Δ x , y , z ) − A y ( x , y , z ) ) = Δ x ( − ∂ y ∂ A x ) Δ y + Δ y ( ∂ x ∂ A y ) Δ x = Δ x Δ y ( ∂ x ∂ A y − ∂ y ∂ A x ) = Δ x Δ y ( ∇ × A ) z = Δ x Δ y ( ∇ × A ) ⋅ n z
最後の行において,n z \boldsymbol{n_z} n z は + z +z + z 方向を向いている単位ベクトルです。
y z yz yz 平面,z x zx z x 平面にループが乗っている場合を同様に考えれば
∮ C i A ⋅ d r = Δ y Δ z ( ∇ × A ) ⋅ n x ∮ C i A ⋅ d r = Δ z Δ x ( ∇ × A ) ⋅ n y \begin{aligned}
\oint_{C_i} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= \Delta y \Delta z \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n_x}\\
\oint_{C_i} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} &= \Delta z \Delta x \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n_y}\\
\end{aligned} ∮ C i A ⋅ d r ∮ C i A ⋅ d r = Δ y Δ z ( ∇ × A ) ⋅ n x = Δ z Δ x ( ∇ × A ) ⋅ n y
これらの式を見ると,∮ C i A ⋅ d r \displaystyle\oint_{C_i} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} ∮ C i A ⋅ d r は
( ループの面積 ) ⋅ ( ∇ × A ) ⋅ n ループの単位法線ベクトル
(\text{ループの面積}) \cdot \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n_{\text{ループの単位法線ベクトル}}}
( ループの面積 ) ⋅ ( ∇ × A ) ⋅ n ループの単位法線ベクトル
という形で記述できていることがわかります。同様に,任意の向きの微小ループに対して
∮ C i A ⋅ d r = ( ∇ × A ) ⋅ n i Δ S i
\oint_{C_i} \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n_i} \Delta S_i
∮ C i A ⋅ d r = ( ∇ × A ) ⋅ n i Δ S i
と書くことができます。
もとの式に代入する
微小ループの結果を元の式に代入します。任意のループにおける周回積分は
∮ C A ⋅ d r = lim N → ∞ { ∑ i = 1 N ( ∇ × A ) ⋅ n i Δ S i }
\oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \lim_{N \to \infty}\left\{\sum_{i = 1}^N \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n_i} \Delta S_i\right\}
∮ C A ⋅ d r = N → ∞ lim { i = 1 ∑ N ( ∇ × A ) ⋅ n i Δ S i }
右辺を面積分で置き換えると,
∮ C A ⋅ d r = ∫ S ( ∇ × A ) ⋅ n d S
\oint_C \boldsymbol{A} \cdot d\boldsymbol{r} = \int_S \left(\nabla \times \boldsymbol{A}\right) \cdot \boldsymbol{n} dS
∮ C A ⋅ d r = ∫ S ( ∇ × A ) ⋅ n d S
となり,証明が完了します。
初等なベクトル解析の一つの山場とも言える定理ですね。名前がかっこよくてどちらも好きです。