1 定理の主張
定理 1.1 (Stokes の定理). M M M を向きづけられたn n n 次元C ∞ C^\infty C ∞ 境界付き多様体(n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 )、ω ∈ Ω c n − 1 ( M ) \omega\in\Omega^{n-1}_c(M) ω ∈ Ω c n − 1 ( M ) とする。ι : ∂ M → M \iota\colon\partial M\to M ι : ∂ M → M を包含写像とし、∂ M \partial M ∂ M に§E17.14 定義 8.4 の誘導向きを与える。このとき
∫ M d ω = ∫ ∂ M ι ∗ ω \int_M d\omega=\int_{\partial M}\iota^*\omega ∫ M d ω = ∫ ∂ M ι ∗ ω が成り立つ。∂ M = ∅ \partial M=\varnothing ∂ M = ∅ のときは右辺を0 0 0 と読む。
∂ M \partial M ∂ M の誘導向きは、外向きのベクトルを先に置く 規約によって定める(§E17.14 定義 8.4 )。
d ω ∈ Ω c n ( M ) d\omega\in\Omega^n_c(M) d ω ∈ Ω c n ( M ) である(supp d ω ⊆ supp ω \operatorname{supp}d\omega\subseteq\operatorname{supp}\omega supp d ω ⊆ supp ω は、外微分が局所的であること(§E17.11 補題 2.2 )による)。またι ∗ ω ∈ Ω c n − 1 ( ∂ M ) \iota^*\omega\in\Omega^{n-1}_c(\partial M) ι ∗ ω ∈ Ω c n − 1 ( ∂ M ) である(台はsupp ω ∩ ∂ M \operatorname{supp}\omega\cap\partial M supp ω ∩ ∂ M の閉部分集合であるからコンパクトである)。∂ M ≠ ∅ \partial M\ne\varnothing ∂ M = ∅ のとき∂ M \partial M ∂ M は境界を持たない( n − 1 ) (n-1) ( n − 1 ) 次元多様体であり(§E17.14 定理 2.6 )、右辺は「向きと多様体上の積分」の意味で定まる。
証明方針 。出発点は積分の定義そのもの、すなわち向きを保つチャートによる被覆に従属する1の分割である。supp ω \operatorname{supp}\omega supp ω がコンパクトであることから、寄与する添字の有限集合A 0 A_0 A 0 が定まり、ω \omega ω は有限和∑ α ∈ A 0 ψ α ω \sum_{\alpha\in A_0}\psi_\alpha\omega ∑ α ∈ A 0 ψ α ω に等しい。外微分と二つの積分はいずれも線形であるから、各項について定理を示せばよい。各項の台は一つのチャートに収まるので、そのチャートでR n \mathbb{R}^n R n の側へ引き戻すと、問題は「半空間の相対開集合の上で、台がコンパクトな( n − 1 ) (n-1) ( n − 1 ) 次形式について等式を示すこと」に帰着する。半空間の場合は、外微分の座標表示d η = ∑ i = 1 n ( − 1 ) i − 1 ∂ i f i d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n d\eta=\sum_{i=1}^{n}(-1)^{i-1}\partial_if_i\,dx^1\wedge\cdots\wedge dx^n d η = ∑ i = 1 n ( − 1 ) i − 1 ∂ i f i d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n を書き、§E4.12 定理 1 で各項を一変数ずつ積分する。台がコンパクトであることからi < n i<n i < n の項は消え、i = n i=n i = n の項だけが境界からの寄与を残す。最後に、その寄与の符号が§E17.14 定義 8.4 の規約から決まる符号と相殺することを確かめる。境界チャートの局所モデルがH n \mathbb{H}^n H n であるかH − n \mathbb{H}^n_{-} H − n であるかによって両辺の符号は( − 1 ) n (-1)^n ( − 1 ) n と( − 1 ) n − 1 (-1)^{n-1} ( − 1 ) n − 1 に分かれるが、二つの辺で同じように分かれるので相殺する。n = 1 n=1 n = 1 では境界が0 0 0 次元になるので、右辺は符号つきの有限和として読む。
2 半空間の場合
補題 2.1. n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 とし、D ⊆ R n D\subseteq\mathbb{R}^n D ⊆ R n を許容領域、η ∈ Ω n − 1 ( D ) \eta\in\Omega^{n-1}(D) η ∈ Ω n − 1 ( D ) を台がコンパクトかつD D D に含まれるものとする。
η = ∑ i = 1 n f i d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x i ^ ∧ ⋯ ∧ d x n \eta=\sum_{i=1}^{n}f_i\,dx^1\wedge\cdots\wedge\widehat{dx^i}\wedge\cdots\wedge dx^n η = i = 1 ∑ n f i d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x i ∧ ⋯ ∧ d x n と表し(d x i ^ \widehat{dx^i} d x i はその因子を省くことを表す。n = 1 n=1 n = 1 のときはη = f 1 \eta=f_1 η = f 1 という0 0 0 次形式である)、各f i f_i f i をD D D の外で0 0 0 として延長したものを同じ記号で表す。このとき次が成り立つ。
D D D がR n \mathbb{R}^n R n の開集合であるならば∫ D ( d η の成分 ) = 0 \displaystyle\int_D(d\eta\ \text{の成分})=0 ∫ D ( d η の成分 ) = 0 である。
D D D がH n \mathbb{H}^n H n の相対開集合であるならば、supp f n ( ⋅ , 0 ) \operatorname{supp}f_n(\cdot,0) supp f n ( ⋅ , 0 ) を含む十分大きい閉長方形R ′ = ∏ i = 1 n − 1 [ − c , c ] ⊆ R n − 1 R'=\prod_{i=1}^{n-1}[-c,c]\subseteq\mathbb{R}^{n-1} R ′ = ∏ i = 1 n − 1 [ − c , c ] ⊆ R n − 1 を取って
∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_D(d\eta\ \text{の成分})=(-1)^{n}\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′
である。
D D D がH − n \mathbb{H}^n_{-} H − n の相対開集合であるならば、同じR ′ R' R ′ に対して
∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n − 1 ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_D(d\eta\ \text{の成分})=(-1)^{n-1}\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n − 1 ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′
である。
n = 1 n=1 n = 1 のときはR n − 1 = R 0 \mathbb{R}^{n-1}=\mathbb{R}^0 R n − 1 = R 0 は一点集合であり、R ′ R' R ′ もその一点、∫ R ′ g ( x ′ ) d x ′ \int_{R'}g(x')\,dx' ∫ R ′ g ( x ′ ) d x ′ はg g g の値そのものと読む。この読み方のもとで(2) は∫ H 1 f 1 ′ d x 1 = − f 1 ( 0 ) \int_{\mathbb{H}^1}f_1'\,dx^1=-f_1(0) ∫ H 1 f 1 ′ d x 1 = − f 1 ( 0 ) 、(3) は∫ H − 1 f 1 ′ d x 1 = f 1 ( 0 ) \int_{\mathbb{H}^1_{-}}f_1'\,dx^1=f_1(0) ∫ H − 1 f 1 ′ d x 1 = f 1 ( 0 ) を述べている。
証明. 延長したf i f_i f i がR n \mathbb{R}^n R n (またはH n \mathbb{H}^n H n )の上でC ∞ C^\infty C ∞ であることを確かめる。K = supp η K=\operatorname{supp}\eta K = supp η はコンパクトでD D D に含まれる。D D D と(H n \mathbb{H}^n H n またはR n \mathbb{R}^n R n の中での)K K K の補集合は開被覆をなし、共通部分の上でf i = 0 f_i=0 f i = 0 であるから、延長はC ∞ C^\infty C ∞ である。
外微分を計算する。§E17.11 定理 2.4 により
d ( f i d x 1 ∧ ⋯ d x i ^ ⋯ ∧ d x n ) = d f i ∧ d x 1 ∧ ⋯ d x i ^ ⋯ ∧ d x n d\Bigl(f_i\,dx^1\wedge\cdots\widehat{dx^i}\cdots\wedge dx^n\Bigr)
=df_i\wedge dx^1\wedge\cdots\widehat{dx^i}\cdots\wedge dx^n d ( f i d x 1 ∧ ⋯ d x i ⋯ ∧ d x n ) = d f i ∧ d x 1 ∧ ⋯ d x i ⋯ ∧ d x n であり、d f i = ∑ j = 1 n ∂ j f i d x j df_i=\sum_{j=1}^{n}\partial_jf_i\,dx^j d f i = ∑ j = 1 n ∂ j f i d x j のうちj ≠ i j\ne i j = i の項は同じ因子を二度含むので消える(§E17.10 系 3.6 )。残るj = i j=i j = i の項では、d x i dx^i d x i を先頭から第i i i の位置へ移すのにi − 1 i-1 i − 1 回の入れ替えを要するので
d η = ∑ i = 1 n ( − 1 ) i − 1 ∂ f i ∂ x i d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n d\eta=\sum_{i=1}^{n}(-1)^{i-1}\,\frac{\partial f_i}{\partial x^i}\;dx^1\wedge\cdots\wedge dx^n d η = i = 1 ∑ n ( − 1 ) i − 1 ∂ x i ∂ f i d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n である。
(1) を示す。c > 0 c>0 c > 0 を、K ⊆ ( − c , c ) n K\subseteq(-c,c)^n K ⊆ ( − c , c ) n となるように取り、R = [ − c , c ] n R=[-c,c]^n R = [ − c , c ] n と置く。§E17.15 定義 1.1 により、求める積分は∫ R ∑ i = 1 n ( − 1 ) i − 1 ∂ i f i \int_R\sum_{i=1}^{n}(-1)^{i-1}\partial_if_i ∫ R ∑ i = 1 n ( − 1 ) i − 1 ∂ i f i である。§E4.12 定理 1 により、i i i 番目の項はx i x^i x i について先に積分することができ、微積分学の基本定理により
∫ − c c ∂ f i ∂ x i d x i = f i ( … , c , … ) − f i ( … , − c , … ) = 0 \int_{-c}^{c}\frac{\partial f_i}{\partial x^i}\,dx^i=f_i(\dots,c,\dots)-f_i(\dots,-c,\dots)=0 ∫ − c c ∂ x i ∂ f i d x i = f i ( … , c , … ) − f i ( … , − c , … ) = 0 である(supp f i ⊆ ( − c , c ) n \operatorname{supp}f_i\subseteq(-c,c)^n supp f i ⊆ ( − c , c ) n による)。残る( n − 1 ) (n-1) ( n − 1 ) 重積分の被積分関数が0 0 0 であるから、各項は0 0 0 である。
(2) を示す。c > 0 c>0 c > 0 を、K ⊆ ( − c , c ) n − 1 × [ 0 , c ) K\subseteq(-c,c)^{n-1}\times[0,c) K ⊆ ( − c , c ) n − 1 × [ 0 , c ) となるように取り、R = [ − c , c ] n − 1 × [ 0 , c ] R=[-c,c]^{n-1}\times[0,c] R = [ − c , c ] n − 1 × [ 0 , c ] 、R ′ = [ − c , c ] n − 1 R'=[-c,c]^{n-1} R ′ = [ − c , c ] n − 1 と置く。i < n i<n i < n の項については、(1) と同じくx i x^i x i について先に積分すると0 0 0 になる(x i x^i x i の範囲は[ − c , c ] [-c,c] [ − c , c ] であり、台は∣ x i ∣ < c |x^i|<c ∣ x i ∣ < c に含まれる)。i = n i=n i = n の項については、x n x^n x n について先に積分すると
∫ 0 c ∂ f n ∂ x n d x n = f n ( x ′ , c ) − f n ( x ′ , 0 ) = − f n ( x ′ , 0 ) \int_0^{c}\frac{\partial f_n}{\partial x^n}\,dx^n=f_n(x',c)-f_n(x',0)=-f_n(x',0) ∫ 0 c ∂ x n ∂ f n d x n = f n ( x ′ , c ) − f n ( x ′ , 0 ) = − f n ( x ′ , 0 ) である(supp f n ⊆ { x n < c } \operatorname{supp}f_n\subseteq\{x^n<c\} supp f n ⊆ { x n < c } による)。したがって
∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n − 1 ∫ R ′ ( − f n ( x ′ , 0 ) ) d x ′ = ( − 1 ) n ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_D(d\eta\ \text{の成分})=(-1)^{n-1}\int_{R'}\bigl(-f_n(x',0)\bigr)\,dx'=(-1)^{n}\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n − 1 ∫ R ′ ( − f n ( x ′ , 0 ) ) d x ′ = ( − 1 ) n ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ である。
(3) を示す。c > 0 c>0 c > 0 を、K ⊆ ( − c , c ) n − 1 × ( − c , 0 ] K\subseteq(-c,c)^{n-1}\times(-c,0] K ⊆ ( − c , c ) n − 1 × ( − c , 0 ] となるように取り、R = [ − c , c ] n − 1 × [ − c , 0 ] R=[-c,c]^{n-1}\times[-c,0] R = [ − c , c ] n − 1 × [ − c , 0 ] と置く。i < n i<n i < n の項が消えることは(2) と同じである。i = n i=n i = n の項については
∫ − c 0 ∂ f n ∂ x n d x n = f n ( x ′ , 0 ) − f n ( x ′ , − c ) = f n ( x ′ , 0 ) \int_{-c}^{0}\frac{\partial f_n}{\partial x^n}\,dx^n=f_n(x',0)-f_n(x',-c)=f_n(x',0) ∫ − c 0 ∂ x n ∂ f n d x n = f n ( x ′ , 0 ) − f n ( x ′ , − c ) = f n ( x ′ , 0 ) であるから
∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n − 1 ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_D(d\eta\ \text{の成分})=(-1)^{n-1}\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ D ( d η の成分 ) = ( − 1 ) n − 1 ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ である。▨
3 1の分割による局所化
補題 3.1. M M M をC ∞ C^\infty C ∞ 境界付き多様体、{ U α } α ∈ A \{U_\alpha\}_{\alpha\in A} { U α } α ∈ A を開被覆、{ ψ α } α ∈ A \{\psi_\alpha\}_{\alpha\in A} { ψ α } α ∈ A を従属する滑らかな1の分割、ω ∈ Ω c k ( M ) \omega\in\Omega^{k}_c(M) ω ∈ Ω c k ( M ) とする。K = supp ω K=\operatorname{supp}\omega K = supp ω と置き、A 0 = { α ∣ supp ψ α ∩ K ≠ ∅ } A_0=\{\alpha\mid\operatorname{supp}\psi_\alpha\cap K\ne\varnothing\} A 0 = { α ∣ supp ψ α ∩ K = ∅ } と置く。このときA 0 A_0 A 0 は有限集合であり、
ω = ∑ α ∈ A 0 ψ α ω ( M の全体で成り立つ有限和) \omega=\sum_{\alpha\in A_0}\psi_\alpha\omega
\qquad\text{($M$ の全体で成り立つ有限和)} ω = α ∈ A 0 ∑ ψ α ω ( M の全体で成り立つ有限和) であり、ψ = ∑ α ∈ A 0 ψ α \psi=\sum_{\alpha\in A_0}\psi_\alpha ψ = ∑ α ∈ A 0 ψ α はK K K のある開近傍の上で恒等的に1 1 1 である。とくにd ψ ∧ ω = 0 d\psi\wedge\omega=0 d ψ ∧ ω = 0 がM M M の全体で成り立ち、
d ω = ∑ α ∈ A 0 d ( ψ α ω ) d\omega=\sum_{\alpha\in A_0}d(\psi_\alpha\omega) d ω = α ∈ A 0 ∑ d ( ψ α ω ) である。各ψ α ω \psi_\alpha\omega ψ α ω の台はコンパクトかつU α U_\alpha U α に含まれる。
証明. A 0 A_0 A 0 が有限であることと、α ∉ A 0 \alpha\notin A_0 α ∈ / A 0 に対してψ α ω = 0 \psi_\alpha\omega=0 ψ α ω = 0 であること、および各ψ α ω \psi_\alpha\omega ψ α ω の台がコンパクトかつU α U_\alpha U α に含まれることは§E17.15 補題 2.3 で示した。したがってω = ∑ α ∈ A ψ α ω = ∑ α ∈ A 0 ψ α ω \omega=\sum_{\alpha\in A}\psi_\alpha\omega=\sum_{\alpha\in A_0}\psi_\alpha\omega ω = ∑ α ∈ A ψ α ω = ∑ α ∈ A 0 ψ α ω である。
ψ \psi ψ がK K K の開近傍の上で1 1 1 であることを示す。p ∈ K p\in K p ∈ K を取る。族{ supp ψ α } \{\operatorname{supp}\psi_\alpha\} { supp ψ α } は局所有限であるから、p p p を含む開集合O 1 O_1 O 1 で、O 1 ∩ supp ψ α ≠ ∅ O_1\cap\operatorname{supp}\psi_\alpha\ne\varnothing O 1 ∩ supp ψ α = ∅ となるα \alpha α が有限個F = { α 1 , … , α r } F=\{\alpha_1,\dots,\alpha_r\} F = { α 1 , … , α r } しかないものが存在する。α ∈ F ∖ A 0 \alpha\in F\setminus A_0 α ∈ F ∖ A 0 に対してはsupp ψ α ∩ K = ∅ \operatorname{supp}\psi_\alpha\cap K=\varnothing supp ψ α ∩ K = ∅ であるから、M ∖ supp ψ α M\setminus\operatorname{supp}\psi_\alpha M ∖ supp ψ α はp p p を含む開集合である。
O = O 1 ∩ ⋂ α ∈ F ∖ A 0 ( M ∖ supp ψ α ) O=O_1\cap\bigcap_{\alpha\in F\setminus A_0}\bigl(M\setminus\operatorname{supp}\psi_\alpha\bigr) O = O 1 ∩ α ∈ F ∖ A 0 ⋂ ( M ∖ supp ψ α ) と置くと、O O O は有限個の開集合の共通部分であるから開集合でありp ∈ O p\in O p ∈ O である。O O O の上では、α ∉ F \alpha\notin F α ∈ / F ならばψ α = 0 \psi_\alpha=0 ψ α = 0 、α ∈ F ∖ A 0 \alpha\in F\setminus A_0 α ∈ F ∖ A 0 ならばψ α = 0 \psi_\alpha=0 ψ α = 0 であるから
1 = ∑ α ∈ A ψ α = ∑ α ∈ F ∩ A 0 ψ α = ∑ α ∈ A 0 ψ α = ψ 1=\sum_{\alpha\in A}\psi_\alpha=\sum_{\alpha\in F\cap A_0}\psi_\alpha=\sum_{\alpha\in A_0}\psi_\alpha=\psi 1 = α ∈ A ∑ ψ α = α ∈ F ∩ A 0 ∑ ψ α = α ∈ A 0 ∑ ψ α = ψ である(三番目の等号は、α ∈ A 0 ∖ F \alpha\in A_0\setminus F α ∈ A 0 ∖ F に対してO O O の上でψ α = 0 \psi_\alpha=0 ψ α = 0 であることによる)。K K K の各点についてこのようなO O O を取り、その合併を取ればK K K の開近傍が得られる。
d ψ d\psi d ψ はこの近傍の上で0 0 0 であり、ω \omega ω はK K K の外で0 0 0 であるから、d ψ ∧ ω = 0 d\psi\wedge\omega=0 d ψ ∧ ω = 0 がM M M の全体で成り立つ。最後に、d d d は線形であり和は有限であるからd ω = ∑ α ∈ A 0 d ( ψ α ω ) d\omega=\sum_{\alpha\in A_0}d(\psi_\alpha\omega) d ω = ∑ α ∈ A 0 d ( ψ α ω ) である。▨
4 主定理の証明
証明. 定理 1.1 を示す。
第一段(線形性による帰着) 。M M M の向きを保つ境界付きチャートからなるアトラス{ ( U α , φ α ) } α ∈ A \{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\}_{\alpha\in A} {( U α , φ α ) } α ∈ A と、従属する滑らかな1の分割{ ψ α } \{\psi_\alpha\} { ψ α } を取る(§E17.14 定理 6.4 、§E17.14 補題 5.1 )。補題 3.1 により、有限集合A 0 A_0 A 0 が定まり
ω = ∑ α ∈ A 0 ψ α ω , d ω = ∑ α ∈ A 0 d ( ψ α ω ) \omega=\sum_{\alpha\in A_0}\psi_\alpha\omega,
\qquad
d\omega=\sum_{\alpha\in A_0}d(\psi_\alpha\omega) ω = α ∈ A 0 ∑ ψ α ω , d ω = α ∈ A 0 ∑ d ( ψ α ω ) である。∫ M \int_M ∫ M と∫ ∂ M \int_{\partial M} ∫ ∂ M は線形であり(§E17.15 命題 2.6 (1) )、ι ∗ \iota^* ι ∗ も線形であるから、各ψ α ω \psi_\alpha\omega ψ α ω について定理を示せば十分である。したがって以下、supp ω \operatorname{supp}\omega supp ω が向きを保つ一つの境界付きチャート( U , φ ) (U,\varphi) ( U , φ ) の定義域に含まれるとしてよい。
第二段(チャートへの引き戻し) 。D = φ ( U ) D=\varphi(U) D = φ ( U ) は許容領域であり、η = ( φ − 1 ) ∗ ω ∈ Ω n − 1 ( D ) \eta=(\varphi^{-1})^*\omega\in\Omega^{n-1}(D) η = ( φ − 1 ) ∗ ω ∈ Ω n − 1 ( D ) の台はコンパクトかつD D D に含まれる。supp d ω ⊆ supp ω ⊆ U \operatorname{supp}d\omega\subseteq\operatorname{supp}\omega\subseteq U supp d ω ⊆ supp ω ⊆ U であるから、§E17.15 命題 2.6 (3) により
∫ M d ω = ∫ D ( ( φ − 1 ) ∗ ( d ω ) の成分 ) \int_Md\omega=\int_{D}\bigl((\varphi^{-1})^*(d\omega)\ \text{の成分}\bigr) ∫ M d ω = ∫ D ( ( φ − 1 ) ∗ ( d ω ) の成分 ) である。§E17.11 命題 3.1 により( φ − 1 ) ∗ ( d ω ) = d η (\varphi^{-1})^*(d\omega)=d\eta ( φ − 1 ) ∗ ( d ω ) = d η であるから、右辺は補題 2.1 の左辺である。
第三段(内部チャートの場合) 。( U , φ ) (U,\varphi) ( U , φ ) が内部チャートであるとする。このときD = φ ( U ) D=\varphi(U) D = φ ( U ) はR n \mathbb{R}^n R n の開集合である。実際、内部チャートの像は、R n \mathbb{R}^n R n の開集合であるか、またはH n \mathbb{H}^n H n の相対開集合で∂ H n \partial\mathbb{H}^n ∂ H n と交わらないものであり、後者はInt H n \operatorname{Int}\mathbb{H}^n Int H n に含まれるのでR n \mathbb{R}^n R n の開集合である。補題 2.1 (1) により∫ M d ω = 0 \int_Md\omega=0 ∫ M d ω = 0 である。一方U ∩ ∂ M = ∅ U\cap\partial M=\varnothing U ∩ ∂ M = ∅ でありsupp ω ⊆ U \operatorname{supp}\omega\subseteq U supp ω ⊆ U であるから、∂ M \partial M ∂ M の各点でω = 0 \omega=0 ω = 0 でありι ∗ ω = 0 \iota^*\omega=0 ι ∗ ω = 0 である。よって∫ ∂ M ι ∗ ω = 0 \int_{\partial M}\iota^*\omega=0 ∫ ∂ M ι ∗ ω = 0 であり、両辺は一致する。∂ M = ∅ \partial M=\varnothing ∂ M = ∅ の場合もこの場合に含まれる。
第四段(境界チャートの場合) 。( U , φ = ( x 1 , … , x n ) ) (U,\varphi=(x^1,\dots,x^n)) ( U , φ = ( x 1 , … , x n )) が境界チャートであるとし、その型の符号をϵ = ϵ φ ∈ { + 1 , − 1 } \epsilon=\epsilon_\varphi\in\{+1,-1\} ϵ = ϵ φ ∈ { + 1 , − 1 } と書く(§E17.14 定義 8.1 )。補題 2.1 (2) と 3 をまとめると
∫ M d ω = ( − 1 ) n ϵ ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ (2) \int_Md\omega=(-1)^{n}\epsilon\int_{R'}f_n(x',0)\,dx'
\tag{2} ∫ M d ω = ( − 1 ) n ϵ ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ ( 2 ) である(ϵ = + 1 \epsilon=+1 ϵ = + 1 が 2、ϵ = − 1 \epsilon=-1 ϵ = − 1 が 3 である。( − 1 ) n ⋅ ( − 1 ) = ( − 1 ) n − 1 (-1)^{n}\cdot(-1)=(-1)^{n-1} ( − 1 ) n ⋅ ( − 1 ) = ( − 1 ) n − 1 )。ここでf n f_n f n はη \eta η のd x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 dx^1\wedge\cdots\wedge dx^{n-1} d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 に付く成分であり、R ′ = [ − c , c ] n − 1 R'=[-c,c]^{n-1} R ′ = [ − c , c ] n − 1 はsupp f n ( ⋅ , 0 ) \operatorname{supp}f_n(\cdot,0) supp f n ( ⋅ , 0 ) を含む十分大きい閉長方形である。n = 1 n=1 n = 1 のときはR ′ R' R ′ は一点であり、右辺は− ϵ f 1 ( 0 ) -\epsilon f_1(0) − ϵ f 1 ( 0 ) と読む。
右辺を計算する。以下n ≥ 2 n\ge 2 n ≥ 2 とし、n = 1 n=1 n = 1 の場合は第五段で別に扱う。§E17.14 定理 2.6 により( U ∂ , φ ∂ ) = ( U ∩ ∂ M , ( x 1 , … , x n − 1 ) ) (U^\partial,\varphi^\partial)=(U\cap\partial M,(x^1,\dots,x^{n-1})) ( U ∂ , φ ∂ ) = ( U ∩ ∂ M , ( x 1 , … , x n − 1 )) は∂ M \partial M ∂ M のチャートであり、φ ∂ ( U ∂ ) \varphi^\partial(U^\partial) φ ∂ ( U ∂ ) はR n − 1 \mathbb{R}^{n-1} R n − 1 の開集合である。j : φ ∂ ( U ∂ ) → D j\colon\varphi^\partial(U^\partial)\to D j : φ ∂ ( U ∂ ) → D をj ( x ′ ) = ( x ′ , 0 ) j(x')=(x',0) j ( x ′ ) = ( x ′ , 0 ) とするとφ ∘ ι ∘ ( φ ∂ ) − 1 = j \varphi\circ\iota\circ(\varphi^\partial)^{-1}=j φ ∘ ι ∘ ( φ ∂ ) − 1 = j である。したがって§E17.10 命題 5.2 により
( ( φ ∂ ) − 1 ) ∗ ( ι ∗ ω ) = j ∗ ( ( φ − 1 ) ∗ ω ) = j ∗ η \bigl((\varphi^\partial)^{-1}\bigr)^*\bigl(\iota^*\omega\bigr)=j^*\bigl((\varphi^{-1})^*\omega\bigr)=j^*\eta ( ( φ ∂ ) − 1 ) ∗ ( ι ∗ ω ) = j ∗ ( ( φ − 1 ) ∗ ω ) = j ∗ η である。j j j の成分はx 1 , … , x n − 1 , 0 x^1,\dots,x^{n-1},0 x 1 , … , x n − 1 , 0 であるから§E17.10 命題 5.4 によりj ∗ ( d x i ) = d x i j^*(dx^i)=dx^i j ∗ ( d x i ) = d x i (i ≤ n − 1 i\le n-1 i ≤ n − 1 )、j ∗ ( d x n ) = 0 j^*(dx^n)=0 j ∗ ( d x n ) = 0 である。よってη \eta η の表示のうちd x n dx^n d x n を因子に含む項、すなわちi ≠ n i\ne n i = n の項はすべて0 0 0 へ写り、
j ∗ η = f n ( x ′ , 0 ) d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 j^*\eta=f_n(x',0)\,dx^1\wedge\cdots\wedge dx^{n-1} j ∗ η = f n ( x ′ , 0 ) d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 である。
( U ∂ , φ ∂ ) (U^\partial,\varphi^\partial) ( U ∂ , φ ∂ ) が誘導向きについて向きを保つかどうかを調べる。M M M の向き形式をμ \mu μ とし、U U U の上でμ = h d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n \mu=h\,dx^1\wedge\cdots\wedge dx^n μ = h d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n (h > 0 h>0 h > 0 )と書く。ν = − ϵ ∂ / ∂ x n \nu=-\epsilon\,\partial/\partial x^n ν = − ϵ ∂ / ∂ x n はU ∩ ∂ M U\cap\partial M U ∩ ∂ M の各点で外向きであり(§E17.14 定義 8.1 。座標表示の第n n n 成分は− ϵ -\epsilon − ϵ でありϵ ⋅ ( − ϵ ) = − 1 < 0 \epsilon\cdot(-\epsilon)=-1<0 ϵ ⋅ ( − ϵ ) = − 1 < 0 である)、§E17.14 命題 8.5 の計算にa n = − ϵ a^n=-\epsilon a n = − ϵ を代入すると、このν \nu ν を用いた誘導向き形式は
μ ∂ = ( − 1 ) n − 1 ⋅ ( − ϵ ) ⋅ h d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 = ( − 1 ) n ϵ h d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 \mu_\partial=(-1)^{n-1}\cdot(-\epsilon)\cdot h\;dx^1\wedge\cdots\wedge dx^{n-1}
=(-1)^{n}\epsilon\,h\;dx^1\wedge\cdots\wedge dx^{n-1} μ ∂ = ( − 1 ) n − 1 ⋅ ( − ϵ ) ⋅ h d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 = ( − 1 ) n ϵ h d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n − 1 である。h > 0 h>0 h > 0 であるから、φ ∂ \varphi^\partial φ ∂ に関するμ ∂ \mu_\partial μ ∂ の成分の符号は( − 1 ) n ϵ (-1)^n\epsilon ( − 1 ) n ϵ である。
( − 1 ) n ϵ = + 1 (-1)^n\epsilon=+1 ( − 1 ) n ϵ = + 1 のとき、( U ∂ , φ ∂ ) (U^\partial,\varphi^\partial) ( U ∂ , φ ∂ ) は向きを保つので§E17.15 命題 2.6 (3) により
∫ ∂ M ι ∗ ω = ∫ φ ∂ ( U ∂ ) f n ( ⋅ , 0 ) = ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_{\partial M}\iota^*\omega=\int_{\varphi^\partial(U^\partial)}f_n(\cdot,0)=\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ ∂ M ι ∗ ω = ∫ φ ∂ ( U ∂ ) f n ( ⋅ , 0 ) = ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ である。( − 1 ) n ϵ = − 1 (-1)^n\epsilon=-1 ( − 1 ) n ϵ = − 1 のとき、( U ∂ , φ ∂ ) (U^\partial,\varphi^\partial) ( U ∂ , φ ∂ ) は向きを反転するので§E17.15 命題 2.6 (5) により
∫ ∂ M ι ∗ ω = − ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_{\partial M}\iota^*\omega=-\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ ∂ M ι ∗ ω = − ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ である。いずれの場合も
∫ ∂ M ι ∗ ω = ( − 1 ) n ϵ ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ \int_{\partial M}\iota^*\omega=(-1)^{n}\epsilon\int_{R'}f_n(x',0)\,dx' ∫ ∂ M ι ∗ ω = ( − 1 ) n ϵ ∫ R ′ f n ( x ′ , 0 ) d x ′ であり、(2) と一致する。
第五段(n = 1 n=1 n = 1 の境界チャートの場合) 。∂ H 1 = { 0 } \partial\mathbb{H}^1=\{0\} ∂ H 1 = { 0 } は一点であるからU ∩ ∂ M U\cap\partial M U ∩ ∂ M は高々一点であり、境界チャートの場合はちょうど一点p p p である。η = f 1 \eta=f_1 η = f 1 はD D D の上の関数であり、ι ∗ ω \iota^*\omega ι ∗ ω は∂ M \partial M ∂ M の上の関数としてp p p で値f 1 ( 0 ) f_1(0) f 1 ( 0 ) を取り、∂ M ∖ { p } \partial M\setminus\{p\} ∂ M ∖ { p } ではsupp ω ⊆ U \operatorname{supp}\omega\subseteq U supp ω ⊆ U により0 0 0 である。§E17.15 定義 2.2 の0 0 0 次元の約束により
∫ ∂ M ι ∗ ω = ε p f 1 ( 0 ) \int_{\partial M}\iota^*\omega=\varepsilon_p\,f_1(0) ∫ ∂ M ι ∗ ω = ε p f 1 ( 0 ) である。
ε p \varepsilon_p ε p を求める。U U U の上でμ = h d x 1 \mu=h\,dx^1 μ = h d x 1 (h > 0 h>0 h > 0 )と書き、外向きベクトルをν = − ϵ ∂ / ∂ x 1 \nu=-\epsilon\,\partial/\partial x^1 ν = − ϵ ∂ / ∂ x 1 と取るとμ p ( ν p ) = − ϵ h \mu_p(\nu_p)=-\epsilon h μ p ( ν p ) = − ϵ h である。h > 0 h>0 h > 0 であるから、§E17.14 定義 8.4 のn = 1 n=1 n = 1 の規約によりε p = − ϵ = ( − 1 ) 1 ϵ \varepsilon_p=-\epsilon=(-1)^1\epsilon ε p = − ϵ = ( − 1 ) 1 ϵ である。これは第四段でn ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 について得た符号( − 1 ) n ϵ (-1)^n\epsilon ( − 1 ) n ϵ のn = 1 n=1 n = 1 の場合にほかならない。よって
∫ ∂ M ι ∗ ω = − ϵ f 1 ( 0 ) \int_{\partial M}\iota^*\omega=-\epsilon\,f_1(0) ∫ ∂ M ι ∗ ω = − ϵ f 1 ( 0 ) であり、(2) のn = 1 n=1 n = 1 の読み方と一致する。▨
例 4.2 (一次元の場合は微積分学の基本定理である). g ( t ) = t 2 − t g(t)=t^2-t g ( t ) = t 2 − t と置くとg − 1 ( 0 ) = { 0 , 1 } g^{-1}(0)=\{0,1\} g − 1 ( 0 ) = { 0 , 1 } であり、g ′ ( 0 ) = − 1 g'(0)=-1 g ′ ( 0 ) = − 1 、g ′ ( 1 ) = 1 g'(1)=1 g ′ ( 1 ) = 1 はどちらも0 0 0 でない。したがって§E17.14 命題 4.1 により
M = { t ∈ R ∣ g ( t ) ≤ 0 } = [ 0 , 1 ] M=\{t\in\mathbb{R}\mid g(t)\le 0\}=[0,1] M = { t ∈ R ∣ g ( t ) ≤ 0 } = [ 0 , 1 ] は1 1 1 次元C ∞ C^\infty C ∞ 境界付き多様体であり∂ M = { 0 , 1 } \partial M=\{0,1\} ∂ M = { 0 , 1 } である。μ = d t \mu=dt μ = d t が定める向きを与える。M M M はコンパクトであるから、f ∈ C ∞ ( M ) = Ω 0 ( M ) f\in C^\infty(M)=\Omega^0(M) f ∈ C ∞ ( M ) = Ω 0 ( M ) はつねにΩ c 0 ( M ) \Omega^0_c(M) Ω c 0 ( M ) に属する。
左辺 。d f = f ′ d t d f=f'\,dt df = f ′ d t であり、§E17.15 定理 4.2 により
∫ M d f = ∫ [ 0 , 1 ] f ′ = ∫ 0 1 f ′ ( t ) d t \int_M df=\int_{[0,1]}f'=\int_0^1f'(t)\,dt ∫ M df = ∫ [ 0 , 1 ] f ′ = ∫ 0 1 f ′ ( t ) d t である。
右辺 。§E17.14 例 8.6 で計算したとおり、∂ M \partial M ∂ M の誘導向きはε 0 = − 1 \varepsilon_0=-1 ε 0 = − 1 、ε 1 = + 1 \varepsilon_1=+1 ε 1 = + 1 である。§E17.15 定義 2.2 の0 0 0 次元の約束により
∫ ∂ M ι ∗ f = ε 1 f ( 1 ) + ε 0 f ( 0 ) = f ( 1 ) − f ( 0 ) \int_{\partial M}\iota^*f=\varepsilon_1f(1)+\varepsilon_0f(0)=f(1)-f(0) ∫ ∂ M ι ∗ f = ε 1 f ( 1 ) + ε 0 f ( 0 ) = f ( 1 ) − f ( 0 ) である。
したがって定理 1.1 は
∫ 0 1 f ′ ( t ) d t = f ( 1 ) − f ( 0 ) \int_0^1f'(t)\,dt=f(1)-f(0) ∫ 0 1 f ′ ( t ) d t = f ( 1 ) − f ( 0 ) を与える。これは微積分学の基本定理である。符号f ( 1 ) − f ( 0 ) f(1)-f(0) f ( 1 ) − f ( 0 ) が正しい向きに出ることは、外向きのベクトルを先に置くという§E17.14 定義 8.4 の規約が決めている。 t = 1 t=1 t = 1 では外向きベクトルが+ ∂ / ∂ t +\partial/\partial t + ∂ / ∂ t でありμ \mu μ に整合するので符号は+ 1 +1 + 1 、t = 0 t=0 t = 0 では外向きベクトルが− ∂ / ∂ t -\partial/\partial t − ∂ / ∂ t であり整合しないので符号は− 1 -1 − 1 である。規約を逆に取ると両方の符号が反転し、f ( 0 ) − f ( 1 ) f(0)-f(1) f ( 0 ) − f ( 1 ) が出る。
本例は、Stokes の定理が微積分学の基本定理を特別な場合として含むことを示すものであり、基本定理そのものの証明ではない。基本定理は一次元の積分論に属し、本記事の補題 2.1 の証明でも既知として用いている。
5 三次元の古典的な積分定理
以下、D D D は§E17.15 定理 4.2 の仮定を満たすもの、すなわちR m \mathbb{R}^m R m の開集合の上のC ∞ C^\infty C ∞ 関数f f f と正則値c c c についてD = { f ≤ c } D=\{f\le c\} D = { f ≤ c } がコンパクトであるものとし、d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x m dx^1\wedge\cdots\wedge dx^m d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x m が定める向きを与える。
命題 5.2. m = 2 m=2 m = 2 、D ⊆ R 2 D\subseteq\mathbb{R}^2 D ⊆ R 2 を上の形の領域、P , Q P,Q P , Q をD D D の近傍でC ∞ C^\infty C ∞ な関数とする。ω = P d x + Q d y \omega=P\,dx+Q\,dy ω = P d x + Q d y と置くと
∬ D ( ∂ Q ∂ x − ∂ P ∂ y ) d x d y = ∫ ∂ D ι ∗ ( P d x + Q d y ) \iint_D\Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)\,dx\,dy=\int_{\partial D}\iota^*\bigl(P\,dx+Q\,dy\bigr) ∬ D ( ∂ x ∂ Q − ∂ y ∂ P ) d x d y = ∫ ∂ D ι ∗ ( P d x + Q d y ) が成り立つ。左辺は§E4.11 定義 3.1 の Riemann 積分である。
証明. §E17.11 定理 2.4 により
d ω = d P ∧ d x + d Q ∧ d y = ( ∂ Q ∂ x − ∂ P ∂ y ) d x ∧ d y d\omega=dP\wedge dx+dQ\wedge dy=\Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)dx\wedge dy d ω = d P ∧ d x + d Q ∧ d y = ( ∂ x ∂ Q − ∂ y ∂ P ) d x ∧ d y である。ω \omega ω をD D D の外で0 0 0 とする必要はなく、D D D はコンパクトであるからω ∣ D ∈ Ω c 1 ( D ) \omega|_D\in\Omega^1_c(D) ω ∣ D ∈ Ω c 1 ( D ) である。定理 1.1 により∫ D d ω = ∫ ∂ D ι ∗ ω \int_Dd\omega=\int_{\partial D}\iota^*\omega ∫ D d ω = ∫ ∂ D ι ∗ ω であり、§E17.15 定理 4.2 により左辺は表示した Riemann 積分に等しい。▨
命題 5.4. m = 3 m=3 m = 3 、D ⊆ R 3 D\subseteq\mathbb{R}^3 D ⊆ R 3 を上の形の領域、F ⃗ \vec F F をD D D の近傍でC ∞ C^\infty C ∞ なベクトル場とする。ω = ι F ⃗ Ω \omega=\iota_{\vec F}\Omega ω = ι F Ω と置くと
∭ D div F ⃗ d x d y d z = ∫ ∂ D ι ∗ ( ι F ⃗ Ω ) \iiint_D\operatorname{div}\vec F\,dx\,dy\,dz=\int_{\partial D}\iota^*\bigl(\iota_{\vec F}\Omega\bigr) ∭ D div F d x d y d z = ∫ ∂ D ι ∗ ( ι F Ω ) が成り立つ。
命題 5.5. S S S を向きづけられたコンパクトな2 2 2 次元C ∞ C^\infty C ∞ 境界付き多様体、G : S → R 3 G\colon S\to\mathbb{R}^3 G : S → R 3 をC ∞ C^\infty C ∞ 写像、F ⃗ \vec F F をG ( S ) G(S) G ( S ) の近傍でC ∞ C^\infty C ∞ なベクトル場とする。このとき
∫ S G ∗ ( ι curl F ⃗ Ω ) = ∫ ∂ S ( G ∘ ι ) ∗ ( F ⃗ ♭ ) \int_S G^*\bigl(\iota_{\operatorname{curl}\vec F}\,\Omega\bigr)=\int_{\partial S}\bigl(G\circ\iota\bigr)^*\bigl(\vec F^{\flat}\bigr) ∫ S G ∗ ( ι curl F Ω ) = ∫ ∂ S ( G ∘ ι ) ∗ ( F ♭ ) が成り立つ。
証明. ω = G ∗ ( F ⃗ ♭ ) ∈ Ω 1 ( S ) \omega=G^*(\vec F^{\flat})\in\Omega^1(S) ω = G ∗ ( F ♭ ) ∈ Ω 1 ( S ) と置く。S S S はコンパクトであるからω ∈ Ω c 1 ( S ) \omega\in\Omega^1_c(S) ω ∈ Ω c 1 ( S ) である。§E17.11 命題 3.1 と注意 5.1 により
d ω = G ∗ ( d ( F ⃗ ♭ ) ) = G ∗ ( ι curl F ⃗ Ω ) d\omega=G^*\bigl(d(\vec F^{\flat})\bigr)=G^*\bigl(\iota_{\operatorname{curl}\vec F}\Omega\bigr) d ω = G ∗ ( d ( F ♭ ) ) = G ∗ ( ι curl F Ω ) である。定理 1.1 をS S S とω \omega ω へ適用し、ι ∗ ( G ∗ ( F ⃗ ♭ ) ) = ( G ∘ ι ) ∗ ( F ⃗ ♭ ) \iota^*\bigl(G^*(\vec F^\flat)\bigr)=(G\circ\iota)^*(\vec F^\flat) ι ∗ ( G ∗ ( F ♭ ) ) = ( G ∘ ι ) ∗ ( F ♭ ) (§E17.10 命題 5.2 )を用いると主張を得る。▨
例 5.7 (発散定理の検算). F ⃗ = ( x , y , z ) \vec F=(x,y,z) F = ( x , y , z ) 、D = B ‾ 3 = { x 2 + y 2 + z 2 ≤ 1 } D=\overline{B}^3=\{x^2+y^2+z^2\le 1\} D = B 3 = { x 2 + y 2 + z 2 ≤ 1 } とする。D D D は§E17.14 例 4.2 により3 3 3 次元C ∞ C^\infty C ∞ 境界付き多様体であり、∂ D = S 2 \partial D=S^2 ∂ D = S 2 である。Ω \Omega Ω が定める向きを与える。
左辺 。div F ⃗ = 3 \operatorname{div}\vec F=3 div F = 3 であるからd ω = 3 Ω d\omega=3\,\Omega d ω = 3 Ω である。§E17.15 定理 4.2 により
∫ D d ω = 3 ∫ D 1 = 3 vol ( B ‾ 3 ) \int_D d\omega=3\int_D 1=3\operatorname{vol}(\overline B^3) ∫ D d ω = 3 ∫ D 1 = 3 vol ( B 3 ) である。体積を計算する。K = { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 } K=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le1\} K = {( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 } は Jordan 可測であり(§E4.11 例 2.4 )、β ( x , y ) = max ( 0 , 1 − x 2 − y 2 ) \beta(x,y)=\sqrt{\max\bigl(0,1-x^2-y^2\bigr)} β ( x , y ) = max ( 0 , 1 − x 2 − y 2 ) はR 2 \mathbb{R}^2 R 2 の上で連続、α = − β \alpha=-\beta α = − β である。B ‾ 3 = { ( x , y , z ) ∣ ( x , y ) ∈ K , α ≤ z ≤ β } \overline B^3=\{(x,y,z)\mid(x,y)\in K,\ \alpha\le z\le\beta\} B 3 = {( x , y , z ) ∣ ( x , y ) ∈ K , α ≤ z ≤ β } であるから§E4.24 補題 2.1 により
vol ( B ‾ 3 ) = ∬ K 2 1 − x 2 − y 2 d x d y \operatorname{vol}(\overline B^3)=\iint_K 2\sqrt{1-x^2-y^2}\,dx\,dy vol ( B 3 ) = ∬ K 2 1 − x 2 − y 2 d x d y である。被積分関数はR 2 \mathbb{R}^2 R 2 の上で連続であり、閉円板と開円板の差である単位円は Jordan 零集合であるから(§E4.11 例 2.4 )、§E4.14 命題 3.1 を適用して
vol ( B ‾ 3 ) = ∫ 0 2 π ∫ 0 1 2 1 − r 2 r d r d θ = 2 π ⋅ 2 ⋅ [ − 1 3 ( 1 − r 2 ) 3 / 2 ] 0 1 = 2 π ⋅ 2 3 = 4 π 3 \operatorname{vol}(\overline B^3)=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{1}2\sqrt{1-r^2}\,r\,dr\,d\theta
=2\pi\cdot 2\cdot\Bigl[-\tfrac13(1-r^2)^{3/2}\Bigr]_0^1=2\pi\cdot\frac23=\frac{4\pi}{3} vol ( B 3 ) = ∫ 0 2 π ∫ 0 1 2 1 − r 2 r d r d θ = 2 π ⋅ 2 ⋅ [ − 3 1 ( 1 − r 2 ) 3/2 ] 0 1 = 2 π ⋅ 3 2 = 3 4 π である。よって左辺は3 ⋅ 4 π 3 = 4 π 3\cdot\frac{4\pi}{3}=4\pi 3 ⋅ 3 4 π = 4 π である。
右辺 。F ⃗ \vec F F は位置ベクトル場P = x ∂ x + y ∂ y + z ∂ z P=x\,\partial_x+y\,\partial_y+z\,\partial_z P = x ∂ x + y ∂ y + z ∂ z にほかならないのでω = ι P Ω \omega=\iota_P\Omega ω = ι P Ω であり、
ι ∗ ω = ι ∗ ( ι P Ω ) = μ \iota^*\omega=\iota^*\bigl(\iota_P\Omega\bigr)=\mu ι ∗ ω = ι ∗ ( ι P Ω ) = μ は§E17.14 例 6.8 のS 2 S^2 S 2 の向き形式である。§E17.14 例 8.6 により、∂ B ‾ 3 = S 2 \partial\overline B^3=S^2 ∂ B 3 = S 2 の誘導向きはちょうど[ μ ] [\mu] [ μ ] である。したがって§E17.15 例 5.2 により
∫ ∂ D ι ∗ ω = ∫ S 2 μ = 4 π \int_{\partial D}\iota^*\omega=\int_{S^2}\mu=4\pi ∫ ∂ D ι ∗ ω = ∫ S 2 μ = 4 π である。
両辺はともに4 π 4\pi 4 π であり、定理 1.1 の主張どおり一致する。「実解析 II」の§E4.24 例 6.3 は、同じF ⃗ \vec F F と単位球について古典的な形の両辺を計算して4 π 4\pi 4 π を得ている。二つの計算は同じ値を与えており、命題 5.4 の対応が具体例で確かめられた。
6 演習
問題 6.1.
§E4.12 定理 1 の証明で、切断積分に対する下 Darboux 和を作るときに、切断変数が動く小直方体上で下限を取る一手を用いる。この一手を省いて切断積分の値を変数のまま加えようとすると、Darboux 和の不等式が閉じない理由を述べる。
補題 2.1 (2) の証明で、i < n i<n i < n の項が消える理由はi = n i=n i = n の項が消えない理由と対になっている。台のコンパクト性を、x i x^i x i の積分区間の端点との関係で書き分ける。
補題 3.1 で、ψ \psi ψ がK K K の一点で1 1 1 になるだけではd ψ = 0 d\psi=0 d ψ = 0 を導くことができない。注意 3.2 の説明に従い、M = H 2 M=\mathbb{H}^2 M = H 2 、K K K が原点を含む場合に、第2 2 2 方向の片側微分がどうなるかを述べる。
定理 1.1 の第四段で、∫ M d ω \int_Md\omega ∫ M d ω と∫ ∂ M ι ∗ ω \int_{\partial M}\iota^*\omega ∫ ∂ M ι ∗ ω の両方に( − 1 ) n (-1)^n ( − 1 ) n が現れて相殺した。誘導向きの規約を「外向きのベクトルを最後に置く」に変えたとき、二つの( − 1 ) n (-1)^n ( − 1 ) n のうちどちらが変わるかを特定し、定理の形がどう変わるかを述べる。
定理 1.1 の証明をn = 2 n=2 n = 2 、M = H 2 M=\mathbb{H}^2 M = H 2 、ω = f d x 1 \omega=f\,dx^1 ω = f d x 1 (f f f の台はコンパクト)に対して最初から書き下し、両辺がともに∫ R f ( x 1 , 0 ) d x 1 \int_{\mathbb{R}}f(x^1,0)\,dx^1 ∫ R f ( x 1 , 0 ) d x 1 になることを確かめる。
命題 5.2 と§E4.22 定理 4.1 の仮定を比べ、一方が他方を含まない理由を、領域の族の違いに即して述べる。
注意 5.1 の二つの対応のうち、F ⃗ ↦ F ⃗ ♭ \vec F\mapsto\vec F^{\flat} F ↦ F ♭ が内積に依存し、F ⃗ ↦ ι F ⃗ Ω \vec F\mapsto\iota_{\vec F}\Omega F ↦ ι F Ω が体積形式に依存する。R 3 \mathbb{R}^3 R 3 の内積を⟨ x , y ⟩ = 2 x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 \langle x,y\rangle=2x^1y^1+x^2y^2+x^3y^3 ⟨ x , y ⟩ = 2 x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 へ取り替えたとき、二つの対応がそれぞれどう変わるかを書き下す。
例 5.7 で、F ⃗ = ( x , y , z ) \vec F=(x,y,z) F = ( x , y , z ) をF ⃗ = ( 0 , 0 , z ) \vec F=(0,0,z) F = ( 0 , 0 , z ) へ取り替えて両辺を計算し、ふたたび一致することを確かめる。
7 境界と次
本記事は角を持つ多様体を扱わない。閉立方体[ 0 , 1 ] n [0,1]^n [ 0 , 1 ] n に対して同じ等式を述べるには、稜と頂点の近傍での局所モデルを別に用意する必要がある。「実解析 II」の Green の定理と発散定理は、区分的に滑らかな境界を持つ領域に対して直接証明されており、角のある場合を含んでいる。二つの定理は仮定の族が異なり、一方が他方を含むわけではない。
n = 1 n=1 n = 1 の場合は例 4.2 のとおり微積分学の基本定理に一致する。この場合を定理の主張に含めることができるのは、§E17.14 定義 2.2 が局所モデルとしてH n \mathbb{H}^n H n とH − n \mathbb{H}^n_{-} H − n の両方を許しているからである。H 1 \mathbb{H}^1 H 1 の相対開集合だけを局所モデルに採ると、[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] の二つの境界点で向きを保つチャートを同時に取ることができず、§E17.15 定義 2.2 の右辺を作ることができない(§E17.14 注意 6.5 )。
台がコンパクトでない形式に対しては、両辺の広義積分としての収束を別に議論する必要がある。本単元は扱わない。
定理 1.1 は、∂ M = ∅ \partial M=\varnothing ∂ M = ∅ の場合に∫ M d η = 0 \int_Md\eta=0 ∫ M d η = 0 を与える。この帰結は、コンパクトで向きづけられた境界のない連結多様体の最高次コホモロジーが消えないことの証明に用いる。その議論は「Mayer–Vietoris と計算例」が扱う。閉形式の全体を完全形式の全体で割った商としてのコホモロジーの定義は「de Rham 複体とホモトピー不変性」が与える。