f(tx + (1 t)y) tf(x) + (1 t)f(y) jokaisella x, y A ja t [0, 1].

Samankaltaiset tiedostot
4.3.7 Epäoleellinen integraali

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

U missä U A := {U R n : U avoin ja U A}; intuitiivisesti suurin avoin joukko, joka sisältyy A:han. Määritellään A:n sulkeuma A := F F A

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Stokesin lause LUKU 5

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

Kompleksianalyysi, viikko 6

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Täydellisyysaksiooman kertaus

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

f x da, kun A on tason origokeskinen yksikköympyrä, jonka kehällä funktion f arvot saadaan lausekkeesta f (x, y) = 2x 3y 2.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Konvergenssilauseita

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitusviikko 5 /

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Matematiikan tukikurssi

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

LUKU 4. Pinnat. (u 1, u 2 ) ja E ϕ 2 (u 1, u 2 ) := ϕ u 2

(ks. kuva) ja sen jälkeen x:n ja y:n suhteen yli xy-tasossa olevan alueen projektion G:

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Analyysin peruslause

MS-A0202 Di erentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 8: Taso- ja avaruusintegraalit

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

Matematiikan tukikurssi

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Kompleksianalyysi, viikko 4

11. Poissonin yhtälö Perusratkaisu. Laplacen yhtälöön liittyvää epähomogeenista osittaisdifferentiaaliyhtälöä

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

2. Todista Lause 1.2 : Jos I on ylinumeroituva indeksijoukko ja a i > 0kaikillai 2 I, niin P i2i a i = 1.

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

KVASIKONVEKSISUUS TASOSSA. 1. Johdanto

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

2.6 Funktioiden kuvaajat ja tasa-arvojoukot

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Ratkaisu: (i) Joukko A X on avoin jos kaikilla x A on olemassa r > 0 siten että B(x, r) A. Joukko B X on suljettu jos komplementti B c on avoin.

Toispuoleiset raja-arvot

Viivaintegraali ja Greenin lause

Olkoot f : S R 3 pinnan S jatkuva vektorikenttä ja V U kompakti Jordanjoukko. Tällöin vektorikentän f pintaintegraali yli joukon T := ϕ(v ) S on

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

1 sup- ja inf-esimerkkejä

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

z Im (z +1) 2 = 0. Mitkä muut kompleksitason pisteet toteuttavat tämän yhtälön? ( 1) 0 z ( 1) z ( 1) arg = arg(z 0) arg(z ( 1)), z ( 1) z ( 1)

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Määritelmä 17. Olkoon Ω joukko ja Σ sen jokin σ-algebra. Kuvaus P : Σ [0, 1] on todennäköisyysmitta (eng. probability measure), jos

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Pro gradu -tutkielma JORDANIN KÄYRÄLAUSE JA SCHÖNFLIESIN LAUSE. Lotta Oinonen

5.6 Yhdistetty kuvaus

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

JATKUVUUS. Funktio on jatkuva jos sen kuvaaja voidaan piirtää nostamatta kynää paperista.

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

Esimerkki 1.1. Kahdeksikkopolku α: u (sin u, sin 2u) on helppo todeta injektioksi

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

8. Avoimen kuvauksen lause

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Vektorilaskenta. Luennot / 54

= 5! 2 2!3! = = 10. Edelleen tästä joukosta voidaan valita kolme särmää yhteensä = 10! 3 3!7! = = 120

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

7. Tasaisen rajoituksen periaate

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

Matematiikan tukikurssi

Transkriptio:

Tässä luvussa näytetään divergenssilause konveksin joukon tapauksessa. Määritelmä 4.5.1. 1. Joukko R m on konveksi, jos kaikilla x, y pisteet tx + (1 t)y jokaisella t [0, 1]. 2. Olkoon R m konveksi. Funktio f : R on konveksi, jos jokaisella x, y ja t [0, 1]. f(tx + (1 t)y) tf(x) + (1 t)f(y) Esimerkki 4.5.1. Sylinteri, pallo, kuutio ja ellipsoidi ovat konvekseja joukkoja. Torus ei ole konveksi joukko, sillä esim. sen horisontaalinen poikkileikkaus on ympyrän leikkaus pienemmän ympyrän komplementin kanssa. Täten löytyy sellaisia janoja, jotka yhdistävät toruksen pisteitä, mutta jotka kulkevat pienemmän ympyrän kautta ja eivät siten sisälly kokonaan torukseen. Käytämme konveksisuutta yleisenpää ominaisuutta (4.5.18) divergenssilauseen todistuksessa. Konveksisuus on kuitenkin helpompi tarkistaa. Lemma 4.5.2. Olkoon R 3 kompakti konveksi joukko ja joukot U i R 2 joukon projektio tasoon jossa i:s muuttuja on vakio. Silloin löytyy sellaiset funktiot g i, h i : U i R 2, että = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : g i (x k, x l ) x i h i (x k, x l ), (x k, x l ) U i, k, l {1, 2, 3}\{i}} (4.5.18) jokaisella i = 1, 2, 3. Lisäksi funktiot g i ja h i ovat konvekseja jokaisella i = 1, 2, 3.

Todistus. Olkoon i = 3 (muut tapaukset näytetään vastaavasti). Olkoon matriisi [ ] 1 0 0 P =. 0 1 0 Tällöin P x on x:n projektio 1. ja 2. komponentille. Merkitään U = P (). Erityisesti U on kuvauksen P lineaarisuuden nojalla konveksi. Olkoon (a, b) U. Tarkastellaan joukkoa V a,b = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 1 = a, x 2 = b}, joka on kompaktin joukon ja suljetun joukon leikkauksena kompakti. Merkitään h(a, b) = g(a, b) = sup x 3 (x 1,x 2,x 3 ) V a,b inf x 3. (x 1,x 2,x 3 ) V a,b Koska V a,b on kompakti, niin (a, b, g(a, b)), (a, b, h(a, b)) V a,b. Tällöin V a,b {(a, b, x 3 ) R 3 : g(a, b) x 3 h(a, b)}. (4.5.19) Toisaalta joukko V a,b, jolloin joukon konveksisuuden nojalla pisteet t(a, b, g(a, b)) + (1 t)(a, b, h(a, b)) = (a, b, tg(a, b) + (1 t)h(a, b)) t [0, 1]

Erityisesti {(a, b, x 3 ) R 3 : g(a, b) x 3 h(a, b)} {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 1 = a, x 2 = b} = V a,b. (4.5.20) Inkluusioiden (4.5.19) ja (4.5.20) nojalla V a,b = {(a, b, x 3 ) R 3 : g(a, b) x 3 h(a, b)}. Kun merkitään (a, b) = (x 1, x 2 ) U, niin nähdään, että = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : g(x 1, x 2 ) x 3 h(x 1,, x 2 ), (x 1, x 2 ) U}. (4.5.21) Näytetään vielä kuvausten g, h konveksisuus. Olkoon (x 1, x 2 ), (y 1, y 2 ) U. Silloin (x 1, x 2, g(x 1, x 2 )), (y 1, y 2, g(y 1, y 2 )) ja joukon konveksisuuden nojalla (tx 1 + (1 t)y 1, tx 2, (1 t)y 2, tg(x 1, x 2 ) + (1 t)g(y 1, y 2 )) Yhtäpitävyyden (4.5.21) nojalla g(tx 1 + (1 t)y 1, tx 2, (1 t)y 2 ) tg(x 1, x 2 )) + (1 t)g(y 1, y 2 ). Täten g on konveksi funktio. Vastaava tulos saadaan funktiolle h.

Lemma 4.5.3. Olkoon R 2 konveksi ja f : R konveksi funktio. Tällöin f on jatkuva joukon sisäpisteissä. Todistus. Sivuutetaan (katso esim. Proposition 2.32 kirjasta Sudhir R. Ghorpade, Balmohan V. Limaye: Course in Multivariable Calculus and nalysis. Springer (2010) Lemma 4.5.4. Olkoon R 2 kompakti konveksi joukko. Silloin on nollajoukko. Todistus. Edetään samoin kuin lemman 4.5.2 todistuksessa. Projektiosuuntia vaihdellen nähdään, että voidaan lokaalisti esitää konveksin funktion kuvaajana. Myös yhden muuttujan konveksit funktiot ovat jatkuvia välien sisäpisteissä. Täten reuna on lokaalisti tarkasteltuna jatkuvan funktion kuvaaja. Koska on kompakti, se voidaan esittäää äärellisen monen jatkuvan funktion kuvaajan yhdisteenä. Erityisesti se on nollajoukko. Seuraava lause pätee myös heikommilla oletuksilla joukon suhteen, mutta tällöin tarvitaan monimutkaisempia käsitteitä määrittelemään joukon reunan ominaisuuksia (esim. ns. C 1 - tai Lipschitz-reuna tai äärellisen perimetrin reuna). Palautetaan mieleen, että ulkonormaali osoittaa alueesta ulospäin. Lause 4.5.1 (Divergenssilause). Olkoon R 3 sellainen avoin konveksi rajoitettu joukko, jonka reuna on paloittain yksinkertainen pinta ja olkoon f : R 3 C 1 -vektorikenttä. Tällöin f(x)dx = n(x) f(x)dσ(x), missä n(x) on pinnan ulkonormaali.

Todistus. Olkoon f = (f 1, f 2, f 3 ) : R 3 C 1 -vektorikenttä. Näytetään, että f i (x)dx = n i (x)f i (x)dσ(x) (4.5.22) x i kaikilla i = 1, 2, 3. Lauseen väite saadaan silloin summaamalla yhtälöt (4.5.22) puolittain. Olkoon i = 3. Lemman 4.5.2 nojalla löytyy sellaiset konveksit funktiot g ja h, että = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : g(x 1, x 2 ) x 3 h(x 1,, x 2 ), (x 1, x 2 ) U}. Olkoon Q = [a 1, b 1 ] [a 2, b 2 ] [a 3, b 3 ] sellainen suorakulmainen särmiö, että Q. Määritellään funktio { { f3 x F (x 1, x 2, x 3 ) = 3 (x 1, x 2, x 3 ), (x 1, x 2, x 3 ) f3 x = 3 (x), g(x 1, x 2 ) x 3 h(x 1, x 2 ) 0 muulloin. 0 muulloin Funktio F on integroituva yli suorakulmaisen särmiön Q, sillä F ăon jatkuva nollamittaisen joukon ulkopuolella. Lisäksi b3 a 3 F (x 1, x 2, x 3 )dx 3 = h(x1,x 2 ) g(x 1,x 2 ) f 3 x 3 (x 1, x 2, x 3 )dx 3 = f 3 (x 1, x 2, h(x 1, x 2 )) f 3 (x 1, x 2, g(x 1, x 2 )) on olemassa jokaisella (x 1, x 2 ) [a 1, b 1 ] [a 2, b 2 ]. Fubinin lauseen nojalla f 3 (x)dx = f 3 (x 1, x 2, h(x 1, x 2 )) f 3 (x 1, x 2, g(x 1, x 2 ))dx 1 dx 2. (4.5.23) x 3 U

Tarkastellaan pintaintegraalin osuus. Jaetaan pinta kolmeen osaan: kanteen (jossa h määrää reunan), pohjaan (jossa g määrää reunan) ja kaulusosaan, jossa normaalivektori on kohtisuorassa vektoriin (0, 0, f 3 ) nähden. Olkoon ψ : V R 2 parametrisesitys sellaiselle piinnan yksinkertaiselle osajoukolle S, joka sisältyy joukon pohjaan. Lemman 4.5.1 nojalla n(x) = ψ y 1 (y) ψ y 2 (y) ψ y 1 (y) ψ y 2 (y) on pinnan S normaalivektori pisteessä x = ψ(y). Valitaan sellainen ψ, että n(x) on pohjan ulkonormaali eli ( 1 ψ1 n 3 (x) = ψ y 1 (y) ψ (y 1, y 2 ) ψ 2 (y 1, y 2 ) ψ 2 (y 1, y 2 ) ψ ) 2 (y 1, y 2 ) 0. y 2 (y) y 1 y 2 y 1 y 1

Tällöin n 3 (ψ(y)) ψ (y) ψ (y) y 1 y 2 = ψ 1 (y 1, y 2 ) ψ 2 (y 1, y 2 ) ψ 2 (y 1, y 2 ) ψ 2 (y 1, y 2 ) y 1 y 2 y 1 y 1 = det(j (ψ1,ψ 2 ),(y 1,y 2 )) 0 Sijoitetaan tämä pintaintegraalin lausekkeeseen f 3 (x)n 3 (x)dσ(x) = f 3 (ψ(y))n 3 (ψ(y)) ψ (y) ψ (y) S V y 1 y 2 dy = f 3 (ψ 1 (y), ψ 2 (y), g(ψ 1 (y), ψ 2 (y)) det(j (ψ1,ψ 2 ),y)dy V = f 3 (ψ 1 (y), ψ 2 (y), g(ψ 1 (y), ψ 2 (y))) det(j (ψ1,ψ 2 ),y) dy V muuttujanvaihto = f 3 (x 1, x 2, g(x 1, x 2 ))dx 1 dx 2, U P (S) missä P on projektio 1. ja 2. muuttujalle. Vastaavasti käsitellään pinnan S muut yksinkertaiset osajoukot. Mahdollisessa pohjan ja kannen väliin jäävässä kaulusjoukossa (0, 0, f 3 ) n. Havaitaan, että funktion f 3 n 3 pintaintegraalien summa yli pinnan yksinkertaisten pistevieraiden osajoukkojen on täsmälleen tilavuusintegraalin arvo (4.5.23).

Huomautus 4.5.1. Pinnan normaalivektorin voi määrätä helpoimmalla menetelmällä. Esimerkiksi parametriesityksestä tai pinnan yhtälöstä Esimerkki 4.5.2. Testataan divergenssilauseen tulosta pallon tapauksessa. Olkoon f(x 1, x 2, x 3 ) = (0, 0, x 3 ) jokaisella x 1, x 2, x 3 R 3 ja olkoon = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 2 1 + x 2 2 + x 3 3 < c 2 }. Tällöin f(x)dx = 1dx on pallon tilavuus. Pallopinnan ulkonormaali on n(x) = x x. (kuten esimerkissä 2.7.8). Jakamalla pintaintegraali yli puolipallojen nähdään, että x n(x) f(x)dσ(x) = x f(x)dσ(x) Harjoitustehtävä = 2π π 0 0 c 2 cos 2 (θ) c 2 sin(θ)dφdθ = 4 c 3 πc3.

Divergnessilauseen avulla eräiden pintaintegraalien laskeminen yksinkertaistuu. Esimerkki 4.5.3. Laske pintaintegraali S (x 2 z 3, 2xyz 3, xz 4 ) n(x, y, z)dσ(x, y, z), missä S muodostuu sellaisen suorakulmaisen särmiön Q kaikista tahkoista, että särmiön kärjet ovat pisteissä (±1, ±2, ±3) ja n(x, y, z) on särmiön ulkonormaali pisteessä (x, y, z) S. Ratkaisu: Lasketaan pintaintegraali käyttämällä divergenssilausetta. S (x 2 z 3, 2xyz 3, xz 4 ) n(x, y, z)dσ(x, y, z) = = Fubini = [ 1,1] [ 2,2] [ 3,3] [ 1,1] [ 2,2] [ 3,3] 1 2 3 1 8xdx 2 dy (x 2 z 3, 2xyz 3, xz 4 )dxdysz 2xz 3 + 2xz 3 + 4xz 3 dxdysz 3 z 3 dz = 0. Divergenssilauseella on suuri merkitys osittaisdifferentiaaliyhtälöiden teoriassa. Monia perustuloksia näytetään divergenssilauseen avulla. Divergenssilause on tärkeä fysiikassa esim. sähköja magneettikenttien käsittelyssä.

4.5.2 Greenin lause Lemma 4.5.5. (Jordanin käyrälause) Olkoon C R 2 yksinkertainen suljettu käyrä. Tällöin joukko R 2 \C koostuu kahdesta erillisestä joukosta: käyrän C sisään sulkemasta rajoitetusta joukosta U ja ulkopuolisesta rajoittamattomasta joukosta V. Lisäksi käyrä C on joukon U ja joukon V reuna. Todistus. Väite vaikuttaa intuitiivisesti selvältä. Tarkempi todistus on hämmentävän syvällinen, eikä tämä kurssi kata sen sisältöä. Todistus sivuutetaan! Tiedonjanoisia kehotetaan tarttumaan Googleen hakusanoilla Jordan curve theorem nice proof. Kiinnitetään suljetun käyrän suunnistus standardilla tavalla. Määritelmä 4.5.2. Olkoon C R 2 yksinkertainen suljettu käyrä ja U sen sisäänsä sulkema joukko. Suljettu käyrä C on positiivisesti suunnistettu (merk. C + ), jos joukko U jää vasemmalle puolelle käyrää pitkin kuljettaessa. Käyrä C on negatiivisesti suunnistettu (merk. C ), jos joukko U jää oikealle puolelle käyrää pitkin kuljettaessa.

Määritelmä 4.5.3. Sanotaan, että joukko toteuttaa ehdon (1), jos löytyy sellaiset yksinkertaiset suljetut käyrät C 0 ja C 1,..., C k, että 1. C 1,..., C k ovat käyrän C 0 sisäpuolella, 2. C 1,..., C k ovat pareittain toistensa ulkopuolella, 3. joukko koostuu niistä käyrän C 0 sisään sulkemista pisteistä, jotka ovat käyrien C 1,..., C k ulkopuolella. Tällöin käyriä C 0,..., C k nimitetään reunan komponenteiksi. Määritelmä 4.5.4. Olkoon R 2 sellainen joukko, joka toteuttaa ehdon (1). Sanotaan, että on positiivisesti suunnistettu, jos sen reunan jokainen komponentti on positiivisesti suunnistettu. Tällöin merkitään +. Lause 4.5.2. (Greenin lause) Olkoon R 2 sellainen kompakti joukko, joka toteuttaa ehdon (1). Olkoon f = (f 1, f 2 ) C 1 (; R 2 ). Tällöin f 2 f ds = (x 1, x 2 ) f 1 (x 1, x 2 )dx 1 dx 2 + x 1 x 2

Todistus. Näytetään lause vain erikoistapauksessa, missä voidaan kirjoittaa sekä muodossa = {(x 1, x 2 ) R 2 : a x 1 b, g 1 (x 1 ) x 2 h 1 (x 1 )}, että muodossa = {(x 1, x 2 ) R 2 : c x 2 d, g 2 (x 2 ) x 1 h 2 (x 2 )}, missä g i, h i ovat jatkuvia kun i = 1, 2. Oletetaan ensin, että = {(x 1, x 2 ) R 2 : a x 1 b, g(x 1 ) x 2 h(x 1 )}, ja f = (f 1, 0). Tällöin + on yksinkertaisten kaarien B 1 +, B+ 2, B+ 3 ja B+ 4 yhdiste.

Kaari-integraali jaetaan osiin + f ds = B + 1 f ds + B + 2 f ds + B + 3 f ds + B + 4 f ds Olkoon γ : [t 1, t 2 ] R 2 kaaren B 1 + C1 -parametriesitys. Tällöin B + 1 f ds = t2 t 1 f 1 (γ(t))γ 1(t)dt = t2 t 1 f 1 (γ 1 (t), g(γ 1 (t))γ 1(t)dt. Sijoittamalla x 1 = γ 1 (t) saadaan B + 1 f ds = b a f 1 (x 1, g(x 1 ))dx 1. Vastaavasti B + 3 f ds = b a f 1 (x 1, h(x 1 ))dx 1 ja lisäksi (f 1, 0) (0, t) = 0 jokaisella t R, jolloin f ds = B + 2 B + 4 f ds = 0.

Kokoamalla yhtälöt, nähdään että f ds = + b = = f 1 (x 1, g(x 1 ))dx 1 a b h(x1 ) a g(x 1 ) b f 1 x 2 (x 1, x 2 )dx 2 dx 1 f 1 x 2 (x 1, x 2 )dx 2 dx 1 a f 1 (x 1, h(x 1 ))dx 1 Vastaavasti voidaan näyttää tapaus = {(x 1, x 2 ) R 2 : c x 2 d, g 2 (x 2 ) x 1 h 2 (x 2 )}. Kirjoittamalla f = (f 1, 0) + (0, f 1 ) nähdään ylläolevan nojalla, että f 1 f 2 f ds = (x 1, x 2 )dx 2 dx 1 + (x 1, x 2 )dx 2 dx 1. + x 2 x 1 Esimerkki 4.5.4. Olkoon = [ 1, 0] [ 1, 0] ja f(x 1, x 2 ) = (x 1 x 2, 0). Silloin f 2 f 1 (x 1, x 2 )dx 2 dx 1 (x 1, x 2 )dx 2 dx 1 = x 1 dx 1 dx 2 = 1 x 1 x 2 2. Kaaren B + 1 parametriesitys on γ(t) = (t 1, 1), t [0, 1], jolloin 1 f ds = (1 t, 0) (1, 0)dt = 1 2. B + 1 0

Kaaren B + 2 Kaaren B + 3 Kaaren B + 4 parametriesitys on γ(t) = (0, t 1), t [0, 1], jolloin 1 f ds = (0, 0) (0, 1)dt = 0. B + 2 parametriesitys on γ(t) = ( t, 0), t [0, 1], jolloin 1 f ds = (0, 0) ( 1, 0)dt = 0. B + 3 parametriesitys on γ(t) = ( 1, t), t [0, 1], jolloin 1 f ds = (t, 0) (0, 1)dt = 0. B + 4 0 0 0 Siis + f ds = 1 2.

4.5.3 Klassinen Stokesin lause Lause 4.5.3. Olkoon S R 3 yksinkertainen pinta, jonka parametriesitys ψ : V R 3 on C 2 -funktio ja reuna V + on suljettu yksinkertainen positiivisesti suunnistettu käyrä, jonka kuvaa merkitään C + = ψ( V + ). Jos f : S R 3 C 1 -vektorikenttä, niin n(x) ( f(x))dσ(x) = f ds, C + S missä n(x) on pinnan S normaalivektori pisteessä x S. Todistus. Sivuutetaan. Esimerkki 4.5.5. Olkoon f(x 1, x 2, x 3 ) = (x 2, x 3, x 1 ) kaikilla x 1, x 2, x 3 R ja olkoon C = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 1 = 0, x 2 0, x 3 0, x 2 2 + x 2 3 = 1}. ja valitaan suljetun yksinkertaisen käyrän C suunnistus positiiviseksi. Laske C + f ds käyttämällä Stokesin lausetta. Ratkaisu: Käyrä C sulkee sisäänsä neljännesympyrän S = {(x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 1 = 0, x 2 0, x 3 0, x 2 1 + x 2 2 1}.

Joukko S R 3 on yksinkertainen pinta ja sen parametriesitys on γ(r, θ) = (0, r cos(θ), r sin(θ)) jokaisella (r, θ) V = [0, 1] [0, π/2]. Erityisesti γ( V + ) = C + ja γ on C 2 -funktio. Lasketaan vielä f(x 1, x 2, x 3 ) = ( 1, 1, 1) jokaisella x 1, x 2, x 3 R. Tällöin n(x) f(x)dσ(x) = S = = [0,1] [0,π/2] [0,1] [0,π/2] [0,1] [0,π/2] ( ψ r ) ψ (r, θ) (r, θ) θ ( 1, 1, 1)dθdr ((0, cos(θ), sin(θ)) (0, r sin(θ), r cos(θ))) ( 1, 1, 1)drdθ rdrdθ = π 4.