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面積分と流束md 364834c
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面積分めんせきぶん流束りゅうそく

date2026-07-15document_iddoc_6fd7e433e56bd98b98ee7ff1e97f0aebdescription面積分と流束を、曲面上のスカラー量とベクトル場の法線成分を足し合わせる操作として整理する。prerequisites曲線・曲面のパラメータ表示 / 勾配・発散・回転type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/vector-calculus/vector-calculus-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/vector-calculus/gradient-divergence-and-curl.lecture.n.md / data/lecture/math/multivariable-calculus/parametrized-curves-and-surfaces.lecture.n.md / data/lecture/math/analysis/introduction-to-line-and-surface-integrals.lecture.n.md / data/lecture/math/vector-calculus/green-gauss-and-stokes-theorems.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、曲面上きょくめんじょうのスカラーりょう総和そうわと、曲面きょくめんつらぬくベクトル法線成分ほうせんせいぶん総和そうわ区別くべつして定義ていぎする。

2用語ようご定義ていぎ

流束りゅうそくFlux は、ベクトル法線成分ほうせんせいぶん積分せきぶんする面積分めんせきぶんであり、曲面きょくめんをどれだけ通過つうかするかをあらわす。

面積分めんせきぶんSurface integral は、曲面上きょくめんじょうのスカラーりょうまたはベクトル法線成分ほうせんせいぶん積分せきぶんする操作そうさである。

3方針ほうしん

曲面きょくめんr(u,v)表示ひょうじし、せつベクトル ru,rv から法線方向ほうせんほうこう構成こうせいする。流束りゅうそくでは、ベクトルのうち法線方向ほうせんほうこう成分せいぶんだけをかぞえる。

4曲面きょくめん

流束りゅうそくでは、曲面きょくめん表裏おもてうら区別くべつする必要ひつようがある。法線方向ほうせんほうこう反転はんてんすると、流束りゅうそく符号ふごう反転はんてんする。閉曲面へいきょくめんでは、通常つうじょう外向そとむ法線ほうせん選択せんたくする。

曲面全体きょくめんぜんたい連続れんぞく単位法線場たんいほうせんば nえらべるとき、その曲面きょくめん可能かのうorientableという。連結れんけつ曲面きょくめんでは 2 つのきは n-n である。不可能ふかのう曲面きょくめんでは、曲面全体きょくめんぜんたい一貫いっかんした流束りゅうそく定義ていぎできない。領域りょういき境界きょうかいとしてあたえられた閉曲面へいきょくめんでは、外向そとむきが標準ひょうじゅんきである。

5厳密げんみつ説明せつめい

ΩR2境界きょうかい区分的くぶんてき C1有界ゆうかい Jordan 領域りょういきD=Ω_ とし、rD開近傍かいきんぼうC1 とする。Ω ないru×rv0 かつ単射たんしゃであるとき、S=r(D)正則曲面せいそくきょくめんパッチregular surface patchという。境界上きょうかいじょうだけの重複ちょうふく面積めんせき 0 なので積分値せきぶんち影響えいきょうしない。内部ないぶ多重被覆たじゅうひふくするパラメータ表示ひょうじ右辺うへんは、曲面上きょくめんじょう通常つうじょう積分せきぶんではなく、重複度ちょうふくどふく積分せきぶんあらわす。

S近傍きんぼう定義ていぎされた連続れんぞくスカラー g面積分めんせきぶん

SgdS=Dg(r(u,v))ru×rvdudv

定義ていぎする。これはきに依存いぞんせず、g=1 なら曲面きょくめん面積めんせきになる。

S近傍きんぼう定義ていぎされた連続れんぞくベクトル Fたいし、ru×rvえらんだきと一致いっちするとき、流束りゅうそく

SF·ndS=DF(r(u,v))·(ru×rv)dudv

定義ていぎする。パッチの内部ないぶでは、単位法線たんいほうせんn=(ru×rv)/ru×rv である。きを反転はんてんすると流束りゅうそく符号ふごう反転はんてんする。

ru×rv は、接平面せつへいめん垂直すいちょく方向ほうこう微小面積びしょうめんせき同時どうじあらわす。ru×rvdudv面積要素めんせきようそであり、流束りゅうそくでは絶対値ぜったいちらずに ru×rvdudv使用しようする。

本講義ほんこうぎあつかうコンパクトな区分的正則曲面くぶんてきせいそくきょくめんを 1 のパッチで正則せいそくかつ 1 たい 1 に表示ひょうじできない場合ばあいは、有限個ゆうげんこ正則せいそくパッチに分割ぶんかつし、共通部分きょうつうぶぶん面積めんせき 0 の境界きょうかい限定げんていして、かくパッチの積分せきぶん加算かさんする。流束りゅうそくでは、すべてのパッチの法線ほうせん選択せんたくした曲面きょくめんきと整合せいごうさせる。この構成こうせいにより、後述こうじゅつする球面きゅうめんおよび閉曲面へいきょくめん積分せきぶん定義ていぎされる。

Ω境界きょうかい区分的くぶんてき C1べつ有界ゆうかい Jordan 領域りょういきE=Ω_ とする。φ:ED を、ED開近傍間かいきんぼうかんC1 微分同相びぶんどうそう制限せいげんφ(E)=Dたすものとし、ρ=rφ とする。スカラー面積分めんせきぶんは Jacobian の絶対値ぜったいちによりさいパラメータ不変ふへんである。流束りゅうそくdetDφ>0 ならきをたもって不変ふへんである。detDφ<0 のとき、外積がいせきをそのまま使用しようすると反対向はんたいむきの曲面きょくめんあらわすため、流束りゅうそく符号ふごう反転はんてんする。選択済せんたくずみの幾何学的きかがくてききを維持いじする場合ばあいは、外積がいせき符号ふごう補正ほせいする。

6具体計算ぐたいけいさん

上向うわむきの平面へいめん z=00[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1,0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]y[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1かんがえる。F=(0,0,z+1) なら、法線ほうせん(0,0,1) であり、流束りゅうそく

SF·ndS=01011dxdy=1

である。下向したむきの法線ほうせん選択せんたくするとあたい-1 になる。

7球面きゅうめんれい

F=(x,y,z) とし、原点げんてん中心ちゅうしんとする半径はんけい R>0球面きゅうめん外向そとむきにける。球面きゅうめんでは F·n=R であり、面積めんせき4πR2 なので、流束りゅうそく4πR3 になる。後続講義こうぞくこうぎでは Gauss 定理ていり使つかい、発散はっさんが 3、体積たいせき4πR3/3 であることからおなあたい確認かくにんする。

8円柱えんちゅうれい

半径はんけい RたかH円柱側面えんちゅうそくめん

r(θ,z)=(Rcosθ,Rsinθ,z)

表示ひょうじする。これは上下面じょうかめんふくまない側面そくめんだけの表示ひょうじで、0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]θ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2π0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]z[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]H である。θ=0θ=2π同一どういつあらわすが、パラメータ領域りょういき境界きょうかいでの重複ちょうふくなので面積分めんせきぶんあたい影響えいきょうしない。外向そとむきの面要素めんようそ

rθ×rz=(Rcosθ,Rsinθ,0)

である。F=(x,y,0) なら、流束りゅうそく

0H02πR2dθdz=2πR2H

である。

9比較例ひかくれい: めん平行へいこう

z=0上向うわむ平面片へいめんへんたいし、F=(1,0,0)めん平行へいこうである。したがって F·n=0 であり、流束りゅうそくは 0 になる。矢印やじるし曲面上きょくめんじょう存在そんざいしても、法線成分ほうせんせいぶんがなければ貫通量かんつうりょう発生はっせいしない。

10Gauss 定理ていりへの橋渡はしわた

有界領域ゆうかいりょういき V区分的くぶんてき C1 境界きょうかいち、FV_近傍きんぼうC1 であるとする。外向そとむきにけた閉曲面へいきょくめん V通過つうかする総流束そうりゅうそくは、V 内部ないぶ発散はっさん体積積分たいせきせきぶん一致いっちする。この事実じじつが Gauss の発散定理はっさんていりである。閉曲面へいきょくめん V体積領域たいせきりょういき境界きょうかいであり、つぎのページで境界上きょうかいじょう流束りゅうそく内部ないぶ局所量きょくしょりょうである発散はっさん接続せつぞくする。特異点とくいてんV ないふくには、この条件じょうけんのままでは適用てきようできない。

11よくあるあやま

  • 法線方向ほうせんほうこう指定していせずに流束りゅうそく計算けいさんする。
  • 面積要素めんせきようそ ru×rv面要素めんようそ ru×rv混同こんどうする。
  • 曲面きょくめん境界きょうかい確認かくにんせず、Stokes 定理ていりきをあやまる。

12関連かんれんリンク

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