ベクトル関数の回転(カール、ローティション) 1周すると元に戻る経路(閉じた経路)を曲線Cとする。 微少区間の接ベクトルをdSとする。(微少区間の長さを大きさとして、折線方向のベクトル。) ベクトル場Fは、その微少区間と交わる軌跡の力線である。 力線Fと接ベクトルdsと内積をとる。 流線 F d s C 経路Cに沿って一周積分する。これをΓ(ガンマ) と定義する。 曲線Cが1つの輪とすればΓがゼロならば回転しない。ゼロでなければ回転する。 Cに新しくBで橋をかける。CはC1とC2に分かれる。 B 橋が架かっている部分はC1とC2では大きさが同じで 向きが反対なので相殺されゼロとなってしまう。 C1 更に分割を進める。 C2 分割を進めるとループも小さくなるが面積ai も小さくなる。aiで割った値の極限が収束する。 ai
z ayz axy ayz azx a y azx axy x n Ci n = + Ci はスカラー量となる ここで天下り式に ai 面積aは3次元空間に存在する。xy,yz,zx平面 への写像をaxy,ayz,azx とする。 ayz y a axy azx ayz z y x a = + x azx Ci y のベクトルの和としてあらわせる。 axy x
y x (x+Δx、y+Δy/2) y+Δy y x x+Δx (x+Δx/2、y+Δy) (x、y+Δy) (x+Δx、y+Δy) -Ax(x+Δx/2,y+Δy) (x、y+Δy/2) (x+Δx、y+Δy/2) Ay(x,y) Ax(x+Δx/2,y) y (x+Δx、y) (x、y) Ax(x,y) (x+Δx/2、y) x x x+Δx (x、y)におけるベクトルを Ax(x、y)とする。 中点における値がこの経路の平均値と考える。 四角形の右側面の中点におけるベクトルの値は 微少区間を考えているので Axはほぼ直線的に変化すると考える。 ④ (変化率)×(差分) 四角形の左側面の中点におけるベクトルの値は ⑤ 中点における値がこの経路の平均値と考える。 四角形の底辺の中点におけるベクトルの値は 循環を考えると④-⑤となる。 ① 同様にΔyを掛ける 四角形の頂辺の中点におけるベクトルの値は ⑦ ② ③、⑦より一周積分は 四角形の廻りの循環を考えているので①-②より 平均値の差であるから経路Δxを掛ける。 ⑧ ③ (x、y)平面上の四角形全周に渡って積分したので ⑨
axyは限りなくゼロに近づけるので z は(x,y)平面の四角形の微少面積となり法線ベクトルは単位ベクトル となる。 両辺を で割る ⑩ 両辺を で割る axyは限りなくゼロに近づけるので ⑩ 同様にして(y,z)平面、(z,x)平面について解く。 ⑪ ⑫ 3次元空間の平面に関してはそれぞれの成分を重ね合わせれば良い。 ⑬ ⑭ ⑮ ⑯ と定義すれば は∇とAとの外積であらわされる。 ベクトルの外積 ベクトル 、 が作る平行四辺形の面積を大きさとするそれらとは 垂直な方向を持つベクトル。 × = 平面成分を線成分に変換する
ストークスの定理 もっとも大きいループ Cの 1周積分は d s C ところが なので これを式変形して