广义 Stokes 定理:内部与表面的联系

 

:怎样理解格林公式和高斯公式?
:内部发生的增减一定会体现在表面上,休想掩藏,哈哈。 ——知乎 小机

事实上,格林公式、高斯公式都是广义 Stokes 定理generalized Stokes’ theorem)的特殊形式:

\[\oint_{\partial\Omega} \omega = \int_\Omega \mathrm{d}\omega\]

看似复杂的公式,表现的也就是一个意思——公式左边,是某个量 $\omega$ 在区域 $\Omega$ 边界(符号表示为 $\partial\Omega$)上的积分;而右侧表示的是该量的微分 $\mathrm{d}\omega$ 在整个区域 $\Omega$ 上的积分。(当然,数学上这么说是不太严格的,事实上有更具体的条件;$\Omega$ 是个有定向的流形,$\omega$ 称为微分形式。)直观上该定理的意思正如前文引用的那段话:在条件充分好的情况下,内部的增减总会反映在边界上。

口说无凭,看几个该定理的特例:

微积分基本定理(牛顿–莱布尼茨)

\[\Big\{F(x)\Big\}_a^b = \int_a^b\mathrm{d}F = \int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x\]

左边:$F(x)$ 在 $[a,b]$ 边界——也就是 { 点$a$, 点$b$ } ——上的积分;实际上此处就是求和:

\[\sum_{\partial[a,b]}F(x) = \big\{\!+\! F(b)\big\} + \big\{\!-\! F(a)\big\} = F(b) - F(a)\]

右边:$\mathrm{d}F(x)$ 在 $[a,b]$ 上的积分; 该定律的意思是,任一闭区间上函数的积分与区间端点原函数的函数值直接相关。这和 Stokes 定理的内涵是一致的。

高斯定理

数学中的散度定理:

\[\iiint_V \nabla\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V = \iint_S \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S}\]

物理上,电磁学中的高斯定律:

\[\iint_S \mathbf{E} \cdot \mathrm{d}\mathbf{A} = \frac{\sum Q}{\epsilon_0}\]

以上式子中的$\displaystyle \iint$写成 \oiint 更佳。该定律的意思是,任一闭合曲面内的电荷量与通过该曲面的电通量成正比;曲面内部的电荷量若发生变化,通过其表面的电通量也会发生变化。 显然,这和 Stokes 定理的意思是完全一致的。

除上述两例之外,旋度定理、格林公式也可看作广义 Stokes 定理的特例。

2020.02.03 Note: 更仔细(且基础)的讨论可见 John Lee, GTM218.