回転数定理の証明
📂幾何学回転数定理の証明
定理
平面 単純 閉曲線の回転数は iα=±1 だ。
説明
短いが、非常に直感的で重要な定理だ。証明はやや独特だ。
証明
α(s) が定理の条件を満たしつつ、長さが L の曲線としよう。
0≤u<v≤L
曲線の弧の長さ再パラメータ化によって現れる二点 u,v を以下のように定義する。ここで、二変数関数 a(u,v) を、始点が α(u) で終点が α(v) のベクトルと同じ方向であるが、大きさが 1 のユニットベクトルとして定義することを目指す。数式で再度表すと、以下のとおりだ。
a(u,v):=∥α(v)−α(u)∥α(v)−α(u)
もし u=v なら、分母が 0 になるため、v→u の極限を平面曲線の接線 t と考える。つまり、a(u,u)=t(u) とする。特に a(0,L) は一周回ってきたものとして(左極限と右極限が異なるのと同じ感覚で)以下のように扱う。
a(0,L)=−t(0)=−t(L)
この定義によれば、α は以下の領域 Δ におけるC2 関数だ。

一方、Δ で定義されるC2 二変数関数 α(u,v) をa(u,v) と水平軸(x 軸)との角度の大きさとして定義しよう。与えられた曲線であった α(s) と混同しないよう注意が必要だが、これから見る計算で表現が簡単になるため、やむを得ず α を重複して使った。この定義によると、α(u,u)=θ(u) であることを覚えておこう。
パート1. 2πiα=∫ACdα
iα=2πθ(L)−θ(0)
回転数は上を満たす整数 iα だ。

α(u,u)=θ(u) だったので、α をdθ から ∫αdθ に積分すると、線分 AC をdα に沿って積分した ∫ACdα と同じになる。これにより、次を得る。
2πiα====θ(L)−θ(0)∫0Ldsdθds∫αdθ∫ACdα
パート2. ∫ACdα=∫ABdα+∫BCdα
グリーンの定理: 時計回りで一つずつスムーズな単純平面C2閉曲線 C が有界領域 R を囲んでいるとする。
R で定義された二つの関数 P,Q がR で微分可能なら
∫C(Pdx+Qdy)=∬R(Qx−Py)dxdy
α はC2 関数であるため(二階導関数が連続であるため)、∂u∂v∂2α=∂v∂u∂2α が成り立ち、グリーンの定理によって
∫Δdα====∫Δ(∂u∂αdu+∂v∂αdv)∬▲(∂v∂u∂2α−∂u∂v∂2α)dudv∬▲0dudv0
つまり ∫AC+CB+BAdα=0 であるため、次を得る。
∫ACdα=∫ABdα+∫BCdα
パート3. iα=±1

与えられた曲線が反時計回りに回ることは、u=0 を固定した状態で 0 から L に移動しながら積分することを意味する。このため、
∫ABdα=∫BCdα=π

与えられた曲線が時計回りに回ることは、v=0 を固定した状態で L から 0 に移動しながら積分することを意味する。このため、
∫ABdα=∫BCdα=−π
パート2によれば、反時計回りなら ∫ACdα=+2π、時計回りなら ∫ACdα=−2π だ。要約すると、
∫ACdα=∫ABdα+∫BCdα=±2π
そして、パート1によって iα=±1 を得る。
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