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回転数定理の証明 📂幾何学

回転数定理の証明

定理 1

平面 単純 閉曲線回転数iα=±1i_{\alpha} = \pm 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)\alpha (s) が定理の条件を満たしつつ、長さが LL の曲線としよう。 0u<vL 0 \le u < v \le 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,vu, v を以下のように定義する。ここで、二変数関数 a(u,v)a (u, v) を、始点が α(u)\alpha (u) で終点が α(v)\alpha (v) のベクトルと同じ方向であるが、大きさが 11 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) a(u,v) := {{ \alpha (v) - \alpha (u) } \over { \left\| \alpha (v) - \alpha (u) \right\| }} もし u=vu=v なら、分母が 00 になるため、vuv \to u の極限を平面曲線の接線 tt と考える。つまり、a(u,u)=t(u)a(u,u) = t(u) とする。特に a(0,L)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) a (0,L) = - t(0) = -t(L) この定義によれば、α\alpha は以下の領域 Δ\Delta におけるC2C^{2} 関数だ。

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一方、Δ\Delta で定義されるC2C^{2} 二変数関数 α(u,v)\alpha (u,v)a(u,v)a(u,v) と水平軸(xx 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)\alpha (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\alpha を重複して使った。この定義によると、α(u,u)=θ(u)\alpha (u,u) = \theta (u) であることを覚えておこう。


パート1. 2πiα=ACdα\displaystyle 2 \pi i_{\alpha} = \int_{\overline{AC}} d \alpha

iα=θ(L)θ(0)2π i_{\alpha} = {{ \theta (L) - \theta (0) } \over { 2 \pi }} 回転数は上を満たす整数 iαi_{\alpha} だ。

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α(u,u)=θ(u)\alpha (u,u) = \theta (u) だったので、α\alphadθd \theta から αdθ\displaystyle \int_{\alpha} d \theta に積分すると、線分 AC\overline{AC}dαd \alpha に沿って積分した ACdα\displaystyle \int_{\overline{AC}} d \alpha と同じになる。これにより、次を得る。 2πiα=θ(L)θ(0)=0Ldθdsds=αdθ=ACdα \begin{align*} 2 \pi i_{\alpha} =& \theta (L) - \theta (0) \\ =& \int_{0}^{L} {{ d \theta } \over { d s }} ds \\ =& \int_{\alpha} d \theta \\ =& \int_{\overline{AC}} d \alpha \end{align*}


パート2. ACdα=ABdα+BCdα\displaystyle \int_{\overline{AC}} d \alpha = \int_{\overline{AB}} d \alpha + \int_{\overline{BC}} d \alpha

グリーンの定理: 時計回りで一つずつスムーズ単純平面C2C^{2}閉曲線 C\mathcal{C} が有界領域 R\mathcal{R} を囲んでいるとする。

R\mathcal{R} で定義された二つの関数 P,QP,QR\mathcal{R} で微分可能なら C(Pdx+Qdy)=R(QxPy)dxdy \int_{\mathcal{C}} (Pdx + Qdy) = \iint_{\mathcal{R}} (Q_{x} - P_{y}) dx dy

α\alphaC2C^{2} 関数であるため(二階導関数が連続であるため)、2αuv=2αvu\displaystyle {{ \partial^{2} \alpha } \over { \partial u \partial v }} = {{ \partial^{2} \alpha } \over { \partial v \partial u }} が成り立ち、グリーンの定理によって Δdα=Δ(αudu+αvdv)=(2αvu2αuv)dudv=0dudv=0 \begin{align*} \int_{\Delta} d \alpha =& \int_{\Delta} \left( {{ \partial \alpha } \over { \partial u }} du + {{ \partial \alpha } \over { \partial v }} dv \right) \\ =& \iint_{\blacktriangle} \left( {{ \partial^{2} \alpha } \over { \partial v \partial u }} - {{ \partial^{2} \alpha } \over { \partial u \partial v }} \right) dudv \\ =& \iint_{\blacktriangle} 0 dudv \\ =& 0 \end{align*} つまり AC+CB+BAdα=0\displaystyle \int_{\overline{AC} + \overline{CB} + \overline{BA}} d \alpha = 0 であるため、次を得る。 ACdα=ABdα+BCdα \int_{\overline{AC}} d \alpha = \int_{\overline{AB}} d \alpha + \int_{\overline{BC}} d \alpha


パート3. iα=±1i_{\alpha} = \pm 1

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与えられた曲線が反時計回りに回ることは、u=0u=0 を固定した状態で 00 から LL 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 \int_{\overline{AB}} d \alpha = \int_{\overline{BC}} d \alpha = \pi

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与えられた曲線が時計回りに回ることは、v=0v=0 を固定した状態で LL から 00 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 \int_{\overline{AB}} d \alpha = \int_{\overline{BC}} d \alpha = - \pi パート2によれば、反時計回りなら ACdα=+2π\displaystyle \int_{\overline{AC}} d \alpha = + 2 \pi、時計回りなら ACdα=2π\displaystyle \int_{\overline{AC}} d \alpha = - 2 \pi だ。要約すると、 ACdα=ABdα+BCdα=±2π \int_{\overline{AC}} d \alpha = \int_{\overline{AB}} d \alpha + \int_{\overline{BC}} d \alpha = \pm 2 \pi そして、パート1によって iα=±1i_{\alpha} = \pm 1 を得る。


  1. Millman. (1977). Elements of Differential Geometry: p56. ↩︎