Der Integralsatz von C. F. Gauß

Sei offen und ein --Vektorfeld. Wir interpretieren als Geschwindigkeit einer strömenden Flüssigkeit im Punkte . Die Flüssigkeit habe die Dichte .

Ist überall , so tritt durch eine Rechteckfläche mit Inhalt , die orthogonal angeströmt wird, pro Zeiteinheit die Flüssigkeitsmenge hindurch.

Wird sie schief angeströmt unter einem Winkel , so tritt die Menge hindurch ( = Normaleneinheitsvektor, er bildet mit der Strömungsrichtung den Winkel . Liegt dieser zwischen und , so ist (falls ), und man zählt die durchgeflossene Menge als negativ. ) Ist variabel und das Rechteck klein, so ist immerhin mit guter Näherung der Durchfluß

Der Durchfluß durch eine Fläche wird deshalb definiert als

(Man beachte: )

Nun sei eine stückweise glatte geschlossene Fläche, homöomorphes Bild einer Kugeloberfläche (bijektiv, in beiden Richtungen stetig). Dann ist der Fluß gleich der Menge von Flüssigkeit die pro Zeiteinheit aus dem umschlossenen Gebiet herausströmt. Wir nehmen dabei an, daß auf die Einheitsnormale stets nach außen zeigt. Sei etwa . Wie groß ist die Entstehungsdichte? Wir lassen auf einen Punkt schrumpfen, und stets sei das umschlossene Gebiet. Wir bezeichnen mit das ``Volumen'' von . Dann ist die Entstehungsdichte, ``Quelldichte'' genannt, im Punkte gegeben als Grenzwert sofern jeder Grenzwert existiert (dann sind alle solche Grenzwerte einander gleich).Dabei läßt man als Rand eines achsenparallelen Quaders

mit Kantenlängen schrumpfen auf den Mittelpunkt .

Wenn ``sehr klein'' sind, so hat man (mit jeweils im Mittelpunkt der jeweiligen Seitenfläche genommen) sechs Flüsse

rechts: ,

links: ,

hinten: ,

vorne: ,

oben: ,

unten: .

Addiert man alles auf, dividiert durch , und läßt gehen, so folgt

Beweis: Wir bezeichnen die sechs begrenzenden Seitenflächen mit Rechts, Links, Oben, Unten, Vorn, Hinten. Dann ist

Der Reihe nach ist auf diesen Seitenflächen (abgesehen von Kanten und Ecken)

.

Nun ist

denn auf Rechts ist und , und auf Links ist und , und sowohl auf Rechts als auch auf Links ist , denn man kann auf ihnen und als Parameter verwenden, z.B. ist

Der verbleibende Rest läßt sich analog umformen:

Auf Oben und Unten ist , auf Vorne und Hinten ist .

Faßt man alles zusammen, so bekommt man die Behauptung.

buckwar@math.fu-berlin.de
Fri Dec 10 22:00:10 MET 1993