practicecalculus
Sätze zu Reihen und mehreren Variablen

Satz von Green: Aussage, Orientierung und Rechenbeispiele

Der Satz von Green macht aus einem Kurvenintegral über eine geschlossene Kurve ein Doppelintegral über das Innere. Aussage, Voraussetzungen, Flächenformel.

Sätze zu Reihen und mehreren Variablen Aktualisiert 4 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

\oint_C P\,dx + Q\,dy = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA
Voraussetzungen
C ist eine positiv orientierte, stückweise glatte, einfach geschlossene Kurve, die ein Gebiet D berandet, und P, Q haben stetige partielle Ableitungen auf einem offenen Gebiet, das D enthält
Positive Orientierung
Gegen den Uhrzeigersinn, sodass das Gebiet links liegt
Integrand
Q_x - P_y, die skalare Rotation von \langle P, Q \rangle
Flächenformel
A = \frac{1}{2}\oint_C x\,dy - y\,dx
Verallgemeinerung
Satz von Stokes im Dreidimensionalen
Kurs
Analysis 3
Auf dieser Seite
  1. Aussage des Satzes von Green
  2. Was der Satz von Green bedeutet
  3. Warum jede Voraussetzung wichtig ist
  4. Rechenbeispiele
  5. Häufige Fehler
  6. Verwandte Sätze und Leitfäden

Der Satz von Green verknüpft ein Kurvenintegral über eine geschlossene Kurve in der Ebene mit einem Doppelintegral über das Gebiet, das sie einschließt. Er besagt, dass die gesamte Zirkulation entlang des Randes gleich der Summe aller kleinen Zirkulationen im Inneren ist.

Aussage des Satzes von Green

Es seien

  1. C eine positiv orientierte (gegen den Uhrzeigersinn durchlaufene), stückweise glatte, einfach geschlossene Kurve in der Ebene, und
  2. D das von C berandete Gebiet, und
  3. P(x, y) und Q(x, y) Funktionen mit stetigen partiellen Ableitungen auf einem offenen Gebiet, das D enthält.

Dann gilt

\oint_C P\,dx + Q\,dy = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA

In Vektorschreibweise mit \mathbf{F} = \langle P, Q \rangle ist die linke Seite die Zirkulation \oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}, und der Integrand rechts ist die skalare Rotation Q_x - P_y.

Was der Satz von Green bedeutet

Zerlege D in winzige Quadrate und addiere die Zirkulation von \mathbf{F} um jedes einzelne. Jede innere Kante wird von zwei benachbarten Quadraten in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, diese Beiträge heben sich also auf. Übrig bleibt nur der äußere Rand. Gleichzeitig ist die Zirkulation um ein winziges Quadrat ungefähr (Q_x - P_y) mal seine Fläche. Wenn man auf beide Arten aufsummiert, erhält man den Satz von Green.

Gebiet für den Satz von Green: zwischen y = x² und y = x für 0 ≤ x ≤ 1
Der Rand C wird gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen: entlang der Parabel y = x^2 von (0, 0) nach (1, 1), dann zurück entlang der Geraden y = x. Das Gebiet D liegt links.

Warum jede Voraussetzung wichtig ist

Orientierung. Durchläuft man C im Uhrzeigersinn, kehrt sich das Vorzeichen des Kurvenintegrals um, während das Doppelintegral gleich bleibt. Prüfe also immer die Richtung.

Stetigkeit im ganzen Inneren. Das Wirbelfeld

\mathbf{F} = \left\langle \frac{-y}{x^2 + y^2},\; \frac{x}{x^2 + y^2} \right\rangle

hat Q_x - P_y = 0 in jedem Punkt außer dem Ursprung, wo es nicht definiert ist. Über den Einheitskreis x = \cos t, y = \sin t ergibt das Kurvenintegral \int_0^{2\pi} (\sin^2 t + \cos^2 t)\,dt = 2\pi, nicht 0. Der Satz von Green ist nicht anwendbar, weil der Ursprung im Inneren von D liegt und P und Q dort nicht einmal definiert sind.

Geschlossene Kurve. Eine Kurve, die sich nicht schließt, umrandet kein Gebiet, also sagt der Satz darüber nichts aus.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Berechne \oint_C xy\,dx + x^2\,dy um das Gebiet im Graphen.

Schritt 1. P = xy und Q = x^2, also Q_x - P_y = 2x - x = x.

Schritt 2. Das Gebiet ist x^2 \le y \le x für 0 \le x \le 1:

\iint_D x\,dA = \int_0^1 \int_{x^2}^{x} x\,dy\,dx = \int_0^1 (x^2 - x^3)\,dx = \frac{1}{3} - \frac{1}{4} = \frac{1}{12}

Direkte Kontrolle. Entlang y = x^2 (x = t, 0 \to 1) ist der Integrand t^3\,dt + t^2(2t\,dt) = 3t^3\,dt, das liefert \frac{3}{4}. Entlang y = x zurück von (1, 1) nach (0, 0) ist er 2t^2\,dt mit t von 1 bis 0, das liefert -\frac{2}{3}. Insgesamt ergibt sich \frac{3}{4} - \frac{2}{3} = \frac{1}{12}. Dasselbe Ergebnis, aber mehr Arbeit.

Beispiel 2: Fläche einer Ellipse. Wähle P = -\frac{y}{2} und Q = \frac{x}{2}, dann ist Q_x - P_y = 1 und das Doppelintegral ist die Fläche:

A = \frac{1}{2}\oint_C x\,dy - y\,dx

Für die Ellipse x = a\cos t, y = b\sin t, 0 \le t \le 2\pi gilt x\,dy - y\,dx = (ab\cos^2 t + ab\sin^2 t)\,dt = ab\,dt. Also ist A = \frac{1}{2}\cdot 2\pi ab = \pi ab.

Beispiel 3: ein kompliziertes Feld, eine einfache Antwort. Berechne \oint_C (x^2 - y)\,dx + (x + y^3)\,dy über den Einheitskreis gegen den Uhrzeigersinn. Hier ist Q_x - P_y = 1 - (-1) = 2, also ist das Integral 2 \cdot \text{area} = 2\pi.

Häufige Fehler

  1. Reihenfolge im Integranden vertauschen. Es heißt Q_x - P_y, nicht P_y - Q_x oder P_x - Q_y.
  2. Orientierung ignorieren. Eine Kurve im Uhrzeigersinn liefert das Negative des Doppelintegrals.
  3. Den Satz über eine Singularität hinweg anwenden. Prüfe, dass P und Q auf ganz D glatt sind, nicht nur auf C.

Verwandte Sätze und Leitfäden

Der Satz von Green ist der ebene Spezialfall des Satzes von Stokes, und seine Flussform ist der zweidimensionale Gaußsche Integralsatz. Da für Gradientenfelder nach dem Satz von Schwarz Q_x - P_y = 0 gilt, haben konservative Felder die Zirkulation null. Zu den Doppelintegralen auf der rechten Seite siehe Doppelintegrale.

Jetzt üben

Satz von Green

Löse echte Aufgaben zu diesem Thema mit sofortigem Feedback, Tipps und einem Schritt-für-Schritt-Lösungsweg zu jeder Antwort. Kostenlos, ohne Registrierung.

Diese Lektion üben

Häufig gestellte Fragen

Was besagt der Satz von Green?

Für eine positiv orientierte, stückweise glatte, einfach geschlossene Kurve C, die ein Gebiet D berandet, und für P, Q mit stetigen partiellen Ableitungen in der Nähe von D gilt \oint_C P\,dx + Q\,dy = \iint_D (Q_x - P_y)\,dA.

Was bedeutet positive Orientierung beim Satz von Green?

Gegen den Uhrzeigersinn um das Gebiet herum, oder allgemeiner die Richtung, bei der das Gebiet beim Entlanglaufen der Kurve links von dir liegt. Im Uhrzeigersinn wird das Kurvenintegral mit -1 multipliziert.

Wann sollte ich den Satz von Green verwenden?

Wenn ein Kurvenintegral über eine geschlossene Kurve mühsam ist, besonders wenn die Kurve aus mehreren Stücken besteht, und Q_x - P_y einfach ist. Umgekehrt kannst du damit Flächen über ein Kurvenintegral berechnen.

Warum versagt der Satz von Green beim Wirbelfeld um den Ursprung?

Das Feld \left\langle \frac{-y}{x^2 + y^2}, \frac{x}{x^2 + y^2} \right\rangle hat Q_x - P_y = 0 außerhalb des Ursprungs, ist aber im Ursprung nicht definiert. Umschließt die Kurve den Ursprung, ist die Voraussetzung verletzt, und tatsächlich ist das Kurvenintegral über den Einheitskreis 2\pi, nicht 0.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

Wir entwickeln interaktive Analysis-Lektionen und schreiben jede Seite klar und korrekt. Ist dir ein Fehler aufgefallen? Sag uns Bescheid, dann beheben wir ihn.