Teorema de Green
Bordo de um Domínio
Seja D⊂R2 um conjunto aberto e limitado.
Então, ∂D é o bordo de D (pode-se ver como sendo equivalente à fronteira).
Podemos também definir a orientação canónica de ∂D: é a orientação que deixa o conjunto do lado esquerdo da curva.
Teorema de Green
TEOREMA
Se F=(P,Q), F:R2→R2 e é de classe C1.
Então, considerando ∂D com a orientação canónica,
∮∂DFdg=∮∂DPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
Se F:D⊂R2→R2, F=(P,Q), C1 for fechado, isto é, ∂y∂P=∂x∂Q,
então sabemos que:
∮∂DF=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy=0
Assim, um campo fechado é conservativo nas curvas que delimitam regiões onde F esteja definido.
NOTA: Sentido Direto = Sentido Positivo = Sentido Anti-Horário
Exemplos
Sejam F e a circunferência C, x2+y2=10, orientada no sentido horário.
F(x,y)=(−31y3,31x3) Determine ∮CF.
Como C=∂D mas com a orientação contrária à canónica, temos que
∮CFdg=−∮∂DFdg
∮∂DFdg=∬D(x2−(−y2))dxdy=∫02π∫010r2⋅rdrdθ=∫02π[4r4]010dθ=50π Então,
∮CFdg=−50π
Qual o valor de
∫∂D(ex2−3y,arctany+x)dg sabendo que ∂D é a fronteira do quadrado [−1,1]×[−1,1] percorrida no sentido direto?
NOTA: Sentido direto = Sentido Positivo = Sentido Anti-Horário
Será que F é fechado?
∂y∂F1=−3∂x∂F2=1 Como são diferentes, não, F não é fechado.
Então, pelos Teorema de Green:
∫∂D(ex−3y,arctany+x)dg=∬D1−(−3)dxdy=4Aˊrea(D)=4×4=16 visto que D é um quadrado de área 4.
Considerando o campo vetorial F:
F(x,y)=(x2+y2x,x2+y2y)F:R2\{(0,0)}→R2
- Será que F é fechado?
∂x∂(x2+y2y)=(x2+y2)2−y⋅(2x)=(x2+y2)2−2xy ∂y∂(x2+y2x)=(x2+y2)2−x⋅(2y)=(x2+y2)2−2xy Sim, F é fechado.
- Será que F é gradiente?
Por outras palavras, será que existe um ϕ tal que ∇ϕ=F?
Como o domínio não é simplesmente conexo, nada podemos saber sobre a F ser gradiente.
{∂x∂ϕ=x2+y2x∂y∂ϕ=x2+y2y⇔{ϕ(x,y)=21log(x2+y2)+C1(y)ϕ(x,y)=21log(x2+y2)+C2(x) Escolhendo C1=C2=0, ϕ=21log(x2+y2) é um potencial de F.
Logo, F é gradiente.
-
Calcule o trabalho de F em C, quando percorrida no sentido dos yy decrescentes,
C={(x,y)∈R2:x=2(1+y)4,0≤y≤1}
Como F é gradiente:
- Ponto inicial: A=(8,1)
- Ponto final: B=(21,0)
∫CFdg=ϕ(B)−ϕ(A)=21log(41)−21log(64+1)
Domínio Simplesmente Conexo
DEFINIÇÃO
Um domínio D é simplesmente conexo se qualquer curva em D for homotópica a um ponto.
Homotopia
Dadas duas curvas C1 e C2 num domínio D dizemos que C1 e C2 são homotópicas
se for possível deformar C1 e chegar a C2 sem sair de D.
Relação entre Curvas Homotópicas
Sejam duas curvas homotópicas que têm a mesma orientação e
um campo vetorial fechado F:D→R2.
Então:
∫C1F⋅dg=∫C2F⋅dg
Exemplo
Considere-se o campo vetorial F:
F(x,y)=(−x2+(y−1)2y−1,x2+(y−1)2x) Seja C a fronteira do quadrado de vértices (3,0), (0,3), (−3,0) e (0,−3) percorrida no sentido anti-horário.
Qual o valor de ∫CFdg?
Sabemos que F corresponde a um vórtice centrado em (0,1) e que F:R2\{(0,1)}.
Como tal, F é fechado, mas não é gradiente.
Assim, se considerarmos uma curva C2 homotópica a C, sabemos que
∫CFdg=∫C2Fdg.
Visto que F é um vórtice, pode-se simplificar os cálculos escolhendo uma circunferência de raio 1 centrada em (0,1).
Parametrizando C2:
{x=costy=sint+1g(t)g′(t)=(cost,sint+1)=(−sint,cost) E finalmente calculando o integral ao longo de C2:
F(x,y)=(−x2+(y−1)2y−1,x2+(y−1)2x) F(g(t))=(−1sint,1cost)=(−sint,cost) ∫CFdg=∫C2Fdg=∫02π(−sint,cost)⋅(−sint,cost)dt=∫02π1dt=2π
Slides: