Next: Camps conservadors
Up: Teoremes integrals
Previous: El teorema de Green
Índex
El teorema de Stokes relaciona integrals de superfıcie amb integrals
sobre corbes a
. En una versió més moderna [Spi], el
teorema de Stokes conté com a casos particulars ``tots" els teoremes
integrals, desde la regla de Barrow, passant pel teorema de Green, el
teorema de Stokes clàssic i el teorema de Gauss, fins a teoremes
corresponents en espais de dimensió superior. Nosaltres, però, ens
limitarem al teorema de Stokes clàssic.
Sigui S una superfıcie amb parametrització
,
de classe C2, injectiva a quasi tot arreu, i tal que D té per vora
una corba tancada
D de classe C1 a trosos i que no es
talla a ella mateixa. Sigui
un camp vectorial de classe C1.
Aleshores
on
C =
(
D) és la vora de S, C+ és el sentit induıt al
recórrer
D en sentit antihorari amb els paràmetres (u, v) i S+ està
orientada segons
=
×
.
Els elements gràfics del teorema es troben a la figura 28.
Figura 28:
Per il-l . lustrar el teorema de Stokes
 |
La demostració és relativament senzilla, utilitza el teorema de Green, i
l'única dificultat està en les orientacions. Sigui
= (P, Q, R).
Tenim que
( × ) . d |
= |
    -     -    |
|
| |
+ |
 -     -    |
|
| |
+ |
  -     -    dudv. |
|
Si aconseguim veure que
i anàlogament pels termes proporcionals a Q i R, haurem demostrat el
teorema de Stokes. Sigui
g(u, v) = P(x(u, v), y(u, v), z(u, v)).
Llavors
Si ara emprem que
de classe C2 i, en particular, té derivades segones
creuades iguals, queda
 g - g  |
| |
= |
 -   |
|
| |
= |
  +  +     |
|
| |
- |
  +  +     |
|
| |
= |
-    -   +    -   . |
|
Per tant, el membre dret de (1) és
i, aplicant el teorema de Green al camp vectorial
(g
, g
), cosa que podem fer ja
que aquest camp és C1 a D, serà
amb
D en sentit antihorari.
Anem ara a transformar el membre esquerra de (2), treient
profit del fet que C+ és la imatge de
D per
. Sigui
una parametrització de
D.
Llavors
o
serà una parametrització de C+,
amb components, tenint en
compte que
(t) = (u(t), v(t)),
(
o
)(
t) = (
x(
u(
t),
v(
t)),
y(
u(
t),
v(
t)),
z(
u(
t),
v(
t))),
i amb vector velocitat
(
o
)'(
t) =



+


,altres
components

.
Llavors
P d
x =
P(
x(
u(
t),
v(
t)),
y(
u(
t),
v(
t)),
z(
u(
t),
v(
t)))



+



d
t.
Però això és precissament l'expressió paramètrica de la integral sobre
D (en el pla) del camp vectorial
| |
|
P(x(u, v), y(u, v), z(u, v)) , P(x(u, v), y(u, v), z(u, v))  |
|
| |
= |
g , g , |
|
que és el que tenim a (2). Queda per tant demostrat el que
voliem.
A l'enunciat del teorema de Stokes està implıcit que la
superfıcie S ha de ser orientable.
El teorema de Stokes també és vàlid si D, i, per tant, S,
tenen
forats. L'orientació és llavors segons s'havia discutit per al teorema
de Green amb forats.
Si S és una superfıcie tancada no té vora i, aleshores
En alguns casos la imatge de
D per
és
quelcom més que la vora de S. En concret,
(
D) pot
recòrrer la vora, moure's sobre l'interior de S i tornar a la vora
(vegeu l'exemple 20). En aquest cas, el teorema de Stokes segueix
éssent vàlid, ja que el que es fa de més es fa dues vegades, una en cada
sentit, i en total s'anul-l . la.
Si no tenim tercera dimensió, de manera que S = D,
C+ =
D, x = u, y = v, el teorema de Stokes es redueix al
teorema de Green.
Exemple 20
Sigui el cilindre sense tapadores
els elements gràfics del qual es troben a la figura 29.
Figura 29:
Un cilindre obert per dalt i per baix
 |
El tros de cilindre té una vora formada per dues circumferències. La
imatge de
D conté, però, a més, dues rectes, que es mostren a
la figura 30.
Figura 30:
Imatge de la vora de D
 |
Les dues rectes són, però, la mateixa, recorreguda en els dos sentits, i
qualsevol integral d'un camp vectorial s'anul-l . la quan es consideren les
dues rectes. Cal notar que les dues circumferències tenen orientacions
ben definides, fixades per l'orientació antihorària de
D. El
vector normal que fixa l'orientació de S és, amb aquesta elecció dels
paràmetres,

=

×

= (- sin

, cos

, 0)×(0, 0, 1) = (cos

, sin

, 0),
que correspon a una normal ``cap a fora", tal com es pot veure, per
exemple, dibuixant-lo per a
= 0.
Next: Camps conservadors
Up: Teoremes integrals
Previous: El teorema de Green
Índex
Carles Batlle Arnau
2003-12-23