Teoria: Formule di Gauss-Green e teorema di Stokes nel pianoPer un dominio D del piano con bordo orientato positivamente (D "a sinistra"), ∬ f_y = −∮ f dx e ∬ f_x = ∮ f dy. Se ne ricavano: l'area come ∮ x dy = −∮ y dx = ½∮(x dy − y dx); la formula di Stokes nel piano ∬ (F₂ₓ − F₁ᵧ) dxdy = ∮ F₁dx + F₂dy (flusso del rotore = circuitazione); l'invarianza della circuitazione di un campo irrotazionale tra curve che circondano lo stesso buco.Formule di Gauss-Green e teorema di Stokes nel piano →.
Testo
Calcolare il lavoro del campo F(x,y)=(2(x2+y2), (x+y)2) lungo la frontiera ∂+T, orientata positivamente, del triangolo T di vertici A=(1,1), B=(2,2), C=(1,3), usando il teorema di Gauss-Green (Stokes nel piano).
Soluzione
Impostazione. Il bordo orientato positivamente è antiorario: A→B→C→A. Per la formula di Stokes nel piano
∮∂+TF⋅dr=∬T(∂x∂F2−∂y∂F1)dxdy.
Il rotore. F1=2x2+2y2 ha ∂yF1=4y; F2=(x+y)2 ha ∂xF2=2(x+y). Quindi
∂xF2−∂yF1=2x+2y−4y=2(x−y).
Il dominio. I lati sono: AC sulla retta verticale x=1 (1≤y≤3); AB sulla retta y=x; BC sulla retta per (1,3) e (2,2), cioè y=4−x. Per ogni x∈[1,2] la y sta fra y=x (lato AB, in basso) e y=4−x (lato BC, in alto):
T={1≤x≤2, x≤y≤4−x}(dominio y-semplice).
L'integrale doppio.
I=2∫12dx∫x4−x(x−y)dy.
L'integrale interno: [xy−2y2]y=xy=4−x=x(4−x)−x2−2(4−x)2+2x2=4x−2x2−8+4x=−2x2+8x−8 (infatti −2(4−x)2+2x2=−8+4x). Quindi
I=2∫12(−2x2+8x−8)dx=4∫12(−x2+4x−4)dx=4[−3x3+2x2−4x]12=4(−38−(−37))=−34.
Verifica diretta. Sommando i tre lavori sui lati con le parametrizzazioni lineari si ottiene ancora −34 (controllo con sympy). Il segno negativo significa che il campo "spinge" contro il verso antiorario in media.
Risultato. ∮∂+TF⋅dr=−34.
Grafico interattivo: Triangolo T con bordo antiorario A → B → C → A
Versione ripasso
Testo. F=(2(x2+y2),(x+y)2) su ∂+T, T di vertici (1,1),(2,2),(1,3).
Passaggi (Formule di Gauss-Green e teorema di Stokes nel pianoPer un dominio D del piano con bordo orientato positivamente (D "a sinistra"), ∬ f_y = −∮ f dx e ∬ f_x = ∮ f dy. Se ne ricavano: l'area come ∮ x dy = −∮ y dx = ½∮(x dy − y dx); la formula di Stokes nel piano ∬ (F₂ₓ − F₁ᵧ) dxdy = ∮ F₁dx + F₂dy (flusso del rotore = circuitazione); l'invarianza della circuitazione di un campo irrotazionale tra curve che circondano lo stesso buco.Formule di Gauss-Green e teorema di Stokes nel piano →).
- ∂xF2−∂yF1=2(x+y)−4y=2(x−y).
- T={1≤x≤2, x≤y≤4−x} (lati y=x e y=4−x).
- I=2∫12∫x4−x(x−y)dydx=2∫12(−2x2+8x−8)dx=−34.
- Controllo diretto sui tre lati: −34.
Errori tipici. Scambiare le due rette (segno opposto); dimenticare il verso antiorario; sbagliare l'equazione di BC.