Integrais de linha e teorema de Green

Massa de um fio, trabalho, potenciais, circulação, fluxo plano e Green com orientação.

TLDR

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Escalar ou vetorial

Para curva regular por troços r(t)\mathbf r(t), a≤t≤ba\le t\le b:

IntegralParametrizaçãoInverter o sentido
Escalar, por exemplo massa∫abf(r(t))∥r′(t)∥ dt\int_a^b f(\mathbf r(t))\|\mathbf r'(t)\|\,dtConserva o valor
Vetorial, por exemplo trabalho∫abF(r(t))⋅r′(t) dt\int_a^b\mathbf F(\mathbf r(t))\cdot\mathbf r'(t)\,dtTroca o sinal

dsds mede comprimento; drd\mathbf r é deslocamento orientado.

Potencial e domínio

Se F=∇ϕ\mathbf F=\nabla\phi, o trabalho é ϕ(B)−ϕ(A)\phi(B)-\phi(A), independente do caminho.

  • Integra uma componente e determina a função restante comparando as outras derivadas.
  • O teste Py=QxP_y=Q_x no plano, ou ∇×F=0\nabla\times\mathbf F=0 no espaço, só garante potencial com regularidade e topologia adequadas, por exemplo C1C^1 num aberto simplesmente conexo.
  • O campo (−y/(x2+y2),x/(x2+y2))(-y/(x^2+y^2),x/(x^2+y^2)) tem rotacional zero fora da origem, mas circulação 2π2\pi: o buraco impede a conclusão.

Green, circulação e fluxo

P,QP,Q de classe C1C^1 numa vizinhança de toda a região DD e da sua fronteira, regular por troços. Orientação positiva: região à esquerda, exterior anti-horário, buracos horários.

∮∂DP dx+Q dy=∬D(Qx−Py) dA,∮∂DP dy−Q dx=∬D(Px+Qy) dA.\oint_{\partial D}P\,dx+Q\,dy=\iint_D(Q_x-P_y)\,dA,\qquad \oint_{\partial D}P\,dy-Q\,dx=\iint_D(P_x+Q_y)\,dA.

A primeira é circulação; a segunda é fluxo exterior. Com orientação positiva, a área é ∮x dy=−∮y dx=12∮(x dy−y dx)\oint x\,dy=-\oint y\,dx=\tfrac12\oint(x\,dy-y\,dx). Um campo definido apenas na curva não basta: confirma que não há singularidades no interior.

Potenciais e singularidades

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