Teorema de Green

En física i matemàtiques, el teorema de Green dona la relació entre una integral de línia al voltant d'una corba tancada simple C i una integral doble sobre la regió plana D limitada per C. El teorema de Green es diu així pel científic britànic George Green i és un cas especial del més general teorema de Stokes. El teorema afirma:

Sigui C una corba tancada simple positivament orientada, diferenciable per trossos, en el pla i sigui D la regió limitada per C. Si L i M tenen derivades parcials contínues en una regió oberta que conté D,

A vegades la notació

s'utilitza per establir que la integral de línia està calculada usant l'orientació positiva de la corba tancada C.

Prova del teorema de Green quan D és una regió simpleModifica

 
Regió simple

Si demostrem que les equacions 1 i 2

 

i

 

són correctes, demostrarem el teorema de Green.

Si expressem D com a regió tal que:

 


on g1 i g2 són funcions contínues, podem computar la integral doble de l'equació 1:

 :  


Ara particions C com la unió de quatre corbes: C1, C2, C3, C4.

Amb C1, s'utilitzen les equacions paramètriques, x = x, y = g1(x), amb axb. Per tant:

 

Amb C3, s'utilitzen les equacions paramètriques, x = x, y = g2(x), amb axb. Llavors:

 

Amb C2 i C4, x és una constant, significant:

 

Per tant,

 


 

Combinant això amb l'equació 4, tenim:

 

Una prova similar es pot emprar en l'equació 2.

Relació amb el teorema de la divergènciaModifica

El teorema de Green és equivalent a la següent analogia bidimensional del teorema de la divergència:

 

on   és l'inversor normal sortint a la frontera.

Per veure això, consideri la unitat normal en la part dreta de l'equació. Com   és un vector apuntant tangencialment a través d'una corba, i la corba C està orientada de manera positiva (és a dir, en contra del sentit de les agulles del rellotge)[1][2] a través de la frontera, un vector normal sortint seria aquell que apunta a 90 º cap a la dreta, el qual podria ser  . El mòdul d'aquest vector és  . Per tant  .

Prenent els components de  , el costat dret es converteix en

 

que per mitjà del teorema de Green és:

 

Càlcul de l'àreaModifica

Es pot usar el teorema de Green per calcular l'àrea a través d'una integral de línia.[3] L'àrea d'una regió planar   ve donada per

 

Si es trien   i   tals que  , l'àrea ve donada per

 

Una possible fórmula per l'àrea de   és[3]

 

HistòriaModifica

El teorema duu el nom del matemàtic George Green, que va arribar a un resultat similar en un article de 1828 titulat An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism. L'any 1846, Augustin Louis Cauchy va publicar un article en què el teorema de Green era la penúltima línia. Es tracta del primer text imprès en què apareix el teorema de Green en un llibre de text modern. Bernhard Riemann va aportar la primera demostració del teorema de Green en la seva tesi doctoral de funcions complexes.[4][5]

Vegeu tambéModifica

ReferènciesModifica

  1. Riley, K. F.; Hobson, M. P.; Bence, S. J.. Mathematical Methods for Physics and Engineering. Cambridge University Press, 2010. ISBN 978-0-521-86153-3. 
  2. Spiegel, M. R.; Lipschutz, S.; Spellman, D. Vector Analysis. 2nd. McGraw Hill, 2009. ISBN 978-0-07-161545-7. 
  3. 3,0 3,1 Stewart, James. Calculus. 6th. Thomson, Brooks/Cole, 1999. 
  4. George Green, An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism (Nottingham, England: T. Wheelhouse, 1828). De fet, Green no va derivar la forma del "teorema de Green" que apareix en aquest article; sinó que va derivar una forma del "teorema de la divergència", que apareix a les pàgines 10–12 del seu Essay.
    L'any 1846, es va publicar per primer cop la forma del "teorema de Green" que apareix en aquest article, sense ser demostrat, en un article d'Augustin Cauchy: A. Cauchy (1846) "Sur les intégrales qui s'étendent à tous les points d'une courbe fermée" (Sobre les integrals que s'estenen en tots els punts d'una corba tancada), Comptes rendus, 23: 251–255. (L'equació apareix a baix de tot de la pàgina 254, on (S) denota la integral de línia d'una funció k al llarg de la corba s que tanca l'àrea S.)
    Es va donar una demostració del teorema en la dissertació inaugural de Bernhard Riemann : Bernhard Riemann (1851) Grundlagen für eine allgemeine Theorie der Functionen einer veränderlichen complexen Grösse (Bases per una teoria general de funcions en variable complexa), (Göttingen, (Germany): Adalbert Rente, 1867); see pages 8–9.
  5. Katz, Victor. «22.3.3: Complex Functions and Line Integrals». A: A History of Mathematics: An Introduction. Addison-Wesley, 2009, p. 801-5. ISBN 0-321-38700-7. 

Enllaços externsModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Teorema de Green