Pillole teoriche integrali di linea
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Il presente lavoro è stato concepito come supporto pratico per affrontare gli esercizi relativi all’integrale di linea di seconda specie e all’analisi delle forme differenziali, con particolare attenzione ai loro domini. Nel corso dell’elaborato, si presuppone che il lettore abbia già acquisito una solida base teorica su questi argomenti, possibilmente studiando da un buon testo di riferimento1. Pertanto, la lettura è sconsigliata a chi non possiede ancora una conoscenza teorica consolidata, poiché, essendo strutturato come guida pratica, molti concetti verranno dati per acquisiti. Verranno citati solamente i teoremi necessari alla risoluzione degli esercizi.
L’esposizione seguirà un ordine che favorisce un approccio pratico, basato sulla logica del “problem solving”, lo stesso che dovrebbe adottare uno studente durante lo svolgimento di un esercizio. Queste pillole teoriche sono particolarmente utili per un corso di studi in Ingegneria o, in generale, per chi desidera approfondire la pratica di questi problemi.
- Ad esempio, si consigliano M. Bertsch, R. Dal Passo, L. Giacomelli, Analisi matematica o E. Giusti, Analisi matematica 2. ↩
Definizioni utili
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Forme differenziali
Si ricorda la definizione di forma differenziale.
Le funzioni si dicono componenti di . Una forma differenziale si dice continua su se le sue componenti sono funzioni continue su .
Nel caso in cui o , adotteremo la seguenti notazione
Diamo di seguito due definizioni fondamentali che riguardano le forme differenziale che verranno usate nel seguito di questo testo
In particolare si definisce funzione potenziale di o primitiva.
Con le definizioni precedenti risulta immediato verificare che una forma è esatta allora essa risulta anche chiusa, in quanto si può applicare il teorema di Schwarz sulle derivate seconde miste. Nel seguito andremo invece ad analizzare quali sono le condizioni affinché una forma chiusa risulti esatta. Diamo infine la definitione di integrale di linea.
Risultati fondamentali
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Forma differenziale chiusa in un sottoinsieme di
Si ricorda al lettore che il rotore di un campo vettoriale è
dove il determinante è inteso in senso formale e definiscono i versori nella direzione e , rispettivamente.
Forma differenziale chiusa in un sottoinsieme di
Nel caso di un sottoinsieme di vale il seguente risultato che è una riformulazione del teorema 1.
Quindi, dal punto di vista teorico risulta chiaro come si determini quando una forma differenziale sia chiusa. Chiariamo il concetto con degli esempi.
Soluzione. Il dominio di è . Calcoliamo le derivate miste della forma differenziale
e
e osserviamo che
pertanto è chiusa nel suo dominio.
Soluzione. Osserviamo che il suo dominio è . Calcoliamo il dove è il campo vettoriale associato alla forma differenziale. Dunque
dunque è chiusa nel sul dominio.
Forma differenziale esatta
Data una forma differenziale, una volta stabilito se essa sia chiusa sul suo dominio, il passo successivo è quello di verificare la sua esattezza. A tale scopo ricordiamo il seguente risultato:
A questo punto forniamo dei metodi che permettono di applicare in maniera pratica il risultato appena esposto. Per fare ciò abbiamo ancora necessità di alcune definizioni di carattere topologico
Cenni di topologia di
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Un altro modo di definire un intorno sferico di è pensarlo come una palla di centro e raggio . Si vuole far osservare al lettore che in l’intorno sferico non è nient’altro che un cerchio di centro e raggio privato del bordo come in Figura 1.
In questo caso la rappresentazione grafica è quella data in Figura 2.
- interno ad , se esiste un intorno sferico di contenuto in ;
- esterno ad , se esiste un intorno sferico di contenuto nel complementare di ;
- di frontiera per , se ogni intorno sferico di contiene almeno un punto di e un punto del complementare di ;
In Figura 4 rappresentiamo quanto detto
- aperto se ogni punto è interno;
- chiuso se il suo complementare1 è aperto.
Si può dimostrare che in le due definizioni 7 e 8 risultano equivalenti per insiemi aperti. Concludiamo questa sezione con quella che è la definizione topologica fondamentale per lo studio delle forme in . Ricordiamo che una curva si dice semplice se comunque presi due punti , con , risulta . Nel caso in cui , la curva semplice si dice chiusa.
- Se il suo complementare è l’insieme differenza ↩
Dominio semplicemente connesso: teoria ed applicazioni
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Dominio semplicemente connesso nel piano
Nella maggior parte dei casi negli esercizi vengono trattati insiemi con dei “buchi”: si può ragionare in modo empirico e pensare che ogni tale sottoinsieme di non sia un insieme semplicemente connesso. Infatti considerando una curva semplice e chiusa che circondi tale “buco” la sua contrazione porterà ad uscire dall’insieme. Forniamo un elenco di insiemi semplicemente connessi nel piano:
- cerchio pieno, ellisse piena, poligono convesso pieno, semipiano e tutte le figure piane che si possono ottenere da queste deformandole con continuità; il piano stesso () o il piano privato di una semiretta.
Non sono semplicemente connessi
- il piano o un cerchio privato di un punto (vale per una generica figura geometrica), poligoni concavi, una corona circolare, una circonferenza, ogni insieme che presenta un “buco”.
Riportiamo alcuni esempi di esercizi in cui si mostra che una forma differenziale è esatta nel suo dominio applicando il Teorema 1.
Esempio 3. Verificare cheè esatta nel suo insieme di definizione.
Soluzione.
Verifichiamo se la forma differenziale è chiusa. Calcolando le derivate miste
osserviamo che sono uguali, quindi possiamo affermare che è chiusa. Il dominio di è
che è un insieme semplicemente connesso (semipiano), allora è esatta.
Esempio 4. Verificare cheè esatta nel suo insieme di definizione.
Soluzione.
Verifichiamo se la forma differenziale è chiusa. Calcolando le derivate miste
e
osserviamo che sono uguali, quindi possiamo affermare che è chiusa. Il dominio di è che è un insieme semplicemente connesso, allora è esatta.
Esempio 5. Verificare cheè esatta nel suo insieme di definizione applicando il teorema di Poincaré.
Soluzione.
Verifichiamo se la forma differenziale è chiusa. Calcolando le derivate miste
osserviamo che sono uguali, quindi possiamo affermare che è chiusa. Il dominio di è
che non è un insieme connesso e pertanto neanche semplicemente connesso (unione di due semipiani), quindi non possiamo applicare il teorema di Poincaré (Guardare Esempio 8 per maggiori dettagli). L’esempio 5 serve a sottolineare l’importanza del teorema di Poincaré e cosa accade quando non è possibile applicarlo: se la forma differenziale è chiusa, ma il suo dominio non è un insieme semplicemente connesso non possiamo dire nulla sull’esattezza di nel suo dominio. Questo perché la condizione di semplice connessione è una condizione sufficiente ai fini del teorema.
Esempio 6. Verificare seè esatta nel suo insieme di definizione.
Soluzione.
Il dominio di è . Verifichiamo se è chiusa procedendo come segue
Dal risultato appena ottenuto, deduciamo che non è chiusa e allora non è neanche esatta.
Dall’esempio 6 è bene notare che se una forma differenziale non è chiusa, allora non è esatta; il fatto che una forma differenziale sia chiusa è una condizione necessaria per far sì che sia esatta.
Dominio semplicemente connesso nello spazio
Riportiamo ora degli esempi di insiemi semplicemente connessi nello spazio:
- Sfera, ellissoide, poliedri convessi e tutti i solidi che si possono ottenere da questi ultimi deformandoli con continuità (sia i solidi, sia le loro frontiere), la corona sferica, il semispazio, lo spazio privo di un numero finito di punti.
Non sono semplicemente connessi
- l toro, la sfera privata di un diametro, lo spazio privato di una retta, poliedri concavi.
Riportiamo un esempio
Esempio 7. Verificare cheè esatta nel suo insieme di definizione.
Soluzione. Abbiamo già verificato nell’esempio 2 che la forma risulta chiusa. Inoltre osserviamo che il suo dominio è che è un insieme semplicemente connesso, pertanto per il teorema di Poincaré è esatta.
Forma differenziale localmente esatta
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Abbiamo imparato a capire quando una forma differenziale è chiusa oppure no; abbiamo inoltre dato delle condizioni per verificare quando la chiusura implica l’esattezza. Tuttavia nei casi pratici non è detto che questo accada sempre poiché una buona percentuale di esercizi presenta forme differenziali chiuse che non hanno come dominio un insieme semplicemente connesso: in questo caso il Teorema di Poincaré non è efficace e non possiamo concludere nulla. Esiste, in ogni caso, un importante corollario del Teorema di Poincaré che viene in aiuto in queste situazioni.
Riportiamo un esempio del Corollario 1.
è esatta nel suo insieme di definizione .
Soluzione. Abbiamo già visto nell’esempio 5 che la forma è chiusa. Il dominio di è
che non è un insieme connesso e pertanto neanche semplicemente connesso, quindi non possiamo dire nulla sull’esattezza di nel suo dominio secondo il Teorema di Poincaré. Osserviamo però che il dominio di può essere riscritto come segue
dove sia che sono insiemi semplicemente connessi. Quindi sicuramente è localmente esatta in [slider]ciascuno [/slider] dei due insiemi.
Condizioni di equivalenza sulle forme esatte
Enunciamo il seguente teorema che esprime condizioni di equivalenza sulle forme esatte. Ricordiamo che una curva chiusa si dice regolare a tratti quando esiste una partizione dell’intervallo , con e , , tale che risulta regolare su ogni .
- Per ogni coppia di curve regolari a tratti contenute in ed aventi stesso punto iniziale e stesso punto finale,
- Per ogni curva chiusa semplice , regolare a tratti e contenuta in ,
- esatta.
Sostanzialmente, il Teorema 4 stabilisce modi equivalenti di esprimere il concetto di esattezza di una forma differenziale: una forma differenziale è esatta se e solo se l’integrale di linea di seconda specie lungo qualsiasi curva chiusa (detto anche circuitazione nel linguaggio dei campi vettoriali) è nullo, oppure se e solo se l’integrale di linea tra due punti qualsiasi non dipende dal percorso seguito ma solo dai punti di partenza ed arrivo. Riportiamo di seguito alcuni esempi che racchiudono gli ultimi concetti spiegati.
(1)
dove il sostegno di è rappresentato da una circonferenza centrata nell’origine, di raggio 1, percorsa in senso antiorario.
Soluzione. Calcoliamo le derivate miste della forma differenziale
Osserviamo che
pertanto è chiusa. Inoltre il suo dominio è un insieme semplicemente connesso quindi è esatta nel suo dominio; facilmente concludiamo, grazie al punto 2 del teorema 4 che
(2)
dove il sostegno di è dato dalla circonferenza di equazione percorsa in senso antiorario.
Soluzione. Rappresentiamo il sostegno di
Calcoliamo le derivate miste
e
e osserviamo che
pertanto è chiusa, ma come si può osservare il dominio è che non è un insieme semplicemente connesso, quindi non possiamo dire nulla sull’esattezza di . Osserviamo però che la circonferenza si trova in una zona del dominio che è un insieme semplicemente connesso, quindi è localmente esatta ed essendo un integrale di linea su un percorso chiuso possiamo concludere che
Osserviamo che anche se non sappiamo se la forma differenziale è esatta o meno sul suo dominio , l’esempio 10 pu\`o essere svolto lo stesso in modo immediato dopo aver verificato che è chiusa. Infatti, il sostegno della curva lungo la quale dobbiamo calcolare l’integrale di linea è interamente contenuto in una porzione semplicemente connessa del dominio (per esempio, l’insieme ). La forma differenziale è quindi localmente esatta, e, dato che il sostegno di è una curva chiusa, l’integrale è nullo.
Calcolo di un potenziale per una forma differenziale esatta
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dove è una funzione potenziale di .
Alla luce di questo ultimo risultato, l’ultimo passo prima di procedere con gli esempi fondamentali, è quello di comprendere come ottenere un potenziale data la forma differenziale da integrare.
(3)
dove il sostegno di è rappresentata dalla poligonale aperta di vertici , e percorsa nell’ordine illustrato.
Soluzione. Rappresentiamo il sostegno di
Calcoliamo le derivate miste della forma differenziale
e
e osserviamo che
pertanto è chiusa nel suo dominio, esso è l’insieme
che è semplicemente connesso: ne risulta che è esatta. Per poter calcolare un potenziale è necessario che siano soddisfatte le seguente condizioni:
(4)
Dalla prima delle due equazioni precedenti otteniamo, integrando rispetto ad ,
che sostituita nella seconda conduce a
Concludiamo quindi che
Grazie a quanto fatto fino ad ora, possiamo calcolare 3 come segue
e pertanto
è esatta nel suo insieme di definizione e in caso affermativo trovare un potenziale.
Soluzione. Abbiamo già verificato che nell’esempio 2 che è chiusa e nel 7 che è esatta. Calcoliamo un potenziale: esso deve soddisfare le condizioni
(5)
Dalla prima equazione otteniamo
che sostituita nella seconda equazione conduce a
Infine
che sostituita nella terza equazione porta
dove è una costante. Si conclude che il potenziale è
Confronto fra i linguaggi per le forme differenzali ed i campi vettoriali
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Sottolineamo per il lettore che gli integrali di seconda specie possono essere formulati in due modi differenti: con il linguaggio delle forme differenziali o quello dei campi vettoriali. La scelta dipende dal contesto e dal tipo di applicazione che se ne fa: non è scopo di questa guida pretendere di spiegare le differenze e i perché di tali scelte, per cui ci limiteremo a riportare una tabella presa dal libro “Analisi matematica vol.2, Bramanti-Pagani-Salsa”, per illustrare le diverse tipologie di tali linguaggi:
Al lettore proponiamo una riflessione. Se volessimo dimostrare che una forma differenziale chiusa non è esatta, come si potrebbe fare? solitamente si cerca una curva chiusa tale per cui l’integrale di linea di seconda specie su essa risulti diverso da zero: questo porta a concludere che la forma differenziale non è esatta o che il campo non è conservativo; in alternativa si può determinare il potenziale e verificare che esso sia di classe nel dominio della forma differenziale, in questo modo si dimostra che è esatta.
Verificare che è conservativo nel suo dominio ed in caso trovare un potenziale.
Soluzione. Verifichiamo se è irrotazionale. Calcolando le derivate miste, osserviamo che la loro differenza è pari a zero:
pertanto è irrotazionale nel suo dominio. Inoltre il dominio di è che non è un insieme semplicemente connesso, quindi non possiamo usare il Lemma di Poincarè. Cerchiamo un potenziale che deve soddisfare le condizioni
(6)
Dalla prima equazione otteniamo
e sostituendo quest’ultimo risultato nella seconda equazione si ha
Si conclude che il potenziale è
Osserviamo che non è di classe nel dominio di , pertanto non è conservativo. Si poteva altresì procedere cercando una curva chiusa regolare a tratti contenuta all’interno del dominio del campo vettoriale tale che
Proviamo a dimostrare che il campo vettoriale non è conservativo scegliendo una superficie chiusa avente come sostegno una circonferenza di raggio centrata nell’origine e percorsa in senso antiorario
La sua parametrizzazione è
mentre
è la sua derivata. Restringiamo lungo
da cui3
Abbiamo dunque trovato una curva chiusa lungo la quale l’integrale di linea di seconda specie del campo vettoriale è diverso da zero, quindi non è conservativo.
Combinazioni lineari di forme differenziali esatte e non esatte
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Abbiamo imparato come calcolare un integrale di linea di seconda specie. Come si ragiona? Innanzitutto cerchiamo di capire se la forma è chiusa e di conseguenza se è esatta nel suo dominio o localmente esatta; quindi cerchiamo di sfruttare il potenziale, valutandolo nel punto finale e iniziale della nostra curva, facendone la differenza e ottenendo così il valore dell’integrale. Nel caso in cui la forma differenziale non sia chiusa e di conseguenza non esatta siamo costretti ad applicare la definizione di integrale di linea di seconda specie. Spesso accade che le forme differenziali non siano esatte ma si possono scrivere come la combinazione lineare di forme differenziali esatte e non esatte e pertanto in questo modo si semplificano i calcoli. Riportiamo alcuni esempi di forme differenziali che non sono esatte ma si possono scrivere come la combinazione lineare di forme differenziali esatte con altre che non lo sono.
(8)
essendo il dominio tratteggiato in figura e è il bordo di percorso una volta in senso antiorario.
Soluzione.
Riscriviamo 8 come segue
(9)
Si osserva facilmente che è esatta, pertanto . Non ci resta che calcolare . Vogliamo calcolare i punti di intersezione tra la funzione e , pertanto imponiamo la seguente equazione
da cui si evince che gli estremi del segmento rappresentato in figura sono e . Rappresentiamo il sostegno di dato da :
dove è il segmento che congiunge i punti e e è il grafico di con . Possiamo riscrivere come segue
(10)
Parametrizziamo il sostegno di come
e deriviamo quanto ottenuto
da cui deduciamo \\\\ Parametrizziamo ora il sostegno di
ottenendo
È importante osservare che abbiamo parametrizzato in senso orario per comodità: successivamente, nel calcolo dell’integrale di linea della forma differenziale sul sostegno di metteremo un meno davanti all’integrale. Procediamo dunque come segue
Sfruttando il fatto che data una funzione pari in un intervallo , l’integrale su tale intervallo della funzione può essere riscritto come
utilizzando l’integrale indefinito notevole (dove in questo caso ) per calcolare il primo integrale e la sostituzione 4 per il secondo,
utilizzando l’identità
Concludiamo che
per cui l’integrale diventa
Concludiamo che
Soluzione.
Riscriviamo l’integrale come
e chiamiamo , , e . Osserviamo che
Pertanto definendo
si può osservare che essa ha come insieme di definizione che è un insieme semplicemente connesso: essendo chiusa, essa risulta esatta in . Per calcolare l’integrale di linea abbiamo bisogno di capire com’è fatto il sostegno di , pertanto conoscendo i tre punti che appartengono alla circonferenza, imponiamo il seguente sistema5
ottenendo
La circonferenza appena trovata ha centro e raggio come rappresentato nella seguente figura (indichiamo anche il verso di percorrenza della circonferenza)
Calcoliamo un potenziale per : esso soddisfa le condizioni
(12)
Dalla prima equazione otteniamo
Sostituiamo nella seconda equazione
da cui
Ne risulta
e dunque possiamo calcolare 11 come
Consideriamo ora
dove la parametrizzazione di è
Allora6
Pertanto 11 diventa
- Nello svolgimento continua a comparire la variabile e non poiché è variabile muta. ↩
- Si ricorda che l’equazione generale di una circonferenza nel piano è con . ↩
- Dalla formula di duplicazione del coseno si ricava: che tornerà utile nel calcolo dell’integrale. ↩
Applicazione della definizione di integrale di linea di seconda specie di una forma differenziale
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(13)
dove
e il sostegno di è la spezzata di vertici , , e percorsa nell’ordine in cui sono stati forniti i punti.
Soluzione. Rappresentiamo graficamente il sostegno di
e osserviamo che può essere riscritta come
dove il sostegno di è il segmento che congiunge i punti e , il sostegno di è il segmento che congiunge i punti e e il sostegno di è il segmento che congiunge i punti e . Sia la parametrizzazione di , la parametrizzazione di e la parametrizzazione di . La rappresentazione analitica è quella che segue:
Restringiamo lungo le tre parametrizzazioni e successivamente eseguiamo il prodotto scalare con la derivata delle tre parametrizzazioni:
Possiamo ora calcolare 15 applicando la definizione di integrale di linea di seconda specie:
Pertanto
Cerchiamo di capire ora quando risulta conveniente applicare la definizione versus utilizzare i teoremi enunciati all’inizio di questo manuale. Riprendiamo l’esempio 16 e verifichiamo se sia irrotazionale. Poiché
possiamo affermare che è irrotazionale. Inoltre il dominio di è che è un insieme semplicemente connesso, dunque è conservativo in . Calcoliamo un potenziale ricorrendo alla definizione
(14)
Dalla prima equazione abbiamo
che sostituita nella seconda conduce a
da cui si ricava che
Allora il potenziale è
Ora basta valutare il potenziale nel punto finale e iniziale e facendo la differenza di tali valori otteniamo il risultato ottenuto in precedenza. Dove sta il vantaggio di procedere in questo modo? Per prima cosa non è stato necessario cercare una parametrizzazione in quanto sono sufficienti le coordinate del punto iniziale e finale; inoltre non bisogna passare per il calcolo dei prodotti scalari ed eventuali semplificazioni. Tuttavia ciò che risulta di maggiore economia è il fatto di evitare di calcolare un certo numero di integrali che (sebbene in questo caso presentassero solo funzioni potenza ed esponenziale) potrebbero risultare molto complessi e di non facile soluzione.
Forme differenziali esatte con parametro
Di seguito si propongono degli esempi dove al variare di un parametro reale si richiede se è possibile determinare tale parametro affinché la forma differenziale sia esatta nel suo dominio.
con e continue in e numero reale. Determinare se esistono valori di affinché
Soluzione.
Verifichiamo se è possibile trovare il valore di affinché sia chiusa nel suo dominio . Calcoliamo le derivate miste
e
da cui
Concludiamo che è chiusa se e solo se e inoltre osserviamo che è un insieme semplicemente connesso, pertanto per il Teorema di Poincaré concludiamo che è esatta in . Calcoliamo il valore di affinché risulti applicando la definizione. Parametrizziamo il sostegno di
e
la derivata di . Pertanto
(15)
Calcolare per quali valori di è esatta e per tali valori di calcolare la primitiva di .
Soluzione.
Siano , e . Verifichiamo se la forma differenziale è chiusa
da cui si conclude che la forma differenziale è chiusa se e solo se Ora notiamo che il dominio della nostra forma differenziale è che è un insieme semplicemente connesso: allora per il teorema di Poincaré possiamo concludere che è esatta nel suo dominio. Possiamo calcolare il potenziale ponendo
(16)
Dalla prima si ottiene
e sostituendo nella seconda abbiamo
da cui
Sostituiamo ora nella terza equazione
Si conclude che il potenziale è
Forme differenziali e coordinate polari
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In questa sezione proponiamo alcuni esercizi dove è utile ricorrere al passaggio in coordinate polari per la parametrizzazione dei domini e delle curve.
(17)
dove il sostegno di è la cardioide in figura avente come equazione polare
(18)
Soluzione.
Parametrizziamo il sostegno di come segue
e calcoliamo la derivata di
Calcoliamo 17 applicando la definizione di integrale di linea
dove in abbiamo usato il fatto che l’integrale del coseno sul periodo è nullo e le seguenti formule notevoli: ,; inoltre in abbiamo sfruttato il fatto che l’integrale del coseno su un multiplo del suo periodo è nullo. Dunque concludiamo che
(19)
dove
e il sostegno di è rappresentato dalla seguente equazione in forma polare
(20)
dove è un parametro.
Soluzione.
Parametrizziamo il sostegno di una generica curva nel piano in coordinate polari
(21)
Sostituiamo 20 in 21 ottenendo così
(22)
Deriviamo 22 rispetto a
e restringiamo lungo
Calcoliamo il prodotto scalare tra e
Abbiamo dunque
Si conclude che
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Teorema di Gauss-Green
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In questa sezione analizziamo il Teorema di Gauss-Green e le sue applicazioni.
vale la seguente formula:
dove è la frontiera di orientata positivamente (in senso antiorario).
Spesso negli esercizi è utile applicare il teorema di Gauss-Green, ad esempio quando abbiamo l’integrale di linea di una forma differenziale chiusa su un sostegno di una curva che circuita un “buco”.
(23)
(24)
e il sostegno di è dato, nell’ordine, dal segmento di estremi e , dalla semicirconferenza di estremi e passante per e dal segmento di estremi e .
Soluzione.
È immediato osservare che è il punto medio del segmento che congiunge i punti e che è il diametro della semicirconferenza. Rappresentiamo graficamente il sostegno di
dove il sostegno di è il segmento che congiunge i punti da a , quello di è la semicirconferenza e infine quello di è il segmento che congiunge i punti da a . Riscriviamo 24 come segue
dove
Il dominio di è , che è un insieme semplicemente connesso: calcoliamo le derivate miste per vedere se è chiusa nel suo dominio
Notiamo che le derivate miste sono diverse pertanto non è chiusa. Osserviamo che è chiusa ed inoltre, dal momento che il suo dominio è un insieme semplicemente connesso, è esatta, quindi possiamo calcolare un potenziale :
con c costante. Calcoliamo l’integrale di linea di sul sostegno
Non ci resta che calcolare l’integrale di linea di sul sostegno di :
Parametrizziamo il sostegno di
da cui
Ora parametrizziamo il sostegno di 7
Per calcolare iniziale abbiamo impostato il seguente sistema
e per finale
Calcoliamo8
Infine non resta che calcolare la parametrizzazione del sostegno di
da cui9
Infine
Era altresì possibile calcolare applicando il Teorema di Gauss-Green. Consideriamo il percorso chiuso in figura
dove il sostegno di è la semicirconferenza, quello di è il diametro della semicirconferenza, quello di è il segmento che congiunge i punti e ed infine è il segmento che congiunge i punti e . Dunque
dove è il dominio contenuto nel percorso chiuso. Calcoliamo10
Ora parametrizziamo il sostegno di
allora
Quindi
Si conclude nuovamente che
e il sostegno di è rappresentato dalla circonfenreza di equazione , percorsa in senso antiorario.
Soluzione.
Riscriviamo come segue
Vogliamo verificare se è chiusa e a tal scopo calcoliamo le derivate miste. Poniamo
e deriviamola rispetto ad
Definiamo poi
e deriviamola rispetto ad
Osserviamo che
quindi è chiusa. Si osserva che che non è un insieme semplicemente connesso quindi non abbiamo informazioni al momento per dire se è esatta nel suo dominio. Consideriamo il percorso chiuso in figura 1
dove il sostegno di è la circonferenza centrata nell’origine di raggio , il sostegno di è una circonferenza centrata in di raggio , è il segmento che congiunge i punti e . Sostanzialmente abbiamo scelto un percorso chiuso che permette di poter applicare il Teorema di Gauss-Green; inoltre il dominio contenuto all’interno di tale percorso è un insieme semplicemente connesso quindi è localmente esatta. Applicando il Teorema di Gauss-Green abbiamo
(25)
dove
(26)
La parametrizzazione di è
Calcoliamo la derivata di
Dal momento che
restringendo lungo si ha
da cui tornando a 26 si ha
Non resta che calcolare . Vogliamo verificare se sia chiusa e a tal scopo calcoliamo le derivate miste. Poniamo
e derivandolo rispetto ad otteniamo
Poniamo poi
e derivando anche quest’ultima stavolta rispetto ad otteniamo
Osserviamo che
quindi è chiusa. Si osserva che che non è un insieme semplicemente connesso quindi non abbiamo informazioni al momento per dire se è esatta nel suo dominio. Consideriamo il percorso chiuso rappresentato in Figura 2
dove il sostegno di è la circonferenza centrata nell’origine di raggio , il sostegno di è una circonferenza centrata in di raggio e è il segmento che congiunge i punti e . Il dominio contenuto all’interno del nostro percorso chiuso è un insieme semplicemente connesso quindi è localmente esatta. Procedendo in modo analogo al passaggio 25 si ottiene
(27)
Parametrizziamo :
e calcoliamo la derivata di
Dal momento che
restringendo lungo
Tornando a 27 otteniamo
e quindi concludiamo che
pertanto
Dove è la poligonale non chiusa che unisce i seguenti punti nell’ordine asse\-gnato: , , e .
Soluzione.
Il grafico del sostegno di è riportato nella figura seguente
Poniamo
da cui:
Osserviamo che
e quindi
pertanto non è chiusa. Sia che è chiusa in quanto
Inoltre il suo dominio è che è un insieme semplicemente connesso e pertanto risulta esatta. Calcoliamo un potenziale per che rispetta le seguente condizioni:
Dalla prima equazione ricaviamo che
sostituiamo nella seconda equazione:
da cui
Si conclude che
Sia ora
Applichiamo il Teorema di Gauss-Green:
dove è il sostegno rappresentato dal segmento che va dal punto a . Abbiamo dunque
e quindi
Concludiamo che
dove è il sostegno della curva di equazione percorsa una volta in senso antiorario.
Soluzione.
Il dominio di è : definiamo
e
Vogliamo studiare la chiusura di , quindi calcoliamo le derivate miste:
e osserviamo che
pertanto non è chiusa. Applichiamo dunque il Teorema di Gauss-Green
dove
è rappresentato nella figura alla pagina seguente. Dunque
Infine si ricorda che data un’ellisse di equazione cartesiana:
la sua area è pari a
Ritornando all’integrale abbiamo
da cui
- L’equazione che descrive il sostegno è Quindi il raggio è da cui si trova facilmente la parametrizzazione . ↩
- Si ricorda che e . ↩
- L’integrale di linea è nullo perché ristretta su è identicamente nulla. ↩
- La parametrizzazione della semicerchio è
Inoltre si ricorda che
Convenzioni verso di percorrenza
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(28)
dove il sostegno di è dato dalla frontiera del dominio tratteggiato in figura (regolare, a contorni), con le circonferenze non aventi il centro nell’origine che hanno raggio e centri rispettivamente e . Nota. Si assuma la curva orientata come in figura.
Soluzione.
Riscriviamo 28 come segue
Si osserva facilmente che è chiusa e inoltre il suo dominio è che è un insieme semplicemente connesso: pertanto l’integrale di linea di seconda specie sul percorso chiuso risulta nullo . Definiamo come in figura
dove ha come sostegno una circonferenza di equazione , mentre una circonferenza di equazione , una circonferenza di equazione ed infine una circonferenza di equazione \\ Per quanto detto, possiamo riscrivere 28 come segue
(29)
Parametrizziamo il sostegno di
e derivando otteniamo
(30)
Parametrizziamo il sostegno di come segue
e derivando quanto ottenuto abbiamo
(31)
Parametrizziamo ora il sostegno di
e la sua derivata è
(32)
Infine parametrizziamo il sostegno di
e calcoliamo la sua derivata
(33)
Pertanto usando 30,31,32 e 33 possiamo riscrivere 29 come segue
dove in abbiamo usato e in abbiamo usato il fatto che l’integrale del coseno su un multiplo del suo periodo è nullo. Dunque possiamo riscrivere 29 come segue
Si conclude che
Esercizi di riepilogo
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(34)
dove è la curva di punto iniziale e punto finale , costituita dai seguenti archi
Soluzione.
Rappresentiamo graficamente il sostegno di :
Osserviamo che il dominio di è:
e vogliamo studiare se sia chiusa nel suo dominio. Chiamiamo
calcoliamo le derivate
e poiché
allora risulta chiusa. Rappresentiamo
e notiamo che non è un insieme semplicemente connesso poiché vanno esclusi tutti i punti della retta di equazione . Pertanto non possiamo dire nulla sull’esattezza di in . Tuttavia il percorso si trova in una zona del dominio che è un insieme semplicemente connesso (infatti la curva è tutta contenuta nel semipiano superiore rispetto alla retta) quindi è localmente esatta. Possiamo calcolare un potenziale locale tale che:
Sostituendo nella seconda equazione del sistema troviamo
avendo utilizzato una proprietà11, quindi
Tornando a 34:
con e , otteniamo
Si conclude quindi
boxcoloato
dove è la frontiera del rettangolo percorsa una volta in senso orario.
< Soluzione.
Osserviamo che il dominio di è . Chiamiamo
e verifichiamo se è chiusa nel suo dominio: calcoliamo le derivate miste
ed essendo
allora non è chiusa nel suo dominio. Applichiamo ora il Teorema di Gauss-Green
dove
ed è rappresentato in figura, percorso in senso orario:
Dunque
dove si è usato il segno meno in quanto la curva è percorsa in senso opposto a quello richiesto nel teorema. Abbiamo dunque
Si conclude che
(35)
Calcolare l’integrale di linea di seconda specie lungo l’arco di curva data dalla parametrizzazione
Soluzione 1.
Sia
la parametrizzazione dell’arco di curva e
la sua derivata. \\ Restringiamo lungo
e calcoliamo il prodotto scalare tra e
da cui
dove in è stato usato . Calcoliamo operando la sostituzione
Si conclude che
Soluzione 2.
Il dominio di è che non è un semplicemente connesso. Vogliamo verificare se è irrotazionale nel suo insieme di definizione. Il rotore è dato da
dove
Pertanto possiamo concludere che
e quindi è irrotazionale, ma il suo dominio non è un insieme semplicemente connesso per cui non possiamo affermare a priori se esso sia conservativo o meno nel suo dominio. Ora osserviamo che la curva si trova in una zona del dominio che è un insieme semplicemente connesso quindi è localmente conservativo. Calcoliamo un potenziale
(36)
Dalla terza equazione ricaviamo
e sostituendo nella seconda equazione di ?? abbiamo
da cui
Sostituiamo nella prima equazione di ??
ottenendo il potenziale
Calcoliamo ?? sfruttando il potenziale: osserviamo che non essendo definito in il potenziale, sarà necessario calcolare il suo valore in tale punto restrigendolo lungo la curva e passando ad un limite
Dunque si conclude nuovamente che
(37)
Soluzione.
L’area richiesta può essere espressa come segue
(38)
dove è l’area della regione finita del piano delimitata dalla curva chiusa che abbiamo chiamato . Applichiamo il teorema di Gauss-Green
Facciamo notare che la parametrizzazione scelte per la curva porta a percorrerla in senso orario: pertanto dovremo aggiungere un segno meno nell’ultimo integrale. Se nella formula di Gauss Green scegliamo
allora
(39)
ed applicando 37 a ?? otteniamo
dove
e pertanto
Calcoliamo separatamente e : per il primo si ha
mentre per il secondo
da cui ?? diventa
Concludiamo che l’area della regione cercata è
- Si utilizza la seguente relazione: se
è una funzione derivabile nel suo dominio, e detta
la sua derivata risulta
dove indica la funzione segno. Applichiamo la relazione ad , notando che su , . ↩
Appendici
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Un esempio difficile
Proponiamo di seguito un esempio con un grado di difficoltà superiore rispetto agli esempi trattati nel resto del manuale.
Calcolare
Soluzione.
Un’analisi delle funzioni presenti suggerisce di riscriverle scomponendole in frazioni più semplici: infatti si ha per la prima
mentre per la seconda
Calcoliamo le derivate miste
e
pertanto
quindi è chiusa. Il dominio di è che non è un insieme semplicemente connesso pertanto non possiamo applicare il teorema di Poincaré, ma il sostegno della curva si trova in una zona del dominio che è un insieme semplicemente connesso, pertanto per il medesimo teorema è localmente esatta. Calcoliamo un potenziale che deve soddisfare le seguenti condizioni
(40)
Dalla prima equazione di 40 abbiamo
Sostituiamo ora nella seconda equazione di 40
da cui
pertanto
Si conclude che
Rappresentiamo il sostegno di percorso in senso antiorario e il polo nell’origine
Abbiamo dunque
dove e sono chiuse (la verifica è lasciata al lettore – è una conseguenza dell’esattezza precedente). Calcoliamo applicando il Teorema di Gauss Green. Poniamo per comodità . Consideriamo il seguente percorso chiuso
dove il sostegno di è . Poiché il dominio racchiuso tra il quadrato e l’ellisse non contiene il polo della forma applicando Gauss-Green abbiamo che
e pertanto
Parametrizziamo il sostegno di
da cui
Calcoliamo ora applicando nuovamente il Teorema di Gauss Green. Consideriamo ora il seguente percorso chiuso
dove ha come sostegno e per il Teorema di Gauss Green, ragionando come il caso precedente, abbiamo
Parametrizziamo il sostegno di
da cui
boxcolrato
Forme differenziali e Funzioni speciali
In questa sezione proponiamo un esercizio che lega le forme differenziali alle funzioni speciali.
dove e sono due numeri reali non nulli tali che valga la seguente relazione:
è il valore del seguente integrale doppio :
essendo è l’intersezione dei tre cerchi centrati in , e e ciascuno di raggio .
Soluzione.
Determiniamo e applicando la definizione di “o piccolo”
Concludiamo che i valori cercati di e sono:
Ora determiniamo il valore di .
Le equazioni delle circonferenze sono:
e rappresentiamo la regione nella seguente figura:
Chiamiamo
e posto
riscriviamo l’integrale doppio come segue
Osserviamo che quindi è dispari rispetto alla variabile . Inoltre è simmetrico rispetto all’asse , dunque
Non ci resta che calcolare . Applichiamo il teorema di Gauss-Green
Parametrizziamo la frontiera di
(41)
Calcoliamo i singoli termini della 41
La 41 diventa così
e concludiamo che
In particolare
(42)
Ricordiamo che la funzione Beta di Eulero è definita come
(43)
Confrontando 42 con 43 si può impostare il seguente sistema
ottenendo11
Ricordando che
abbiamo
Si conclude che
Un’applicazione alla fisica: Teorema del lavoro
dove e sono l’energia cinetica nello stato finale e nello stato iniziale, essendo , è il lavoro della forza .
Pertanto la relazione precedente si scrive come
dove e sono la velocità finale e iniziale della particella. Nota: le forze posso essere sia di natura conservativa che non conservativa. Dimostrazione. In figura 1 è rappresentato un punto materiale, soggetto a forze, che si muove di moto vario rispetto ad un sistema fisso lungo un percorso
Dalla seconda legge della dinamica abbiamo che
(44)
dove \`{e} la quantità di moto. Ipotizzando che la massa non dipenda dal tempo, la ?? diventa
Ora ricordiamo che il lavoro di una forza è definito come segue
(45)
dove è il sostegno (la traiettoria percorsa da ) di estremi e (vedi figura 1), è la parametrizzazione di con ed infine è la velocità di . Notiamo che e . La ?? puo’ essere riscritta come segue
Consideriamo ora
e poichè non dipende da , allora possiamo portarla fuori dall’integrale
Da 45 abbiamo
Ora ricordiamo che e derivando quest’ultima da ambo i membri
Poiché il prodotto scalare è una forma bilineare simmetrica otteniamo
quindi
da cui
Formulando la relazione precedente in forma discorsiva, possiamo affermare quanto segue: la somma di tutti i lavori agenti su un punto materiale che va da un punto a lungo un percorso (vedi figura 1) uguaglia la variazione di energia cinetica . Osserviamo che il teorema del lavoro può essere espresso anche in funzione della quantità di moto come segue
Dalle definizioni già fornite in precedenza di potenziale (non inteso in senso fisico) per un campo di forze conservativo, segue direttamente in fisica il concetto di energia potenziale associata ad una forza: se infatti la forza risulta conservativa e quindi è determinata da un potenziale (nel senso della nostra definizione 2) per cui allora si definisce in fisica energia potenziale la quantità .
In particolare esso non dipende dalla traiettoria percorsa da (vedi figura 1) ma solamente dai punti iniziale e finale .
Dimostrazione Lemma.
Sia con la parametrizzazione di , la traiettoria percorsa da un punto materiale che si muove da a (vedi figura 1) soggetto solo a forze conservative. Dalla 45 si ha che
Nel caso in cui la parametrizzazione del sostegno sia di classe a tratti si ragiona nello stesso modo in ogni tratto in cui è regolare e si sommano i vari contributi per ottenere il risultato.
Conservazione dell’energia meccanica
Nell’ipotesi che su tale punto agiscano solo forze di natura conservativa, dal teorema dell’energia-lavoro e dal Lemma si ha che
(46)
Il risultato 46 rappresenta un concetto fondamentale in fisica ovvero che su un punto materiale sul quale agiscono solo forze conservative, si conserva l’energia meccanica totale . Questo teorema prende il nome di conservazione dell’energia meccanica.
Nota Il teorema delle forze vive spesso viene chiamato anche teorema del lavoro-energia o dell’energia cinetica.
- Si ricordi che
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