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¿Qué puedo saber cuando el curl de un campo vectorial es igual a 0?

Actualmente estoy haciendo una selección múltiple ejercicio que incluye la siguiente pregunta:

Deje $F: \mathbb{R}^2 \setminus \{0\} \to \mathbb{R}^2$ ser definido por $F(x,y) = \left( - \frac{y}{x^2+y^2}, \frac{x}{x^2+y^2} \right)$. Cuál de las siguientes afirmaciones son verdaderas?

  • Existe un camino cerrado $\gamma$ $\mathbb{R}^2 \setminus \{0\}$ tal que $$\int_\gamma F \cdot \mathrm ds < 0.$$
  • Existe una $\epsilon \in (0,1)$ tal que para todo cerrado $C^1$-rutas de $\gamma$ con Im $\gamma \subseteq B_\epsilon((1,0))$ $$\int_\gamma F \cdot \mathrm ds = 0. $$
  • F es un gradiente de campo.

Ahora hasta ahora yo pensaba que siempre que la curvatura de un campo vectorial es igual a 0, en primer lugar, el campo vectorial sea un gradiente de campo y en segundo lugar la integral alrededor de todos los trazados cerrados es igual a 0. Así que esta sería la segunda y la tercera declaración, para ser correcta, mientras que la primera declaración, obviamente, sería un error.

Sin embargo, no me siento como si mi razonamiento es correcto. Sería algo demasiado fácil, así que tiene que haber algún error en mi tren de pensamiento, en algún momento me he estado perdiendo.

¿De dónde me equivoco o es realmente así de fácil?

Gracias por la respuesta de antemano.

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Grzenio Puntos 16802

Estoy haciendo mis comentarios en una respuesta. Como se dijo en un comentario, no es el teorema:

Si $\Omega \subset \mathbb{R^{2}}$ es un abierto y en forma de estrella de dominio, a continuación, una $C^1$-campo de vectores $K: \Omega \to \mathbb{R}^2$ es conservativo si y sólo si $\operatorname{rot} K = 0$.

Pero como $\Omega = \mathbb{R}^2 \smallsetminus \{0\}$ es no en forma de estrella con respecto a cualquier punto de [a prueba: si $x$ es cualquier punto de $\Omega$ la conexión de la línea $x$ $-x$ cruza el origen, con lo $\Omega$ no es en forma de estrella], este es el teorema no es aplicable y de su conclusión, se puede llegar a ser falso, como veremos en un momento.

Ahora vamos a ver en el campo de vectores $F(x,y) = \left( \frac{-y}{x^2 + y^2}, \frac{x}{x^2 + y^2}\right)$. Si $(x_{0},y_{0})$ se encuentra en el círculo unitario, es decir, $x_{0}^2 + y_{0}^2 = 1$,$F(x_{0},y_{0}) = (-y_{0},x_{0})$. Tenga en cuenta que $F(x_{0},y_{0})$ tiene una longitud de uno y es perpendicular al vector de $(x_{0},y_{0})$ y apunta en la dirección hacia la izquierda (visto desde el origen). Tan geométricamente, si nos movemos en torno al origen de las agujas del reloj, la integral de línea debe evaluar negativamente (ya que el campo de vectores de puntos en la frente de la dirección de nuestro movimiento). Formalmente, si que parametrizar el círculo unitario por $\gamma(t) = (\cos{t}, -\sin{t})$ $t \in [0,2\pi]$ (signos son elegidos de modo que caminamos hacia la derecha) la integral de línea de $F$ a lo largo de $\gamma$ evalúa a

\begin{align*} \int_{\gamma} F\cdot ds & = \int_{0}^{2\pi} F(\gamma(t)) \cdot \dot{\gamma}(t)\,dt = \int_{0}^{2\pi} \begin{pmatrix} \sin{t} \\ - \cos{t} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} -\sin{t} \\ \cos{t} \end{pmatrix}\,dt \\ & = \int_{0}^{2\pi} \left(-\sin^2{t} - \cos^{2}\right)\,dt = -2\pi \end{align*} desde $\sin^2 + \cos^2 = 1$.

Este cálculo se resuelve la pregunta casi por completo: se ha encontrado un camino tal que la integral se evalúa negativamente y por lo tanto el primer punto es correcto. El tercer punto es errónea ya que nuestro camino está cerrado y un gradiente de campo vectorial es conservativo, por lo tanto se evalúa a cero en todos los trazados cerrados.

Por último, tenga en cuenta que para cada $\varepsilon \in (0,1)$ el balón $B_{\varepsilon}(0,1)$ está totalmente contenida en $\Omega$, y es en forma de estrella (con respecto a $(0,1)$). Por lo que el teorema es aplicable a la restricción $K$$F$$B_{\varepsilon}(0,1)$. Llegamos a la conclusión de que el campo de vectores $K$ es conservador en $B_{\varepsilon}(0,1)$ y, por tanto, para cada cerrado $C^1$ruta $\gamma$ contenido totalmente en $B_{\varepsilon}(0,1)$ integral $\int_{\gamma} F \cdot ds = 0$. Así que la segunda bala que punto es correcto.

Para resumir:

  • cierto
  • cierto
  • falso

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