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Uso del Teorema de Stokes para mostrar $\oint_{C} y ~dx + z ~dy + x ~dz = \sqrt{3} \pi a^2$

Estoy un poco atascado en el siguiente problema:

Uso del Teorema de Stokes para mostrar que

$$\oint_{C} y ~dx + z ~dy + x ~dz = \sqrt{3} \pi a^2,$$

donde $C$ es la adecuada orientada a la intersección de las superficies de $x^2 + y^2 + z^2 = a^2$$x + y + z = 0$.

OK, por lo que el Teorema de Stokes me dice que:

$$\oint_{C}\vec{F} \cdot d\vec{r} = \iint_{S}\operatorname{curl} \vec{F} \cdot \vec{N} ~dS$$

He calculado:

$$\operatorname{curl} \vec{F} = -\vec{i} - \vec{j} - \vec{k}.$$

Yo entonces pensé que en la superficie de la $S$ debemos tener:

$$\vec{N}dS = \vec{i} + \vec{j} + \vec{k}dxdy$$

ya que esto se deduce de la ecuación del plano dado.

Sin embargo, me da:

$$\operatorname{curl} \vec{F} \cdot \vec{N} = -1 -1 -1 = -3$$

Y lo que me gustaría conseguir, si el proyecto esta en la $xy$plano:

$$\iint_{S} \operatorname{curl} \vec{F} \cdot \vec{N} ~dS = -3 \iint_{A} dA = -3 \pi a^2$$

que obviamente no es correcto.

Les agradecería mucho si alguien me pudiera ayudar con esto. De hecho, me había multivariable de cálculo hace un par de años, y sé que yo sabía de esto entonces. Sin embargo, ahora que la necesito de nuevo me doy cuenta de que me he vuelto muy oxidado.

Gracias de antemano :)

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Evan Anderson Puntos 118832

Este es un esfuerzo para hacer que esta pregunta fuera de el sin respuesta de la cola. También aquí yo uso bastante el enfoque general de la clásica de Kelvin-teorema de Stokes.

El teorema de Stokes se lee: $$ \int_{\partial M} \omega = \int_{M} d\omega. $$ Por lo tanto $$ \int_C y\,dx + z\,dy +x\,dz = \pm \int_S d(y\,dx + z\,dy +x\,dz) \\ = \pm\int_S dy\wedge dx + dz\wedge dy + dx\wedge dz. $$ Por simplicidad elegimos $S$ a superficie plana limitada por la esfera, no el hemisferio delimitadas por el plano. En el avión $z = -x-y$, por lo tanto integral anterior es $$ \pm 3\int_S dx\wedge dy.\la etiqueta{$\star$} $$ Natural mediante el parametrización del avión, esta integral se puede interpretar como el área de la superficie proyectada $S$ $xy$- plano (o aviso de $\star dz = dx\wedge dy$). La intersección de a$x+y+z = 0$$x^2 + y^2 + z^2 =a^2$, proyectada en la $xy$-plane, es una elipse.

Los puntos finales para esta proyección en la elipse son: eje menor de los puntos finales son la proyección de $(-1/\sqrt{6},-1/\sqrt{6},2/\sqrt{6} )a$, e $(1/\sqrt{6},1/\sqrt{6},-2/\sqrt{6})a$, obtenido cuando se establezca $x=y$. Podemos calcular la longitud del eje menor es $b = \sqrt{3}a/3$. El eje principal de los puntos finales se logra mediante el establecimiento de $x+y=0$, $(\sqrt{2}/2, -\sqrt{2}/2, 0)a$ y $(\sqrt{2}/2, -\sqrt{2}/2, 0)a$, la longitud del eje mayor es de sólo $a$. Por lo tanto el área del proyecto es $\sqrt{3}\pi a^2/3$ y volver a conectar a $(\star)$ rendimientos $$ \int_C y\,dx + z\,dy +x\,dz = \pm \sqrt{3} \pi^2. $$ El signo depende de $C$ es el elegido para ser girado contra clockwisely o clockwisely con respecto al vector normal al plano $x+y+z=0$.


Para atender a su propia pregunta:

Por qué recibí $\displaystyle \iint_{S} \operatorname{curl} \vec{F} \cdot \vec{n} ~dS = -3 \iint_{A} dA = -3 \pi a^2$ si utilizo $dS = \sqrt{3}dA$, de modo que $n\,dS = (1/\sqrt{3},1/\sqrt{3},1/\sqrt{3})\sqrt{dS} = (1,1,1)$?

Esto no es correcto, por que si se utiliza el elemento área $dS = \sqrt{3} \,dx dy = \sqrt{3} \,dA$, el nuevo $A$ es el proyectado de la elipse en la $xy$-plano, teniendo área de $\sqrt{3}\pi a^2/3$ (véase por favor el argumento de arriba), que no tengan la misma área de $\pi a^2$$S$.


De forma estándar el uso de Kelvin-Stokes como Arturo Magidin señaló en los comentarios: la elección de $C$ gira contador-clockwisely con respecto a la unidad de vectores $n = -(1,1,1)/\sqrt{3}$ normal al plano $x+y+z=0$: $$ \int_C y\,dx + z\,dy +x\,dz = \int_{S} \nabla \times (y,z,x)\cdot n\dS \\ = \int_{S} (-1,-1,-1)\cdot (-1,-1,-1)/\sqrt{3} \,dS = \sqrt{3}|S| = \sqrt{3}\pi^2. $$

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