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Teoremas de séries e várias variáveis

Teorema de Stokes: enunciado, orientação e exemplos resolvidos

Teorema de Stokes: a circulação de um campo ao longo de uma curva fechada é igual ao fluxo do rotacional por qualquer superfície que ela limita. Com exemplos.

Teoremas de séries e várias variáveis Atualizado 4 min de leitura

Visão geral

\oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{S}
Hipóteses
S é uma superfície orientada e suave por partes, limitada por uma curva C simples, fechada e suave por partes com orientação positiva, e \mathbf{F} tem derivadas parciais contínuas em uma região aberta que contém S
Orientação positiva
Regra da mão direita: com o polegar ao longo da normal de S, os dedos se curvam no sentido de C
Rotacional
\nabla\times\mathbf{F} = \langle R_y - Q_z,\; P_z - R_x,\; Q_x - P_y \rangle
Consequência principal
O fluxo do rotacional depende só da curva de bordo, não da superfície escolhida
Caso particular
O teorema de Green, quando S é uma região plana no plano xy
Disciplina
Cálculo 3
Nesta página
  1. Enunciado do teorema de Stokes
  2. O que o teorema de Stokes significa
  3. Por que cada hipótese importa
  4. Exemplos resolvidos
  5. Erros comuns
  6. Teoremas e guias relacionados

O teorema de Stokes diz que a circulação de um campo vetorial ao longo de uma curva fechada no espaço é igual ao rotacional total que atravessa qualquer superfície que tenha essa curva como borda. É o teorema de Green levado do plano para as superfícies curvas.

Enunciado do teorema de Stokes

Sejam

  1. S uma superfície orientada e suave por partes com normal unitária \mathbf{n},
  2. C o bordo de S, uma curva simples, fechada e suave por partes com orientação positiva (regra da mão direita em relação a \mathbf{n}), e
  3. \mathbf{F} = \langle P, Q, R \rangle com derivadas parciais contínuas em uma região aberta que contém S.

Então

\oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{S}

onde \nabla\times\mathbf{F} = \langle R_y - Q_z,\; P_z - R_x,\; Q_x - P_y \rangle e d\mathbf{S} = \mathbf{n}\,dS.

O que o teorema de Stokes significa

O rotacional em um ponto mede o quanto o campo gira em torno desse ponto, como uma pequena roda de pás. Cubra a superfície com pequenos pedaços e some o giro em torno de cada pedaço. Em cada aresta compartilhada, pedaços vizinhos percorrem sentidos opostos e se cancelam, então sobra apenas o giro ao longo da borda externa, a circulação ao longo de C.

Uma consequência marcante: a superfície não importa, só o seu bordo. Um hemisfério e um disco plano com a mesma borda circular têm o mesmo fluxo do rotacional.

Por que cada hipótese importa

Orientações compatíveis. Se C é percorrida no sentido contrário ao da regra da mão direita, a integral de linha troca de sinal, mas a integral de superfície não, então a igualdade falha por um fator -1.

Suavidade na superfície. O campo \mathbf{F} = \left\langle \frac{-y}{x^2 + y^2}, \frac{x}{x^2 + y^2}, 0 \right\rangle tem \nabla\times\mathbf{F} = \mathbf{0} onde está definido, mas sua circulação ao longo do círculo unitário no plano xy é 2\pi. Toda superfície limitada por esse círculo precisa cruzar o eixo z, onde \mathbf{F} não está definido, então o teorema de Stokes não se aplica.

Uma curva de bordo. Uma superfície fechada, como uma esfera, não tem bordo, então \iint_S (\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{S} = 0 para ela. Isso é coerente com o teorema da divergência, já que \nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{F}) = 0.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: um hemisfério versus seu bordo. Seja \mathbf{F} = \langle -y, x, z \rangle e seja S a metade superior da esfera unitária com normal para cima, de modo que C é o círculo unitário no plano xy, percorrido no sentido anti-horário visto de cima.

Integral de linha. Com \mathbf{r}(t) = \langle \cos t, \sin t, 0 \rangle:

\oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \int_0^{2\pi} \left((-\sin t)(-\sin t) + (\cos t)(\cos t)\right) dt = \int_0^{2\pi} 1\,dt = 2\pi

Integral de superfície. \nabla\times\mathbf{F} = \langle 0 - 0,\; 0 - 0,\; 1 - (-1) \rangle = \langle 0, 0, 2 \rangle. Como só o bordo importa, troque o hemisfério pelo disco unitário plano com normal \mathbf{k}: o fluxo é 2 \cdot \pi = 2\pi. Os dois lados coincidem.

Exemplo 2: um triângulo no espaço. Calcule \oint_C z\,dx + x\,dy + y\,dz, onde C é o triângulo de vértices (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1), percorrido no sentido anti-horário visto de cima.

Passo 1. Para \mathbf{F} = \langle z, x, y \rangle, \nabla\times\mathbf{F} = \langle 1 - 0,\; 1 - 0,\; 1 - 0 \rangle = \langle 1, 1, 1 \rangle.

Passo 2. Tome S como o triângulo plano sobre o plano z = 1 - x - y com normal para cima. Para um gráfico z = g(x, y), d\mathbf{S} = \langle -g_x, -g_y, 1 \rangle\,dA = \langle 1, 1, 1 \rangle\,dA.

Passo 3. (\nabla\times\mathbf{F})\cdot\langle 1, 1, 1 \rangle = 3, integrado sobre a projeção, o triângulo x, y \ge 0, x + y \le 1 de área \frac{1}{2}:

\oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = 3\cdot\frac{1}{2} = \frac{3}{2}

Uma única integral de superfície substitui três integrais de linha ao longo das arestas.

Exemplo 3: campos conservativos. Se \mathbf{F} = \nabla f com f tendo derivadas parciais de segunda ordem contínuas, então \nabla\times\mathbf{F} = \mathbf{0} pelo teorema de Clairaut, e o teorema de Stokes dá \oint_C \nabla f\cdot d\mathbf{r} = 0 para toda curva fechada que limita uma superfície. Campos gradientes não realizam trabalho líquido ao longo de laços fechados.

Erros comuns

  1. Orientações incompatíveis. Decida primeiro a normal e depois oriente C pela regra da mão direita.
  2. Calcular o rotacional errado. Escreva o determinante com cuidado; a componente do meio é P_z - R_x, não R_x - P_z.
  3. Usar a superfície difícil. Se o rotacional é simples, uma superfície plana com o mesmo bordo costuma ser muito mais fácil.

Teoremas e guias relacionados

O teorema de Stokes generaliza o teorema de Green e está ao lado do teorema da divergência como um dos três grandes teoremas do cálculo vetorial. Os três são versões em dimensões mais altas do Teorema Fundamental do Cálculo. Para o produto vetorial por trás do rotacional, veja vetores, produto escalar e produto vetorial, e para derivadas parciais veja derivadas parciais.

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Teorema de Stokes e Teorema da Divergência

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Perguntas frequentes

O que diz o teorema de Stokes?

Se S é uma superfície orientada e suave por partes com curva de bordo C, orientada pela regra da mão direita, e \mathbf{F} tem derivadas parciais contínuas perto de S, então \oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{S}.

Como orientar a curva no teorema de Stokes?

Aponte o polegar direito ao longo do vetor normal escolhido de S. Os dedos se curvam no sentido positivo de C. De forma equivalente, andando sobre C com a cabeça apontando na direção da normal, a superfície fica à sua esquerda.

Por que é possível trocar a superfície no teorema de Stokes?

O lado direito é igual à integral de linha ao longo de C, que depende só da curva. Assim, quaisquer duas superfícies com o mesmo bordo e orientação compatível têm o mesmo fluxo do rotacional, e você pode escolher a mais fácil, muitas vezes um disco plano.

Qual a relação entre o teorema de Stokes e o teorema de Green?

Se S é uma região plana no plano xy com normal \mathbf{k} apontando para cima, então (\nabla\times\mathbf{F})\cdot\mathbf{k} = Q_x - P_y, e o teorema de Stokes se reduz ao teorema de Green.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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