Teorema de Green: enunciado, orientação e exemplos resolvidos
O teorema de Green transforma uma integral de linha em uma curva fechada em uma integral dupla sobre a região interior. Enunciado, hipóteses, área e exemplos.
Teoremas de séries e várias variáveis Atualizado 4 min de leitura
Visão geral
- Hipóteses
- C é uma curva fechada simples, suave por partes e orientada positivamente, que limita uma região D, e P, Q têm derivadas parciais contínuas em uma região aberta que contém D
- Orientação positiva
- Sentido anti-horário, de modo que a região fique à sua esquerda
- Integrando
- Q_x - P_y, o rotacional escalar de \langle P, Q \rangle
- Fórmula da área
- A = \frac{1}{2}\oint_C x\,dy - y\,dx
- Generaliza para
- O teorema de Stokes em três dimensões
- Disciplina
- Cálculo 3
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O teorema de Green relaciona uma integral de linha ao longo de uma curva fechada no plano com uma integral dupla sobre a região que ela delimita. Ele diz que a circulação total ao longo da fronteira é igual à soma de todas as pequenas circulações no interior.
Enunciado do teorema de Green
Sejam
- C uma curva fechada simples, suave por partes e orientada positivamente (sentido anti-horário) no plano,
- D a região limitada por C, e
- P(x, y) e Q(x, y) com derivadas parciais contínuas em uma região aberta que contém D.
Então
Na forma vetorial, com \mathbf{F} = \langle P, Q \rangle, o lado esquerdo é a circulação \oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} e o integrando do lado direito é o rotacional escalar Q_x - P_y.
O que o teorema de Green significa
Divida D em quadradinhos e some a circulação de \mathbf{F} em volta de cada um. Cada aresta interna é percorrida por dois quadradinhos vizinhos em sentidos opostos, então essas contribuições se cancelam. Só a fronteira externa sobrevive. Por outro lado, a circulação em volta de um quadradinho é aproximadamente (Q_x - P_y) vezes sua área. Somar das duas maneiras dá o teorema de Green.
Por que cada hipótese importa
Orientação. Percorrer C no sentido horário inverte o sinal da integral de linha, enquanto a integral dupla não muda. Sempre confira o sentido.
Continuidade em todo o interior. O campo de vórtice
tem Q_x - P_y = 0 em todos os pontos exceto a origem, onde não está definido. Na circunferência unitária x = \cos t, y = \sin t, a integral de linha é \int_0^{2\pi} (\sin^2 t + \cos^2 t)\,dt = 2\pi, e não 0. O teorema de Green não se aplica porque a origem, dentro de D, é um ponto em que P e Q nem sequer estão definidas.
Curva fechada. Para uma curva que não se fecha, não existe região delimitada, então o teorema não diz nada.
Exemplos resolvidos
Exemplo 1: calcule \oint_C xy\,dx + x^2\,dy em volta da região do gráfico.
Passo 1. P = xy e Q = x^2, então Q_x - P_y = 2x - x = x.
Passo 2. A região é x^2 \le y \le x para 0 \le x \le 1:
Verificação direta. Ao longo de y = x^2 (x = t, 0 \to 1), o integrando é t^3\,dt + t^2(2t\,dt) = 3t^3\,dt, que contribui com \frac{3}{4}. Ao longo de y = x, voltando de (1, 1) para (0, 0), ele é 2t^2\,dt com t de 1 a 0, que contribui com -\frac{2}{3}. O total é \frac{3}{4} - \frac{2}{3} = \frac{1}{12}. Mesma resposta, mais trabalho.
Exemplo 2: área de uma elipse. Escolha P = -\frac{y}{2} e Q = \frac{x}{2}, de modo que Q_x - P_y = 1 e a integral dupla seja a área:
Para a elipse x = a\cos t, y = b\sin t, 0 \le t \le 2\pi: x\,dy - y\,dx = (ab\cos^2 t + ab\sin^2 t)\,dt = ab\,dt. Logo A = \frac{1}{2}\cdot 2\pi ab = \pi ab.
Exemplo 3: um campo complicado, uma resposta fácil. Calcule \oint_C (x^2 - y)\,dx + (x + y^3)\,dy na circunferência unitária, no sentido anti-horário. Aqui Q_x - P_y = 1 - (-1) = 2, então a integral é 2 \cdot \text{area} = 2\pi, ou seja, duas vezes a área do disco.
Erros comuns
- Trocar a ordem no integrando. É Q_x - P_y, e não P_y - Q_x ou P_x - Q_y.
- Ignorar a orientação. Uma curva percorrida no sentido horário dá o oposto da integral dupla.
- Usar o teorema através de uma singularidade. Verifique se P e Q são suaves em toda a região D, e não apenas sobre C.
Teoremas e guias relacionados
O teorema de Green é o caso plano do teorema de Stokes, e sua forma de fluxo é o teorema da divergência em duas dimensões. Como Q_x - P_y = 0 para campos gradientes, pelo teorema de Clairaut, campos conservativos têm circulação nula. Para as integrais duplas do lado direito, veja integrais duplas.
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