Teoria
Superfici, flussi e teoremi di Gauss e Stokes
Superfici parametriche regolari, vettore normale e area, integrali di superficie e flusso di un campo, divergenza e rotore, teorema della divergenza e teorema di Stokes.
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Superfici parametriche
Superficie parametrica
Una superficie parametrica è un’applicazione di classe ,
con chiuso e limitato, unione di un aperto connesso e della sua frontiera. L’immagine si chiama sostegno della superficie. Una curva dipende da un parametro, perciò il suo sostegno è un oggetto a una dimensione; una superficie dipende da due parametri e il suo sostegno è un oggetto a due dimensioni nello spazio. Fissato , l’applicazione è una curva tracciata sulla superficie, detta linea coordinata; lo stesso con fissato.
Sfera e cilindro
La sfera di centro l’origine e raggio si parametrizza con le coordinate sferiche
dove è la colatitudine misurata dall’asse e la longitudine. La superficie laterale del cilindro con si parametrizza con
Queste due parametrizzazioni compaiono nella maggior parte degli esercizi su aree e flussi.
Superficie regolare
I vettori derivati della parametrizzazione sono
La superficie è regolare se è iniettiva nei punti interni di e se
Il vettore è tangente alla linea coordinata con fissato, il vettore a quella con fissato. La condizione dice che i due vettori tangenti non sono paralleli, quindi in ogni punto interno la superficie possiede un piano tangente ben definito, senza punte né spigoli. Tutte le formule di questo capitolo, dall’area al flusso, sono costruite con il vettore , perciò la regolarità è l’ipotesi presente in ogni enunciato.
Regolarità della sfera
Per la sfera di raggio si calcola , che si annulla solo per e , cioè nei due poli, che sono immagini di punti della frontiera del rettangolo dei parametri. Nei punti interni la condizione di regolarità è verificata.
Vettore normale e piano tangente
Vettore normale
Sia una superficie regolare e un punto corrispondente a interno a . Il vettore normale a in è
e il versore normale è . Il prodotto vettoriale è ortogonale a entrambi i fattori, quindi è ortogonale ai due vettori tangenti e , perciò è ortogonale alla superficie in . Il calcolo di è il primo passo di quasi ogni esercizio: dalla sua direzione si ottiene il piano tangente, dalla sua norma l’elemento d’area, dal suo verso l’orientazione nei flussi.
Piano tangente a una superficie
Il piano tangente a in è il piano passante per e ortogonale a , di equazione
Il piano tangente contiene i vettori tangenti a tutte le curve tracciate sulla superficie e passanti per , quindi approssima la superficie vicino al punto come la retta tangente approssima il grafico di una funzione di una variabile.
Esempio
Per nel punto si ha , , , quindi
e il piano tangente ha equazione , cioè .
Superficie cartesiana
Il grafico di una funzione di classe è una superficie, detta cartesiana, con la parametrizzazione
Da e si ottiene
La terza componente di vale , quindi una superficie cartesiana è sempre regolare e il suo vettore normale punta verso l’alto. Il piano tangente che ne risulta, , coincide con il piano tangente introdotto nel capitolo sul calcolo differenziale per le funzioni differenziabili.
Area di una superficie
Area di una superficie
L’area di una superficie regolare è
La definizione nasce dall’approssimazione della superficie con parallelogrammi: un rettangolo di lati e nel piano dei parametri viene trasformato, al primo ordine, nel parallelogramma di lati e , la cui area è , per la proprietà del prodotto vettoriale. La quantità si chiama elemento d’area. Il valore dell’integrale non dipende dalla parametrizzazione scelta per la superficie, per la formula di cambiamento di variabili negli integrali doppi.
Area della sfera
Per la sfera di raggio si ha , quindi
Area di una superficie cartesiana
Se è il grafico di di classe , allora
La formula segue dalla definizione di area, poiché per la parametrizzazione cartesiana la norma del vettore normale è . Il fattore sotto radice misura quanto il grafico è inclinato rispetto al piano : dove è costante la radice vale e l’area coincide con quella della proiezione, dove il grafico è ripido la radice è grande.
Area di una superficie di rotazione
Sia la curva regolare nel semipiano di equazioni , con , e di classe . La superficie ottenuta ruotando di un giro completo attorno all’asse ha area
L’area è l’integrale della lunghezza della circonferenza descritta da ciascun punto della curva, , rispetto all’elemento di lunghezza della curva. La formula si applica a coni, tronchi di cono, paraboloidi e calotte sferiche senza ripetere ogni volta il calcolo del prodotto vettoriale.
Dimostrazione
La superficie di rotazione si parametrizza con
I vettori derivati sono e , quindi
L’integrando non dipende da , perciò l’integrale doppio della definizione di area si riduce al prodotto di per l’integrale in , che è la formula dell’enunciato.
Integrali di superficie di funzioni scalari
Integrale di superficie
Sia una superficie regolare e una funzione continua. L’integrale di superficie di su è
Il calcolo segue sempre lo stesso schema: si sostituisce la parametrizzazione nella funzione, si moltiplica per la norma del vettore normale e si integra sul dominio dei parametri. Per si ritrova l’area della superficie. Il valore non dipende dalla parametrizzazione. Se è la densità superficiale di una lamina a forma di , l’integrale è la massa della lamina; con lo stesso integrale si calcolano baricentri e momenti d’inerzia di superfici materiali.
Esempio
Per porzione del piano sopra il triangolo di vertici , , si ha , quindi
La teoria continua con 4 altri paragrafi (superfici orientate e flusso, divergenza e rotore, il teorema della divergenza…), oltre a tutte le schede svolte, le soluzioni e il PDF.
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