Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

21Bentuk Diferensial dan Teorema Stokes

Satu teorema analisis, selama dua abad, telah menyerap semua teorema sejenisnya: teorema dasar kalkulus, Green–Riemann (yang dibuktikan pada jilid Tahun 2), teorema divergensi Gauss, teorema curl Kelvin–Stokes — masing-masingnya mengatakan bahwa integral suatu turunan atas sebuah daerah sama dengan integral objek semulanya atas batasnya. Bahasa bentuk diferensial menjadikan semuanya satu pernyataan, ∫M ⁣dω=∫∂Mω\int_M\dd\omega = \int_{\partial M}\omega, dan menjadikan pernyataan itu terbuktikan dalam satu tarikan. Bab ini membangun bahasanya dengan jujur — aljabar multilinear berselang-seling, turunan eksterior, tarikan balik, orientasi, pengintegralan pada submanifold Bab 20 — membuktikan teorema Stokes, lalu mencairkan cek pertamanya: teorema integral klasiknya, bilangan lilitan yang diam-diam menjalankan Bab 17, dan, pada soal akhir pekannya, teorema titik tetap Brouwer. Sepanjang bab ini, mulus berarti C∞\mathcal C^\infty; setiap pemetaan dan bentuk bersifat mulus kecuali dinyatakan lain. Ini tak mengorbankan keumuman yang layak dimiliki pada aras ini dan justru membebaskan tangan.

21.1 Aljabar multilinear berselang-seling

Definisi 21.1

Misalkan EE ruang vektor real berdimensi nn. Sebuah bentuk berselang-seling kk-linear pada EE adalah pemetaan α ⁣:Ek→R\alpha\colon E^k \to \R yang linear pada setiap variabelnya, dengan α(v1,…,vk)=0\alpha(v_1, \dots, v_k) = 0 setiap kali dua argumennya sama. Ruangnya ditulis ΛkE∗\Lambda^k E^*; dan secara konvensi Λ0E∗=R\Lambda^0E^* = \R. Sifat berselang-seling itu memaksa keantisetangkupan: menukar dua argumen mengubah tandanya (uraikanlah α(…,v+w,…,v+w,… )=0\alpha(\dots, v + w, \dots, v + w, \dots) = 0), dan lebih umum α(vσ(1),…,vσ(k))=ε(σ) α(v1,…,vk)\alpha(v_{\sigma(1)}, \dots, v_{\sigma(k)}) = \varepsilon(\sigma)\,\alpha(v_1, \dots, v_k) bagi setiap permutasi σ\sigma.

Contoh 21.2

Pada E=RnE = \R^n: Λ1E∗=E∗\Lambda^1E^* = E^* adalah ruang dualnya; determinan pada basis kanoniknya merupakan bentuk berselang-seling nn-linear, dan Proposisi 21.4 akan menunjukkan bahwa ia merentang ΛnE∗\Lambda^nE^* — yakni alasan mendalam mengapa determinan tunggal sampai penskalaan. Untuk k>nk > n: ΛkE∗={0}\Lambda^kE^* = \{0\}, sebab kk vektor pasti bergantung, dan menguraikan salah satunya sepanjang yang lain membunuh α\alpha menurut sifat berselang-selingnya.

Definisi 21.3

Untuk ℓ1,…,ℓk∈E∗\ell_1, \dots, \ell_k \in E^*, hasil kali eksterior bagi keluarga itu adalah bentuk berselang-seling kk-linear

(ℓ1∧⋯∧ℓk)(v1,…,vk)=det⁡(ℓi(vj))1≤i,j≤k.(\ell_1 \wedge \dots \wedge \ell_k)(v_1, \dots, v_k) = \det\bigl(\ell_i(v_j)\bigr)_{1 \leq i, j \leq k} .

Sifat berselang-seling dan multilinearitasnya adalah sifat determinan pada kolomnya.

Proposisi 21.4 (Basis Λk\Lambda^k)

Misalkan (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n) basis EE dengan basis dual (e1∗,…,en∗)(e_1^*, \dots, e_n^*). Bentuk

eI∗=ei1∗∧⋯∧eik∗,I={i1<⋯<ik}⊆{1,…,n},e_I^* = e_{i_1}^* \wedge \dots \wedge e_{i_k}^*, \qquad I = \{i_1 < \dots < i_k\} \subseteq \{1, \dots, n\},

membentuk basis ΛkE∗\Lambda^kE^*; sehingga dim⁡ΛkE∗=(nk)\dim\Lambda^kE^* = \binom nk. Secara eksplisit, α=∑∣I∣=kα(ei1,…,eik) eI∗\alpha = \sum_{\abs I = k}\alpha(e_{i_1}, \dots, e_{i_k})\,e_I^*.

Bukti. Membangun. Misalkan α∈ΛkE∗\alpha \in \Lambda^kE^* dan β=∑Iα(eI) eI∗\beta = \sum_I\alpha(e_I)\,e_I^*, dengan α(eI)\alpha(e_I) menyingkat α(ei1,…,eik)\alpha(e_{i_1}, \dots, e_{i_k}). Kedua ruasnya kk-linear dan berselang-seling, sehingga keduanya sama begitu keduanya sama pada semua kk-tupel (ej1,…,ejk)(e_{j_1}, \dots, e_{j_k}) dengan j1<⋯<jkj_1 < \dots < j_k (sebab multilinearitasnya menyusutkan ke tupel vektor basis, sedangkan sifat berselang-selingnya ke tupel yang naik sejati). Sedangkan eI∗(ej1,…,ejk)=det⁡(eir∗(ejs))=δIJe_I^*(e_{j_1}, \dots, e_{j_k}) = \det(e_{i_r}^*(e_{j_s})) = \delta_{IJ}: untuk I=JI = J matriksnya identitas; sedangkan untuk I≠JI \neq J ada baris yang nol. Jadi β(eJ)=α(eJ)\beta(e_J) = \alpha(e_J) bagi setiap JJ: β=α\beta = \alpha. Kebebasan. Jika ∑IcIeI∗=0\sum_I c_Ie_I^* = 0, maka mengevaluasinya pada (ej1,…,ejk)(e_{j_1}, \dots, e_{j_k}) memberikan cJ=0c_J = 0. ∎

Definisi 21.5

Hasil kali eksteriornya diperluas menjadi pemetaan bilinear ΛkE∗×ΛℓE∗→Λk+ℓE∗\Lambda^kE^* \times \Lambda^\ell E^* \to \Lambda^{k+\ell}E^*, yang ditentukan oleh kebilinearannya dan (eI∗)∧(eJ∗)=eI∗∧eJ∗(e_I^*) \wedge (e_J^*) = e_I^* \wedge e_J^* (gabungkanlah lalu urutkan kembali; hasil kalinya 00 jika I∩J≠∅I \cap J \neq \varnothing). Ia asosiatif, dan bersifat antikomutatif berderajat:

β∧α=(−1)kℓ α∧β(α∈Λk, β∈Λℓ).\beta \wedge \alpha = (-1)^{k\ell}\,\alpha \wedge \beta \qquad (\alpha \in \Lambda^k, \ \beta \in \Lambda^\ell).

Bukti. Kedua sifatnya diperiksa pada unsur basisnya lalu diperluas lewat kebilinearannya. Untuk keasosiatifannya: kedua pengurungan eI∗∧eJ∗∧eK∗e_I^* \wedge e_J^* \wedge e_K^* sama dengan hasil kali eksterior keluarga bentuk-11 yang digabungkan, menurut rumus determinan Definisi 21.3 (yakni uraian Laplace per blok). Untuk aturan tandanya: memindahkan masing-masing ℓ\ell faktor β\beta melewati kk faktor α\alpha memakan satu tanda per transposisi bertetangga (yakni penukaran dua baris determinannya), sehingga (−1)kℓ(-1)^{k\ell} seluruhnya. ∎

Proposisi 21.6 (Tarikan balik, kasus linear)

Pemetaan linear u ⁣:E→Fu\colon E \to F menginduksikan, bagi setiap kk, pemetaan linear u∗ ⁣:ΛkF∗→ΛkE∗u^*\colon \Lambda^kF^* \to \Lambda^kE^*, (u∗α)(v1,…,vk)=α(u(v1),…,u(vk))(u^*\alpha)(v_1, \dots, v_k) = \alpha(u(v_1), \dots, u(v_k)). Ia memenuhi u∗(α∧β)=u∗α∧u∗βu^*(\alpha \wedge \beta) = u^*\alpha \wedge u^*\beta dan (u∘w)∗=w∗∘u∗(u \circ w)^* = w^* \circ u^*. Lebih jauh:

  1. Jika dim⁡E=n\dim E = n dan u ⁣:E→Eu\colon E \to E, maka pada garis ΛnE∗\Lambda^nE^*: u∗α=(det⁡u) αu^*\alpha = (\det u)\,\alpha.
  2. Jika rk⁡u<k\operatorname{rk}u < k, maka u∗=0u^* = 0 pada ΛkF∗\Lambda^kF^*.

Bukti. Identitas fungtorialnya langsung dari definisinya (untuk aturan hasil kalinya, periksalah pada hasil kali eksterior bentuk-11 dengan rumus determinannya — det⁡(ℓi(uvj))=det⁡((u∗ℓi)(vj))\det(\ell_i(uv_j)) = \det((u^*\ell_i)(v_j)) — lalu perluaslah secara bilinear). (1) Pemetaan u∗u^* membawa ΛnE∗\Lambda^nE^* yang berdimensi satu (Proposisi 21.4) ke dirinya sendiri, sehingga u∗α=c αu^*\alpha = c\,\alpha dengan cc yang tak bergantung pada α≠0\alpha \neq 0; lalu mengujinya pada α=e1∗∧⋯∧en∗\alpha = e_1^* \wedge \dots \wedge e_n^* dan (vj)=(ej)(v_j) = (e_j) memberikan c=det⁡(ei∗(uej))=det⁡uc = \det(e_i^*(ue_j)) = \det u. (2) Untuk v1,…,vk∈Ev_1, \dots, v_k \in E, vektor u(v1),…,u(vk)u(v_1), \dots, u(v_k) terletak pada peta uu, yang berdimensi <k< k: sehingga semuanya bergantung linear, sedangkan bentuk berselang-seling lenyap pada keluarga yang bergantung (uraikanlah vektor yang bergantung itu sepanjang yang lain). ∎

21.2 Bentuk diferensial dan turunan eksterior

Definisi 21.7

Misalkan U⊆RnU \subseteq \R^n terbuka. Sebuah bentuk diferensial berderajat kk pada UU adalah pemetaan mulus ω ⁣:U→Λk(Rn)∗\omega\colon U \to \Lambda^k(\R^n)^*; dan pada basis Proposisi 21.4 (dengan  ⁣dxi\dd x_i ditulis bagi ei∗e_i^*),

ω=∑∣I∣=kaI  ⁣dxI, ⁣dxI= ⁣dxi1∧⋯∧ ⁣dxik,\omega = \sum_{\abs I = k} a_I\,\dd x_I, \qquad \dd x_I = \dd x_{i_1} \wedge \dots \wedge \dd x_{i_k},

dengan koefisien mulus aI∈C∞(U)a_I \in \mathcal C^\infty(U). Ruangnya adalah Ωk(U)\Omega^k(U); dan Ω0(U)=C∞(U)\Omega^0(U) = \mathcal C^\infty(U). Bentuk-00 adalah fungsi; bentuk-11 adalah medan bentuk linear (misalnya diferensial  ⁣df\dd f sebuah fungsi); sedangkan bentuk-nn berupa a  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxna\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, yakni integran alami Bab 11.

Definisi 21.8 (Turunan eksterior)

Yang disebut turunan eksterior adalah pemetaan linear  ⁣d ⁣:Ωk(U)→Ωk+1(U)\dd\colon \Omega^k(U) \to \Omega^{k+1}(U) yang didefinisikan oleh

 ⁣d(∑IaI  ⁣dxI)=∑I ⁣daI∧ ⁣dxI=∑I∑j=1n∂aI∂xj  ⁣dxj∧ ⁣dxI.\dd\Bigl(\sum_I a_I\,\dd x_I\Bigr) = \sum_I \dd a_I \wedge \dd x_I = \sum_I\sum_{j=1}^n \frac{\partial a_I}{\partial x_j}\,\dd x_j \wedge \dd x_I .

Pada bentuk-00 ia adalah diferensial biasanya.

Teorema 21.9

(a)  ⁣d(ω∧η)= ⁣dω∧η+(−1)k ω∧ ⁣dη\dd(\omega \wedge \eta) = \dd\omega \wedge \eta + (-1)^k\,\omega \wedge \dd\eta bagi ω∈Ωk\omega \in \Omega^k (yakni aturan Leibniz berderajat). (b)  ⁣d∘ ⁣d=0\dd \circ \dd = 0.

Bukti. (a) Menurut kebilinearannya, cukup ditangani ω=a  ⁣dxI\omega = a\,\dd x_I, η=b  ⁣dxJ\eta = b\,\dd x_J. Maka ω∧η=ab  ⁣dxI∧ ⁣dxJ\omega \wedge \eta = ab\,\dd x_I \wedge \dd x_J dan

 ⁣d(ω∧η)=(b  ⁣da+a  ⁣db)∧ ⁣dxI∧ ⁣dxJ=( ⁣da∧ ⁣dxI)∧(b  ⁣dxJ)+a  ⁣db∧ ⁣dxI∧ ⁣dxJ,\dd(\omega\wedge\eta) = (b\,\dd a + a\,\dd b) \wedge \dd x_I \wedge \dd x_J = (\dd a \wedge \dd x_I) \wedge (b\,\dd x_J) + a\,\dd b \wedge \dd x_I \wedge \dd x_J,

sedangkan memindahkan bentuk-11  ⁣db\dd b melewati kk faktor  ⁣dxI\dd x_I memakan (−1)k(-1)^k (Definisi 21.5): sehingga suku keduanya adalah (−1)k ω∧ ⁣dη(-1)^k\,\omega \wedge \dd\eta. (b) Untuk sebuah fungsi:  ⁣d( ⁣da)=∑i,j∂2a∂xj∂xi  ⁣dxj∧ ⁣dxi\dd(\dd a) = \sum_{i,j} \frac{\partial^2a}{\partial x_j\partial x_i}\,\dd x_j \wedge \dd x_i. Koefisiennya setangkup terhadap (i,j)(i,j) menurut teorema Schwarz tentang turunan parsial campurannya (yang dibuktikan pada jilid Tahun 2; sebab aa bersifat C∞\mathcal C^\infty), sedangkan  ⁣dxj∧ ⁣dxi\dd x_j \wedge \dd x_i antisetangkup: sehingga dengan memasangkan suku (i,j)(i,j) dan (j,i)(j,i), semuanya meniadakan diri. Untuk ω=∑aI ⁣dxI\omega = \sum a_I\dd x_I yang umum:  ⁣d ⁣dω=∑ ⁣d( ⁣daI∧ ⁣dxI)=∑( ⁣d ⁣daI∧ ⁣dxI− ⁣daI∧ ⁣d( ⁣dxI))\dd\dd\omega = \sum\dd(\dd a_I \wedge \dd x_I) = \sum(\dd\dd a_I\wedge\dd x_I - \dd a_I\wedge\dd(\dd x_I)) menurut (a), dan kedua sukunya lenyap (sebab  ⁣d( ⁣dxI)=0\dd(\dd x_I) = 0 karena koefisiennya konstan). ∎

Definisi 21.10 (Tarikan balik)

Misalkan φ ⁣:U→V\varphi\colon U \to V mulus (U⊆RmU \subseteq \R^m, V⊆RnV \subseteq \R^n terbuka). Yang disebut tarikan balik, φ∗ ⁣:Ωk(V)→Ωk(U)\varphi^*\colon \Omega^k(V) \to \Omega^k(U), didefinisikan secara titik demi titik oleh tarikan balik linear sepanjang diferensialnya: (φ∗ω)x=(Dφ(x))∗ ωφ(x)(\varphi^*\omega)_x = (D\varphi(x))^*\,\omega_{\varphi(x)}. Secara konkret, φ∗\varphi^* mensubstitusi: φ∗f=f∘φ\varphi^*f = f \circ \varphi pada fungsi, φ∗( ⁣dyi)= ⁣dφi=∑j∂φi∂xj ⁣dxj\varphi^*(\dd y_i) = \dd\varphi_i = \sum_j\frac{\partial\varphi_i}{\partial x_j}\dd x_j, dan φ∗(a  ⁣dyi1∧⋯∧ ⁣dyik)=(a∘φ)  ⁣dφi1∧⋯∧ ⁣dφik\varphi^*(a\,\dd y_{i_1}\wedge\dots\wedge \dd y_{i_k}) = (a\circ\varphi)\,\dd\varphi_{i_1}\wedge\dots\wedge \dd\varphi_{i_k}.

Teorema 21.11

(a) φ∗(ω∧η)=φ∗ω∧φ∗η\varphi^*(\omega \wedge \eta) = \varphi^*\omega \wedge \varphi^*\eta dan (ψ∘φ)∗=φ∗∘ψ∗(\psi \circ \varphi)^* = \varphi^* \circ \psi^*. (b) φ∗( ⁣dω)= ⁣d(φ∗ω)\varphi^*(\dd\omega) = \dd(\varphi^*\omega): yakni turunan eksteriornya komutatif dengan setiap substitusi mulus — yaitu identitas yang menjadikannya turunan yang sebenarnya bagi teori ini. (c) Jika φ ⁣:U→V\varphi\colon U \to V mulus antara himpunan terbuka Rn\R^n dan ω=a  ⁣dy1∧⋯∧ ⁣dyn\omega = a\,\dd y_1 \wedge \dots \wedge \dd y_n, maka φ∗ω=(a∘φ) det⁡(Dφ)  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\varphi^*\omega = (a \circ \varphi)\,\det\bigl(D\varphi\bigr)\,\dd x_1 \wedge \dots \wedge \dd x_n.

Bukti. (a) Pernyataan titik demi titik yang menyangkut tarikan balik linearnya (Proposisi 21.6), ditambah aturan rantainya D(ψ∘φ)(x)=Dψ(φ(x)) Dφ(x)D(\psi\circ\varphi)(x) = D\psi(\varphi(x))\,D\varphi(x). (b) Untuk bentuk-00 ff: φ∗( ⁣df)= ⁣df∘Dφ= ⁣d(f∘φ)\varphi^*(\dd f) = \dd f \circ D\varphi = \dd(f \circ \varphi) adalah aturan rantainya. Untuk ω=a  ⁣dyI\omega = a\,\dd y_I: dengan memakai (a), φ∗ω=(a∘φ)  ⁣dφi1∧⋯∧ ⁣dφik\varphi^*\omega = (a\circ\varphi)\,\dd\varphi_{i_1}\wedge\dots\wedge \dd\varphi_{i_k}, sehingga menurut aturan Leibniz (Teorema 21.9(a)) dan  ⁣d ⁣dφir=0\dd\dd\varphi_{i_r} = 0:

 ⁣d(φ∗ω)= ⁣d(a∘φ)∧ ⁣dφi1∧⋯∧ ⁣dφik=φ∗( ⁣da)∧φ∗( ⁣dyI)=φ∗( ⁣da∧ ⁣dyI)=φ∗( ⁣dω).\dd(\varphi^*\omega) = \dd(a\circ\varphi) \wedge \dd\varphi_{i_1}\wedge\dots\wedge\dd\varphi_{i_k} = \varphi^*(\dd a) \wedge \varphi^*(\dd y_I) = \varphi^*(\dd a \wedge \dd y_I) = \varphi^*(\dd\omega).

(c) Titik demi titik, ini persis u∗α=(det⁡u)αu^*\alpha = (\det u)\alpha pada bentuk berderajat tertinggi (Proposisi 21.6(1) dengan u=Dφ(x)u = D\varphi(x)). ∎

Contoh 21.12 (Koordinat kutub)

Untuk φ(r,θ)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\varphi(r, \theta) = (r\cos\theta, r\sin\theta): φ∗ ⁣dx=cos⁡θ  ⁣dr−rsin⁡θ  ⁣dθ\varphi^*\dd x = \cos\theta\,\dd r - r\sin\theta\,\dd\theta, φ∗ ⁣dy=sin⁡θ  ⁣dr+rcos⁡θ  ⁣dθ\varphi^*\dd y = \sin\theta\,\dd r + r\cos\theta\,\dd\theta, sehingga

φ∗( ⁣dx∧ ⁣dy)=(cos⁡θ  ⁣dr−rsin⁡θ  ⁣dθ)∧(sin⁡θ  ⁣dr+rcos⁡θ  ⁣dθ)=r  ⁣dr∧ ⁣dθ,\varphi^*(\dd x \wedge \dd y) = (\cos\theta\,\dd r - r\sin\theta\,\dd\theta) \wedge (\sin\theta\,\dd r + r\cos\theta\,\dd\theta) = r\,\dd r \wedge \dd\theta,

yakni Jacobi Contoh 11.12 yang muncul lewat aljabar murni — tanpa teori ukuran. Latihan 21.9 mengubah catatan ini menjadi sebuah pernyataan: bahwa bagi integral berorientasi, rumus penggantian variabelnya adalah rumus tarikan baliknya.

21.3 Bentuk tertutup dan eksak; lema Poincaré

Definisi 21.13

Bentuk ω∈Ωk(U)\omega \in \Omega^k(U) disebut tertutup jika  ⁣dω=0\dd\omega = 0, dan eksak jika ω= ⁣dη\omega = \dd\eta bagi suatu η∈Ωk−1(U)\eta \in \Omega^{k-1}(U) (yakni sebuah primitif ω\omega). Eksak ⇒\Rightarrow tertutup menurut  ⁣d2=0\dd^2 = 0; sedangkan konversnya adalah pertanyaan tentang rupa UU.

Contoh 21.14 (Bentuk sudut)

Pada U=R2∖{0}U = \R^2 \setminus \{0\},

ωθ=x  ⁣dy−y  ⁣dxx2+y2\omega_\theta = \frac{x\,\dd y - y\,\dd x}{x^2 + y^2}

bersifat tertutup (lewat perhitungan langsung: Latihan 21.4) tetapi tak eksak: sebab integralnya sepanjang lingkaran satuannya adalah 2π≠02\pi \neq 0, sedangkan integral bentuk eksak sepanjang kurva tertutup lenyap (Proposisi 21.28). Secara lokal, ωθ= ⁣dθ\omega_\theta = \dd\theta bagi sembarang penentuan mulus θ\theta atas sudut kutubnya — dari sanalah namanya dan halangannya: bahwa tak ada penentuan semacam itu pada seluruh UU. Satu bentuk inilah yang menjalankan bilangan lilitan (Bagian 21.6) dan, lewatnya, teorema residu Bab 17.

Teorema 21.15 (Lema Poincaré)

Misalkan U⊆RnU \subseteq \R^n terbuka dan berbentuk bintang terhadap 00. Maka setiap bentuk-kk tertutup pada UU (k≥1k \geq 1) bersifat eksak.

Bukti. Kita bangun sebuah operator homotopi linear h ⁣:Ωk(U)→Ωk−1(U)h\colon \Omega^k(U) \to \Omega^{k-1}(U) dengan

 ⁣d(hω)+h( ⁣dω)=ω(k≥1);(21.1)\dd(h\omega) + h(\dd\omega) = \omega \qquad (k \geq 1);\tag{21.1}

jika  ⁣dω=0\dd\omega = 0, maka ω= ⁣d(hω)\omega = \dd(h\omega) dan selesailah sudah. Untuk ω=∑IaI  ⁣dxI\omega = \sum_I a_I\,\dd x_I tetapkanlah

hω=∑∣I∣=k ∑r=1k(−1)r−1(∫01tk−1aI(tx)  ⁣dt) xir  ⁣dxi1∧⋯∧ ⁣dxir^∧⋯∧ ⁣dxikh\omega = \sum_{\abs I = k}\ \sum_{r=1}^{k}(-1)^{r-1} \Bigl(\int_0^1 t^{k-1}a_I(tx)\,\dd t\Bigr)\, x_{i_r}\,\dd x_{i_1}\wedge\dots\wedge \widehat{\dd x_{i_r}}\wedge\dots\wedge\dd x_{i_k}

(topinya menghapus satu faktor; sedangkan integralnya mulus terhadap xx menurut penurunan di bawah tanda integral, Teorema 10.15, sebab semua turunannya terdominasi pada kompak). Memeriksa (21.1) adalah perhitungan yang dikerjakan sekali seumur hidup, jadi kita kerjakan selengkapnya. Tetapkan II lalu ambil ω=a  ⁣dxI\omega = a\,\dd x_I (menurut kelinearannya). Pertama,

 ⁣d(hω)=k(∫01tk−1a(tx) ⁣dt) ⁣dxI+∑r=1k(−1)r−1∑j=1n(∫01tk ∂ja(tx)  ⁣dt)xir  ⁣dxj∧ ⁣dxI∖ir:\dd(h\omega) = k\Bigl(\int_0^1t^{k-1}a(tx)\dd t\Bigr)\dd x_I + \sum_{r=1}^k(-1)^{r-1}\sum_{j=1}^n \Bigl(\int_0^1t^{k}\,\partial_ja(tx)\,\dd t\Bigr) x_{i_r}\,\dd x_j\wedge\dd x_{I\setminus i_r} :

kelompok pertamanya mengumpulkan suku yang  ⁣d\dd-nya mengenai faktor xirx_{i_r} — sebab hasil kali eksterior  ⁣dxir∧ ⁣dxI∖ir\dd x_{i_r}\wedge\dd x_{I\setminus i_r} menyusun kembali  ⁣dxI\dd x_I dengan tanda (−1)r−1(-1)^{r-1} yang meniadakan prafaktornya, dan kk nilai rr memberikan faktor kk — sedangkan kelompok keduanya mengumpulkan suku yang  ⁣d\dd-nya mengenai integralnya (sebab aturan rantainya mengeluarkan t ∂ja(tx)t\,\partial_ja(tx)). Berikutnya,  ⁣dω=∑j∂ja  ⁣dxj∧ ⁣dxI\dd\omega = \sum_j\partial_ja\,\dd x_j\wedge\dd x_I, dan menerapkan definisi hh pada derajat k+1k+1, dengan indeks jj menempati posisi pertamanya:

h( ⁣dω)=∑j=1n(∫01tk∂ja(tx) ⁣dt)xj  ⁣dxI−∑j=1n∑r=1k(−1)r−1(∫01tk∂ja(tx) ⁣dt)xir  ⁣dxj∧ ⁣dxI∖ir.h(\dd\omega) = \sum_{j=1}^n\Bigl(\int_0^1t^{k} \partial_ja(tx)\dd t\Bigr)x_j\,\dd x_I - \sum_{j=1}^n\sum_{r=1}^k(-1)^{r-1} \Bigl(\int_0^1t^{k}\partial_ja(tx)\dd t\Bigr) x_{i_r}\,\dd x_j\wedge\dd x_{I\setminus i_r} .

Kedua jumlah gandanya meniadakan diri pada  ⁣d(hω)+h( ⁣dω)\dd(h\omega) + h(\dd\omega), yang karena itu sama dengan

(∫01(k tk−1a(tx)+tk∑jxj ∂ja(tx)) ⁣dt) ⁣dxI=(∫01 ⁣d ⁣dt(tka(tx)) ⁣dt) ⁣dxI=a(x)  ⁣dxI=ω,\Bigl(\int_0^1\bigl(k\,t^{k-1}a(tx) + t^k{\textstyle\sum_j}x_j\,\partial_ja(tx)\bigr)\dd t\Bigr) \dd x_I = \Bigl(\int_0^1\frac{\dd}{\dd t}\bigl(t^ka(tx)\bigr)\dd t\Bigr)\dd x_I = a(x)\,\dd x_I = \omega,

menurut teorema dasar kalkulus. Sifat berbentuk bintangnya masuk tepat di tempat yang seharusnya: tx∈Utx \in U bagi t∈[0, 1]t \in \intcc01, sehingga a(tx)a(tx) bermakna. ∎

Catatan 21.16

Untuk k=1k = 1 dan ω=∑jaj ⁣dxj\omega = \sum_j a_j\dd x_j, primitifnya adalah f(x)=∫01∑jaj(tx) xj  ⁣dtf(x) = \int_0^1\sum_ja_j(tx)\,x_j\,\dd t — yakni integral garis ω\omega sepanjang ruas [0,x][0, x]: sehingga teoremanya adalah pernyataan banyak variabel “medan berjacobi setangkup adalah gradien” dari Tahun 2, kini pada setiap derajat. Sedangkan bentuk sudutnya (Contoh 21.14) menunjukkan bahwa hipotesis atas UU bukan hiasan: sebab R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} tak berbentuk bintang, dan di sana ketertutupan tak mengakibatkan keeksakan. Adapun yang bertahan pada himpunan terbuka umum diukur oleh kohomologi de Rham Hk(U)=ker⁡ ⁣d/im⁡ ⁣dH^k(U) = \ker\dd/\operatorname{im}\dd — lihat Latihan 21.12 untuk perhitungan tak trivial pertamanya.

21.4 Orientasi dan pengintegralan pada submanifold

Mengintegralkan bentuk-kk menuntut wilayah berorientasi berdimensi kk. Ingatlah dari Bab 20 (Teorema 20.3) bahwa submanifold-kk M⊆RnM \subseteq \R^n secara lokal merupakan peta sebuah parametrisasi reguler γ ⁣:V→M∩W\gamma\colon V \to M \cap W (dengan V⊆RkV \subseteq \R^k terbuka, γ\gamma homeomorfisma ke petanya dengan diferensial yang injektif).

Definisi 21.17

Sebuah orientasi MM adalah pemilihan, bagi setiap p∈Mp \in M, salah satu dari dua kelas orientasi basis ruang singgung TpMT_pM, yang bersifat koheren lokal: bahwa di sekitar setiap titiknya ada parametrisasi γ\gamma yang kerangka koordinatnya (∂1γ,…,∂kγ)(\partial_1\gamma, \dots, \partial_k\gamma) berorientasi positif pada setiap titik daerah asalnya. Parametrisasi semacam itu disebut langsung. Lalu MM disebut terorientasikan jika sebuah orientasi ada; dan pita Möbius menunjukkan bahwa ini bisa gagal. Semua submanifold pada bab ini berorientasi.

Definisi 21.18 (Integral sebuah bentuk)

Misalkan MM submanifold-kk berorientasi dan ω\omega sebuah bentuk-kk yang terdefinisi pada persekitaran MM, dengan supp⁡ω∩M\operatorname{supp}\omega \cap M yang kompak. (a) Jika supp⁡ω∩M⊆γ(V)\operatorname{supp}\omega \cap M \subseteq \gamma(V) untuk satu parametrisasi langsung, tetapkanlah

∫Mω=∫Vγ∗ω\int_M\omega = \int_V\gamma^*\omega

— dengan ruas kanannya berupa integral Lebesgue atas VV (Bab 11) bagi koefisien gg milik γ∗ω=g  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\gamma^*\omega = g\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k, yang kontinu dengan tumpuan kompak. (b) Secara umum, pilihlah berhingga banyak parametrisasi langsung γi(Vi)\gamma_i(V_i) yang menyelimuti kompak supp⁡ω∩M\operatorname{supp}\omega \cap M beserta sebuah partisi kesatuan (χi)(\chi_i) yang subordinat padanya (Lema 21.20), lalu tetapkan ∫Mω=∑i∫Mχi ω\int_M\omega = \sum_i\int_M\chi_i\,\omega, dengan setiap sukunya dihitung lewat (a). Untuk sebuah kurva (dengan k=1k = 1) yang diparametrikan oleh γ ⁣:[a, b]→Rn\gamma\colon\intcc ab\to\R^n kita tulis ∫γω=∫abγ∗ω\int_\gamma\omega = \int_a^b\gamma^*\omega, tanpa menuntut keinjektifan.

Lema 21.19 (Kekonsistenan)

Definisi (a) tak bergantung pada parametrisasi langsungnya, dan definisi (b) tak bergantung baik pada selimutnya maupun pada partisi kesatuannya. Lebih jauh, jika Φ\Phi difeomorfisma antara persekitaran dua submanifold berorientasi dengan Φ(M)=M′\Phi(M) = M', yang membawa kerangka langsung MM ke kerangka langsung M′M' pada suatu titik di setiap komponen MM, maka ∫M′ω=∫MΦ∗ω\int_{M'}\omega = \int_M\Phi^*\omega.

Bukti. (a) Misalkan γ ⁣:V→M\gamma\colon V \to M, δ ⁣:V′→M\delta\colon V' \to M parametrisasi langsung yang petanya memuat supp⁡ω∩M\operatorname{supp}\omega\cap M. Peralihannya τ=δ−1∘γ\tau = \delta^{-1}\circ\gamma merupakan difeomorfisma antara himpunan bagian terbuka V,V′V, V' yang bersangkutan (kemulusan peralihannya: Teorema 20.3, lewat pemerian grafik lokalnya), dan γ=δ∘τ\gamma = \delta\circ\tau di sana, sehingga γ∗ω=τ∗(δ∗ω)\gamma^*\omega = \tau^*(\delta^*\omega) (Teorema 21.11(a)). Tulislah δ∗ω=g  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\delta^*\omega = g\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k; maka (Teorema 21.11(c)) τ∗(δ∗ω)=(g∘τ) det⁡(Dτ)  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\tau^*(\delta^*\omega) = (g\circ\tau)\,\det(D\tau)\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k. Karena kedua kerangkanya langsung, DτD\tau membawa basis positif ke basis positif: det⁡Dτ>0\det D\tau > 0, sehingga det⁡Dτ=∣det⁡Dτ∣\det D\tau = \abs{\det D\tau} dan teorema penggantian variabelnya (Teorema 11.11) memberikan ∫(g∘τ)∣det⁡Dτ∣=∫g\int(g\circ\tau)\abs{\det D\tau} = \int g: jadi kedua integralnya sama. Inilah seluruh alasan mengapa orientasi ada: bahwa tanpa kendali tandanya, Jacobinya dan nilai mutlaknya berbeda dan integralnya tak terdefinisi baik. (b) Jika (χi)(\chi_i) dan (χ~j)(\tilde\chi_j) dua partisi yang sah (termasuk selimutnya), maka menurut (a) dan keaditifan berhingganya, ∑i∫χiω=∑i,j∫χiχ~jω=∑j∫χ~jω\sum_i\int\chi_i\omega = \sum_{i,j}\int\chi_i\tilde\chi_j\omega = \sum_j\int\tilde\chi_j\omega, dengan setiap suku gandanya terhitungkan pada peta mana pun. Untuk pernyataan terakhirnya: jika γ\gamma menjelajah parametrisasi langsung MM, maka Φ∘γ\Phi\circ\gamma menjelajah parametrisasi langsung M′M' (sebab perbandingan orientasinya konstan lokal, dan tertetapkan pada satu titik per komponennya), dan (Φ∘γ)∗ω=γ∗(Φ∗ω)(\Phi\circ\gamma)^*\omega = \gamma^*(\Phi^*\omega). ∎

Lema 21.20 (Partisi kesatuan, kasus kompak)

Misalkan K⊆RnK \subseteq \R^n kompak dan W1,…,WmW_1, \dots, W_m himpunan terbuka yang menyelimuti KK. Maka ada χ1,…,χm∈C∞(Rn)\chi_1, \dots, \chi_m \in \mathcal C^\infty(\R^n) dengan 0≤χi≤10 \leq \chi_i \leq 1, supp⁡χi⊆Wi\operatorname{supp}\chi_i \subseteq W_i yang kompak, dan ∑χi=1\sum\chi_i = 1 pada sebuah persekitaran KK.

Bukti. Setiap x∈Kx \in K terletak pada suatu Wi(x)W_{i(x)} dengan bola tertutup Bˉ(x,2rx)⊆Wi(x)\bar B(x, 2r_x) \subseteq W_{i(x)}; lalu kekompakannya menyaring x1,…,xNx_1, \dots, x_N dengan bola B(xs,rxs)B(x_s, r_{x_s}) yang menyelimuti KK. Bagi setiap ss ambillah sebuah gundukan θs∈C∞\theta_s \in \mathcal C^\infty, 0≤θs≤10 \leq \theta_s \leq 1, θs=1\theta_s = 1 pada Bˉ(xs,rxs)\bar B(x_s, r_{x_s}), supp⁡θs⊆B(xs,2rxs)\operatorname{supp}\theta_s \subseteq B(x_s, 2r_{x_s}) (muluskanlah indikator bola berjari-jari 32rxs\frac32r_{x_s}, Teorema 12.9). Tugaskan setiap ss ke satu indeks i(s)i(s) dengan B(xs,2rxs)⊆Wi(s)B(x_s, 2r_{x_s}) \subseteq W_{i(s)} lalu tetapkan Θi=∑i(s)=iθs\Theta_i = \sum_{i(s) = i}\theta_s. Pada himpunan terbuka Ω0={∑jΘj>12}⊇K\Omega_0 = \{\sum_j\Theta_j > \tfrac12\} \supseteq K, fungsi Θi/∑jΘj\Theta_i/\sum_j\Theta_j menyelesaikan tugasnya tetapi hanya terdefinisi di sana; lalu untuk mengglobalkannya, ambillah ρ∈C∞(Rn)\rho \in \mathcal C^\infty(\R^n) yang memenuhi ρ=0\rho = 0 di tempat ∑jΘj≥1\sum_j\Theta_j \geq 1 dan ρ>0\rho > 0 di tempat ∑jΘj≤12\sum_j\Theta_j \leq \tfrac12 (muluskanlah pemotongan yang sesuai atas 1−∑jΘj1 - \sum_j\Theta_j), lalu tetapkan

χi=Θiρ+∑jΘj.\chi_i = \frac{\Theta_i}{\rho + \sum_j\Theta_j} .

Penyebutnya di mana-mana >0> 0 dan sama dengan ∑jΘj\sum_j\Theta_j pada {∑jΘj≥1}\{\sum_j\Theta_j \geq 1\}, yakni sebuah persekitaran terbuka KK (sebab setiap titik KK terletak pada suatu bola B(xs,rxs)B(x_s, r_{x_s}) yang θs=1\theta_s = 1 padanya); dan di sana ∑iχi=1\sum_i\chi_i = 1. Tumpuan dan batasnya jelas. ∎

21.5 Teorema Stokes

Definisi 21.21

Sebuah submanifold-kk dengan batas M⊆RnM \subseteq \R^n adalah himpunan yang terselimuti parametrisasi reguler dua jenis: peta interior γ ⁣:V→M∩W\gamma\colon V \to M \cap W dengan V⊆RkV \subseteq \R^k terbuka, dan peta batas γ ⁣:V∩Hk→M∩W\gamma\colon V \cap H^k \to M \cap W, dengan Hk={u∈Rk:uk≥0}H^k = \{u \in \R^k : u_k \geq 0\} dan γ\gamma yang diperluas secara mulus dan reguler ke VV yang terbuka. Yang disebut batas ∂M\partial M adalah himpunan titik yang tercapai di uk=0u_k = 0; ia submanifold-(k−1)(k-1) tanpa batas, yang diparametrikan oleh pemetaan u′↦γ(u′,0)u' \mapsto \gamma(u', 0). Sebuah orientasi MM menginduksikan satu orientasi pada ∂M\partial M lewat aturan normal-keluar-dulu: bahwa di p∈∂Mp \in \partial M, sebuah basis (w1,…,wk−1)(w_1, \dots, w_{k-1}) milik Tp∂MT_p\partial M bersifat positif jika dan hanya jika (ν,w1,…,wk−1)(\nu, w_1, \dots, w_{k-1}) merupakan basis positif TpMT_pM, dengan ν∈TpM∖Tp∂M\nu \in T_pM \setminus T_p\partial M yang menunjuk ke luar MM (dan pada peta batasnya: ν=−∂kγ\nu = -\partial_k\gamma, sampai penambahan komponen singgungnya — sebab kelas orientasinya tak melihatnya).

Aturan normal-keluar-dulu: bahwa pada setiap titik batasnya, taruhlah vektor keluar  lebih dahulu; lalu basis yang melengkapinya menjadi kerangka positif M mengorientasikan M. Untuk daerah bidang dengan orientasi bakunya, inilah aturan berlawanan arah jarum jam milik Green–Riemann.
Aturan normal-keluar-dulu: bahwa pada setiap titik batasnya, taruhlah vektor keluar ν\nu lebih dahulu; lalu basis yang melengkapinya menjadi kerangka positif MM mengorientasikan ∂M\partial M. Untuk daerah bidang dengan orientasi bakunya, inilah aturan berlawanan arah jarum jam milik Green–Riemann.

Lema 21.22 (Stokes pada setengah ruang)

Misalkan η\eta bentuk-(k−1)(k-1) mulus pada Rk\R^k dengan tumpuan kompak. Maka

∫Hk ⁣dη=∫∂Hkη,\int_{H^k}\dd\eta = \int_{\partial H^k}\eta,

dengan HkH^k mengemban orientasi baku Rk\R^k dan ∂Hk={uk=0}≅Rk−1\partial H^k = \{u_k = 0\} \cong \R^{k-1} mengemban orientasi terinduksinya, yang merupakan (−1)k(-1)^k kali orientasi baku Rk−1\R^{k-1}.

Bukti. Pertama pembukuan orientasinya: normal keluar sepanjang ∂Hk\partial H^k adalah −ek-e_k, dan

det⁡(−ek,e1,…,ek−1)=−det⁡(ek,e1,…,ek−1)=−(−1)k−1det⁡(e1,…,ek)=(−1)k:\det(-e_k, e_1, \dots, e_{k-1}) = -\det(e_k, e_1, \dots, e_{k-1}) = -(-1)^{k-1}\det(e_1, \dots, e_k) = (-1)^k :

kerangka (e1,…,ek−1)(e_1, \dots, e_{k-1}) milik ∂Hk\partial H^k bersifat positif bagi orientasi terinduksinya tepat saat kk genap, dan dari sanalah perbandingan yang dinyatakan itu. Menurut kelinearannya ambillah η=f  ⁣du1∧⋯∧ ⁣dui^∧⋯∧ ⁣duk\eta = f\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\widehat{\dd u_i}\wedge\dots\wedge\dd u_k, f∈Cc∞(Rk)f \in \mathcal C^\infty_c(\R^k); maka  ⁣dη=(−1)i−1 ∂if  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\dd\eta = (-1)^{i-1}\,\partial_if\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k (sebab memindahkan  ⁣dui\dd u_i ke posisinya memakan i−1i - 1 penukaran). Ada dua kasus, keduanya lewat Tonelli–Fubini (Teorema 11.6) dan teorema dasar kalkulus satu variabel.

Kasus i<ki < k. Dengan mengintegralkan lebih dahulu terhadap uiu_i atas R\R: ∫R∂if  ⁣dui=0\int_\R\partial_if\,\dd u_i = 0 (menurut tumpuan kompaknya), sehingga ∫Hk ⁣dη=0\int_{H^k}\dd\eta = 0. Sedangkan pembatasan η\eta ke {uk=0}\{u_k = 0\} memuat faktor  ⁣duk\dd u_k, yang terbatas menjadi 00 (sebab uku_k konstan di sana): sehingga ∫∂Hkη=0\int_{\partial H^k}\eta = 0 juga.

Kasus i=ki = k. Dengan mengintegralkan lebih dahulu terhadap uku_k atas [0, ∞)\intco0\infty:

∫Hk ⁣dη=(−1)k−1∫Rk−1(∫0∞∂kf  ⁣duk) ⁣du′=(−1)k−1∫Rk−1(0−f(u′,0)) ⁣du′=(−1)k∫Rk−1f(u′,0)  ⁣du′.\begin{align*} \int_{H^k}\dd\eta &= (-1)^{k-1}\int_{\R^{k-1}} \Bigl(\int_0^\infty\partial_kf\,\dd u_k\Bigr)\dd u' \\ &= (-1)^{k-1}\int_{\R^{k-1}}\bigl(0 - f(u', 0)\bigr)\dd u' = (-1)^k\int_{\R^{k-1}}f(u',0)\,\dd u' . \end{align*}

Pada sisi batasnya, η\eta terbatas menjadi f(u′,0)  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk−1f(u', 0)\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_{k-1}, dan karena orientasi terinduksinya (−1)k(-1)^k kali orientasi bakunya, ∫∂Hkη=(−1)k∫Rk−1f(u′,0)  ⁣du′\int_{\partial H^k}\eta = (-1)^k\int_{\R^{k-1}}f(u',0)\,\dd u'. Jadi kedua ruasnya sama. ∎

Teorema 21.23 (Stokes)

Misalkan M⊆RnM \subseteq \R^n submanifold-kk kompak berorientasi dengan batas, dengan ∂M\partial M mengemban orientasi terinduksinya, dan misalkan ω\omega bentuk-(k−1)(k-1) mulus pada sebuah persekitaran MM. Maka

∫M ⁣dω=∫∂Mω.\int_M\dd\omega = \int_{\partial M}\omega .

Khususnya, jika ∂M=∅\partial M = \varnothing: ∫M ⁣dω=0\int_M\dd\omega = 0.

Bukti. Selimutilah kompak MM dengan berhingga banyak peta langsung (interior atau batas), lalu ambillah partisi kesatuan (χi)(\chi_i) yang subordinat pada himpunan terbuka WiW_i yang bersesuaian di Rn\R^n (Lema 21.20), dengan ∑χi=1\sum\chi_i = 1 pada sebuah persekitaran MM. Pada persekitaran itu  ⁣d(∑χi)=0\dd(\sum\chi_i) = 0, sehingga

∫M ⁣dω=∑i∫M ⁣d(χiω),∫∂Mω=∑i∫∂Mχiω:\int_M\dd\omega = \sum_i\int_M\dd(\chi_i\omega), \qquad \int_{\partial M}\omega = \sum_i\int_{\partial M}\chi_i\omega :

kedua ruasnya aditif, dan cukup dibuktikan teoremanya bagi bentuk yang bertumpu pada satu peta saja.

Peta interior. Jika supp⁡ω∩M⊆γ(V)\operatorname{supp}\omega \cap M \subseteq \gamma(V) dengan VV terbuka di Rk\R^k: perluaslah η=γ∗ω\eta = \gamma^*\omega oleh nol ke Rk\R^k (mulus, bertumpuan kompak di VV) lalu terapkan Lema 21.22 dengan tumpuannya menjauh dari ∂Hk\partial H^k (geserlah VV ke setengah ruang atas yang terbuka — atau ulangilah saja perhitungan kasus i<ki < k atas seluruh Rk\R^k): ∫M ⁣dω=∫Rk ⁣dη=0\int_M\dd\omega = \int_{\R^k}\dd\eta = 0, dan ∫∂Mω=0\int_{\partial M}\omega = 0 sebab ω\omega lenyap di dekat ∂M\partial M.

Peta batas. Jika supp⁡ω∩M⊆γ(V∩Hk)\operatorname{supp}\omega\cap M \subseteq \gamma(V \cap H^k): dengan η=γ∗ω\eta = \gamma^*\omega yang diperluas oleh nol, γ∗( ⁣dω)= ⁣dη\gamma^*(\dd\omega) = \dd\eta (Teorema 21.11(b)), sehingga menurut Definisi 21.18:

∫M ⁣dω=∫Hk ⁣dη=Lema 21.22∫∂Hkη.\int_M\dd\omega = \int_{H^k}\dd\eta \overset{\text{\text{Lema 21.22}}}{=} \int_{\partial H^k}\eta .

Tinggal mengenali ruas kanannya dengan ∫∂Mω\int_{\partial M}\omega. Batasnya diparametrikan oleh β(u′)=γ(u′,0)\beta(u') = \gamma(u', 0), dan β∗ω\beta^*\omega merupakan pembatasan η\eta ke {uk=0}\{u_k = 0\} (yakni tarikan balik di bawah inklusi u′↦(u′,0)u' \mapsto (u', 0) yang dikomposisikan dengan γ\gamma). Perbandingan orientasinya adalah (−1)k(-1)^k yang sama pada kedua ruasnya: sebab kerangka (∂1β,…,∂k−1β)(\partial_1\beta, \dots, \partial_{k-1}\beta) duduk pada orientasi terinduksi ∂M\partial M dengan tanda det⁡(−ek,e1,…,ek−1)=(−1)k\det(-e_k, e_1, \dots, e_{k-1}) = (-1)^k yang dihitung pada petanya (sebab vektor keluarnya tertarik balik menjadi −ek-e_k), yang persis merupakan tanda yang mengaitkan orientasi terinduksi ∂Hk\partial H^k dengan Rk−1\R^{k-1} yang baku (Lema 21.22). Jadi kedua konvensi tandanya meniadakan diri: ∫∂Hkη=∫∂Mω\int_{\partial H^k}\eta = \int_{\partial M}\omega. ∎

Contoh 21.24 (Teorema klasiknya)

Misalkan D⊆R2D \subseteq \R^2 daerah kompak dengan batas mulus, yang terorientasi secara baku. Untuk ω=P  ⁣dx+Q  ⁣dy\omega = P\,\dd x + Q\,\dd y:  ⁣dω=(∂xQ−∂yP) ⁣dx∧ ⁣dy\dd\omega = \bigl(\partial_xQ - \partial_yP\bigr)\dd x\wedge\dd y, dan Stokes berbunyi

∫D(∂Q∂x−∂P∂y) ⁣dx  ⁣dy=∮∂DP  ⁣dx+Q  ⁣dy:\int_D\Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)\dd x\,\dd y = \oint_{\partial D}P\,\dd x + Q\,\dd y :

yakni Green–Riemann, yang dibuktikan bagi daerah elementer pada jilid Tahun 2 dan kini dalam keumuman alaminya. Di R3\R^3, Stokes yang diterapkan pada bentuk-22 fluks sebuah medan vektor pada daerah kompak memberikan teorema divergensi ∫Ωdiv⁡F=∫∂Ω⟨F,ν⟩  ⁣dS\int_\Omega\operatorname{div}F = \int_{\partial\Omega}\langle F, \nu\rangle\,\dd S, sedangkan yang diterapkan pada bentuk-11 pada permukaan-dengan-batas memberikan teorema curl Kelvin–Stokes yang klasik; Latihan 21.7 menguraikan kedua kamusnya.

21.6 Bilangan lilitan

Definisi 21.25

Misalkan γ ⁣:[0, 1]→R2∖{a}\gamma\colon\intcc01\to\R^2\setminus\{a\} kurva tertutup yang mulus. Yang disebut bilangan lilitan kurva itu di sekitar aa adalah

Ind⁡γ(a)=12π∫γωθa,ωθa=(x−a1)  ⁣dy−(y−a2)  ⁣dx(x−a1)2+(y−a2)2.\operatorname{Ind}_\gamma(a) = \frac1{2\pi}\int_\gamma\omega_\theta^a, \qquad \omega_\theta^a = \frac{(x - a_1)\,\dd y - (y - a_2)\,\dd x}{(x - a_1)^2 + (y - a_2)^2} .

Proposisi 21.26

Berlaku Ind⁡γ(a)∈Z\operatorname{Ind}_\gamma(a) \in \Z; dan sebagai fungsi aa ia konstan pada setiap komponen terhubung R2∖γ([0, 1])\R^2\setminus\gamma(\intcc01) serta nol pada komponen tak terbatasnya. Untuk γ(t)=a+r(cos⁡2πt,sin⁡2πt)\gamma(t) = a + r(\cos2\pi t, \sin2\pi t): Ind⁡γ(a)=1\operatorname{Ind}_\gamma(a) = 1.

Bukti. Ambillah a=0a = 0 lalu tulis γ=(x,y)\gamma = (x, y), ρ=∥γ∥>0\rho = \norm\gamma > 0, ϑ(t)=∫0tγ∗ωθ\vartheta(t) = \int_0^t\gamma^*\omega_\theta, sehingga ϑ′=xy′−yx′x2+y2\vartheta' = \frac{xy' - yx'}{x^2 + y^2}. Dalam notasi kompleksnya ambillah u(t)=γ(t) ρ(t)−1e−iϑ(t)u(t) = \gamma(t)\,\rho(t)^{-1}\eu^{-\iu\vartheta(t)}; maka ∣u∣=1\abs u = 1 dan perhitungan langsung memberikan

u′u=γ′γ−ρ′ρ−iϑ′=γˉγ′∣γ∣2−ρ′ρ−i xy′−yx′ρ2=(xx′+yy′)ρ2−ρ′ρ=0,\frac{u'}{u} = \frac{\gamma'}{\gamma} - \frac{\rho'}{\rho} - \iu\vartheta' = \frac{\bar\gamma\gamma'}{\abs\gamma^2} - \frac{\rho'}{\rho} - \iu\,\frac{xy' - yx'}{\rho^2} = \frac{(xx' + yy')}{\rho^2} - \frac{\rho'}{\rho} = 0,

sebab γˉγ′=(xx′+yy′)+i(xy′−yx′)\bar\gamma\gamma' = (xx' + yy') + \iu(xy' - yx') dan ρρ′=xx′+yy′\rho\rho' = xx' + yy'. Jadi uu konstan: γ(t)=ρ(t) c eiϑ(t)\gamma(t) = \rho(t)\,c\,\eu^{\iu\vartheta(t)} dengan ∣c∣=1\abs c = 1, sedangkan γ(1)=γ(0)\gamma(1) = \gamma(0) beserta ρ(1)=ρ(0)\rho(1) = \rho(0) memaksa eiϑ(1)=eiϑ(0)=1\eu^{\iu\vartheta(1)} = \eu^{\iu\vartheta(0)} = 1: ϑ(1)∈2πZ\vartheta(1) \in 2\pi\Z, yakni Ind⁡γ(0)∈Z\operatorname{Ind}_\gamma(0) \in \Z. Lalu sebagai fungsi aa pada komplemen terbuka kurva kompaknya, integral pendefinisinya kontinu (Teorema 10.14, lewat dominasi pada persekitaran setiap aa); sedangkan fungsi kontinu bernilai bulat bersifat konstan lokal, sehingga konstan pada komponennya. Untuk ∥a∥\norm a yang besar integrannya O(1/∥a∥)O(1/\norm a) seragam terhadap tt, sehingga indeksnya menuju 00 dan lenyap pada komponen tak terbatasnya. Untuk lingkarannya: γ∗ωθa=2π  ⁣dt\gamma^*\omega_\theta^a = 2\pi\,\dd t secara langsung. ∎

Catatan 21.27

Di bawah C≅R2\C \cong \R^2,  ⁣dzz=x  ⁣dx+y  ⁣dyx2+y2+i ωθ\frac{\dd z}{z} = \frac{x\,\dd x + y\,\dd y}{x^2 + y^2} + \iu\,\omega_\theta, sehingga Ind⁡γ(a)=12iπ∮γ ⁣dzz−a\operatorname{Ind}_\gamma(a) = \frac1{2\iu\pi}\oint_\gamma\frac{\dd z}{z - a}: inilah indeks Bab 17, dan Proposisi 21.26 membuktikan ulang kebulatan dan kekonstanan lokalnya lewat cara variabel real — yakni separuh topologis teorema residunya, kini berdiri di atas Stokes.

Proposisi 21.28

Jika ω= ⁣df\omega = \dd f eksak pada UU yang terbuka dan γ ⁣:[0, 1]→U\gamma\colon\intcc01\to U kurva tertutup, maka ∫γω=0\int_\gamma\omega = 0.

Bukti. ∫γ ⁣df=∫01(f∘γ)′(t)  ⁣dt=f(γ(1))−f(γ(0))=0\int_\gamma\dd f = \int_0^1(f\circ\gamma)'(t)\,\dd t = f(\gamma(1)) - f(\gamma(0)) = 0 — sebab aturan rantainya mengenali γ∗( ⁣df)\gamma^*(\dd f) dengan (f∘γ)′  ⁣dt(f\circ\gamma)'\,\dd t. ∎

Metode 21.29

Menghitung dengan bentuk: (1) mekanisasikanlah — hasil kali eksteriornya diurutkan ulang dengan tanda,  ⁣d\dd menurunkan koefisiennya menjadi  ⁣dxj\dd x_j yang baru, dan tarikan baliknya mensubstitusi; percayailah aljabarnya, sebab ia menyandikan setiap Jacobi. (2) Untuk mengintegralkan sebuah bentuk atas submanifold: parametrikanlah secara langsung, tariklah balik, lalu integralkan koefisiennya; orientasinya satu-satunya jebakan — periksalah satu kerangka. (3) Untuk membuktikan sebuah identitas integral, carilah rupa Stokes: apakah integrannya eksak? apakah daerahnya sebuah batas? (4) Untuk membandingkan integral atas dua submanifold yang “sejajar”, terapkanlah Stokes pada daerah di antara keduanya (yakni argumen deformasinya, Latihan 21.10). (5) Integral tak nol sebuah bentuk tertutup mengesahkan adanya halangan topologis — tak ada primitif, tak ada retraksi, tak ada perluasan bebas nol: dan beginilah soal akhir pekannya membunuh retraksi bolanya.

21.7 Latihan

Latihan 21.1 ★

Pada R3\R^3, misalkan ω=x  ⁣dy−z  ⁣dx\omega = x\,\dd y - z\,\dd x dan η= ⁣dx+y  ⁣dz\eta = \dd x + y\,\dd z. Hitunglah ω∧η\omega\wedge\eta,  ⁣dω\dd\omega,  ⁣dη\dd\eta, dan  ⁣d(ω∧η)\dd(\omega\wedge\eta), lalu periksalah aturan Leibniz berderajatnya pada contoh ini.

Solusi

Solusi Latihan 21.1.

Dengan menguraikan dan membunuh faktor berulangnya:

ω∧η=(x  ⁣dy−z  ⁣dx)∧( ⁣dx+y  ⁣dz)=−x  ⁣dx∧ ⁣dy+xy  ⁣dy∧ ⁣dz+yz  ⁣dz∧ ⁣dx\omega\wedge\eta = (x\,\dd y - z\,\dd x)\wedge(\dd x + y\,\dd z) = -x\,\dd x\wedge\dd y + xy\,\dd y\wedge\dd z + yz\,\dd z\wedge\dd x

(dengan memakai  ⁣dy∧ ⁣dx=− ⁣dx∧ ⁣dy\dd y\wedge\dd x = -\dd x\wedge\dd y dan −zy  ⁣dx∧ ⁣dz=yz  ⁣dz∧ ⁣dx-zy\,\dd x\wedge\dd z = yz\,\dd z\wedge\dd x). Berikutnya  ⁣dω= ⁣dx∧ ⁣dy− ⁣dz∧ ⁣dx= ⁣dx∧ ⁣dy+ ⁣dx∧ ⁣dz\dd\omega = \dd x\wedge\dd y - \dd z\wedge\dd x = \dd x\wedge\dd y + \dd x\wedge\dd z dan  ⁣dη= ⁣dy∧ ⁣dz\dd\eta = \dd y\wedge\dd z. Akhirnya

 ⁣d(ω∧η)=y  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz+z  ⁣dy∧ ⁣dz∧ ⁣dx=(y+z)  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz\dd(\omega\wedge\eta) = y\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z + z\,\dd y\wedge\dd z\wedge\dd x = (y + z)\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z

(sebab suku pertama ω∧η\omega\wedge\eta menyumbang  ⁣d(−x)∧ ⁣dx∧ ⁣dy=0\dd(-x) \wedge\dd x\wedge\dd y = 0; sedangkan permutasi siklik tiga faktor bersifat genap). Pemeriksaan Leibniznya:  ⁣dω∧η=( ⁣dx∧ ⁣dy+ ⁣dx∧ ⁣dz)∧( ⁣dx+y  ⁣dz)=y  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz\dd\omega\wedge\eta = (\dd x\wedge\dd y + \dd x\wedge\dd z)\wedge(\dd x + y\,\dd z) = y\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z, dan (−1)1ω∧ ⁣dη=−(x  ⁣dy−z  ⁣dx)∧ ⁣dy∧ ⁣dz=z  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz(-1)^1\omega\wedge\dd\eta = -(x\,\dd y - z\,\dd x)\wedge\dd y\wedge\dd z = z\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z; sehingga jumlahnya cocok.

Latihan 21.2 ★

Kenalilah, pada R3\R^3, ketiga penjelmaan  ⁣d\dd: bagi f∈Ω0f \in \Omega^0,  ⁣df↔∇f\dd f \leftrightarrow \nabla f; bagi bentuk kerja ωF=F1 ⁣dx+F2 ⁣dy+F3 ⁣dz\omega_F = F_1\dd x + F_2\dd y + F_3\dd z,  ⁣dωF↔curl⁡F\dd\omega_F \leftrightarrow \operatorname{curl}F; dan bagi bentuk fluks σF=F1  ⁣dy∧ ⁣dz+F2  ⁣dz∧ ⁣dx+F3  ⁣dx∧ ⁣dy\sigma_F = F_1\,\dd y\wedge\dd z + F_2\,\dd z\wedge\dd x + F_3\,\dd x\wedge\dd y,  ⁣dσF↔div⁡F\dd\sigma_F \leftrightarrow \operatorname{div}F. Simpulkanlah dari  ⁣d2=0\dd^2 = 0 identitas curl⁡∇f=0\operatorname{curl}\nabla f = 0 dan div⁡curl⁡F=0\operatorname{div}\operatorname{curl}F = 0.

Solusi

Solusi Latihan 21.2.

Bentuk  ⁣df=∑i∂if  ⁣dxi\dd f = \sum_i\partial_if\,\dd x_i berkoefisien ∇f\nabla f. Untuk bentuk kerjanya,

 ⁣dωF=(∂yF3−∂zF2)  ⁣dy∧ ⁣dz+(∂zF1−∂xF3)  ⁣dz∧ ⁣dx+(∂xF2−∂yF1)  ⁣dx∧ ⁣dy=σcurl⁡F,\dd\omega_F = (\partial_yF_3 - \partial_zF_2)\,\dd y\wedge\dd z + (\partial_zF_1 - \partial_xF_3)\,\dd z\wedge\dd x + (\partial_xF_2 - \partial_yF_1)\,\dd x\wedge\dd y = \sigma_{\operatorname{curl}F},

yakni bentuk fluks curl-nya (kumpulkanlah keenam suku ∑i ⁣dFi∧ ⁣dxi\sum_i\dd F_i\wedge\dd x_i). Untuk bentuk fluksnya,  ⁣dσF=(∂xF1+∂yF2+∂zF3)  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz\dd\sigma_F = (\partial_xF_1 + \partial_yF_2 + \partial_zF_3)\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z: yakni divergensinya. Lalu  ⁣d2f=0\dd^2f = 0 berbunyi σcurl⁡∇f=0\sigma_{\operatorname{curl}\nabla f} = 0, yakni curl⁡∇f=0\operatorname{curl}\nabla f = 0, sedangkan  ⁣d2ωF=0\dd^2\omega_F = 0 berbunyi (div⁡curl⁡F)  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz=0(\operatorname{div}\operatorname{curl}F)\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z = 0: jadi kedua identitas vektornya adalah satu identitas,  ⁣d2=0\dd^2 = 0, yang dibaca pada dua derajat.

Latihan 21.3 ★★

Putuskanlah apakah setiap bentuk-11 berikut tertutup, eksak pada daerah asalnya, lalu hitunglah primitifnya bila ada: (a) (2xy+z2)  ⁣dx+x2  ⁣dy+2xz  ⁣dz(2xy + z^2)\,\dd x + x^2\,\dd y + 2xz\,\dd z pada R3\R^3; (b) x  ⁣dx+y  ⁣dyx2+y2\dfrac{x\,\dd x + y\,\dd y}{x^2 + y^2} pada R2∖{0}\R^2\setminus\{0\}; (c) −y  ⁣dx+x  ⁣dyx2+y2\dfrac{-y\,\dd x + x\,\dd y}{x^2 + y^2} pada setengah bidang {x>0}\{x > 0\}.

Solusi

Solusi Latihan 21.3.

(a) Ketertutupannya adalah kesetangkupan turunan parsial silangnya: ∂y(2xy+z2)=2x=∂x(x2)\partial_y(2xy + z^2) = 2x = \partial_x(x^2), ∂z(2xy+z2)=2z=∂x(2xz)\partial_z(2xy + z^2) = 2z = \partial_x(2xz), ∂z(x2)=0=∂y(2xz)\partial_z(x^2) = 0 = \partial_y(2xz). Sedangkan daerah asalnya R3\R^3 berbentuk bintang: jadi eksak (Teorema 21.15), dengan primitif f=x2y+xz2f = x^2y + xz^2 (periksalah  ⁣df\dd f). (b) x  ⁣dx+y  ⁣dyx2+y2=12  ⁣dlog⁡(x2+y2)\dfrac{x\,\dd x + y\,\dd y}{x^2 + y^2} = \tfrac12\,\dd\log(x^2 + y^2): jadi eksak pada seluruh R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} (sehingga tertutup) — yakni sepupu radial bentuk sudutnya yang tak berbahaya. (c) Pada {x>0}\{x > 0\} bentuknya adalah ωθ\omega_\theta, yang tertutup (Latihan 21.4); sedangkan setengah bidangnya cembung, sehingga ia eksak di sana, dan memang f=arctan⁡(y/x)f = \arctan(y/x) memenuhi  ⁣df=−y  ⁣dx+x  ⁣dyx2+y2\dd f = \frac{-y\,\dd x + x\,\dd y}{x^2 + y^2}. Jadi eksak pada setengah bidangnya, tak eksak pada bidang tertusuknya: sebab halangannya tinggal di lubangnya, bukan di rumusnya.

Latihan 21.4 ★★

(Bentuk sudutnya) Periksalah bahwa ωθ\omega_\theta (Contoh 21.14) tertutup; hitunglah ∫γωθ\int_\gamma\omega_\theta bagi γ\gamma lingkaran berjari-jari rr di sekitar 00; lalu simpulkan bahwa ωθ\omega_\theta tak eksak pada R2∖{0}\R^2\setminus\{0\}, dan bahwa R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} tak berbentuk bintang terhadap satu titik pun yang dimilikinya (lewat dua jalur: lewat Teorema 21.15, dan langsung dari geometrinya).

Solusi

Solusi Latihan 21.4.

Untuk ketertutupannya: dengan ρ2=x2+y2\rho^2 = x^2 + y^2,

∂x(xρ2)=ρ2−2x2ρ4=y2−x2ρ4=∂y(−yρ2),\partial_x\Bigl(\frac{x}{\rho^2}\Bigr) = \frac{\rho^2 - 2x^2}{\rho^4} = \frac{y^2 - x^2}{\rho^4} = \partial_y\Bigl(\frac{-y}{\rho^2}\Bigr),

sehingga  ⁣dωθ=(∂x(x/ρ2)−∂y(−y/ρ2))  ⁣dx∧ ⁣dy=0\dd\omega_\theta = \bigl(\partial_x(x/\rho^2) - \partial_y(-y/\rho^2)\bigr)\,\dd x\wedge\dd y = 0. Lalu pada γ(t)=(rcos⁡2πt,rsin⁡2πt)\gamma(t) = (r\cos2\pi t, r\sin2\pi t):

γ∗ωθ=2πr2(cos⁡22πt+sin⁡22πt)r2  ⁣dt=2π  ⁣dt,sehingga∫γωθ=2π.\gamma^*\omega_\theta = \frac{2\pi r^2(\cos^22\pi t + \sin^22\pi t)}{r^2}\,\dd t = 2\pi\,\dd t, \qquad\text{sehingga}\qquad \int_\gamma\omega_\theta = 2\pi .

Seandainya ωθ\omega_\theta eksak, integral ini akan lenyap (Proposisi 21.28): jadi ia tak eksak. Seandainya R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} berbentuk bintang terhadap suatu pp, lema Poincaré (yang digeser ke pp) akan menjadikan setiap bentuk tertutup eksak — yakni kontradiksi. Secara langsung: bagi sembarang p≠0p \neq 0, ruas dari pp ke titik −p-p milik daerah asalnya melewati 00: sehingga sifat berbentuk bintangnya gagal pada setiap titiknya.

Latihan 21.5 ★★

(Bentuk luas sebuah hiperpermukaan) Misalkan M⊆RnM \subseteq \R^n hiperpermukaan kompak berorientasi yang orientasinya diberikan oleh medan normal satuan ν\nu (dengan (w1,…,wn−1)(w_1, \dots, w_{n-1}) positif jika dan hanya jika (ν,w1,…,wn−1)(\nu, w_1, \dots, w_{n-1}) positif di Rn\R^n). Tunjukkanlah bahwa bentuk-(n−1)(n-1) σν=∑i(−1)i−1νi  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxi^∧⋯∧ ⁣dxn\sigma_\nu = \sum_i(-1)^{i-1}\nu_i\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\widehat{\dd x_i}\wedge\dots\wedge\dd x_n terbatas pada MM menjadi bentuk luasnya: bahwa bagi parametrisasi langsung γ\gamma, γ∗σν=det⁡G  ⁣du1∧⋯∧ ⁣dun−1\gamma^*\sigma_\nu = \sqrt{\det G}\,\dd u_1\wedge\dots \wedge\dd u_{n-1}, dengan G=(tDγ)(Dγ)G = ({}^t D\gamma)(D\gamma) sebagai matriks Gram. (Perhatikanlah bahwa (γ∗σν)(e1,…,en−1)=det⁡(ν,∂1γ,…,∂n−1γ)(\gamma^*\sigma_\nu)(e_1, \dots, e_{n-1}) = \det(\nu, \partial_1\gamma, \dots, \partial_{n-1}\gamma) lalu kuadratkanlah determinan itu.) Hitunglah ∫S2σν=4π\int_{S^2}\sigma_\nu = 4\pi.

Solusi

Solusi Latihan 21.5.

Untuk vektor v1,…,vn−1v_1, \dots, v_{n-1}, menguraikan determinannya sepanjang kolom pertamanya memberikan

det⁡(ν,v1,…,vn−1)=∑i=1n(−1)i−1νi det⁡(baris≠i dari (v1,…,vn−1))=σν(v1,…,vn−1),\det(\nu, v_1, \dots, v_{n-1}) = \sum_{i=1}^n(-1)^{i-1}\nu_i\, \det\bigl(\text{baris} \neq i \text{ dari } (v_1, \dots, v_{n-1})\bigr) = \sigma_\nu(v_1, \dots, v_{n-1}),

sebab ( ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxi^∧⋯∧ ⁣dxn)(v1,…,vn−1)(\dd x_1\wedge\dots\wedge\widehat{\dd x_i}\wedge\dots\wedge\dd x_n)(v_1, \dots, v_{n-1}) tepat merupakan minor terhapus ke-ii (Definisi 21.3). Lalu menerapkannya pada vj=∂jγv_j = \partial_j\gamma: (γ∗σν)(e1,…,en−1)=det⁡A(\gamma^*\sigma_\nu)(e_1, \dots, e_{n-1}) = \det A dengan A=(ν ∂1γ ⋯ ∂n−1γ)A = (\nu\ \partial_1\gamma\ \cdots\ \partial_{n-1}\gamma). Sekarang t ⁣AA{}^t\!AA diagonal per blok: ⟨ν,ν⟩=1\langle\nu, \nu\rangle = 1 dan ⟨ν,∂jγ⟩=0\langle\nu, \partial_j\gamma\rangle = 0 (sebab ν\nu normal, sedangkan ∂jγ\partial_j\gamma singgung), sehingga (det⁡A)2=det⁡(t ⁣AA)=det⁡G(\det A)^2 = \det({}^t\!AA) = \det G; dan det⁡A>0\det A > 0 bagi parametrisasi langsung (sebab itulah arti orientasi-ν\nu-nya): γ∗σν=det⁡G  ⁣du1∧⋯∧ ⁣dun−1\gamma^*\sigma_\nu = \sqrt{\det G}\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_{n-1}, yakni unsur luas Gramnya. Untuk S2S^2, ν(x)=x\nu(x) = x dan parametrisasi bolanya γ(θ,φ)=(sin⁡φcos⁡θ,sin⁡φsin⁡θ,cos⁡φ)\gamma(\theta, \varphi) = (\sin\varphi\cos\theta, \sin\varphi\sin\theta, \cos\varphi) pada (0,2π)×(0,π)(0,2\pi)\times(0,\pi) (yang langsung; ia melewatkan satu meridian, yakni himpunan yang tak berluas): det⁡G=sin⁡2φ\det G = \sin^2\varphi, sehingga ∫S2σν=∫02π ⁣ ⁣∫0πsin⁡φ  ⁣dφ  ⁣dθ=4π\int_{S^2}\sigma_\nu = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\pi\sin\varphi\,\dd\varphi\, \dd\theta = 4\pi.

Latihan 21.6 ★★

Hitunglah ∫S2ω\int_{S^2}\omega bagi ω=x  ⁣dy∧ ⁣dz+y  ⁣dz∧ ⁣dx+z  ⁣dx∧ ⁣dy\omega = x\,\dd y\wedge\dd z + y\,\dd z\wedge\dd x + z\,\dd x\wedge\dd y: (a) langsung dalam koordinat bolanya; (b) lewat Stokes pada bola satuannya. Simpulkanlah vol⁡(B3)=4π3\operatorname{vol}(B^3) = \frac{4\pi}3 dari luas S2S^2, lalu umumkanlah: nvol⁡(Bn)=area⁡(Sn−1)n\operatorname{vol}(B^n) = \operatorname{area}(S^{n-1}), yang selaras dengan Teorema 11.13.

Solusi

Solusi Latihan 21.6.

Bentuk ω\omega yang diberikan adalah σν\sigma_\nu bagi ν(x)=x\nu(x) = x pada S2S^2, sehingga (a) adalah perhitungan yang baru saja dikerjakan: ∫S2ω=4π\int_{S^2}\omega = 4\pi. (b)  ⁣dω=3  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz\dd\omega = 3\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z, dan Stokes pada bola satuannya memberikan ∫S2ω=3vol⁡(B3)\int_{S^2}\omega = 3\operatorname{vol}(B^3): sehingga vol⁡(B3)=4π3\operatorname{vol}(B^3) = \frac{4\pi}3. Secara umum, bentuk σ=∑i(−1)i−1xi  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxi^∧⋯∧ ⁣dxn\sigma = \sum_i(-1)^{i-1}x_i\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\widehat{\dd x_i}\wedge\dots\wedge\dd x_n terbatas pada Sn−1S^{n-1} menjadi bentuk luasnya (dengan ν=x\nu = x pada Latihan 21.5),  ⁣dσ=n  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\dd\sigma = n\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, dan Stokes menghasilkan area⁡(Sn−1)=nvol⁡(Bn)\operatorname{area}(S^{n-1}) = n\operatorname{vol}(B^n) — yang selaras dengan rumus fungsi Gamma Teorema 11.13.

Latihan 21.7 ★★

(Kamusnya) Turunkanlah dengan cermat dari Teorema 21.23: (a) teorema divergensi di R3\R^3 (gabungkanlah Latihan 21.2 dan Latihan 21.5); (b) teorema Kelvin–Stokes ∫S⟨curl⁡F,ν⟩  ⁣dS=∮∂S⟨F,τ⟩  ⁣dℓ\int_S\langle\operatorname{curl}F, \nu\rangle\,\dd S = \oint_{\partial S}\langle F, \tau\rangle\,\dd\ell bagi permukaan kompak berorientasi dengan batas di R3\R^3. Periksalah bahwa konvensi orientasinya cocok pada setengah bola atas yang dibatasi khatulistiwanya.

Solusi

Solusi Latihan 21.7.

(a) Stokes yang diterapkan pada bentuk fluks σF\sigma_F pada daerah kompak Ω\Omega: ∫Ωdiv⁡F  ⁣dx=∫∂ΩσF\int_\Omega\operatorname{div}F\,\dd x = \int_{\partial\Omega}\sigma_F (Latihan 21.2 bagi sisi interiornya). Kenalilah integran batasnya: bagi v1,v2v_1, v_2 yang singgung pada suatu titik ∂Ω\partial\Omega, uraian kolom pertama Latihan 21.5 memberikan σF(v1,v2)=det⁡(F,v1,v2)\sigma_F(v_1, v_2) = \det(F, v_1, v_2); lalu dengan menulis F=⟨F,ν⟩ν+TF = \langle F, \nu\rangle\nu + T dengan TT yang singgung, kolom TT merupakan kombinasi bidang v1,v2v_1, v_2, sehingga det⁡(T,v1,v2)=0\det(T, v_1, v_2) = 0 dan σF∣∂Ω=⟨F,ν⟩ σν=⟨F,ν⟩  ⁣dS\sigma_F\vert_{\partial\Omega} = \langle F, \nu\rangle\,\sigma_\nu = \langle F, \nu\rangle\,\dd S: yakni teorema divergensinya, dengan ν\nu sebagai normal keluarnya (sebab normal-keluar-dulu tepat merupakan orientasi terinduksinya). (b) Stokes yang diterapkan pada ωF\omega_F pada permukaan-dengan-batas SS:  ⁣dωF=σcurl⁡F\dd\omega_F = \sigma_{\operatorname{curl}F} terbatas menjadi ⟨curl⁡F,ν⟩  ⁣dS\langle\operatorname{curl}F, \nu\rangle\,\dd S lewat pengenalan yang sama, sedangkan pada kurva batasnya γ∗ωF=⟨F∘γ,γ′⟩  ⁣dt\gamma^*\omega_F = \langle F\circ\gamma, \gamma'\rangle\,\dd t, yakni ∮⟨F,τ⟩  ⁣dℓ\oint\langle F, \tau\rangle\,\dd\ell. Pada setengah bola atas dengan ν\nu yang keluar (radial): di titik khatulistiwa p=(1,0,0)p = (1,0,0) vektor keluar-di-dalam-permukaannya adalah −e3-e_3; lalu melengkapinya menjadi kerangka positif menunjukkan bahwa khatulistiwanya ditelusuri berlawanan arah jarum jam dilihat dari atas (+e3+e_3): yakni aturan tangan kanannya, dengan konvensi yang sama pada kedua ruas identitasnya.

Latihan 21.8 ★★

(Identitas Green) Untuk u,vu, v yang mulus pada persekitaran daerah kompak Ω⊆Rn\Omega \subseteq \R^n yang berbatas mulus, buktikanlah

∫Ω(u Δv+⟨∇u,∇v⟩)=∫∂Ωu ∂νv  ⁣dS,∫Ω(u Δv−v Δu)=∫∂Ω(u ∂νv−v ∂νu) ⁣dS.\int_\Omega\bigl(u\,\Delta v + \langle\nabla u, \nabla v\rangle\bigr) = \int_{\partial\Omega}u\,\partial_\nu v\,\dd S, \qquad \int_\Omega\bigl(u\,\Delta v - v\,\Delta u\bigr) = \int_{\partial\Omega}\bigl(u\,\partial_\nu v - v\,\partial_\nu u\bigr)\dd S .

Simpulkanlah: bahwa fungsi harmonik pada Ω\Omega yang lenyap pada ∂Ω\partial\Omega lenyap secara identik, dan dua fungsi harmonik dengan nilai batas yang sama berimpit — yakni ketunggalan pada masalah Dirichlet Bab 18.

Solusi

Solusi Latihan 21.8.

Terapkanlah teorema divergensi (Latihan 21.7(a), yang buktinya bebas dimensi) pada F=u∇vF = u\nabla v: div⁡(u∇v)=u Δv+⟨∇u,∇v⟩\operatorname{div}(u\nabla v) = u\,\Delta v + \langle\nabla u, \nabla v\rangle dan ⟨F,ν⟩=u ∂νv\langle F, \nu\rangle = u\,\partial_\nu v: yakni identitas pertamanya. Lalu menukar u,vu, v lalu mengurangkannya meniadakan suku setangkupnya: yakni yang kedua. Jika Δu=0\Delta u = 0 pada Ω\Omega dan u=0u = 0 pada ∂Ω\partial\Omega: maka identitas pertamanya dengan v=uv = u memberikan ∫Ω∥∇u∥2=0\int_\Omega\norm{\nabla u}^2 = 0, sehingga ∇u≡0\nabla u \equiv 0 dan uu konstan pada setiap komponennya; sedangkan tutupan setiap komponennya menemui ∂Ω\partial\Omega (menurut keterbatasannya), yang u=0u = 0 di sana: jadi u≡0u \equiv 0. Lalu dua fungsi harmonik dengan nilai batas yang sama berselisih uu semacam itu: jadi keduanya berimpit — yakni ketunggalan bagi masalah Dirichletnya, yang melengkapi teori keberadaan pada cakramnya di Bab 18.

Latihan 21.9 ★★

(Penggantian variabel, bentuk berorientasi) Misalkan φ ⁣:U→V\varphi\colon U \to V difeomorfisma antara himpunan terbuka Rn\R^n dengan det⁡Dφ>0\det D\varphi > 0, dan ff kontinu bertumpuan kompak di VV. Tunjukkanlah bahwa identitas tarikan baliknya ∫Uφ∗(f  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn)=∫Vf  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\int_U\varphi^*(f\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n) = \int_Vf\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n setara dengan teorema penggantian variabelnya (Teorema 11.11) bagi φ\varphi semacam itu, lalu jelaskanlah persis ke mana nilai mutlak pada Jacobinya pergi.

Solusi

Solusi Latihan 21.9.

Menurut Teorema 21.11(c), φ∗(f  ⁣dy1∧⋯∧ ⁣dyn)=(f∘φ) det⁡(Dφ)  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\varphi^*(f\,\dd y_1\wedge\dots\wedge\dd y_n) = (f\circ\varphi)\,\det(D\varphi)\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, sehingga identitas tarikan baliknya berbunyi

∫U(f∘φ) det⁡(Dφ)  ⁣dx=∫Vf  ⁣dy.\int_U(f\circ\varphi)\,\det(D\varphi)\,\dd x = \int_Vf\,\dd y .

Karena det⁡Dφ>0\det D\varphi > 0 di mana-mana, det⁡Dφ=∣det⁡Dφ∣\det D\varphi = \abs{\det D\varphi}, dan inilah persis rumus penggantian variabelnya (Teorema 11.11) bagi integran kontinu yang bertumpuan kompak: jadi masing-masing pernyataannya adalah yang lain. Adapun nilai mutlaknya masuk ke dalam hipotesisnya: yakni orientasinya. Bagi φ\varphi yang membalik orientasi, identitas bentuknya memperoleh sebuah tanda minus global (sebab bentuk merasakan orientasi), sedangkan rumus ukurannya tetap memakai ∣det⁡∣\abs{\det} (sebab ukuran tidak): jadi dua pembukuan atas satu Jacobi.

Latihan 21.10 ★★★

(Deformasi) Misalkan ω\omega bentuk-22 tertutup pada R3∖{0}\R^3\setminus\{0\} dan SrS_r bola berjari-jari rr yang berpusat di 00. Tunjukkanlah bahwa ∫Srω\int_{S_r}\omega tak bergantung pada r>0r > 0 (terapkanlah Stokes pada cangkang antara dua jari-jari; perhatikanlah kedua orientasi batasnya). Terapkanlah pada bentuk sudut ruang

ω=x  ⁣dy∧ ⁣dz+y  ⁣dz∧ ⁣dx+z  ⁣dx∧ ⁣dy(x2+y2+z2)3/2:\omega = \frac{x\,\dd y\wedge\dd z + y\,\dd z\wedge\dd x + z\,\dd x\wedge\dd y}{(x^2 + y^2 + z^2)^{3/2}} :

periksalah bahwa ia tertutup, hitunglah ∫Srω=4π\int_{S_r}\omega = 4\pi, lalu simpulkanlah bahwa ia tertutup tetapi tak eksak pada R3∖{0}\R^3\setminus\{0\} — yakni saudara berdimensi dua ωθ\omega_\theta, dan isi geometris hukum Gauss dalam elektrostatika.

Solusi

Solusi Latihan 21.10.

Cangkang A={r1≤∥x∥≤r2}A = \{r_1 \leq \norm x \leq r_2\} merupakan submanifold-33 kompak dengan batas Sr2∪Sr1S_{r_2}\cup S_{r_1}; sedangkan orientasi terinduksinya adalah orientasi sfera yang biasa pada Sr2S_{r_2} (keluar dari AA = menjauhi 00) dan yang berlawanan pada Sr1S_{r_1} (keluar dari AA = menuju 00). Lalu Stokes dengan  ⁣dω=0\dd\omega = 0:

0=∫A ⁣dω=∫Sr2ω−∫Sr1ω.0 = \int_A\dd\omega = \int_{S_{r_2}}\omega - \int_{S_{r_1}}\omega .

Untuk bentuk sudut ruangnya: dengan ρ=∥x∥\rho = \norm x dan σ=x  ⁣dy∧ ⁣dz+y  ⁣dz∧ ⁣dx+z  ⁣dx∧ ⁣dy\sigma = x\,\dd y\wedge\dd z + y\,\dd z\wedge\dd x + z\,\dd x\wedge\dd y, berlaku ω=ρ−3σ\omega = \rho^{-3}\sigma dan

 ⁣dω=∑i∂i(xiρ−3)  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz=(3ρ−3−3ρ−5⋅ρ2) ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz=0.\dd\omega = \sum_i\partial_i\bigl(x_i\rho^{-3}\bigr)\, \dd x\wedge\dd y\wedge\dd z = \bigl(3\rho^{-3} - 3\rho^{-5}\cdot\rho^2\bigr)\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z = 0 .

Pada SrS_r, bagi v1,v2v_1, v_2 yang singgung: ω(v1,v2)=r−3det⁡(x,v1,v2)=r−3 rdet⁡(ν,v1,v2)=r−2  ⁣dS(v1,v2)\omega(v_1, v_2) = r^{-3}\det(x, v_1, v_2) = r^{-3}\,r\det(\nu, v_1, v_2) = r^{-2}\,\dd S(v_1, v_2), sehingga ∫Srω=r−2⋅4πr2=4π\int_{S_r}\omega = r^{-2}\cdot4\pi r^2 = 4\pi: yakni konstan terhadap rr, seperti yang diramalkan deformasinya, dan tak nol — sehingga ω\omega tertutup tetapi tak eksak pada R3∖{0}\R^3\setminus\{0\} (sebab bentuk eksak terintegralkan menjadi 00 atas SrS_r yang tanpa batas menurut Stokes). Inilah hukum Gauss: bahwa fluks medan sebuah muatan satuan lewat sembarang sfera yang melingkupinya adalah 4π4\pi, berapa pun jari-jarinya.

Latihan 21.11 ★★

Misalkan γ\gamma kurva tertutup mulus di R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} dengan n=Ind⁡γ(0)n = \operatorname{Ind}_\gamma(0). Tunjukkanlah ∫γω=n∫S1ω\int_\gamma\omega = n\int_{S^1}\omega bagi setiap bentuk-11 tertutup ω\omega pada R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} (tulislah ω=c ωθ+ ⁣df\omega = c\,\omega_\theta + \dd f menurut Latihan 21.12). Tafsirannya: bahwa pada bidang tertusuknya, bilangan lilitan adalah satu-satunya halangan bagi lenyapnya periode.

Solusi

Solusi Latihan 21.11.

Tulislah ω=c ωθ+ ⁣df\omega = c\,\omega_\theta + \dd f (Latihan 21.12) dengan c=12π∫S1ωc = \frac1{2\pi}\int_{S^1}\omega. Maka

∫γω=c∫γωθ+∫γ ⁣df=c⋅2πInd⁡γ(0)+0=n∫S1ω,\int_\gamma\omega = c\int_\gamma\omega_\theta + \int_\gamma\dd f = c\cdot2\pi\operatorname{Ind}_\gamma(0) + 0 = n\int_{S^1}\omega,

menurut Proposisi 21.28 dan definisi indeksnya. Satu bilangan bulat nn mengendalikan setiap periode pada bidang tertusuknya: sebab bentuk-11 tertutup tak dapat membedakan dua gelung yang berbilangan lilitan sama.

Latihan 21.12 ★★★

(Perhitungan de Rham pertama) Tunjukkanlah bahwa setiap bentuk-11 tertutup ω\omega pada U=R2∖{0}U = \R^2\setminus\{0\} secara tunggal berupa

ω=c ωθ+ ⁣df,c=12π∫S1ω,f∈C∞(U):\omega = c\,\omega_\theta + \dd f, \qquad c = \frac1{2\pi}\int_{S^1}\omega,\quad f \in \mathcal C^\infty(U) :

definisikanlah f(p)f(p) dengan mengintegralkan ω−c ωθ\omega - c\,\omega_\theta sepanjang lintasan dari (1,0)(1,0) ke pp (potongan radial lalu busur lingkaran), tunjukkanlah bahwa hasilnya tak bergantung pada pilihannya justru karena periode-S1S^1-nya lenyap, lalu periksalah  ⁣df=ω−c ωθ\dd f = \omega - c\,\omega_\theta. Simpulkanlah: H1(R2∖{0})≅RH^1(\R^2\setminus\{0\}) \cong \R, yang dibangkitkan bentuk sudutnya.

Solusi

Solusi Latihan 21.12.

Ambillah α=ω−c ωθ\alpha = \omega - c\,\omega_\theta: yang tertutup, dan ∫S1α=0\int_{S^1}\alpha = 0 menurut pilihan cc-nya (sebab ∫S1ωθ=2π\int_{S^1}\omega_\theta = 2\pi). Tariklah balik lewat pemetaan kutub Φ(ρ,θ)=(ρcos⁡θ,ρsin⁡θ)\Phi(\rho, \theta) = (\rho\cos\theta, \rho\sin\theta), yakni difeomorfisma lokal surjektif (0,∞)×R→U(0, \infty)\times\R \to U: maka Φ∗α\Phi^*\alpha tertutup (Teorema 21.11(b)) pada himpunan terbuka cembung (0,∞)×R(0,\infty)\times\R, sehingga eksak (Teorema 21.15): Φ∗α= ⁣dg\Phi^*\alpha = \dd g. Untuk ρ\rho yang tetap: g(ρ,θ+2π)−g(ρ,θ)=∫θθ+2π∂θg  ⁣dsg(\rho, \theta + 2\pi) - g(\rho, \theta) = \int_\theta^{\theta + 2\pi}\partial_\theta g\,\dd s adalah integral α\alpha mengelilingi lingkaran berjari-jari ρ\rho, yang sama dengan ∫S1α=0\int_{S^1}\alpha = 0 (sebab anulus antara kedua lingkarannya merupakan permukaan kompak dengan batas; lalu Stokes seperti pada Latihan 21.10, satu dimensi lebih rendah). Jadi gg berperiode 2π2\pi terhadap θ\theta dan turun ke fungsi ff yang terdefinisi baik pada UU dengan f∘Φ=gf\circ\Phi = g; lalu ff mulus (sebab Φ\Phi difeomorfisma lokal) dan Φ∗( ⁣df)= ⁣dg=Φ∗α\Phi^*(\dd f) = \dd g = \Phi^*\alpha memaksa  ⁣df=α\dd f = \alpha. Karena itu ω=c ωθ+ ⁣df\omega = c\,\omega_\theta + \dd f. Untuk ketunggalannya: mengintegralkannya atas S1S^1 menetapkan cc, sebab bentuk eksak berperiode nol; sedangkan ff tunggal sampai penambahan konstanta. Jadi pemetaan [ω]↦12π∫S1ω[\omega] \mapsto \frac1{2\pi}\int_{S^1}\omega merupakan isomorfisma linear H1(R2∖{0})→RH^1(\R^2\setminus\{0\}) \to \R, dan kelas ωθ\omega_\theta membangkitkannya: sehingga lubangnya tepat berdimensi satu, secara kohomologis.

21.8 Soal: teorema titik tetap Brouwer

Soal 21.1

Soal akhir pekan — tak ada retraksi, tak ada pelolosan

Teorema Brouwer menyatakan bahwa setiap pemetaan kontinu dari bola satuan tertutup Bˉ=Bˉn⊆Rn\bar B = \bar B^n \subseteq \R^n ke dirinya sendiri mempunyai titik tetap — yakni salah satu teorema besar matematika, dengan akibat mulai dari teori permainan (kesetimbangan Nash) sampai analisis matriks. Buktinya lewat bentuk diferensial adalah yang terbersih yang dikenal: Stokes menunjukkan bahwa sferanya bukan retrak bolanya, dan selebihnya menyusul. Sepanjang soal ini, S=Sn−1=∂BˉS = S^{n-1} = \partial\bar B, n≥2n \geq 2, dan

σ=∑i=1n(−1)i−1xi  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxi^∧⋯∧ ⁣dxn\sigma = \sum_{i=1}^n(-1)^{i-1}x_i\, \dd x_1\wedge\dots\wedge\widehat{\dd x_i}\wedge\dots\wedge \dd x_n

(topinya menghapus faktornya).

Bagian I — Alat ukurnya.

  1. Hitunglah  ⁣dσ\dd\sigma, lalu simpulkanlah dari Stokes (Teorema 21.23) bahwa ∫Sσ=nvol⁡(Bˉ)>0\int_S\sigma = n\operatorname{vol}(\bar B) > 0, dengan SS mengemban orientasi batas bolanya.
  2. Untuk n=2n = 2 dan n=3n = 3, kenalilah pembatasan σ\sigma ke SS sebagai bentuk panjang busur dan bentuk luasnya (Latihan 21.5 dengan ν(x)=x\nu(x) = x) lalu hitunglah ulang ∫Sσ\int_S\sigma secara langsung.
  3. Misalkan W⊆RNW \subseteq \R^N terbuka dan φ ⁣:W→Rn\varphi\colon W \to \R^n mulus dengan ∥φ(x)∥=1\norm{\varphi(x)} = 1 bagi setiap x∈Wx \in W. Tunjukkanlah bahwa φ∗( ⁣dσ)=0\varphi^*(\dd\sigma) = 0. (Turunkanlah ∥φ∥2=1\norm\varphi^2 = 1: peta Dφ(x)D\varphi(x) terletak pada hiperbidang φ(x)⊥\varphi(x)^\perp, yang berdimensi n−1n - 1; lalu terapkanlah Proposisi 21.6(2).)
  4. Di manakah cacat “bukti” berikut bahwa ∫Sσ=0\int_S\sigma = 0: “SS kompak tanpa batas, dan σ\sigma yang dibatasi ke SS merupakan bentuk berderajat tertinggi padanya, sehingga tertutup, sehingga ∫Sσ=∫S ⁣d(sesuatu)=0\int_S\sigma = \int_S\dd(\text{sesuatu}) = 0 menurut Stokes”? (Tunjuklah kata yang keliru.)
  5. Jelaskanlah dalam satu paragraf strategi Bagian II: apa yang akan diintegralkan, atas apa, dan dari mana kontradiksinya akan datang.

Bagian II — Tak ada retraksi mulus. Andaikan, demi kontradiksi, bahwa rr merupakan retraksi mulus dari bolanya ke sferanya: rr mulus pada persekitaran Bˉ\bar B, r(Bˉ)⊆Sr(\bar B) \subseteq S, dan r(x)=xr(x) = x bagi setiap x∈Sx \in S.

  1. Benarkanlah ∫Sr∗σ=∫Sσ\int_Sr^*\sigma = \int_S\sigma (pada SS, rr terbatas menjadi identitasnya: sebab jika γ\gamma parametrisasi langsung sekeping SS, maka r∘γ=γr\circ\gamma = \gamma).
  2. Dengan memakai Stokes pada Bˉ\bar B, tunjukkanlah ∫Sr∗σ=∫Bˉ ⁣d(r∗σ)\int_Sr^*\sigma = \int_{\bar B}\dd(r^*\sigma).
  3. Tunjukkanlah  ⁣d(r∗σ)=r∗( ⁣dσ)=0\dd(r^*\sigma) = r^*(\dd\sigma) = 0 (yakni pertanyaan 3 yang diterapkan pada φ=r\varphi = r), lalu simpulkanlah: tak ada retraksi mulus Bˉ→S\bar B \to S.
  4. Selesaikanlah kasus terkecuali n=1n = 1 dengan tangan: tunjukkanlah secara langsung bahwa tak ada pemetaan kontinu [−1, 1]→{−1,1}\intcc{-1}1 \to \{-1, 1\} yang menetapkan kedua ujungnya, lalu sebutkanlah teorema yang dipakai.

Bagian III — Brouwer mulus. Misalkan gg mulus pada persekitaran Bˉ\bar B dengan g(Bˉ)⊆Bˉg(\bar B) \subseteq \bar B dan tanpa titik tetap di Bˉ\bar B.

  1. Tunjukkanlah δ=min⁡x∈Bˉ∥g(x)−x∥>0\delta = \min_{x\in\bar B}\norm{g(x) - x} > 0.
  2. Untuk x∈Bˉx \in \bar B ambillah u(x)=x−g(x)∥x−g(x)∥u(x) = \frac{x - g(x)}{\norm{x - g(x)}} dan misalkan r(x)=x+t(x) u(x)r(x) = x + t(x)\,u(x) perpotongan sinar {x+tu(x):t≥0}\{x + tu(x) : t \geq 0\} dengan SS. Selesaikanlah persamaan kuadrat ∥x+tu∥2=1\norm{x + tu}^2 = 1 lalu perolehlah

    t(x)=−⟨x,u(x)⟩+1−∥x∥2+⟨x,u(x)⟩2  ≥  0.t(x) = -\langle x, u(x)\rangle + \sqrt{1 - \norm x^2 + \langle x, u(x)\rangle^2} \;\geq\; 0 .
  3. Tunjukkanlah bahwa isi akarnya positif sejati pada Bˉ\bar B: sebab jika 1−∥x∥2+⟨x,u(x)⟩2=01 - \norm x^2 + \langle x, u(x)\rangle^2 = 0 maka ∥x∥=1\norm x = 1 dan ⟨x,u(x)⟩=0\langle x, u(x)\rangle = 0, yakni ⟨x,x−g(x)⟩=0\langle x, x - g(x)\rangle = 0, yakni ⟨x,g(x)⟩=1\langle x, g(x)\rangle = 1; lalu menurut Cauchy–Schwarz dengan ∥x∥=1\norm x = 1, ∥g(x)∥≤1\norm{g(x)} \leq 1, ini memaksa g(x)=xg(x) = x — yang terkecualikan. Simpulkanlah bahwa rr mulus pada persekitaran Bˉ\bar B.
  4. Tunjukkanlah r(Bˉ)⊆Sr(\bar B) \subseteq S dan r(x)=xr(x) = x bagi x∈Sx \in S (untuk ∥x∥=1\norm x = 1, periksalah t(x)=0t(x) = 0 dengan memakai ⟨x,u(x)⟩≥0\langle x, u(x)\rangle \geq 0, yang sendirinya menyusul dari ⟨x,x−g(x)⟩=1−⟨x,g(x)⟩≥0\langle x, x - g(x)\rangle = 1 - \langle x, g(x)\rangle \geq 0). Simpulkanlah bersama Bagian II: setiap pemetaan diri mulus Bˉ\bar B mempunyai titik tetap.

Bagian IV — Brouwer kontinu. Misalkan f ⁣:Bˉ→Bˉf\colon\bar B\to\bar B kontinu tanpa titik tetap.

  1. Tunjukkanlah ε=min⁡Bˉ∥f−x∥>0\varepsilon = \min_{\bar B}\norm{f - x} > 0, lalu hasilkanlah pemetaan polinomial p ⁣:Rn→Rnp\colon\R^n\to \R^n dengan sup⁡Bˉ∥p−f∥<ε/2\sup_{\bar B}\norm{p - f} < \varepsilon/2 (Stone–Weierstrass, Teorema 7.15, koordinat demi koordinat — benarkanlah peralihan dari hampiran skalar ke hampiran vektor).
  2. Pemetaan pp boleh jadi meninggalkan bolanya; tetapkanlah g=p1+ε/2g = \frac{p}{1 + \varepsilon/2}. Tunjukkanlah g(Bˉ)⊆Bˉg(\bar B) \subseteq \bar B dan sup⁡Bˉ∥g−f∥<ε\sup_{\bar B}\norm{g - f} < \varepsilon.
  3. Turunkanlah kontradiksi dengan Bagian III lalu simpulkanlah: setiap pemetaan kontinu Bˉn→Bˉn\bar B^n \to \bar B^n mempunyai titik tetap.
  4. Tunjukkanlah lewat contoh bahwa teoremanya gagal pada: bola terbuka; sfera SS; dan anulus tertutup. Sifat Bˉ\bar B manakah yang hilang pada masing-masing contoh tandingnya?

Bagian V — Dividennya.

  1. (Perron–Frobenius, keberadaan) Misalkan AA matriks n×nn\times n yang semua entrinya >0> 0, dan Δ={x∈Rn:xi≥0, ∑xi=1}\Delta = \{x \in \R^n : x_i \geq 0,\ \sum x_i = 1\}. Tunjukkanlah bahwa pemetaan x↦Ax/∥Ax∥1x \mapsto Ax/\norm{Ax}_1 terdefinisi baik dan kontinu pada Δ\Delta, bahwa Δ\Delta homeomorfik dengan bola tertutup Rn−1\R^{n-1} (lewat homeomorfisma radial dari kompak cembung yang interiornya tak kosong pada rentang afinnya), lalu simpulkanlah bahwa AA mempunyai vektor eigen berentri positif sejati dan nilai eigen >0> 0.
  2. Simpulkanlah bahwa setiap matriks stokastik berentri positif (yang kolomnya berjumlah 11) mempunyai vektor peluang stasioner π=Aπ\pi = A\pi — yakni vektor bertipe PageRank. (Ketunggalannya juga berlaku tetapi memerlukan alat lain.)
  3. (Bola berbulu, persiapan) Misalkan vv mulus pada persekitaran S=Sn−1S = S^{n-1} dengan ⟨v(x),x⟩=0\langle v(x), x\rangle = 0 dan ∥v(x)∥=1\norm{v(x)} = 1 bagi x∈Sx \in S (yakni medan singgung satuan). Untuk t∈Rt \in \R tetapkan Ft(x)=x+t v(x)F_t(x) = x + t\,v(x). Tunjukkanlah ∥Ft(x)∥=1+t2\norm{F_t(x)} = \sqrt{1 + t^2} pada SS: sehingga FtF_t memetakan SS ke dalam sfera 1+t2 S\sqrt{1+t^2}\,S.
  4. Tunjukkanlah bahwa P(t)=∫SFt∗σP(t) = \int_SF_t^*\sigma merupakan polinomial dalam tt (sebab setiap fungsi koefisien Ft∗σF_t^*\sigma pada sebuah peta bersifat polinomial dalam tt, dengan koefisien yang mulus terhadap variabel petanya; sedangkan pengintegralannya linear).
  5. Tunjukkanlah bahwa untuk ∣t∣\abs t yang kecil, FtF_t merupakan difeomorfisma dari SS ke 1+t2 S\sqrt{1+t^2}\,S: keinjektifannya untuk tLip⁡(v)<1t\operatorname{Lip}(v) < 1; difeomorfisma lokalnya menurut teorema fungsi balikan (Teorema 20.1 pada peta); sedangkan petanya terbuka sekaligus tertutup pada sfera sasarannya yang terhubung. Simpulkanlah, dengan memakai Lema 21.19 dan penskalaan σλx=λn σx\sigma_{\lambda x} = \lambda^{n}\,\sigma_x di bawah x↦λxx \mapsto \lambda x (periksalah), bahwa

    P(t)=±(1+t2)n/2∫Sσ,dengan tanda + untuk nilai kecil tP(t) = \pm(1 + t^2)^{n/2}\int_S\sigma, \qquad\text{dengan tanda } + \text{ untuk nilai kecil } t

    (orientasinya terawetkan lewat kekontinuan dari t=0t = 0).

  6. Simpulkanlah (Milnor): jika nn ganjil, maka (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} bukan polinomial dalam tt, padahal ia berimpit dengan polinomial P(t)/∫SσP(t)/\int_S\sigma di dekat 00 — yakni kontradiksi. Karena itu sfera berdimensi genap Sn−1S^{n-1} (dengan nn ganjil) tak mengemban medan singgung satuan, dan, lewat penormalan dan pemulusan (konvolusikan komponen demi komponen lalu proyeksikan — benarkanlah kedua langkahnya), tak ada pula medan singgung kontinu yang tak lenyap di mana pun: sehingga setiap angin di Bumi menyisakan satu titik tenang.
  7. (Sfera ganjil tersisir bebas) Tunjukkanlah pada S2m−1⊆R2m≅CmS^{2m-1} \subseteq \R^{2m} \cong \C^m sebuah medan singgung satuan mulus yang eksplisit: v(x)=ixv(x) = \iu x dalam notasi kompleksnya, yakni

    v(x1,y1,…,xm,ym)=(−y1,x1,…,−ym,xm).v(x_1, y_1, \dots, x_m, y_m) = (-y_1, x_1, \dots, -y_m, x_m) .

    Periksalah kesinggungannya dan panjang satuannya, lalu simpulkanlah bahwa dikotomi paritas pertanyaan 23 bersifat tajam: bahwa sebuah sfera tersisir tepat saat dimensinya ganjil. Di manakah argumen polinomial pertanyaan 22 patah untuk nn yang genap?

  8. (Nol dari perilaku batasnya) Misalkan f ⁣:Bˉn→Rnf \colon \bar B^n \to \R^n kontinu dengan ⟨f(x),x⟩≥0\langle f(x), x\rangle \geq 0 bagi setiap x∈Sn−1x \in S^{n-1}. Tunjukkanlah bahwa ff lenyap di suatu tempat di Bˉn\bar B^n. (Sebab jika tidak, g(x)=−f(x)/∥f(x)∥g(x) = -f(x)/\norm{f(x)} memetakan Bˉ\bar B secara kontinu ke S⊆BˉS \subseteq \bar B; lalu terapkanlah Brouwer pada gg dan bertentanganlah dengan hipotesis batasnya.) Simpulkanlah kriteria kesurjektifannya: bahwa F ⁣:Rn→RnF\colon\R^n\to\R^n yang kontinu dengan ⟨F(x),x⟩∥x∥→+∞\frac{\langle F(x), x\rangle}{\norm x} \to +\infty saat ∥x∥→∞\norm x \to \infty bersifat surjektif — yakni leluhur berdimensi berhingga bagi argumen koersivitas pada analisis taklinear.
Solusi

Solusi Soal 21.1.

1.  ⁣dσ=∑i(−1)i−1  ⁣dxi∧ ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxi^∧⋯∧ ⁣dxn\dd\sigma = \sum_i(-1)^{i-1}\,\dd x_i\wedge\dd x_1\wedge\dots\wedge\widehat{\dd x_i}\wedge\dots\wedge\dd x_n; lalu membawa  ⁣dxi\dd x_i melintasi i−1i-1 faktor sebelumnya memakan (−1)i−1(-1)^{i-1}, yang meniadakan prafaktornya: sehingga masing-masing dari nn sukunya sama dengan  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, jadi  ⁣dσ=n  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\dd\sigma = n\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n. Lalu Stokes pada bolanya: ∫Sσ=∫Bˉ ⁣dσ=nvol⁡(Bˉ)>0\int_S\sigma = \int_{\bar B}\dd\sigma = n\operatorname{vol}(\bar B) > 0.

2. n=2n = 2: σ=x  ⁣dy−y  ⁣dx\sigma = x\,\dd y - y\,\dd x; lalu pada γ(t)=(cos⁡t,sin⁡t)\gamma(t) = (\cos t, \sin t), γ∗σ=(cos⁡2t+sin⁡2t)  ⁣dt= ⁣dt\gamma^*\sigma = (\cos^2t + \sin^2t)\,\dd t = \dd t, yakni bentuk panjang busurnya: ∫Sσ=2π=2vol⁡(Bˉ2)\int_S\sigma = 2\pi = 2\operatorname{vol}(\bar B^2). n=3n = 3: σ∣S\sigma\vert_S adalah bentuk luasnya (Latihan 21.5 dengan ν(x)=x\nu(x) = x): ∫Sσ=4π=3⋅4π3\int_S\sigma = 4\pi = 3\cdot\tfrac{4\pi}3. Keduanya cocok dengan pertanyaan 1.

3. Dengan menurunkan ∥φ∥2=1\norm\varphi^2 = 1: 2⟨Dφ(x)h,φ(x)⟩=02\langle D\varphi(x)h, \varphi(x)\rangle = 0 bagi setiap hh, sehingga im⁡Dφ(x)⊆φ(x)⊥\operatorname{im}D\varphi(x) \subseteq \varphi(x)^\perp, yakni sebuah hiperbidang: jadi rk⁡Dφ(x)≤n−1\operatorname{rk}D\varphi(x) \leq n - 1. Karena  ⁣dσ\dd\sigma merupakan bentuk-nn (pertanyaan 1), maka titik demi titik φ∗( ⁣dσ)x=(Dφ(x))∗( ⁣dσ)φ(x)=0\varphi^*(\dd\sigma)_x = (D\varphi(x))^*(\dd\sigma)_{\varphi(x)} = 0 menurut Proposisi 21.6(2): sebab pemetaan ke dalam sferanya tak punya ruang untuk menarik balik sebuah volume.

4. Cacatnya ada pada “sehingga” yang kedua: sebab pada himpunan berdimensi (n−1)(n-1) yaitu SS, setiap bentuk-(n−1)(n-1) tertutup secara trivial (karena tak ada bentuk-nn tak nol pada manifold-(n−1)(n-1)), tetapi tertutup tak berarti eksak, sedangkan ∫S ⁣dη=0\int_S\dd\eta = 0 menuntut primitif η\eta yang sungguh-sungguh terdefinisi pada SS. Padahal pembatasan σ\sigma justru tak eksak — sebab integralnya nvol⁡(Bˉ)≠0n\operatorname{vol}(\bar B) \neq 0 — dan ketakeksakan inilah yang menggerakkan seluruh soalnya.

5. Kita akan mengintegralkan r∗σr^*\sigma atas sferanya lalu menghitungnya dengan dua cara. Karena rr menetapkan SS titik demi titik, integralnya sama dengan ∫Sσ=nvol⁡(Bˉ)≠0\int_S\sigma = n\operatorname{vol}(\bar B) \neq 0. Sedangkan karena rr terdefinisi pada bolanya, Stokes mengubah integral yang sama itu menjadi ∫Bˉ ⁣d(r∗σ)=∫Bˉr∗( ⁣dσ)\int_{\bar B}\dd(r^*\sigma) = \int_{\bar B}r^*(\dd\sigma); dan karena rr bernilai di sferanya, pertanyaan 3 membuat integran itu lenyap. Jadi satu bilangan, dua nilai: sehingga retraksinya tak mungkin ada.

6. Kedua integralnya dihitung lewat parametrisasi langsung γ\gamma atas keping-keping SS (Definisi 21.18); dan karena r∘γ=γr\circ\gamma = \gamma (sebab parametrisasinya mendarat di SS, yang rr menjadi identitas di sana), maka γ∗(r∗σ)=(r∘γ)∗σ=γ∗σ\gamma^*(r^*\sigma) = (r\circ\gamma)^*\sigma = \gamma^*\sigma (Teorema 21.11(a)): sehingga integran lokalnya berimpit, dan partisi kesatuan mana pun memberikan ∫Sr∗σ=∫Sσ\int_Sr^*\sigma = \int_S\sigma.

7. Bentuk r∗σr^*\sigma adalah bentuk-(n−1)(n-1) mulus pada persekitaran Bˉ\bar B yang kompak dan berorientasi, yang batasnya dengan orientasi terinduksinya adalah SS: sehingga Stokes (Teorema 21.23) memberikan persis ∫Sr∗σ=∫Bˉ ⁣d(r∗σ)\int_Sr^*\sigma = \int_{\bar B}\dd(r^*\sigma).

8. Berlaku  ⁣d(r∗σ)=r∗( ⁣dσ)\dd(r^*\sigma) = r^*(\dd\sigma) (Teorema 21.11(b)), yang lenyap menurut pertanyaan 3 yang diterapkan pada φ=r\varphi = r. Lalu merangkai pertanyaan 6–8:

0<nvol⁡(Bˉ)=∫Sσ=∫Sr∗σ=∫Bˉ ⁣d(r∗σ)=0:0 < n\operatorname{vol}(\bar B) = \int_S\sigma = \int_Sr^*\sigma = \int_{\bar B}\dd(r^*\sigma) = 0 :

yakni mustahil. Tak ada retraksi mulus Bˉn\bar B^n ke Sn−1S^{n-1} (n≥2n \geq 2).

9. Sebuah r ⁣:[−1, 1]→{−1,1}r\colon\intcc{-1}1\to\{-1,1\} yang kontinu dengan r(±1)=±1r(\pm1) = \pm1 akan memetakan himpunan terhubung ke {−1,1}\{-1, 1\} yang tak terhubung, dan itu mustahil: sebab peta kontinu himpunan terhubung bersifat terhubung — setara dengan itu, teorema nilai antaranya akan memaksa rr mengambil nilai 00. Pernyataan yang sama pada setiap dimensi persis adalah Bagian II; sedangkan keterhubungannya adalah bayangan berdimensi 11 bagi halangan kohomologis ∫Sσ≠0\int_S\sigma \neq 0.

10. Fungsi x↦∥g(x)−x∥x \mapsto \norm{g(x) - x} kontinu dan di mana-mana >0> 0 pada Bˉ\bar B yang kompak: sehingga minimumnya δ\delta tercapai, jadi >0> 0.

11. Persamaan ∥x+tu∥2=1\norm{x + tu}^2 = 1 berbunyi t2+2t⟨x,u⟩+∥x∥2−1=0t^2 + 2t\langle x, u\rangle + \norm x^2 - 1 = 0, yang akarnya adalah

t±=−⟨x,u⟩±⟨x,u⟩2+1−∥x∥2.t_\pm = -\langle x, u\rangle \pm \sqrt{\langle x, u\rangle^2 + 1 - \norm x^2} .

Hasil kalinya ∥x∥2−1≤0\norm x^2 - 1 \leq 0: sehingga akarnya mengapit 00 (atau salah satunya lenyap), jadi parameter sinarnya — yakni akar tak negatifnya — adalah t(x)=t+t(x) = t_+.

12. Seandainya isi akarnya lenyap di x∈Bˉx \in \bar B: maka karena kedua sukunya tak negatif, ∥x∥=1\norm x = 1 dan ⟨x,u(x)⟩=0\langle x, u(x)\rangle = 0, yakni ⟨x,x−g(x)⟩=0\langle x, x - g(x)\rangle = 0, yakni ⟨x,g(x)⟩=1\langle x, g(x)\rangle = 1. Lalu menurut Cauchy–Schwarz, 1=⟨x,g(x)⟩≤∥x∥ ∥g(x)∥≤11 = \langle x, g(x)\rangle \leq \norm x\,\norm{g(x)} \leq 1: yakni kesamaan sepanjang rantainya, yang memaksa g(x)g(x) segaris dengan xx, bernorma 11, dan searah: jadi g(x)=xg(x) = x — yang terkecualikan. Jadi isi akarnya kontinu dan >0> 0 pada Bˉ\bar B, sehingga terbatas di bawah oleh suatu c>0c > 0 di sana dan pada sebuah persekitaran (menurut kekontinuan seragamnya). Pada persekitaran itu, uu mulus (sebab ∥x−g(x)∥≥δ/2\norm{x - g(x)} \geq \delta/2, dengan mengecilkannya bila perlu), isi akarnya tetap ≥c/2\geq c/2, dan akar kuadratnya mulus pada (0, ∞)\intoo0\infty: sehingga rr mulus di dekat Bˉ\bar B.

13. Berlaku ∥r(x)∥=1\norm{r(x)} = 1 menurut konstruksi t(x)t(x)-nya: jadi r(Bˉ)⊆Sr(\bar B) \subseteq S. Untuk x∈Sx \in S: ⟨x,u(x)⟩=1−⟨x,g(x)⟩∥x−g(x)∥≥0\langle x, u(x)\rangle = \frac{1 - \langle x, g(x)\rangle}{\norm{x - g(x)}} \geq 0 (menurut Cauchy–Schwarz sekali lagi), dan ∥x∥=1\norm x = 1 menyusutkan isi akarnya menjadi ⟨x,u⟩2\langle x, u\rangle^2, yang akar kuadratnya adalah ⟨x,u⟩\langle x, u\rangle itu sendiri (sebab ia ≥0\geq 0): sehingga t(x)=0t(x) = 0 dan r(x)=xr(x) = x. Jadi rr merupakan retraksi mulus dari bolanya ke sferanya — yang bertentangan dengan Bagian II. Setiap pemetaan diri mulus Bˉ\bar B mempunyai titik tetap.

14. Berlaku ε>0\varepsilon > 0 persis seperti pada pertanyaan 10. Sedangkan polinomialnya membentuk subaljabar C(Bˉ,R)\mathcal C(\bar B, \R) yang memuat konstantanya dan memisahkan titik (sebab x↦xix \mapsto x_i memisahkan), sehingga Stone–Weierstrass (Teorema 7.15) menghampiri setiap koordinatnya: pilihlah polinomial pip_i dengan sup⁡Bˉ∣pi−fi∣<ε2n\sup_{\bar B}\abs{p_i - f_i} < \frac{\varepsilon}{2\sqrt n}; maka pemetaan vektor p=(p1,…,pn)p = (p_1, \dots, p_n) memenuhi sup⁡Bˉ∥p−f∥≤(∑isup⁡Bˉ∣pi−fi∣2)1/2<ε/2\sup_{\bar B}\norm{p - f} \leq \bigl(\sum_i\sup_{\bar B}\abs{p_i - f_i}^2\bigr)^{1/2} < \varepsilon/2.

15. Pada Bˉ\bar B: ∥p∥≤∥f∥+ε2≤1+ε2\norm p \leq \norm f + \frac\varepsilon2 \leq 1 + \frac\varepsilon2, sehingga ∥g∥=∥p∥1+ε/2≤1\norm{g} = \frac{\norm p}{1 + \varepsilon/2} \leq 1: jadi g(Bˉ)⊆Bˉg(\bar B) \subseteq \bar B. Lebih jauh ∥g−p∥=ε/21+ε/2∥p∥≤ε2\norm{g - p} = \frac{\varepsilon/2}{1 + \varepsilon/2}\norm p \leq \frac\varepsilon2, sehingga ∥g−f∥≤∥g−p∥+∥p−f∥<ε\norm{g - f} \leq \norm{g - p} + \norm{p - f} < \varepsilon pada Bˉ\bar B.

16. Pemetaan gg polinomial, jadi mulus, dan memetakan Bˉ\bar B ke dirinya sendiri: sehingga Bagian III menyediakan x0=g(x0)x_0 = g(x_0). Lalu ∥f(x0)−x0∥=∥f(x0)−g(x0)∥<ε=min⁡Bˉ∥f−id⁡∥\norm{f(x_0) - x_0} = \norm{f(x_0) - g(x_0)} < \varepsilon = \min_{\bar B}\norm{f - \operatorname{id}}: yakni kontradiksi. Setiap pemetaan kontinu Bˉn→Bˉn\bar B^n \to \bar B^n mempunyai titik tetap.

17. Bola terbuka: f(x)=x+e12f(x) = \frac{x + e_1}2 memetakan BB ke dalam BB (sebab ∥f(x)∥<1\norm{f(x)} < 1 sejati) sedangkan satu-satunya titik tetapnya e1e_1 terletak pada sferanya: jadi kekompakannya hilang. Sfera: pemetaan antipodal x↦−xx \mapsto -x bebas titik tetap; sebab SS kompak tetapi bertopologi “keliru” — yakni justru bukan-retrak Bagian II. Anulus: rotasi sebesar sudut ≢0\not\equiv 0 mana pun tak menetapkan apa pun; sebab lubangnya melindungi rotasinya — jadi kecembungannya (atau lebih tepatnya, topologi serupa-bolanya) hilang. Jadi teorema Brouwer sesungguhnya tentang himpunan cembung kompak, seperti yang dimanfaatkan pertanyaan 18.

18. Untuk x∈Δx \in \Delta: ada xj>0x_j > 0, sehingga (Ax)i≥Aijxj>0(Ax)_i \geq A_{ij}x_j > 0 bagi setiap ii; jadi ∥Ax∥1>0\norm{Ax}_1 > 0 dan T(x)=Ax/∥Ax∥1T(x) = Ax/\norm{Ax}_1 terdefinisi baik, kontinu, serta mendarat di Δ\Delta (sebab entrinya positif dan berjumlah 11). Sedangkan Δ\Delta cembung, kompak, dan berinterior tak kosong pada hiperbidang afin {∑xi=1}≅Rn−1\{\sum x_i = 1\} \cong \R^{n-1}; lalu pemetaan radial dari barisentrumnya — sebab setiap sinar dari barisentrumnya menemui ∂Δ\partial\Delta pada tepat satu titik, menurut kecembungan dan kekompakannya, sedangkan fungsi tolok yang bersesuaian bersifat kontinu — merupakan homeomorfisma Δ→Bˉn−1\Delta \to \bar B^{n-1}. Lalu mengangkut Brouwer lewatnya: TT mempunyai titik tetap x∗x^*, yakni Ax∗=λx∗Ax^* = \lambda x^* dengan λ=∥Ax∗∥1>0\lambda = \norm{Ax^*}_1 > 0; dan x∗=Ax∗/λx^* = Ax^*/\lambda berentri positif sejati menurut perhitungan pembukanya. Jadi matriks positif mempunyai vektor eigen positif.

19. Pertanyaan 18 memberikan Aπ=λπA\pi = \lambda\pi, π∈Δ\pi \in \Delta, π>0\pi > 0. Lalu jumlahkanlah koordinatnya: ∑i(Aπ)i=∑jπj∑iAij=∑jπj=1\sum_i(A\pi)_i = \sum_j\pi_j\sum_iA_{ij} = \sum_j\pi_j = 1 (sebab kolomnya berjumlah 11), sedangkan ∑iλπi=λ\sum_i\lambda\pi_i = \lambda. Jadi λ=1\lambda = 1 dan Aπ=πA\pi = \pi: yakni vektor peluang stasioner — yaitu kesetimbangan rantai Markovnya, inti matematis PageRank.

20. Pada SS: ∥Ft(x)∥2=∥x∥2+2t⟨x,v(x)⟩+t2∥v(x)∥2=1+0+t2\norm{F_t(x)}^2 = \norm x^2 + 2t\langle x, v(x)\rangle + t^2\norm{v(x)}^2 = 1 + 0 + t^2 menurut kesinggungannya dan ∥v∥=1\norm v = 1: jadi Ft(S)⊆1+t2 SF_t(S) \subseteq \sqrt{1+t^2}\,S.

21. Tetapkanlah sebuah atlas berhingga berisi parametrisasi langsung γ\gamma beserta partisi kesatuan, yang tak bergantung pada tt. Pada sebuah peta, Ft∘γ=γ+t(v∘γ)F_t\circ\gamma = \gamma + t(v\circ\gamma), sehingga setiap koefisien (Ft∘γ)∗σ(F_t\circ\gamma)^*\sigma merupakan jumlah hasil kali satu faktor (xi+tvi)∘γ(x_i + tv_i)\circ\gamma (yang afin terhadap tt) dan sebuah determinan (n−1)×(n−1)(n-1)\times(n-1) yang entrinya afin terhadap tt: yakni polinomial dalam tt berderajat ≤n\leq n dengan koefisien yang mulus terhadap variabel petanya. Lalu mengalikannya dengan fungsi partisinya yang tak bergantung pada tt dan mengintegralkannya suku demi suku: P(t)=∑k=0ncktkP(t) = \sum_{k=0}^n c_kt^k, yakni sebuah polinomial.

22. Untuk keinjektifannya: vv bersifat Lipschitz pada SS (sebab mulus pada kompak), katakanlah berkonstanta LL; lalu untuk ∣t∣<1/L\abs t < 1/L, ∥Ft(x)−Ft(y)∥≥(1−∣t∣L)∥x−y∥>0\norm{F_t(x) - F_t(y)} \geq (1 - \abs tL)\norm{x - y} > 0. Untuk difeomorfismanya: Gt=Ft/1+t2G_t = F_t/\sqrt{1 + t^2} memetakan SS ke SS; sedangkan pada peta, Jacobinya konvergen seragam ke Jacobi G0=id⁡G_0 = \operatorname{id} saat t→0t \to 0, sehingga untuk tt yang kecil semuanya terbalikkan dan GtG_t merupakan difeomorfisma lokal (Teorema 20.1 pada peta), injektif, dengan peta yang terbuka (menurut difeomorfisma lokalnya) dan kompak di Sn−1S^{n-1} yang terhubung (n≥2n \geq 2): sehingga petanya =S= S, jadi GtG_t difeomorfisma SS. Untuk penskalaannya: di bawah sλ(x)=λxs_\lambda(x) = \lambda x, setiap koefisien xix_i memperoleh λ\lambda dan masing-masing dari n−1n - 1 diferensialnya memperoleh λ\lambda: jadi sλ∗σ=λnσs_\lambda^*\sigma = \lambda^n\sigma. Karena Ft=s1+t2∘GtF_t = s_{\sqrt{1+t^2}}\circ G_t:

P(t)=∫SGt∗(s1+t2 ∗σ)=(1+t2)n/2∫SGt∗σ=(1+t2)n/2∫Sσuntuk nilai kecil t,P(t) = \int_SG_t^*\bigl(s_{\sqrt{1+t^2}}^{\,*}\sigma\bigr) = (1 + t^2)^{n/2}\int_SG_t^*\sigma = (1 + t^2)^{n/2}\int_S\sigma \quad\text{untuk nilai kecil } t,

dengan kesamaan terakhirnya menurut Lema 21.19 (sebab GtG_t difeomorfisma SS yang mengawetkan orientasi untuk tt yang kecil: determinan Jacobi petanya berubah secara kontinu, tak pernah lenyap, dan positif di t=0t = 0).

23. Jika nn ganjil dan sebuah medan singgung satuan mulus ada, maka pertanyaan 21–22 membuat polinomial P(t)/∫SσP(t)/\int_S\sigma (yang sahih: sebab ∫Sσ≠0\int_S\sigma \neq 0 menurut pertanyaan 1) berimpit dengan (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} di dekat 00; sedangkan dua fungsi mulus yang berimpit di dekat 00 dengan salah satunya polinomial memaksa (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} menjadi polinomial itu pada seluruh R\R. Padahal jika Q(t)2=(1+t2)nQ(t)^2 = (1 + t^2)^n dengan Q∈R[t]Q \in \R[t], maka pemfaktoran tunggal di R[t]\R[t] (Bab 2) memberikan t2+1t^2 + 1 yang tak tereduksi itu multiplisitas genap pada Q2Q^2 dan multiplisitas ganjil nn pada (1+t2)n(1 + t^2)^n: yakni mustahil. Jadi tak ada medan singgung satuan mulus pada Sn−1S^{n-1} untuk nn yang ganjil — yakni sfera berdimensi genap. Akhirnya, medan singgung yang sekadar kontinu dan tak lenyap di mana pun, sebutlah ww, akan menghasilkan satu: perluaslah ia ke sebuah persekitaran lewat w~(x)=w(x/∥x∥)\tilde w(x) = w(x/\norm x), muluskanlah komponen demi komponen (Teorema 12.9) menjadi v0v_0 yang mulus dengan sup⁡S∥v0−w~∥<12min⁡S∥w∥\sup_S\norm{v_0 - \tilde w} < \frac12\min_S\norm w, proyeksikanlah secara singgung v1(x)=v0(x)−⟨v0(x),x⟩xv_1(x) = v_0(x) - \langle v_0(x), x\rangle x — sebab pada SS ini mengubah v0v_0 paling banyak sebesar komponen normalnya, yang sendirinya paling banyak ∥v0−w~∥\norm{v_0 - \tilde w} karena w~\tilde w singgung, sehingga ∥v1−w~∥≤2∥v0−w~∥<min⁡∥w∥\norm{v_1 - \tilde w} \leq 2\norm{v_0 - \tilde w} < \min\norm w dan v1v_1 tak pernah lenyap pada SS — lalu normalkanlah: sehingga v=v1/∥v1∥v = v_1/\norm{v_1} merupakan medan singgung satuan yang mulus. Karena itu pada setiap sfera berdimensi genap, setiap medan singgung kontinu mempunyai nol: sehingga setiap angin di Bumi menyisakan satu titik tenang.

24. Berlaku ⟨v(x),x⟩=∑j(−yjxj+xjyj)=0\langle v(x), x\rangle = \sum_j(-y_jx_j + x_jy_j) = 0: jadi singgung; dan ∥v(x)∥=∥x∥=1\norm{v(x)} = \norm x = 1: jadi satuan. Kemulusannya jelas (sebab pemetaan linear). Jadi setiap sfera berdimensi ganjil mengemban medan singgung satuan yang mulus — yakni perkalian oleh i\iu sepanjang garis kompleksnya — sehingga halangan pertanyaan 23 tepat berupa paritas dimensinya. Pada argumen polinomialnya, untuk nn yang genap fungsi (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} memang adalah polinomial, dan tak ada kontradiksi yang muncul: jadi buktinya bukan sekadar gagal berlaku, melainkan kesimpulannya sungguh salah, seperti yang disaksikan vv.

25. Andaikan ff tak pernah lenyap pada Bˉ\bar B. Maka g(x)=−f(x)/∥f(x)∥g(x) = -f(x)/\norm{f(x)} kontinu Bˉ→S⊆Bˉ\bar B \to S \subseteq \bar B, dan Brouwer (pertanyaan 16) menyediakan x∗=g(x∗)x^* = g(x^*). Karena gg bernilai di SS, maka x∗∈Sx^* \in S, dan

⟨f(x∗),x∗⟩=⟨f(x∗), −f(x∗)∥f(x∗)∥⟩=−∥f(x∗)∥<0,\langle f(x^*), x^*\rangle = \bigl\langle f(x^*),\ -\tfrac{f(x^*)}{\norm{f(x^*)}}\bigr\rangle = -\norm{f(x^*)} < 0,

yang bertentangan dengan hipotesis batasnya. Jadi ff mempunyai nol. Untuk kesurjektifannya: diberikan y∈Rny \in \R^n, terapkanlah yang di atas pada f(x)=F(x)−yf(x) = F(x) - y pada bola Bˉ(0,R)\bar B(0, R) dengan RR yang begitu besar sehingga ⟨F(x),x⟩≥∥y∥ ∥x∥\langle F(x), x\rangle \geq \norm y\,\norm x pada sfera berjari-jari RR (menurut koersivitasnya); maka ⟨f(x),x⟩=⟨F(x),x⟩−⟨y,x⟩≥0\langle f(x), x\rangle = \langle F(x), x\rangle - \langle y, x\rangle \geq 0 di sana (menurut Cauchy–Schwarz), sehingga pernyataan yang diskalakan ulang itu memberikan nol bagi ff: yakni F(x)=yF(x) = y. Jadi setiap medan kontinu yang koersif bersifat pada — yakni bayangan bebas derajat bagi teorema keberadaan variasionalnya, yang diantarkan topologi murni.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium