Mathematics · Livro 5 · Bachelor Year 3

Matemática universitária — Graduação 3

Matemática universitária — Graduação 3 · Bachelor Year 3

21Formas diferenciais e o teorema de Stokes

Um teorema da análise absorveu, ao longo de dois séculos, todos os outros de sua espécie: o teorema fundamental do cálculo, Green–Riemann (demonstrado no volume do segundo ano), o teorema da divergência de Gauss, o teorema do rotacional de Kelvin–Stokes — cada um diz que a integral de alguma derivada sobre uma região é igual à integral do objeto original sobre o bordo. A linguagem das formas diferenciais faz deles um único enunciado, ∫M ⁣dω=∫∂Mω\int_M\dd\omega = \int_{\partial M}\omega, e torna esse enunciado demonstrável de uma só vez. Este capítulo constrói a linguagem honestamente — álgebra multilinear alternada, derivada exterior, pullbacks, orientação, integração nas subvariedades do Capítulo 20 —, demonstra o teorema de Stokes e desconta os primeiros cheques: os teoremas integrais clássicos, o índice de rotação que secretamente movia o Capítulo 17 e, no problema de fim de semana, o teorema do ponto fixo de Brouwer. Ao longo de todo o capítulo, suave significa C∞\mathcal C^\infty; toda aplicação e toda forma são suaves, salvo menção em contrário. Isso não custa generalidade que valha a pena neste nível e deixa as mãos livres.

21.1 Álgebra multilinear alternada

Definição 21.1

Seja EE um espaço vetorial real de dimensão nn. Uma forma kk-linear alternada em EE é uma aplicação α ⁣:Ek→R\alpha\colon E^k \to \R, linear em cada variável, com α(v1,…,vk)=0\alpha(v_1, \dots, v_k) = 0 sempre que dois argumentos são iguais. Seu espaço é escrito ΛkE∗\Lambda^k E^*; por convenção, Λ0E∗=R\Lambda^0E^* = \R. A alternância força a antissimetria: trocar dois argumentos muda o sinal (expanda α(…,v+w,…,v+w,… )=0\alpha(\dots, v + w, \dots, v + w, \dots) = 0) e, mais geralmente, 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) para toda permutação σ\sigma.

Exemplo 21.2

Em E=RnE = \R^n: Λ1E∗=E∗\Lambda^1E^* = E^* é o espaço dual; o determinante na base canônica é uma forma nn-linear alternada, e a Proposição 21.4 mostrará que ele gera ΛnE∗\Lambda^nE^* — a razão profunda pela qual o determinante é único a menos de escala. Para k>nk > n, ΛkE∗={0}\Lambda^kE^* = \{0\}: kk vetores são dependentes, e expandir um deles ao longo dos outros anula α\alpha por alternância.

Definição 21.3

Para ℓ1,…,ℓk∈E∗\ell_1, \dots, \ell_k \in E^*, seu produto exterior é a forma kk-linear alternada

(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} .

A alternância e a multilinearidade são as do determinante em suas colunas.

Proposição 21.4 (Base de Λk\Lambda^k)

Seja (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n) uma base de EE com base dual (e1∗,…,en∗)(e_1^*, \dots, e_n^*). As formas

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\},

formam uma base de ΛkE∗\Lambda^kE^*; logo dim⁡ΛkE∗=(nk)\dim\Lambda^kE^* = \binom nk. Explicitamente, α=∑∣I∣=kα(ei1,…,eik) eI∗\alpha = \sum_{\abs I = k}\alpha(e_{i_1}, \dots, e_{i_k})\,e_I^*.

Demonstração. Geração. Sejam α∈ΛkE∗\alpha \in \Lambda^kE^* e β=∑Iα(eI) eI∗\beta = \sum_I\alpha(e_I)\,e_I^*, em que α(eI)\alpha(e_I) abrevia α(ei1,…,eik)\alpha(e_{i_1}, \dots, e_{i_k}). Ambos os lados são kk-lineares e alternados, de modo que coincidem assim que coincidam em todas as kk-uplas (ej1,…,ejk)(e_{j_1}, \dots, e_{j_k}) com j1<⋯<jkj_1 < \dots < j_k (a multilinearidade reduz a uplas de vetores da base; a alternância, às estritamente crescentes). E eI∗(ej1,…,ejk)=det⁡(eir∗(ejs))=δIJe_I^*(e_{j_1}, \dots, e_{j_k}) = \det(e_{i_r}^*(e_{j_s})) = \delta_{IJ}: para I=JI = J a matriz é a identidade; para I≠JI \neq J alguma linha é nula. Logo β(eJ)=α(eJ)\beta(e_J) = \alpha(e_J) para todo JJ: β=α\beta = \alpha. Independência. Se ∑IcIeI∗=0\sum_I c_Ie_I^* = 0, avaliar em (ej1,…,ejk)(e_{j_1}, \dots, e_{j_k}) dá cJ=0c_J = 0. ∎

Definição 21.5

O produto exterior se estende a uma aplicação bilinear ΛkE∗×ΛℓE∗→Λk+ℓE∗\Lambda^kE^* \times \Lambda^\ell E^* \to \Lambda^{k+\ell}E^*, determinada pela bilinearidade e por (eI∗)∧(eJ∗)=eI∗∧eJ∗(e_I^*) \wedge (e_J^*) = e_I^* \wedge e_J^* (concatene e reordene; o produto é 00 se I∩J≠∅I \cap J \neq \varnothing). Ele é associativo e anticomutativo graduado:

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).

Demonstração. Ambas as propriedades se verificam nos elementos da base e se estendem por bilinearidade. Associatividade: as duas maneiras de parentesear eI∗∧eJ∗∧eK∗e_I^* \wedge e_J^* \wedge e_K^* dão o produto exterior da família concatenada de 11-formas, pela fórmula do determinante da Definição 21.3 (desenvolvimento de Laplace por blocos). A regra de sinais: mover cada um dos ℓ\ell fatores de β\beta além dos kk fatores de α\alpha custa um sinal por transposição adjacente (uma troca de duas linhas do determinante), logo (−1)kℓ(-1)^{k\ell} ao todo. ∎

Proposição 21.6 (Pullback, caso linear)

Uma aplicação linear u ⁣:E→Fu\colon E \to F induz, para cada kk, a aplicação 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)). Ela satisfaz u∗(α∧β)=u∗α∧u∗βu^*(\alpha \wedge \beta) = u^*\alpha \wedge u^*\beta e (u∘w)∗=w∗∘u∗(u \circ w)^* = w^* \circ u^*. Além disso:

  1. Se dim⁡E=n\dim E = n e u ⁣:E→Eu\colon E \to E, então na reta ΛnE∗\Lambda^nE^*: u∗α=(det⁡u) αu^*\alpha = (\det u)\,\alpha.
  2. Se rk⁡u<k\operatorname{rk}u < k, então u∗=0u^* = 0 em ΛkF∗\Lambda^kF^*.

Demonstração. As identidades funtoriais são imediatas das definições (para a regra do produto, verifique em produtos exteriores de 11-formas com a fórmula do determinante — det⁡(ℓi(uvj))=det⁡((u∗ℓi)(vj))\det(\ell_i(uv_j)) = \det((u^*\ell_i)(v_j)) — e estenda por bilinearidade). (1) u∗u^* leva o espaço unidimensional ΛnE∗\Lambda^nE^* (Proposição 21.4) nele mesmo, de modo que u∗α=c αu^*\alpha = c\,\alpha com cc independente de α≠0\alpha \neq 0; testando em α=e1∗∧⋯∧en∗\alpha = e_1^* \wedge \dots \wedge e_n^* e (vj)=(ej)(v_j) = (e_j) obtém-se c=det⁡(ei∗(uej))=det⁡uc = \det(e_i^*(ue_j)) = \det u. (2) Para v1,…,vk∈Ev_1, \dots, v_k \in E, os vetores u(v1),…,u(vk)u(v_1), \dots, u(v_k) estão na imagem de uu, de dimensão <k< k: eles são linearmente dependentes, e uma forma alternada se anula em uma família dependente (expanda o vetor dependente ao longo dos demais). ∎

21.2 Formas diferenciais e a derivada exterior

Definição 21.7

Seja U⊆RnU \subseteq \R^n aberto. Uma kk-forma diferencial em UU é uma aplicação suave ω ⁣:U→Λk(Rn)∗\omega\colon U \to \Lambda^k(\R^n)^*; na base da Proposição 21.4 (escrevendo  ⁣dxi\dd x_i para 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},

com coeficientes suaves aI∈C∞(U)a_I \in \mathcal C^\infty(U). Seu espaço é Ωk(U)\Omega^k(U); Ω0(U)=C∞(U)\Omega^0(U) = \mathcal C^\infty(U). Uma 00-forma é uma função; uma 11-forma é um campo de formas lineares (por exemplo, a diferencial  ⁣df\dd f de uma função); uma nn-forma é a  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxna\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, o integrando natural do Capítulo 11.

Definição 21.8 (Derivada exterior)

A derivada exterior é a aplicação linear  ⁣d ⁣:Ωk(U)→Ωk+1(U)\dd\colon \Omega^k(U) \to \Omega^{k+1}(U) definida por

 ⁣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 .

Em 00-formas, ela é a diferencial usual.

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 para ω∈Ωk\omega \in \Omega^k (a regra de Leibniz graduada). (b)  ⁣d∘ ⁣d=0\dd \circ \dd = 0.

Demonstração. (a) Por bilinearidade, basta tratar ω=a  ⁣dxI\omega = a\,\dd x_I, η=b  ⁣dxJ\eta = b\,\dd x_J. Então ω∧η=ab  ⁣dxI∧ ⁣dxJ\omega \wedge \eta = ab\,\dd x_I \wedge \dd x_J e

 ⁣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,

e mover a 11-forma  ⁣db\dd b além dos kk fatores de  ⁣dxI\dd x_I custa (−1)k(-1)^k (Definição 21.5): o segundo termo é (−1)k ω∧ ⁣dη(-1)^k\,\omega \wedge \dd\eta. (b) Para uma função:  ⁣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. O coeficiente é simétrico em (i,j)(i,j) pelo teorema de Schwarz sobre derivadas parciais mistas (demonstrado no volume do segundo ano; aa é C∞\mathcal C^\infty), ao passo que  ⁣dxj∧ ⁣dxi\dd x_j \wedge \dd x_i é antissimétrico: emparelhando os termos (i,j)(i,j) e (j,i)(j,i), tudo se cancela. Para uma ω=∑aI ⁣dxI\omega = \sum a_I\dd x_I geral:  ⁣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)) por (a), e ambos os termos se anulam ( ⁣d( ⁣dxI)=0\dd(\dd x_I) = 0, pois o coeficiente é constante). ∎

Definição 21.10 (Pullback)

Seja φ ⁣:U→V\varphi\colon U \to V suave (U⊆RmU \subseteq \R^m, V⊆RnV \subseteq \R^n abertos). O pullback φ∗ ⁣:Ωk(V)→Ωk(U)\varphi^*\colon \Omega^k(V) \to \Omega^k(U) é definido ponto a ponto pelo pullback linear ao longo da diferencial: (φ∗ω)x=(Dφ(x))∗ ωφ(x)(\varphi^*\omega)_x = (D\varphi(x))^*\,\omega_{\varphi(x)}. Concretamente, φ∗\varphi^* substitui: φ∗f=f∘φ\varphi^*f = f \circ \varphi em funções, 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, e 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 e (ψ∘φ)∗=φ∗∘ψ∗(\psi \circ \varphi)^* = \varphi^* \circ \psi^*. (b) φ∗( ⁣dω)= ⁣d(φ∗ω)\varphi^*(\dd\omega) = \dd(\varphi^*\omega): a derivada exterior comuta com toda substituição suave — a identidade que faz dela a derivada da teoria. (c) Se φ ⁣:U→V\varphi\colon U \to V é suave entre abertos de Rn\R^n e ω=a  ⁣dy1∧⋯∧ ⁣dyn\omega = a\,\dd y_1 \wedge \dots \wedge \dd y_n, então 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.

Demonstração. (a) São enunciados pontuais sobre pullbacks lineares (Proposição 21.6), mais a regra da cadeia D(ψ∘φ)(x)=Dψ(φ(x)) Dφ(x)D(\psi\circ\varphi)(x) = D\psi(\varphi(x))\,D\varphi(x). (b) Para uma 00-forma ff: φ∗( ⁣df)= ⁣df∘Dφ= ⁣d(f∘φ)\varphi^*(\dd f) = \dd f \circ D\varphi = \dd(f \circ \varphi) é a regra da cadeia. Para ω=a  ⁣dyI\omega = a\,\dd y_I: usando (a), φ∗ω=(a∘φ)  ⁣dφi1∧⋯∧ ⁣dφik\varphi^*\omega = (a\circ\varphi)\,\dd\varphi_{i_1}\wedge\dots\wedge \dd\varphi_{i_k}, de modo que, pela regra de Leibniz (Teorema 21.9(a)) e por  ⁣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) Ponto a ponto, isso é exatamente u∗α=(det⁡u)αu^*\alpha = (\det u)\alpha em formas de grau máximo (Proposição 21.6(1) com u=Dφ(x)u = D\varphi(x)). ∎

Exemplo 21.12 (Coordenadas polares)

Para 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, de modo que

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,

o jacobiano do Exemplo 11.12 aparecendo por pura álgebra — sem teoria da medida. O Exercício 21.9 transforma essa observação em enunciado: para integrais orientadas, a fórmula de mudança de variáveis é a fórmula do pullback.

21.3 Formas fechadas e exatas; o lema de Poincaré

Definição 21.13

ω∈Ωk(U)\omega \in \Omega^k(U) é fechada se  ⁣dω=0\dd\omega = 0, e é exata se ω= ⁣dη\omega = \dd\eta para alguma η∈Ωk−1(U)\eta \in \Omega^{k-1}(U) (uma primitiva de ω\omega). Exata ⇒\Rightarrow fechada, por  ⁣d2=0\dd^2 = 0; a recíproca é uma questão sobre a forma de UU.

Exemplo 21.14 (A forma angular)

Em 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}

é fechada (cálculo direto: Exercício 21.4) mas não é exata: sua integral ao longo do círculo unitário vale 2π≠02\pi \neq 0, ao passo que as integrais de formas exatas ao longo de curvas fechadas se anulam (Proposição 21.28). Localmente, ωθ= ⁣dθ\omega_\theta = \dd\theta para qualquer determinação suave θ\theta do ângulo polar — donde o nome e a obstrução: nenhuma tal determinação existe em todo UU. Essa única forma comanda o índice de rotação (Seção 21.6) e, por meio dele, o teorema dos resíduos do Capítulo 17.

Teorema 21.15 (Lema de Poincaré)

Seja U⊆RnU \subseteq \R^n aberto e estrelado em relação a 00. Toda kk-forma fechada em UU (k≥1k \geq 1) é exata.

Demonstração. Construímos um operador de homotopia linear h ⁣:Ωk(U)→Ωk−1(U)h\colon \Omega^k(U) \to \Omega^{k-1}(U) com

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

se  ⁣dω=0\dd\omega = 0, então ω= ⁣d(hω)\omega = \dd(h\omega) e terminamos. Para ω=∑IaI  ⁣dxI\omega = \sum_I a_I\,\dd x_I, ponha

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}

(o chapéu suprime um fator; as integrais são suaves em xx por derivação sob o sinal de integral, Teorema 10.15, com todas as derivadas dominadas nos compactos). Verificar (21.1) é um cálculo que se faz uma vez na vida, então o fazemos por extenso. Fixe II e tome ω=a  ⁣dxI\omega = a\,\dd x_I (linearidade). Primeiro,

 ⁣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} :

o primeiro grupo reúne os termos em que  ⁣d\dd atinge o fator xirx_{i_r} — o produto exterior  ⁣dxir∧ ⁣dxI∖ir\dd x_{i_r}\wedge\dd x_{I\setminus i_r} recompõe  ⁣dxI\dd x_I com um sinal (−1)r−1(-1)^{r-1} que cancela o prefator, e os kk valores de rr dão o fator kk —, enquanto o segundo grupo reúne os termos em que  ⁣d\dd atinge a integral (a regra da cadeia faz sair t ∂ja(tx)t\,\partial_ja(tx)). Em seguida,  ⁣dω=∑j∂ja  ⁣dxj∧ ⁣dxI\dd\omega = \sum_j\partial_ja\,\dd x_j\wedge\dd x_I e, aplicando a definição de hh em grau k+1k+1, com o índice jj ocupando a primeira posição:

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} .

As somas duplas se cancelam em  ⁣d(hω)+h( ⁣dω)\dd(h\omega) + h(\dd\omega), que portanto é igual a

(∫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,

pelo teorema fundamental do cálculo. O caráter estrelado entrou onde tinha de entrar: tx∈Utx \in U para t∈[0, 1]t \in \intcc01, de modo que a(tx)a(tx) faz sentido. ∎

Observação 21.16

Para k=1k = 1 e ω=∑jaj ⁣dxj\omega = \sum_j a_j\dd x_j, a primitiva é f(x)=∫01∑jaj(tx) xj  ⁣dtf(x) = \int_0^1\sum_ja_j(tx)\,x_j\,\dd t — a integral de linha de ω\omega ao longo do segmento [0,x][0, x]: o teorema é o “um campo de jacobiana simétrica é um gradiente” de várias variáveis do segundo ano, agora em todo grau. A forma angular (Exemplo 21.14) mostra que a hipótese sobre UU não é decorativa: R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} não é estrelado, e ali ser fechada não implica ser exata. O que sobrevive em um aberto geral é medido pela cohomologia de de Rham Hk(U)=ker⁡ ⁣d/im⁡ ⁣dH^k(U) = \ker\dd/\operatorname{im}\dd — veja o Exercício 21.12 para o primeiro cálculo não trivial.

21.4 Orientação e integração em subvariedades

Integrar uma kk-forma exige território orientado de dimensão kk. Recorde do Capítulo 20 (Teorema 20.3) que uma kk-subvariedade M⊆RnM \subseteq \R^n é localmente a imagem de uma parametrização regular γ ⁣:V→M∩W\gamma\colon V \to M \cap W (V⊆RkV \subseteq \R^k aberto, com γ\gamma homeomorfismo sobre sua imagem e diferencial injetora).

Definição 21.17

Uma orientação de MM é uma escolha, para cada p∈Mp \in M, de uma das duas classes de orientação de bases do espaço tangente TpMT_pM, que seja localmente coerente: em torno de cada ponto existe uma parametrização γ\gamma cujo referencial de coordenadas (∂1γ,…,∂kγ)(\partial_1\gamma, \dots, \partial_k\gamma) é positivamente orientado em todo ponto de seu domínio. Tais parametrizações são chamadas diretas. MM é orientável se existe uma orientação; a faixa de Möbius mostra que isso pode falhar. Todas as subvariedades deste capítulo são orientadas.

Definição 21.18 (Integral de uma forma)

Sejam MM uma kk-subvariedade orientada e ω\omega uma kk-forma definida em uma vizinhança de MM, com supp⁡ω∩M\operatorname{supp}\omega \cap M compacto. (a) Se supp⁡ω∩M⊆γ(V)\operatorname{supp}\omega \cap M \subseteq \gamma(V) para uma única parametrização direta, ponha

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

— sendo o lado direito a integral de Lebesgue em VV (Capítulo 11) do coeficiente gg de γ∗ω=g  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\gamma^*\omega = g\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k, que é contínuo de suporte compacto. (b) No caso geral, escolha um número finito de parametrizações diretas γi(Vi)\gamma_i(V_i) cobrindo o compacto supp⁡ω∩M\operatorname{supp}\omega \cap M e uma partição da unidade subordinada (χi)(\chi_i) (Lema 21.20), e ponha ∫Mω=∑i∫Mχi ω\int_M\omega = \sum_i\int_M\chi_i\,\omega, cada termo calculado por (a). Para uma curva (k=1k = 1) parametrizada por γ ⁣:[a, b]→Rn\gamma\colon\intcc ab\to\R^n, escrevemos ∫γω=∫abγ∗ω\int_\gamma\omega = \int_a^b\gamma^*\omega, sem exigir injetividade.

Lema 21.19 (Coerência)

A definição (a) não depende da parametrização direta, e a definição (b) não depende nem da cobertura nem da partição da unidade. Além disso, se Φ\Phi é um difeomorfismo de vizinhanças de duas subvariedades orientadas com Φ(M)=M′\Phi(M) = M', levando um referencial direto de MM em um referencial direto de M′M' em algum ponto de cada componente de MM, então ∫M′ω=∫MΦ∗ω\int_{M'}\omega = \int_M\Phi^*\omega.

Demonstração. (a) Sejam γ ⁣:V→M\gamma\colon V \to M, δ ⁣:V′→M\delta\colon V' \to M parametrizações diretas cujas imagens contêm supp⁡ω∩M\operatorname{supp}\omega\cap M. A transição τ=δ−1∘γ\tau = \delta^{-1}\circ\gamma é um difeomorfismo entre os abertos relevantes de V,V′V, V' (regularidade das transições: Teorema 20.3, via a descrição local por gráficos), e γ=δ∘τ\gamma = \delta\circ\tau ali, de modo que γ∗ω=τ∗(δ∗ω)\gamma^*\omega = \tau^*(\delta^*\omega) (Teorema 21.11(a)). Escreva δ∗ω=g  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\delta^*\omega = g\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k; então (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. Sendo diretos ambos os referenciais, DτD\tau leva uma base positiva em uma base positiva: det⁡Dτ>0\det D\tau > 0, de modo que det⁡Dτ=∣det⁡Dτ∣\det D\tau = \abs{\det D\tau}, e o teorema de mudança de variáveis (Teorema 11.11) dá ∫(g∘τ)∣det⁡Dτ∣=∫g\int(g\circ\tau)\abs{\det D\tau} = \int g: as duas integrais coincidem. Eis toda a razão de a orientação existir: sem o controle de sinal, o jacobiano e seu valor absoluto diferem, e a integral fica mal definida. (b) Se (χi)(\chi_i) e (χ~j)(\tilde\chi_j) são duas partições admissíveis (coberturas incluídas), então, por (a) e pela aditividade finita, ∑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, sendo cada termo duplo calculável em qualquer das duas cartas. Quanto à última afirmação: se γ\gamma percorre as parametrizações diretas de MM, então Φ∘γ\Phi\circ\gamma percorre as parametrizações diretas de M′M' (a comparação de orientações é localmente constante e está fixada em um ponto por componente), e (Φ∘γ)∗ω=γ∗(Φ∗ω)(\Phi\circ\gamma)^*\omega = \gamma^*(\Phi^*\omega). ∎

Lema 21.20 (Partições da unidade, caso compacto)

Sejam K⊆RnK \subseteq \R^n compacto e W1,…,WmW_1, \dots, W_m abertos que cobrem KK. Existem χ1,…,χm∈C∞(Rn)\chi_1, \dots, \chi_m \in \mathcal C^\infty(\R^n) com 0≤χi≤10 \leq \chi_i \leq 1, supp⁡χi⊆Wi\operatorname{supp}\chi_i \subseteq W_i compactos, e ∑χi=1\sum\chi_i = 1 em uma vizinhança de KK.

Demonstração. Cada x∈Kx \in K está em algum Wi(x)W_{i(x)} com uma bola fechada Bˉ(x,2rx)⊆Wi(x)\bar B(x, 2r_x) \subseteq W_{i(x)}; a compacidade extrai x1,…,xNx_1, \dots, x_N com as bolas B(xs,rxs)B(x_s, r_{x_s}) cobrindo KK. Para cada ss, tome uma função de corte θs∈C∞\theta_s \in \mathcal C^\infty, 0≤θs≤10 \leq \theta_s \leq 1, θs=1\theta_s = 1 em 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}) (regularize a indicadora da bola de raio 32rxs\frac32r_{x_s}, Teorema 12.9). Atribua cada ss a um índice i(s)i(s) com B(xs,2rxs)⊆Wi(s)B(x_s, 2r_{x_s}) \subseteq W_{i(s)} e ponha Θi=∑i(s)=iθs\Theta_i = \sum_{i(s) = i}\theta_s. No aberto Ω0={∑jΘj>12}⊇K\Omega_0 = \{\sum_j\Theta_j > \tfrac12\} \supseteq K, as funções Θi/∑jΘj\Theta_i/\sum_j\Theta_j fazem o serviço, mas só estão ali definidas; para globalizar, seja ρ∈C∞(Rn)\rho \in \mathcal C^\infty(\R^n) satisfazendo ρ=0\rho = 0 onde ∑jΘj≥1\sum_j\Theta_j \geq 1 e ρ>0\rho > 0 onde ∑jΘj≤12\sum_j\Theta_j \leq \tfrac12 (regularize um corte adequado de 1−∑jΘj1 - \sum_j\Theta_j), e ponha

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

O denominador é >0> 0 em toda parte e vale ∑jΘj\sum_j\Theta_j em {∑jΘj≥1}\{\sum_j\Theta_j \geq 1\}, uma vizinhança aberta de KK (cada ponto de KK está em alguma bola B(xs,rxs)B(x_s, r_{x_s}) onde θs=1\theta_s = 1); ali ∑iχi=1\sum_i\chi_i = 1. Os suportes e as cotas são claros. ∎

21.5 O teorema de Stokes

Definição 21.21

Uma kk-subvariedade com bordo M⊆RnM \subseteq \R^n é um conjunto coberto por parametrizações regulares de dois tipos: cartas interiores γ ⁣:V→M∩W\gamma\colon V \to M \cap W com V⊆RkV \subseteq \R^k aberto, e cartas de bordo γ ⁣:V∩Hk→M∩W\gamma\colon V \cap H^k \to M \cap W, em que Hk={u∈Rk:uk≥0}H^k = \{u \in \R^k : u_k \geq 0\} e γ\gamma se estende de maneira suave e regular ao aberto VV. O bordo ∂M\partial M é o conjunto dos pontos atingidos em uk=0u_k = 0; ele é uma (k−1)(k-1)-subvariedade sem bordo, parametrizada pelas aplicações u′↦γ(u′,0)u' \mapsto \gamma(u', 0). Uma orientação de MM induz uma em ∂M\partial M pela regra da normal exterior primeiro: em p∈∂Mp \in \partial M, uma base (w1,…,wk−1)(w_1, \dots, w_{k-1}) de Tp∂MT_p\partial M é positiva se, e somente se, (ν,w1,…,wk−1)(\nu, w_1, \dots, w_{k-1}) é uma base positiva de TpMT_pM, em que ν∈TpM∖Tp∂M\nu \in T_pM \setminus T_p\partial M aponta para fora de MM (em uma carta de bordo: ν=−∂kγ\nu = -\partial_k\gamma, a menos de acrescentar componentes tangenciais — a classe de orientação não as enxerga).

A regra da normal exterior primeiro: em cada ponto do bordo, coloque o vetor exterior  em primeiro lugar; as bases que o completam a um referencial positivo de M orientam M. Para um domínio plano com a orientação padrão, esta é a regra anti-horária de Green–Riemann.
A regra da normal exterior primeiro: em cada ponto do bordo, coloque o vetor exterior ν\nu em primeiro lugar; as bases que o completam a um referencial positivo de MM orientam ∂M\partial M. Para um domínio plano com a orientação padrão, esta é a regra anti-horária de Green–Riemann.

Lema 21.22 (Stokes no semiespaço)

Seja η\eta uma (k−1)(k-1)-forma suave em Rk\R^k de suporte compacto. Então

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

em que HkH^k carrega a orientação padrão de Rk\R^k e ∂Hk={uk=0}≅Rk−1\partial H^k = \{u_k = 0\} \cong \R^{k-1} a induzida, que é (−1)k(-1)^k vezes a orientação padrão de Rk−1\R^{k-1}.

Demonstração. Primeiro, a contabilidade das orientações: a normal exterior ao longo de ∂Hk\partial H^k é −ek-e_k, e

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 :

o referencial (e1,…,ek−1)(e_1, \dots, e_{k-1}) de ∂Hk\partial H^k é positivo para a orientação induzida exatamente quando kk é par, donde a comparação enunciada. Por linearidade, tome 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); então  ⁣dη=(−1)i−1 ∂if  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk\dd\eta = (-1)^{i-1}\,\partial_if\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_k (mover  ⁣dui\dd u_i para sua posição custa i−1i - 1 trocas). Dois casos, ambos por Tonelli–Fubini (Teorema 11.6) e pelo teorema fundamental do cálculo de uma variável.

Caso i<ki < k. Integrando primeiro em uiu_i sobre R\R: ∫R∂if  ⁣dui=0\int_\R\partial_if\,\dd u_i = 0 (suporte compacto), de modo que ∫Hk ⁣dη=0\int_{H^k}\dd\eta = 0. E a restrição de η\eta a {uk=0}\{u_k = 0\} contém o fator  ⁣duk\dd u_k, que se restringe a 00 (uku_k é ali constante): ∫∂Hkη=0\int_{\partial H^k}\eta = 0 também.

Caso i=ki = k. Integrando primeiro em uku_k sobre [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*}

Do lado do bordo, η\eta se restringe a f(u′,0)  ⁣du1∧⋯∧ ⁣duk−1f(u', 0)\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_{k-1} e, sendo a orientação induzida (−1)k(-1)^k vezes a padrão, ∫∂Hkη=(−1)k∫Rk−1f(u′,0)  ⁣du′\int_{\partial H^k}\eta = (-1)^k\int_{\R^{k-1}}f(u',0)\,\dd u'. Os dois lados coincidem. ∎

Teorema 21.23 (Stokes)

Sejam M⊆RnM \subseteq \R^n uma kk-subvariedade compacta orientada com bordo, ∂M\partial M com a orientação induzida, e seja ω\omega uma (k−1)(k-1)-forma suave em uma vizinhança de MM. Então

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

Em particular, se ∂M=∅\partial M = \varnothing: ∫M ⁣dω=0\int_M\dd\omega = 0.

Demonstração. Cubra o compacto MM por um número finito de imagens de cartas diretas (interiores ou de bordo) e tome uma partição da unidade (χi)(\chi_i) subordinada aos abertos WiW_i de Rn\R^n correspondentes (Lema 21.20), com ∑χi=1\sum\chi_i = 1 em uma vizinhança de MM. Nessa vizinhança,  ⁣d(∑χi)=0\dd(\sum\chi_i) = 0, de modo que

∫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 :

ambos os lados são aditivos, e basta demonstrar o teorema para uma forma com suporte na imagem de uma única carta.

Carta interior. Se supp⁡ω∩M⊆γ(V)\operatorname{supp}\omega \cap M \subseteq \gamma(V) com VV aberto em Rk\R^k: estenda η=γ∗ω\eta = \gamma^*\omega por zero a Rk\R^k (suave, de suporte compacto em VV) e aplique o Lema 21.22 com o suporte longe de ∂Hk\partial H^k (translade VV para dentro do semiespaço superior aberto — ou simplesmente repita o cálculo do caso i<ki < k em todo Rk\R^k): ∫M ⁣dω=∫Rk ⁣dη=0\int_M\dd\omega = \int_{\R^k}\dd\eta = 0, e ∫∂Mω=0\int_{\partial M}\omega = 0, pois ω\omega se anula perto de ∂M\partial M.

Carta de bordo. Se supp⁡ω∩M⊆γ(V∩Hk)\operatorname{supp}\omega\cap M \subseteq \gamma(V \cap H^k): com η=γ∗ω\eta = \gamma^*\omega estendida por zero, γ∗( ⁣dω)= ⁣dη\gamma^*(\dd\omega) = \dd\eta (Teorema 21.11(b)), de modo que, pela Definição 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 .

Resta identificar o membro direito com ∫∂Mω\int_{\partial M}\omega. O bordo é parametrizado por β(u′)=γ(u′,0)\beta(u') = \gamma(u', 0), e β∗ω\beta^*\omega é a restrição de η\eta a {uk=0}\{u_k = 0\} (pullback pela inclusão u′↦(u′,0)u' \mapsto (u', 0) composta com γ\gamma). A comparação de orientações é o mesmo (−1)k(-1)^k dos dois lados: o referencial (∂1β,…,∂k−1β)(\partial_1\beta, \dots, \partial_{k-1}\beta) está na orientação induzida de ∂M\partial M com o sinal det⁡(−ek,e1,…,ek−1)=(−1)k\det(-e_k, e_1, \dots, e_{k-1}) = (-1)^k calculado na carta (o vetor exterior se puxa para trás em −ek-e_k), que é exatamente o sinal que relaciona a orientação induzida de ∂Hk\partial H^k com a padrão de Rk−1\R^{k-1} (Lema 21.22). As duas convenções de sinal se cancelam: ∫∂Hkη=∫∂Mω\int_{\partial H^k}\eta = \int_{\partial M}\omega. ∎

Exemplo 21.24 (Os teoremas clássicos)

Seja D⊆R2D \subseteq \R^2 um domínio compacto de bordo suave, com a orientação padrão. Para 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, e Stokes se lê

∫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 :

Green–Riemann, demonstrado para domínios elementares no volume do segundo ano e agora em generalidade natural. Em R3\R^3, Stokes aplicado à 22-forma de fluxo de um campo de vetores em um domínio compacto dá o teorema da divergência ∫Ωdiv⁡F=∫∂Ω⟨F,ν⟩  ⁣dS\int_\Omega\operatorname{div}F = \int_{\partial\Omega}\langle F, \nu\rangle\,\dd S e, aplicado a uma 11-forma em uma superfície com bordo, o clássico teorema do rotacional de Kelvin–Stokes; o Exercício 21.7 detalha os dois dicionários.

21.6 O índice de rotação

Definição 21.25

Seja γ ⁣:[0, 1]→R2∖{a}\gamma\colon\intcc01\to\R^2\setminus\{a\} uma curva fechada suave. Seu índice de rotação em torno de aa é

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} .

Proposição 21.26

Ind⁡γ(a)∈Z\operatorname{Ind}_\gamma(a) \in \Z; como função de aa, ele é constante em cada componente conexa de R2∖γ([0, 1])\R^2\setminus\gamma(\intcc01) e nulo na componente ilimitada. Para 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.

Demonstração. Tome a=0a = 0 e escreva 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, de modo que ϑ′=xy′−yx′x2+y2\vartheta' = \frac{xy' - yx'}{x^2 + y^2}. Em notação complexa, ponha u(t)=γ(t) ρ(t)−1e−iϑ(t)u(t) = \gamma(t)\,\rho(t)^{-1}\eu^{-\iu\vartheta(t)}; então ∣u∣=1\abs u = 1, e um cálculo direto dá

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,

pois γˉγ′=(xx′+yy′)+i(xy′−yx′)\bar\gamma\gamma' = (xx' + yy') + \iu(xy' - yx') e ρρ′=xx′+yy′\rho\rho' = xx' + yy'. Logo uu é constante: γ(t)=ρ(t) c eiϑ(t)\gamma(t) = \rho(t)\,c\,\eu^{\iu\vartheta(t)} com ∣c∣=1\abs c = 1, e γ(1)=γ(0)\gamma(1) = \gamma(0) com ρ(1)=ρ(0)\rho(1) = \rho(0) força eiϑ(1)=eiϑ(0)=1\eu^{\iu\vartheta(1)} = \eu^{\iu\vartheta(0)} = 1: ϑ(1)∈2πZ\vartheta(1) \in 2\pi\Z, isto é, Ind⁡γ(0)∈Z\operatorname{Ind}_\gamma(0) \in \Z. Como função de aa no complementar aberto da curva compacta, a integral que a define é contínua (Teorema 10.14, com dominação em uma vizinhança de cada aa); uma função contínua a valores inteiros é localmente constante, logo constante nas componentes. Para ∥a∥\norm a grande, o integrando é O(1/∥a∥)O(1/\norm a) uniformemente em tt, de modo que o índice tende a 00 e se anula na componente ilimitada. Para o círculo: γ∗ωθa=2π  ⁣dt\gamma^*\omega_\theta^a = 2\pi\,\dd t diretamente. ∎

Observação 21.27

Sob 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, de modo que Ind⁡γ(a)=12iπ∮γ ⁣dzz−a\operatorname{Ind}_\gamma(a) = \frac1{2\iu\pi}\oint_\gamma\frac{\dd z}{z - a}: esse é o índice do Capítulo 17, e a Proposição 21.26 redemonstra sua integralidade e sua constância local por meios de variável real — a metade topológica do teorema dos resíduos, agora assentada sobre Stokes.

Proposição 21.28

Se ω= ⁣df\omega = \dd f é exata no aberto UU e γ ⁣:[0, 1]→U\gamma\colon\intcc01\to U é uma curva fechada, então ∫γω=0\int_\gamma\omega = 0.

Demonstração. ∫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 — a regra da cadeia identifica γ∗( ⁣df)\gamma^*(\dd f) com (f∘γ)′  ⁣dt(f\circ\gamma)'\,\dd t. ∎

Método 21.29

Calculando com formas: (1) mecanize — os produtos exteriores se reordenam com sinais,  ⁣d\dd deriva coeficientes em novos  ⁣dxj\dd x_j, e os pullbacks substituem; confie na álgebra, ela codifica todo jacobiano. (2) Para integrar uma forma sobre uma subvariedade: parametrize diretamente, puxe para trás, integre o coeficiente; a orientação é a única armadilha — verifique um referencial. (3) Para demonstrar uma identidade integral, procure um formato de Stokes: o integrando é exato? o domínio é um bordo? (4) Para comparar integrais sobre duas subvariedades “paralelas”, aplique Stokes à região entre elas (o argumento de deformação, Exercício 21.10). (5) Uma integral não nula de uma forma fechada certifica uma obstrução topológica — sem primitiva, sem retração, sem extensão sem zeros: é assim que o problema de fim de semana mata as retrações da bola.

21.7 Exercícios

Exercício 21.1 ★

Em R3\R^3, sejam ω=x  ⁣dy−z  ⁣dx\omega = x\,\dd y - z\,\dd x e η= ⁣dx+y  ⁣dz\eta = \dd x + y\,\dd z. Calcule ω∧η\omega\wedge\eta,  ⁣dω\dd\omega,  ⁣dη\dd\eta e  ⁣d(ω∧η)\dd(\omega\wedge\eta), e verifique a regra de Leibniz graduada neste exemplo.

Solução

Solução de Exercício 21.1.

Expandindo e matando os fatores repetidos:

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

(usando  ⁣dy∧ ⁣dx=− ⁣dx∧ ⁣dy\dd y\wedge\dd x = -\dd x\wedge\dd y e −zy  ⁣dx∧ ⁣dz=yz  ⁣dz∧ ⁣dx-zy\,\dd x\wedge\dd z = yz\,\dd z\wedge\dd x). A seguir,  ⁣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 e  ⁣dη= ⁣dy∧ ⁣dz\dd\eta = \dd y\wedge\dd z. Por fim,

 ⁣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

(o primeiro termo de ω∧η\omega\wedge\eta contribui com  ⁣d(−x)∧ ⁣dx∧ ⁣dy=0\dd(-x) \wedge\dd x\wedge\dd y = 0; permutações cíclicas de três fatores são pares). Verificação de Leibniz:  ⁣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, e (−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; a soma bate.

Exercício 21.2 ★

Identifique, em R3\R^3, as três encarnações de  ⁣d\dd: para f∈Ω0f \in \Omega^0,  ⁣df↔∇f\dd f \leftrightarrow \nabla f; para a forma de trabalho 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; para a forma de fluxo 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. Deduza de  ⁣d2=0\dd^2 = 0 as identidades curl⁡∇f=0\operatorname{curl}\nabla f = 0 e div⁡curl⁡F=0\operatorname{div}\operatorname{curl}F = 0.

Solução

Solução de Exercício 21.2.

 ⁣df=∑i∂if  ⁣dxi\dd f = \sum_i\partial_if\,\dd x_i tem os coeficientes de ∇f\nabla f. Para a forma trabalho,

 ⁣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},

a forma fluxo do rotacional (reúna os seis termos de ∑i ⁣dFi∧ ⁣dxi\sum_i\dd F_i\wedge\dd x_i). Para a forma fluxo,  ⁣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: a divergência. Então  ⁣d2f=0\dd^2f = 0 se lê σcurl⁡∇f=0\sigma_{\operatorname{curl}\nabla f} = 0, isto é, curl⁡∇f=0\operatorname{curl}\nabla f = 0, e  ⁣d2ωF=0\dd^2\omega_F = 0 se lê (div⁡curl⁡F)  ⁣dx∧ ⁣dy∧ ⁣dz=0(\operatorname{div}\operatorname{curl}F)\,\dd x\wedge\dd y\wedge\dd z = 0: as duas identidades vetoriais são uma única identidade,  ⁣d2=0\dd^2 = 0, lida em dois graus.

Exercício 21.3 ★★

Decida se cada 11-forma é fechada, se é exata em seu domínio, e calcule uma primitiva quando existir: (a) (2xy+z2)  ⁣dx+x2  ⁣dy+2xz  ⁣dz(2xy + z^2)\,\dd x + x^2\,\dd y + 2xz\,\dd z em R3\R^3; (b) x  ⁣dx+y  ⁣dyx2+y2\dfrac{x\,\dd x + y\,\dd y}{x^2 + y^2} em R2∖{0}\R^2\setminus\{0\}; (c) −y  ⁣dx+x  ⁣dyx2+y2\dfrac{-y\,\dd x + x\,\dd y}{x^2 + y^2} no semiplano {x>0}\{x > 0\}.

Solução

Solução de Exercício 21.3.

(a) Ser fechada é a simetria das derivadas parciais cruzadas: ∂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). O domínio R3\R^3 é estrelado: exata (Teorema 21.15), com primitiva f=x2y+xz2f = x^2y + xz^2 (verifique  ⁣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): exata em todo R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} (logo fechada) — a prima radial da forma angular é inofensiva. (c) Em {x>0}\{x > 0\} a forma é ωθ\omega_\theta, fechada (Exercício 21.4); o semiplano é convexo, de modo que ela é exata ali e, de fato, f=arctan⁡(y/x)f = \arctan(y/x) satisfaz  ⁣df=−y  ⁣dx+x  ⁣dyx2+y2\dd f = \frac{-y\,\dd x + x\,\dd y}{x^2 + y^2}. Exata no semiplano, não exata no plano perfurado: o obstáculo mora no buraco, não na fórmula.

Exercício 21.4 ★★

(A forma angular) Verifique que ωθ\omega_\theta (Exemplo 21.14) é fechada; calcule ∫γωθ\int_\gamma\omega_\theta para γ\gamma o círculo de raio rr em torno de 00; conclua que ωθ\omega_\theta não é exata em R2∖{0}\R^2\setminus\{0\}, e que R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} não é estrelado em relação a nenhum de seus pontos (duas rotas: via o Teorema 21.15 e diretamente pela geometria).

Solução

Solução de Exercício 21.4.

Ser fechada: com 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),

de modo que  ⁣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. Em 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,logo∫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{logo}\qquad \int_\gamma\omega_\theta = 2\pi .

Se ωθ\omega_\theta fosse exata, essa integral se anularia (Proposição 21.28): ela não é exata. Se R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} fosse estrelado em relação a algum pp, o lema de Poincaré (transladado a pp) tornaria exata toda forma fechada — contradição. Diretamente: para qualquer p≠0p \neq 0, o segmento de pp ao ponto −p-p do domínio passa por 00: a propriedade de ser estrelado falha em todo ponto.

Exercício 21.5 ★★

(Forma de área de uma hipersuperfície) Seja M⊆RnM \subseteq \R^n uma hipersuperfície compacta orientada cuja orientação é dada por um campo normal unitário ν\nu ((w1,…,wn−1)(w_1, \dots, w_{n-1}) positiva se, e somente se, (ν,w1,…,wn−1)(\nu, w_1, \dots, w_{n-1}) é positiva em Rn\R^n). Mostre que a (n−1)(n-1)-forma 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 se restringe em MM à forma de área: para uma parametrização direta 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}, em que G=(tDγ)(Dγ)G = ({}^t D\gamma)(D\gamma) é a matriz de Gram. (Note que (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) e eleve esse determinante ao quadrado.) Calcule ∫S2σν=4π\int_{S^2}\sigma_\nu = 4\pi.

Solução

Solução de Exercício 21.5.

Para vetores v1,…,vn−1v_1, \dots, v_{n-1}, expandir o determinante pela primeira coluna dá

det⁡(ν,v1,…,vn−1)=∑i=1n(−1)i−1νi det⁡(linhas≠i de (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{linhas} \neq i \text{ de } (v_1, \dots, v_{n-1})\bigr) = \sigma_\nu(v_1, \dots, v_{n-1}),

já que ( ⁣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}) é exatamente o ii-ésimo menor obtido por supressão (Definição 21.3). Aplicando isso a vj=∂jγv_j = \partial_j\gamma: (γ∗σν)(e1,…,en−1)=det⁡A(\gamma^*\sigma_\nu)(e_1, \dots, e_{n-1}) = \det A com A=(ν ∂1γ ⋯ ∂n−1γ)A = (\nu\ \partial_1\gamma\ \cdots\ \partial_{n-1}\gamma). Ora, t ⁣AA{}^t\!AA é diagonal por blocos: ⟨ν,ν⟩=1\langle\nu, \nu\rangle = 1 e ⟨ν,∂jγ⟩=0\langle\nu, \partial_j\gamma\rangle = 0 (ν\nu normal, os ∂jγ\partial_j\gamma tangentes), de modo que (det⁡A)2=det⁡(t ⁣AA)=det⁡G(\det A)^2 = \det({}^t\!AA) = \det G; e det⁡A>0\det A > 0 para uma parametrização direta (é isso que significa a orientação por ν\nu): γ∗σν=det⁡G  ⁣du1∧⋯∧ ⁣dun−1\gamma^*\sigma_\nu = \sqrt{\det G}\,\dd u_1\wedge\dots\wedge\dd u_{n-1}, o elemento de área de Gram. Para S2S^2, ν(x)=x\nu(x) = x e a parametrização esférica γ(θ,φ)=(sin⁡φcos⁡θ,sin⁡φsin⁡θ,cos⁡φ)\gamma(\theta, \varphi) = (\sin\varphi\cos\theta, \sin\varphi\sin\theta, \cos\varphi) em (0,2π)×(0,π)(0,2\pi)\times(0,\pi) (direta; ela deixa de fora um meridiano, conjunto que não carrega área): det⁡G=sin⁡2φ\det G = \sin^2\varphi, de modo que ∫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.

Exercício 21.6 ★★

Calcule ∫S2ω\int_{S^2}\omega para 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) diretamente em coordenadas esféricas; (b) via Stokes na bola unitária. Deduza vol⁡(B3)=4π3\operatorname{vol}(B^3) = \frac{4\pi}3 a partir da área de S2S^2, e generalize: nvol⁡(Bn)=area⁡(Sn−1)n\operatorname{vol}(B^n) = \operatorname{area}(S^{n-1}), coerentemente com o Teorema 11.13.

Solução

Solução de Exercício 21.6.

A ω\omega dada é σν\sigma_\nu para ν(x)=x\nu(x) = x em S2S^2, de modo que (a) é o cálculo que acabamos de fazer: ∫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, e Stokes na bola unitária dá ∫S2ω=3vol⁡(B3)\int_{S^2}\omega = 3\operatorname{vol}(B^3): logo vol⁡(B3)=4π3\operatorname{vol}(B^3) = \frac{4\pi}3. Em geral, a forma 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 se restringe em Sn−1S^{n-1} à forma de área (ν=x\nu = x no Exercício 21.5),  ⁣dσ=n  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\dd\sigma = n\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, e Stokes fornece area⁡(Sn−1)=nvol⁡(Bn)\operatorname{area}(S^{n-1}) = n\operatorname{vol}(B^n) — coerente com as fórmulas com função gama do Teorema 11.13.

Exercício 21.7 ★★

(Os dicionários) Deduza com cuidado do Teorema 21.23: (a) o teorema da divergência em R3\R^3 (combine o Exercício 21.2 e o Exercício 21.5); (b) o teorema de 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 para uma superfície compacta orientada com bordo em R3\R^3. Verifique que as convenções de orientação concordam na semiesfera superior limitada pelo equador.

Solução

Solução de Exercício 21.7.

(a) Stokes aplicado à forma fluxo σF\sigma_F no domínio compacto Ω\Omega: ∫Ωdiv⁡F  ⁣dx=∫∂ΩσF\int_\Omega\operatorname{div}F\,\dd x = \int_{\partial\Omega}\sigma_F (Exercício 21.2 para o lado interior). Identifique o integrando de bordo: para v1,v2v_1, v_2 tangentes num ponto de ∂Ω\partial\Omega, a expansão pela primeira coluna do Exercício 21.5 dá σF(v1,v2)=det⁡(F,v1,v2)\sigma_F(v_1, v_2) = \det(F, v_1, v_2); escrevendo F=⟨F,ν⟩ν+TF = \langle F, \nu\rangle\nu + T com TT tangente, a coluna TT é uma combinação do plano de v1,v2v_1, v_2, de modo que det⁡(T,v1,v2)=0\det(T, v_1, v_2) = 0 e 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: o teorema da divergência, com ν\nu a normal exterior (normal-exterior-primeiro é exatamente a orientação induzida). (b) Stokes aplicado a ωF\omega_F na superfície com bordo SS:  ⁣dωF=σcurl⁡F\dd\omega_F = \sigma_{\operatorname{curl}F} se restringe a ⟨curl⁡F,ν⟩  ⁣dS\langle\operatorname{curl}F, \nu\rangle\,\dd S pela mesma identificação, ao passo que, na curva de bordo, γ∗ωF=⟨F∘γ,γ′⟩  ⁣dt\gamma^*\omega_F = \langle F\circ\gamma, \gamma'\rangle\,\dd t, isto é, ∮⟨F,τ⟩  ⁣dℓ\oint\langle F, \tau\rangle\,\dd\ell. Semiesfera superior com ν\nu exterior (radial): no ponto do equador p=(1,0,0)p = (1,0,0), o vetor exterior dentro da superfície é −e3-e_3; completá-lo em referenciais positivos mostra que o equador é percorrido no sentido anti-horário visto de cima (+e3+e_3): a regra da mão direita, mesma convenção dos dois lados da identidade.

Exercício 21.8 ★★

(Identidades de Green) Para u,vu, v suaves em uma vizinhança de um domínio compacto Ω⊆Rn\Omega \subseteq \R^n de bordo suave, demonstre

∫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 .

Deduza: uma função harmônica em Ω\Omega que se anula em ∂Ω\partial\Omega se anula identicamente, e duas funções harmônicas com os mesmos valores de fronteira coincidem — a unicidade no problema de Dirichlet do Capítulo 18.

Solução

Solução de Exercício 21.8.

Aplique o teorema da divergência (Exercício 21.7(a), cuja demonstração independe da dimensão) a 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 e ⟨F,ν⟩=u ∂νv\langle F, \nu\rangle = u\,\partial_\nu v: a primeira identidade. Trocar u,vu, v e subtrair cancela o termo simétrico: a segunda. Se Δu=0\Delta u = 0 em Ω\Omega e u=0u = 0 em ∂Ω\partial\Omega: a primeira identidade com v=uv = u dá ∫Ω∥∇u∥2=0\int_\Omega\norm{\nabla u}^2 = 0, de modo que ∇u≡0\nabla u \equiv 0 e uu é constante em cada componente; o fecho de toda componente encontra ∂Ω\partial\Omega (limitação), onde u=0u = 0: u≡0u \equiv 0. Duas funções harmônicas com valores de bordo iguais diferem por uma tal uu: elas coincidem — unicidade para o problema de Dirichlet, complementando a teoria de existência no disco do Capítulo 18.

Exercício 21.9 ★★

(Mudança de variáveis, forma orientada) Sejam φ ⁣:U→V\varphi\colon U \to V um difeomorfismo de abertos de Rn\R^n com det⁡Dφ>0\det D\varphi > 0, e ff contínua de suporte compacto em VV. Mostre que a identidade de pullback ∫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 é equivalente ao teorema de mudança de variáveis (Teorema 11.11) para tais φ\varphi, e explique exatamente para onde foi o valor absoluto do jacobiano.

Solução

Solução de Exercício 21.9.

Pelo 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, de modo que a identidade de pullback se lê

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

Como det⁡Dφ>0\det D\varphi > 0 em toda parte, det⁡Dφ=∣det⁡Dφ∣\det D\varphi = \abs{\det D\varphi}, e isso é literalmente a fórmula de mudança de variáveis (Teorema 11.11) para integrandos contínuos de suporte compacto: cada enunciado é o outro. O valor absoluto foi para a hipótese: a orientação. Para φ\varphi que inverte a orientação, a identidade entre formas adquire um sinal de menos global (as formas sentem a orientação), ao passo que a fórmula de medida mantém ∣det⁡∣\abs{\det} (as medidas não): duas contabilidades de um mesmo jacobiano.

Exercício 21.10 ★★★

(Deformação) Sejam ω\omega uma 22-forma fechada em R3∖{0}\R^3\setminus\{0\} e SrS_r a esfera de raio rr centrada em 00. Mostre que ∫Srω\int_{S_r}\omega não depende de r>0r > 0 (aplique Stokes à casca entre dois raios; atenção às duas orientações de bordo). Aplique à forma do ângulo sólido

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}} :

verifique que ela é fechada, calcule ∫Srω=4π\int_{S_r}\omega = 4\pi e conclua que ela é fechada mas não exata em R3∖{0}\R^3\setminus\{0\} — a irmã bidimensional de ωθ\omega_\theta, e o conteúdo geométrico da lei de Gauss na eletrostática.

Solução

Solução de Exercício 21.10.

A casca A={r1≤∥x∥≤r2}A = \{r_1 \leq \norm x \leq r_2\} é uma 33-subvariedade compacta com bordo Sr2∪Sr1S_{r_2}\cup S_{r_1}; as orientações induzidas são a orientação usual da esfera em Sr2S_{r_2} (para fora de AA = para longe de 00) e a oposta em Sr1S_{r_1} (para fora de AA = em direção a 00). Stokes com  ⁣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 .

Forma do ângulo sólido: com ρ=∥x∥\rho = \norm x e 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, ω=ρ−3σ\omega = \rho^{-3}\sigma e

 ⁣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 .

Em SrS_r, para v1,v2v_1, v_2 tangentes: 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), de modo que ∫Srω=r−2⋅4πr2=4π\int_{S_r}\omega = r^{-2}\cdot4\pi r^2 = 4\pi: constante em rr, como a deformação prevê, e não nula — de modo que ω\omega é fechada, mas não exata, em R3∖{0}\R^3\setminus\{0\} (uma forma exata integra 00 sobre a SrS_r sem bordo, por Stokes). Essa é a lei de Gauss: o fluxo do campo de uma carga unitária através de qualquer esfera que a envolva é 4π4\pi, qualquer que seja o raio.

Exercício 21.11 ★★

Seja γ\gamma uma curva fechada suave em R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} com n=Ind⁡γ(0)n = \operatorname{Ind}_\gamma(0). Mostre que ∫γω=n∫S1ω\int_\gamma\omega = n\int_{S^1}\omega para toda 11-forma fechada ω\omega em R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} (escreva ω=c ωθ+ ⁣df\omega = c\,\omega_\theta + \dd f pelo Exercício 21.12). Interpretação: no plano perfurado, o índice de rotação é a única obstrução ao anulamento dos períodos.

Solução

Solução de Exercício 21.11.

Escreva ω=c ωθ+ ⁣df\omega = c\,\omega_\theta + \dd f (Exercício 21.12) com c=12π∫S1ωc = \frac1{2\pi}\int_{S^1}\omega. Então

∫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,

pela Proposição 21.28 e pela definição do índice. O único inteiro nn controla todo período no plano perfurado: as 11-formas fechadas não conseguem distinguir dois laços de mesmo número de voltas.

Exercício 21.12 ★★★

(Primeiro cálculo de de Rham) Mostre que toda 11-forma fechada ω\omega em U=R2∖{0}U = \R^2\setminus\{0\} se escreve de maneira única

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) :

defina f(p)f(p) integrando ω−c ωθ\omega - c\,\omega_\theta ao longo de um caminho de (1,0)(1,0) a pp (um trecho radial e, depois, um arco de círculo), mostre que o resultado não depende das escolhas precisamente porque o período em S1S^1 se anula, e verifique  ⁣df=ω−c ωθ\dd f = \omega - c\,\omega_\theta. Conclua: H1(R2∖{0})≅RH^1(\R^2\setminus\{0\}) \cong \R, gerada pela forma angular.

Solução

Solução de Exercício 21.12.

Seja α=ω−c ωθ\alpha = \omega - c\,\omega_\theta: fechada, e ∫S1α=0\int_{S^1}\alpha = 0 pela escolha de cc (∫S1ωθ=2π\int_{S^1}\omega_\theta = 2\pi). Puxe para trás pela aplicação polar Φ(ρ,θ)=(ρcos⁡θ,ρsin⁡θ)\Phi(\rho, \theta) = (\rho\cos\theta, \rho\sin\theta), um difeomorfismo local sobrejetor (0,∞)×R→U(0, \infty)\times\R \to U: Φ∗α\Phi^*\alpha é fechada (Teorema 21.11(b)) no aberto convexo (0,∞)×R(0,\infty)\times\R, logo exata (Teorema 21.15): Φ∗α= ⁣dg\Phi^*\alpha = \dd g. Para ρ\rho fixo: 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 é a integral de α\alpha em torno do círculo de raio ρ\rho, que vale ∫S1α=0\int_{S^1}\alpha = 0 (a coroa entre os dois círculos é uma superfície compacta com bordo; Stokes como no Exercício 21.10, uma dimensão abaixo). Logo gg é 2π2\pi-periódica em θ\theta e desce a uma função bem definida ff em UU com f∘Φ=gf\circ\Phi = g; ff é suave (Φ\Phi é um difeomorfismo local) e Φ∗( ⁣df)= ⁣dg=Φ∗α\Phi^*(\dd f) = \dd g = \Phi^*\alpha força  ⁣df=α\dd f = \alpha. Logo ω=c ωθ+ ⁣df\omega = c\,\omega_\theta + \dd f. Unicidade: integrar sobre S1S^1 fixa cc, já que as formas exatas têm período nulo; e ff é única a menos de constante aditiva. A aplicação [ω]↦12π∫S1ω[\omega] \mapsto \frac1{2\pi}\int_{S^1}\omega é, portanto, um isomorfismo linear H1(R2∖{0})→RH^1(\R^2\setminus\{0\}) \to \R, e a classe de ωθ\omega_\theta gera: o buraco é exatamente unidimensional, do ponto de vista cohomológico.

21.8 Problema: o teorema do ponto fixo de Brouwer

Problema 21.1

Problema de fim de semana — sem retração, sem escapatória

O teorema de Brouwer afirma que toda aplicação contínua da bola unitária fechada Bˉ=Bˉn⊆Rn\bar B = \bar B^n \subseteq \R^n nela mesma tem ponto fixo — um dos grandes teoremas da matemática, com consequências que vão da teoria dos jogos (equilíbrios de Nash) à análise matricial. A demonstração por formas diferenciais é a mais limpa que se conhece: Stokes mostra que a esfera não é retrato da bola, e tudo decorre disso. Ao longo de todo o problema, S=Sn−1=∂BˉS = S^{n-1} = \partial\bar B, n≥2n \geq 2 e

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

(o chapéu suprime o fator).

Parte I — O instrumento de medida.

  1. Calcule  ⁣dσ\dd\sigma e deduza de Stokes (Teorema 21.23) que ∫Sσ=nvol⁡(Bˉ)>0\int_S\sigma = n\operatorname{vol}(\bar B) > 0, em que SS carrega a orientação de bordo da bola.
  2. Para n=2n = 2 e n=3n = 3, identifique a restrição de σ\sigma a SS com as formas de comprimento de arco e de área (Exercício 21.5 com ν(x)=x\nu(x) = x) e recalcule ∫Sσ\int_S\sigma diretamente.
  3. Sejam W⊆RNW \subseteq \R^N aberto e φ ⁣:W→Rn\varphi\colon W \to \R^n suave com ∥φ(x)∥=1\norm{\varphi(x)} = 1 para todo x∈Wx \in W. Mostre que φ∗( ⁣dσ)=0\varphi^*(\dd\sigma) = 0. (Derive ∥φ∥2=1\norm\varphi^2 = 1: a imagem de Dφ(x)D\varphi(x) está no hiperplano φ(x)⊥\varphi(x)^\perp, de dimensão n−1n - 1; aplique então a Proposição 21.6(2).)
  4. Onde está a falha na seguinte “demonstração” de que ∫Sσ=0\int_S\sigma = 0: “SS é compacta sem bordo, e σ\sigma restrita a SS é uma forma de grau máximo nela, logo fechada, logo ∫Sσ=∫S ⁣d(algo)=0\int_S\sigma = \int_S\dd(\text{algo}) = 0 por Stokes”? (Aponte a palavra errada.)
  5. Explique em um parágrafo a estratégia da Parte II: o que será integrado, sobre o quê, e de onde virá a contradição.

Parte II — Não há retração suave. Suponha, por absurdo, que rr seja uma retração suave da bola sobre sua esfera: rr é suave em uma vizinhança de Bˉ\bar B, r(Bˉ)⊆Sr(\bar B) \subseteq S e r(x)=xr(x) = x para todo x∈Sx \in S.

  1. Justifique ∫Sr∗σ=∫Sσ\int_Sr^*\sigma = \int_S\sigma (em SS, rr se restringe à identidade: se γ\gamma é uma parametrização direta de um pedaço de SS, então r∘γ=γr\circ\gamma = \gamma).
  2. Usando Stokes em Bˉ\bar B, mostre que ∫Sr∗σ=∫Bˉ ⁣d(r∗σ)\int_Sr^*\sigma = \int_{\bar B}\dd(r^*\sigma).
  3. Mostre que  ⁣d(r∗σ)=r∗( ⁣dσ)=0\dd(r^*\sigma) = r^*(\dd\sigma) = 0 (questão 3 aplicada a φ=r\varphi = r) e conclua: não existe retração suave Bˉ→S\bar B \to S.
  4. Resolva à mão o caso excluído n=1n = 1: mostre diretamente que nenhuma aplicação contínua [−1, 1]→{−1,1}\intcc{-1}1 \to \{-1, 1\} fixa as duas extremidades, e nomeie o teorema que usou.

Parte III — Brouwer suave. Seja gg suave em uma vizinhança de Bˉ\bar B com g(Bˉ)⊆Bˉg(\bar B) \subseteq \bar B e sem ponto fixo em Bˉ\bar B.

  1. Mostre que δ=min⁡x∈Bˉ∥g(x)−x∥>0\delta = \min_{x\in\bar B}\norm{g(x) - x} > 0.
  2. Para x∈Bˉx \in \bar B, seja u(x)=x−g(x)∥x−g(x)∥u(x) = \frac{x - g(x)}{\norm{x - g(x)}} e seja r(x)=x+t(x) u(x)r(x) = x + t(x)\,u(x) a interseção da semirreta {x+tu(x):t≥0}\{x + tu(x) : t \geq 0\} com SS. Resolva a quadrática ∥x+tu∥2=1\norm{x + tu}^2 = 1 e obtenha

    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. Mostre que o radicando é estritamente positivo em Bˉ\bar B: se 1−∥x∥2+⟨x,u(x)⟩2=01 - \norm x^2 + \langle x, u(x)\rangle^2 = 0, então ∥x∥=1\norm x = 1 e ⟨x,u(x)⟩=0\langle x, u(x)\rangle = 0, isto é, ⟨x,x−g(x)⟩=0\langle x, x - g(x)\rangle = 0, ou seja, ⟨x,g(x)⟩=1\langle x, g(x)\rangle = 1; por Cauchy–Schwarz, com ∥x∥=1\norm x = 1, ∥g(x)∥≤1\norm{g(x)} \leq 1, isso força g(x)=xg(x) = x — excluído. Deduza que rr é suave em uma vizinhança de Bˉ\bar B.
  4. Mostre que r(Bˉ)⊆Sr(\bar B) \subseteq S e r(x)=xr(x) = x para x∈Sx \in S (para ∥x∥=1\norm x = 1, verifique t(x)=0t(x) = 0 usando ⟨x,u(x)⟩≥0\langle x, u(x)\rangle \geq 0, o que por sua vez decorre de ⟨x,x−g(x)⟩=1−⟨x,g(x)⟩≥0\langle x, x - g(x)\rangle = 1 - \langle x, g(x)\rangle \geq 0). Conclua com a Parte II: toda autoaplicação suave de Bˉ\bar B tem ponto fixo.

Parte IV — Brouwer contínuo. Seja f ⁣:Bˉ→Bˉf\colon\bar B\to\bar B contínua sem ponto fixo.

  1. Mostre que ε=min⁡Bˉ∥f−x∥>0\varepsilon = \min_{\bar B}\norm{f - x} > 0 e produza uma aplicação polinomial p ⁣:Rn→Rnp\colon\R^n\to \R^n com sup⁡Bˉ∥p−f∥<ε/2\sup_{\bar B}\norm{p - f} < \varepsilon/2 (Stone–Weierstrass, Teorema 7.15, coordenada a coordenada — justifique a passagem do caso escalar ao vetorial).
  2. A aplicação pp pode sair da bola; ponha g=p1+ε/2g = \frac{p}{1 + \varepsilon/2}. Mostre que g(Bˉ)⊆Bˉg(\bar B) \subseteq \bar B e sup⁡Bˉ∥g−f∥<ε\sup_{\bar B}\norm{g - f} < \varepsilon.
  3. Obtenha uma contradição com a Parte III e conclua: toda aplicação contínua Bˉn→Bˉn\bar B^n \to \bar B^n tem ponto fixo.
  4. Mostre com exemplos que o teorema falha: na bola aberta; na esfera SS; em um anel fechado. Que propriedade de Bˉ\bar B cada contraexemplo perde?

Parte V — Dividendos.

  1. (Perron–Frobenius, existência) Sejam AA uma matriz n×nn\times n com todas as entradas >0> 0 e Δ={x∈Rn:xi≥0, ∑xi=1}\Delta = \{x \in \R^n : x_i \geq 0,\ \sum x_i = 1\}. Mostre que a aplicação x↦Ax/∥Ax∥1x \mapsto Ax/\norm{Ax}_1 está bem definida e é contínua em Δ\Delta, que Δ\Delta é homeomorfo a uma bola fechada de Rn−1\R^{n-1} (homeomorfismo radial a partir de um compacto convexo de interior não vazio em seu envoltório afim), e conclua que AA tem um autovetor de entradas estritamente positivas e autovalor >0> 0.
  2. Deduza que toda matriz estocástica de entradas positivas (colunas somando 11) tem um vetor de probabilidade estacionário π=Aπ\pi = A\pi — o vetor do tipo PageRank. (A unicidade também vale, mas exige outras ferramentas.)
  3. (Bola cabeluda, preparação) Seja vv suave em uma vizinhança de S=Sn−1S = S^{n-1} com ⟨v(x),x⟩=0\langle v(x), x\rangle = 0 e ∥v(x)∥=1\norm{v(x)} = 1 para x∈Sx \in S (um campo tangente unitário). Para t∈Rt \in \R, ponha Ft(x)=x+t v(x)F_t(x) = x + t\,v(x). Mostre que ∥Ft(x)∥=1+t2\norm{F_t(x)} = \sqrt{1 + t^2} em SS: FtF_t leva SS na esfera 1+t2 S\sqrt{1+t^2}\,S.
  4. Mostre que P(t)=∫SFt∗σP(t) = \int_SF_t^*\sigma é um polinômio em tt (cada função-coeficiente de Ft∗σF_t^*\sigma em uma carta é polinomial em tt, com coeficientes suaves na variável da carta; a integração é linear).
  5. Mostre que, para ∣t∣\abs t pequeno, FtF_t é um difeomorfismo de SS sobre 1+t2 S\sqrt{1+t^2}\,S: injetividade para tLip⁡(v)<1t\operatorname{Lip}(v) < 1; difeomorfismo local pelo teorema da função inversa (Teorema 20.1 em cartas); imagem aberta e fechada na esfera alvo, que é conexa. Deduza, usando o Lema 21.19 e o reescalamento σλx=λn σx\sigma_{\lambda x} = \lambda^{n}\,\sigma_x sob x↦λxx \mapsto \lambda x (verifique-o), que

    P(t)=±(1+t2)n/2∫Sσ,com o sinal + para tP(t) = \pm(1 + t^2)^{n/2}\int_S\sigma, \qquad\text{com o sinal } + \text{ para } t

    (a orientação é preservada por continuidade a partir de t=0t = 0).

  6. Conclua (Milnor): se nn é ímpar, (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} não é um polinômio em tt e, no entanto, coincide com o polinômio P(t)/∫SσP(t)/\int_S\sigma perto de 00 — contradição. Logo as esferas de dimensão par Sn−1S^{n-1} (nn ímpar) não admitem campo tangente unitário e, normalizando e suavizando (convolua componente a componente e projete — justifique as duas etapas), tampouco admitem campo tangente contínuo que não se anule em parte alguma: todo vento na Terra deixa um ponto de calmaria.
  7. (As esferas ímpares se penteiam sem esforço) Exiba em S2m−1⊆R2m≅CmS^{2m-1} \subseteq \R^{2m} \cong \C^m um campo tangente unitário suave explícito: v(x)=ixv(x) = \iu x em notação complexa, isto é,

    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) .

    Verifique a tangência e o comprimento unitário, e conclua que a dicotomia de paridade da questão 23 é exata: uma esfera é penteável exatamente quando sua dimensão é ímpar. Onde o argumento polinomial da questão 22 se quebra para nn par?

  8. (Zeros a partir do comportamento na fronteira) Seja f ⁣:Bˉn→Rnf \colon \bar B^n \to \R^n contínua com ⟨f(x),x⟩≥0\langle f(x), x\rangle \geq 0 para todo x∈Sn−1x \in S^{n-1}. Mostre que ff se anula em algum ponto de Bˉn\bar B^n. (Se não, g(x)=−f(x)/∥f(x)∥g(x) = -f(x)/\norm{f(x)} leva Bˉ\bar B continuamente em S⊆BˉS \subseteq \bar B; aplique Brouwer a gg e contradiga a hipótese de fronteira.) Deduza o critério de sobrejetividade: uma aplicação contínua F ⁣:Rn→RnF\colon\R^n\to\R^n com ⟨F(x),x⟩∥x∥→+∞\frac{\langle F(x), x\rangle}{\norm x} \to +\infty quando ∥x∥→∞\norm x \to \infty é sobrejetora — o ancestral em dimensão finita dos argumentos de coercividade da análise não linear.
Solução

Solução de Problema 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; carregar  ⁣dxi\dd x_i através dos i−1i-1 fatores precedentes custa (−1)i−1(-1)^{i-1}, o que cancela o prefator: cada um dos nn termos vale  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n, de modo que  ⁣dσ=n  ⁣dx1∧⋯∧ ⁣dxn\dd\sigma = n\,\dd x_1\wedge\dots\wedge\dd x_n. Stokes na bola: ∫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; em 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, a forma comprimento de arco: ∫Sσ=2π=2vol⁡(Bˉ2)\int_S\sigma = 2\pi = 2\operatorname{vol}(\bar B^2). n=3n = 3: σ∣S\sigma\vert_S é a forma de área (Exercício 21.5 com ν(x)=x\nu(x) = x): ∫Sσ=4π=3⋅4π3\int_S\sigma = 4\pi = 3\cdot\tfrac{4\pi}3. Ambas batem com a questão 1.

3. Derivando ∥φ∥2=1\norm\varphi^2 = 1: 2⟨Dφ(x)h,φ(x)⟩=02\langle D\varphi(x)h, \varphi(x)\rangle = 0 para todo hh, de modo que im⁡Dφ(x)⊆φ(x)⊥\operatorname{im}D\varphi(x) \subseteq \varphi(x)^\perp, um hiperplano: rk⁡Dφ(x)≤n−1\operatorname{rk}D\varphi(x) \leq n - 1. Como  ⁣dσ\dd\sigma é uma nn-forma (questão 1), pontualmente φ∗( ⁣dσ)x=(Dφ(x))∗( ⁣dσ)φ(x)=0\varphi^*(\dd\sigma)_x = (D\varphi(x))^*(\dd\sigma)_{\varphi(x)} = 0 pela Proposição 21.6(2): uma aplicação com valores na esfera não tem espaço para puxar de volta uma forma de volume.

4. A falha é o segundo “logo”: na SS de dimensão (n−1)(n-1), toda (n−1)(n-1)-forma é trivialmente fechada (não há nn-formas não nulas numa variedade de dimensão (n−1)(n-1)), mas fechada não significa exata, e ∫S ⁣dη=0\int_S\dd\eta = 0 exige uma primitiva η\eta efetivamente definida em SS. A restrição de σ\sigma é precisamente não exata — sua integral vale nvol⁡(Bˉ)≠0n\operatorname{vol}(\bar B) \neq 0 — e essa não exatidão move o problema inteiro.

5. Vamos integrar r∗σr^*\sigma sobre a esfera e contar de duas maneiras. Como rr fixa SS ponto a ponto, a integral vale ∫Sσ=nvol⁡(Bˉ)≠0\int_S\sigma = n\operatorname{vol}(\bar B) \neq 0. Como rr está definida na bola, Stokes converte a mesma integral em ∫Bˉ ⁣d(r∗σ)=∫Bˉr∗( ⁣dσ)\int_{\bar B}\dd(r^*\sigma) = \int_{\bar B}r^*(\dd\sigma); e, como rr toma valores na esfera, a questão 3 anula esse integrando. Um número, dois valores: a retração não pode existir.

6. Ambas as integrais são calculadas por parametrizações diretas γ\gamma de peças de SS (Definição 21.18); como r∘γ=γr\circ\gamma = \gamma (a parametrização cai em SS, em que rr é a identidade), γ∗(r∗σ)=(r∘γ)∗σ=γ∗σ\gamma^*(r^*\sigma) = (r\circ\gamma)^*\sigma = \gamma^*\sigma (Teorema 21.11(a)): os integrandos locais coincidem, e qualquer partição da unidade dá ∫Sr∗σ=∫Sσ\int_Sr^*\sigma = \int_S\sigma.

7. r∗σr^*\sigma é uma (n−1)(n-1)-forma suave numa vizinhança do compacto orientado Bˉ\bar B, cujo bordo com a orientação induzida é SS: Stokes (Teorema 21.23) dá exatamente ∫Sr∗σ=∫Bˉ ⁣d(r∗σ)\int_Sr^*\sigma = \int_{\bar B}\dd(r^*\sigma).

8.  ⁣d(r∗σ)=r∗( ⁣dσ)\dd(r^*\sigma) = r^*(\dd\sigma) (Teorema 21.11(b)), que se anula pela questão 3 aplicada a φ=r\varphi = r. Encadeando as questões 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 :

absurdo. Não existe retração suave de Bˉn\bar B^n sobre Sn−1S^{n-1} (n≥2n \geq 2).

9. Uma r ⁣:[−1, 1]→{−1,1}r\colon\intcc{-1}1\to\{-1,1\} contínua com r(±1)=±1r(\pm1) = \pm1 levaria um conexo sobre o desconexo {−1,1}\{-1, 1\}, impossível: imagens contínuas de conexos são conexas — equivalentemente, o teorema do valor intermediário forçaria rr a assumir o valor 00. O mesmo enunciado em toda dimensão é exatamente a Parte II; a conexidade é a sombra 11-dimensional do obstáculo cohomológico ∫Sσ≠0\int_S\sigma \neq 0.

10. x↦∥g(x)−x∥x \mapsto \norm{g(x) - x} é contínua e >0> 0 em toda parte no compacto Bˉ\bar B: seu mínimo δ\delta é atingido, logo >0> 0.

11. ∥x+tu∥2=1\norm{x + tu}^2 = 1 se lê t2+2t⟨x,u⟩+∥x∥2−1=0t^2 + 2t\langle x, u\rangle + \norm x^2 - 1 = 0, cujas raízes são

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} .

Seu produto é ∥x∥2−1≤0\norm x^2 - 1 \leq 0: as raízes ficam de lados opostos de 00 (ou uma delas se anula), de modo que o parâmetro do raio — a raiz não negativa — é t(x)=t+t(x) = t_+.

12. Se o radicando se anulasse em x∈Bˉx \in \bar B: sendo ambos os termos não negativos, ∥x∥=1\norm x = 1 e ⟨x,u(x)⟩=0\langle x, u(x)\rangle = 0, isto é, ⟨x,x−g(x)⟩=0\langle x, x - g(x)\rangle = 0, isto é, ⟨x,g(x)⟩=1\langle x, g(x)\rangle = 1. Por Cauchy–Schwarz, 1=⟨x,g(x)⟩≤∥x∥ ∥g(x)∥≤11 = \langle x, g(x)\rangle \leq \norm x\,\norm{g(x)} \leq 1: igualdade em toda a cadeia, o que força g(x)g(x) colinear com xx, de norma 11, positivamente: g(x)=xg(x) = x — excluído. Logo o radicando é contínuo e >0> 0 em Bˉ\bar B, logo minorado ali por algum c>0c > 0 e numa vizinhança (continuidade uniforme). Nessa vizinhança, uu é suave (∥x−g(x)∥≥δ/2\norm{x - g(x)} \geq \delta/2, encolhendo se necessário), o radicando permanece ≥c/2\geq c/2, e a raiz quadrada é suave em (0, ∞)\intoo0\infty: rr é suave perto de Bˉ\bar B.

13. ∥r(x)∥=1\norm{r(x)} = 1 por construção de t(x)t(x): r(Bˉ)⊆Sr(\bar B) \subseteq S. Para 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 (Cauchy–Schwarz mais uma vez), e ∥x∥=1\norm x = 1 reduz o radicando a ⟨x,u⟩2\langle x, u\rangle^2, cuja raiz quadrada é o próprio ⟨x,u⟩\langle x, u\rangle (ele é ≥0\geq 0): t(x)=0t(x) = 0 e r(x)=xr(x) = x. Logo rr é uma retração suave da bola sobre a esfera — contradizendo a Parte II. Toda autoaplicação suave de Bˉ\bar B tem ponto fixo.

14. ε>0\varepsilon > 0 exatamente como na questão 10. Os polinômios formam uma subálgebra de C(Bˉ,R)\mathcal C(\bar B, \R) que contém as constantes e separa pontos (as x↦xix \mapsto x_i separam), de modo que Stone–Weierstrass (Teorema 7.15) aproxima cada coordenada: tome polinômios pip_i com sup⁡Bˉ∣pi−fi∣<ε2n\sup_{\bar B}\abs{p_i - f_i} < \frac{\varepsilon}{2\sqrt n}; a aplicação vetorial p=(p1,…,pn)p = (p_1, \dots, p_n) satisfaz então 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. Em Bˉ\bar B: ∥p∥≤∥f∥+ε2≤1+ε2\norm p \leq \norm f + \frac\varepsilon2 \leq 1 + \frac\varepsilon2, de modo que ∥g∥=∥p∥1+ε/2≤1\norm{g} = \frac{\norm p}{1 + \varepsilon/2} \leq 1: g(Bˉ)⊆Bˉg(\bar B) \subseteq \bar B. Além disso, ∥g−p∥=ε/21+ε/2∥p∥≤ε2\norm{g - p} = \frac{\varepsilon/2}{1 + \varepsilon/2}\norm p \leq \frac\varepsilon2, logo ∥g−f∥≤∥g−p∥+∥p−f∥<ε\norm{g - f} \leq \norm{g - p} + \norm{p - f} < \varepsilon em Bˉ\bar B.

16. gg é polinomial, logo suave, e leva Bˉ\bar B em si mesmo: a Parte III fornece x0=g(x0)x_0 = g(x_0). Então ∥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}}: contradição. Toda aplicação contínua Bˉn→Bˉn\bar B^n \to \bar B^n tem ponto fixo.

17. Bola aberta: f(x)=x+e12f(x) = \frac{x + e_1}2 leva BB em BB (∥f(x)∥<1\norm{f(x)} < 1 estritamente) e seu único ponto fixo e1e_1 está na esfera: perdeu-se a compacidade. Esfera: a aplicação antipodal x↦−xx \mapsto -x não tem ponto fixo; SS é compacta, mas tem a topologia “errada” — ela é exatamente a não retração da Parte II. Coroa: uma rotação de qualquer ângulo ≢0\not\equiv 0 nada fixa; o buraco abriga a rotação — perdeu-se a convexidade (mais precisamente, a topologia do tipo bola). O teorema de Brouwer é, na verdade, sobre conjuntos compactos convexos, como a questão 18 explora.

18. Para x∈Δx \in \Delta: algum xj>0x_j > 0, de modo que (Ax)i≥Aijxj>0(Ax)_i \geq A_{ij}x_j > 0 para todo ii; logo ∥Ax∥1>0\norm{Ax}_1 > 0 e T(x)=Ax/∥Ax∥1T(x) = Ax/\norm{Ax}_1 está bem definida, é contínua e cai em Δ\Delta (entradas positivas de soma 11). Δ\Delta é convexo, compacto, com interior não vazio no hiperplano afim {∑xi=1}≅Rn−1\{\sum x_i = 1\} \cong \R^{n-1}; a aplicação radial a partir de seu baricentro — cada raio a partir do baricentro encontra ∂Δ\partial\Delta em exatamente um ponto, por convexidade e compacidade, e a função de calibre correspondente é contínua — é um homeomorfismo Δ→Bˉn−1\Delta \to \bar B^{n-1}. Transportando Brouwer por ele: TT tem ponto fixo x∗x^*, isto é, Ax∗=λx∗Ax^* = \lambda x^* com λ=∥Ax∗∥1>0\lambda = \norm{Ax^*}_1 > 0; e x∗=Ax∗/λx^* = Ax^*/\lambda tem entradas estritamente positivas pelo cálculo inicial. Uma matriz positiva tem autovetor positivo.

19. A questão 18 dá Aπ=λπA\pi = \lambda\pi, π∈Δ\pi \in \Delta, π>0\pi > 0. Some as coordenadas: ∑i(Aπ)i=∑jπj∑iAij=∑jπj=1\sum_i(A\pi)_i = \sum_j\pi_j\sum_iA_{ij} = \sum_j\pi_j = 1 (as colunas somam 11), ao passo que ∑iλπi=λ\sum_i\lambda\pi_i = \lambda. Logo λ=1\lambda = 1 e Aπ=πA\pi = \pi: um vetor de probabilidade estacionário — o equilíbrio da cadeia de Markov, o núcleo matemático do PageRank.

20. Em 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 pela tangência e ∥v∥=1\norm v = 1: Ft(S)⊆1+t2 SF_t(S) \subseteq \sqrt{1+t^2}\,S.

21. Fixe um atlas finito de parametrizações diretas γ\gamma e uma partição da unidade, independentes de tt. Numa carta, Ft∘γ=γ+t(v∘γ)F_t\circ\gamma = \gamma + t(v\circ\gamma), de modo que cada coeficiente de (Ft∘γ)∗σ(F_t\circ\gamma)^*\sigma é uma soma de produtos de um fator (xi+tvi)∘γ(x_i + tv_i)\circ\gamma (afim em tt) por um determinante (n−1)×(n−1)(n-1)\times(n-1) com entradas afins em tt: um polinômio em tt de grau ≤n\leq n com coeficientes suaves na variável da carta. Multiplicando pelas funções da partição, independentes de tt, e integrando termo a termo: P(t)=∑k=0ncktkP(t) = \sum_{k=0}^n c_kt^k, um polinômio.

22. Injetividade: vv é lipschitziana em SS (suave num compacto), digamos de constante LL; para ∣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. Difeomorfismo: Gt=Ft/1+t2G_t = F_t/\sqrt{1 + t^2} leva SS em SS; em cartas, seus jacobianos convergem uniformemente aos de G0=id⁡G_0 = \operatorname{id} quando t→0t \to 0, de modo que, para tt pequeno, eles são inversíveis e GtG_t é um difeomorfismo local (Teorema 20.1 em cartas), injetor, de imagem aberta (difeomorfismo local) e compacta na conexa Sn−1S^{n-1} (n≥2n \geq 2): imagem =S= S, de modo que GtG_t é um difeomorfismo de SS. Escala: sob sλ(x)=λxs_\lambda(x) = \lambda x, cada coeficiente xix_i ganha λ\lambda e cada uma das n−1n - 1 diferenciais ganha λ\lambda: sλ∗σ=λnσs_\lambda^*\sigma = \lambda^n\sigma. Como 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∫Sσpara 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{para } t,

a última igualdade pelo Lema 21.19 (GtG_t é um difeomorfismo de SS, que preserva a orientação para tt pequeno: os determinantes jacobianos em cartas variam continuamente, nunca se anulam e são positivos em t=0t = 0).

23. Se nn é ímpar e existe um campo tangente unitário suave, as questões 21–22 fazem o polinômio P(t)/∫SσP(t)/\int_S\sigma (legítimo: ∫Sσ≠0\int_S\sigma \neq 0 pela questão 1) coincidir com (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} perto de 00; duas funções suaves que coincidem perto de 00, sendo uma delas polinomial, forçam (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} a ser esse polinômio em todo R\R. Mas, se Q(t)2=(1+t2)nQ(t)^2 = (1 + t^2)^n com Q∈R[t]Q \in \R[t], a fatoração única em R[t]\R[t] (Capítulo 2) dá ao irredutível t2+1t^2 + 1 multiplicidade par em Q2Q^2 e multiplicidade ímpar nn em (1+t2)n(1 + t^2)^n: impossível. Logo não existe campo tangente unitário suave em Sn−1S^{n-1} para nn ímpar — as esferas de dimensão par. Por fim, um campo tangente meramente contínuo e nunca nulo ww produziria um: estenda-o a uma vizinhança por w~(x)=w(x/∥x∥)\tilde w(x) = w(x/\norm x), regularize componente a componente (Teorema 12.9) até um v0v_0 suave com sup⁡S∥v0−w~∥<12min⁡S∥w∥\sup_S\norm{v_0 - \tilde w} < \frac12\min_S\norm w, projete tangencialmente v1(x)=v0(x)−⟨v0(x),x⟩xv_1(x) = v_0(x) - \langle v_0(x), x\rangle x — em SS isso altera v0v_0 no máximo por sua componente normal, ela própria no máximo ∥v0−w~∥\norm{v_0 - \tilde w}, já que w~\tilde w é tangente, de modo que ∥v1−w~∥≤2∥v0−w~∥<min⁡∥w∥\norm{v_1 - \tilde w} \leq 2\norm{v_0 - \tilde w} < \min\norm w e v1v_1 nunca se anula em SS — e normalize: v=v1/∥v1∥v = v_1/\norm{v_1} é um campo tangente unitário suave. Logo, em toda esfera de dimensão par, todo campo tangente contínuo tem um zero: todo vento na Terra deixa um ponto de calmaria.

24. ⟨v(x),x⟩=∑j(−yjxj+xjyj)=0\langle v(x), x\rangle = \sum_j(-y_jx_j + x_jy_j) = 0: tangente; ∥v(x)∥=∥x∥=1\norm{v(x)} = \norm x = 1: unitário. A suavidade é clara (aplicação linear). Logo toda esfera de dimensão ímpar carrega um campo tangente unitário suave — a multiplicação por i\iu ao longo das retas complexas — e o obstáculo da questão 23 é exatamente a paridade da dimensão. No argumento polinomial, para nn par a função (1+t2)n/2(1 + t^2)^{n/2} é um polinômio, e nenhuma contradição surge: a demonstração não apenas deixa de se aplicar — sua conclusão é genuinamente falsa, como vv testemunha.

25. Suponha que ff nunca se anule em Bˉ\bar B. Então g(x)=−f(x)/∥f(x)∥g(x) = -f(x)/\norm{f(x)} é contínua Bˉ→S⊆Bˉ\bar B \to S \subseteq \bar B, e Brouwer (questão 16) fornece x∗=g(x∗)x^* = g(x^*). Como gg toma valores em SS, x∗∈Sx^* \in S, e

⟨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,

contradizendo a hipótese de bordo. Logo ff tem um zero. Sobrejetividade: dado y∈Rny \in \R^n, aplique o que precede a f(x)=F(x)−yf(x) = F(x) - y numa bola Bˉ(0,R)\bar B(0, R) com RR tão grande que ⟨F(x),x⟩≥∥y∥ ∥x∥\langle F(x), x\rangle \geq \norm y\,\norm x na esfera de raio RR (coercividade); então ⟨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 ali (Cauchy–Schwarz), e o enunciado reescalado dá um zero de ff: F(x)=yF(x) = y. Todo campo contínuo coercivo é sobrejetor — a sombra sem grau dos teoremas variacionais de existência, entregue pela topologia pura.

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