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Matemáticas · Glosario

¿Qué es Forma diferencial; integral curvilínea?

También llamado: forma diferencial · integral curvilínea

Definición 20.1 Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 20 — Integrales curvilíneas e integrales múltiples

Sea U⊆R2U \subseteq \R^2 un abierto. Una forma diferencial de grado 11 y clase C0\mathcal{C}^0 sobre UU es una expresión ω=P  ⁣dx+Q  ⁣dy\omega = P\,\dd x + Q\,\dd y con P,Q ⁣:U→RP, Q \colon U \to \R continuas; formalmente, una aplicación continua de UU en el dual de R2\R^2, ω(M)=P(M) e1∗+Q(M) e2∗\omega(M) = P(M)\,e_1^* + Q(M)\,e_2^*. Para un arco C1\mathcal{C}^1 γ ⁣:[a,b]→U\gamma \colon [a, b] \to U, γ(t)=(x(t),y(t))\gamma(t) = (x(t), y(t)), la integral curvilínea de ω\omega a lo largo de γ\gamma es

∫γω=∫ab(P(γ(t)) x′(t)+Q(γ(t)) y′(t))  ⁣dt.\int_\gamma \omega = \int_a^b \Bigl(P(\gamma(t))\,x'(t) + Q(\gamma(t))\,y'(t)\Bigr)\,\dd t .

Las definiciones se extienden palabra por palabra a R3\R^3 (formas P  ⁣dx+Q  ⁣dy+R  ⁣dzP\,\dd x + Q\,\dd y + R\,\dd z) y a los arcos C1\mathcal{C}^1 a trozos (sumando sobre los trozos).

Ejemplos

Ejemplo 20.4 (Una integral, dos parametrizaciones, una trampa de signo)

Calculemos ∫γx  ⁣dy\int_\gamma x\,\dd y a lo largo de la semicircunferencia unidad superior de (1,0)(1, 0) a (−1,0)(-1, 0). Con γ(t)=(cos⁡t,sin⁡t)\gamma(t) = (\cos t, \sin t), t∈[0, π]t \in \intcc0\pi:

∫0πcos⁡t⋅cos⁡t  ⁣dt=π2.\int_0^\pi\cos t\cdot\cos t\,\dd t = \frac\pi2 .

Con la parametrización por el grafo x↦(x,1−x2)x \mapsto (x, \sqrt{1 - x^2}), con xx de 11 a −1-1 (¡atención al sentido!):

∫1−1x⋅−x1−x2  ⁣dx=∫−11x21−x2  ⁣dx=π2\int_1^{-1}x\cdot\frac{-x}{\sqrt{1 - x^2}}\,\dd x = \int_{-1}^{1}\frac{x^2}{\sqrt{1 - x^2}}\,\dd x = \frac\pi2

(x=sin⁡ux = \sin u la reduce a una integral de Wallis). El mismo valor, como garantiza la Proposición 20.2; pero solo porque ambos recorridos van de (1,0)(1,0) a (−1,0)(-1,0): invertir el sentido cambia el signo. Cerrar el camino a lo largo del eje xx (donde  ⁣dy=0\dd y = 0) no añade nada, y el total π2\frac\pi2 es el área del semidisco: el primer caso de las fórmulas de área por la frontera de Green–Riemann de más abajo.

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