Wiskunde · Begrippenlijst

Wat is deelvariëteit met rand?

Definitie 21.21 Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Hoofdstuk 21 — Differentiaalvormen en de stelling van Stokes

Een kk-deelvariëteit met rand MRnM \subseteq \R^n is een verzameling die door reguliere parametriseringen van twee soorten wordt overdekt: inwendige kaarten γ ⁣:VMW\gamma\colon V \to M \cap W met VRkV \subseteq \R^k open, en randkaarten γ ⁣:VHkMW\gamma\colon V \cap H^k \to M \cap W, waarbij Hk={uRk:uk0}H^k = \{u \in \R^k : u_k \geq 0\} en γ\gamma zich glad en regulier uitbreidt tot de open VV. De rand M\partial M is de verzameling punten die bij uk=0u_k = 0 worden bereikt; ze is een (k1)(k-1)-deelvariëteit zonder rand, geparametriseerd door de afbeeldingen uγ(u,0)u' \mapsto \gamma(u', 0). Een oriëntatie van MM induceert er een op M\partial M met de regel buitenwaartse normaal eerst: in pMp \in \partial M is een basis (w1,,wk1)(w_1, \dots, w_{k-1}) van TpMT_p\partial M positief dan en slechts dan als (ν,w1,,wk1)(\nu, w_1, \dots, w_{k-1}) een positieve basis van TpMT_pM is, waarbij νTpMTpM\nu \in T_pM \setminus T_p\partial M uit MM naar buiten wijst (in een randkaart: ν=kγ\nu = -\partial_k\gamma, op het optellen van tangentiële componenten na — de oriëntatieklasse ziet die niet).

De regel “buitenwaartse normaal eerst”: zet in elk randpunt de naar buiten wijzende vector  vooraan; de bases die haar tot een positief frame van M aanvullen, oriënteren M. Voor een vlak gebied met de standaardoriëntatie is dat de regel tegen de wijzers van de klok in van Green–Riemann.
De regel “buitenwaartse normaal eerst”: zet in elk randpunt de naar buiten wijzende vector ν\nu vooraan; de bases die haar tot een positief frame van MM aanvullen, oriënteren M\partial M. Voor een vlak gebied met de standaardoriëntatie is dat de regel tegen de wijzers van de klok in van Green–Riemann.

Voorbeelden

Voorbeeld 21.24 (De klassieke stellingen)

Zij DR2D \subseteq \R^2 een compact gebied met gladde rand, met de standaardoriëntatie. Voor ω=P ⁣dx+Q ⁣dy\omega = P\,\dd x + Q\,\dd y is  ⁣dω=(xQyP) ⁣dx ⁣dy\dd\omega = \bigl(\partial_xQ - \partial_yP\bigr)\dd x\wedge\dd y, en luidt Stokes

D(QxPy) ⁣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, bewezen voor elementaire gebieden in het volume van bachelorjaar 2 en nu in natuurlijke algemeenheid. In R3\R^3 geeft Stokes toegepast op de fluxvorm van een vectorveld op een compact gebied de divergentiestelling ΩdivF=ΩF,ν ⁣dS\int_\Omega\operatorname{div}F = \int_{\partial\Omega}\langle F, \nu\rangle\,\dd S, en toegepast op een 11-vorm op een oppervlak met rand de klassieke rotatiestelling van Kelvin–Stokes; Oefening 21.7 schrijft beide woordenboeken uit.

Lees in het hoofdstuk →