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Matemática · Glossário

O que é subvariedade com bordo?

Definição 21.21 Matemática universitária — Graduação 3 · Capítulo 21 — Formas diferenciais e o teorema de Stokes

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.

Exemplos

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.

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