Teorema di Green

In matematica il teorema di Green, il cui nome è dovuto a George Green, pone in relazione un integrale di linea attorno a una curva chiusa semplice e un integrale doppio su di una regione piana limitata dalla medesima curva. Si tratta di un caso speciale, ristretto a due dimensioni, del teorema del rotore, a sua volta caso particolare del teorema di Stokes.

Enunciato modifica

Sia ${\textstyle \partial S}$ una curva chiusa semplice nel piano positivamente orientata (Diremo che la curva $\partial S$ orientata positivamente è un'orientazione positiva per la frontiera se per ogni $x$ appartenente alla frontiera, l'angolo tra il vettore tangente e il vettore normale alla curva misurato in senso orario è di ${\textstyle \pi /2}$ ) regolare a tratti, e sia $S$ la superficie di cui è frontiera. Se $f$ e $g$ sono due funzioni reali di due variabili reali che hanno le derivate parziali continue su una regione aperta che contiene $S$ , allora:^[1]

\int _{\partial S}(f\mathop {\mathrm {d} x} +g\mathop {\mathrm {d} y} )=\iint _{S}\left({\frac {\partial g}{\partial x}}-{\frac {\partial f}{\partial y}}\right)\mathop {\mathrm {d} x} \mathop {\mathrm {d} y}

Poiché il punto iniziale ed il punto finale della curva coincidono, essendo essa chiusa, talvolta si preferisce utilizzare la notazione:

\oint _{\partial S}(f\mathop {\mathrm {d} x} +g\mathop {\mathrm {d} y} )

Interpretazione modifica

Se si considera un campo vettoriale ${\textstyle \mathbf {F} }$ su ${\textstyle \mathbb {R} ^{2}}$ definito da:

\mathbf {F} (x,y):=(f(x,y),g(x,y))

la quantità:

\oint _{\partial S}(f\mathop {\mathrm {d} x} +g\mathop {\mathrm {d} y} )

rappresenta l'integrale di $\mathbf {F} \cdot \mathbf {n}$ , dove $\mathbf {n}$ è la normale esterna alla curva $\partial S$ in ogni punto. Dunque tale integrale rappresenta la circuitazione del campo $\mathbf {F}$ lungo la curva $\partial S$ .

D'altra parte l'espressione:

{\frac {\partial g}{\partial x}}-{\frac {\partial f}{\partial y}}

è il modulo del rotore di $\mathbf {F}$ . Infatti, nel caso di un campo planare e di un insieme $S$ del piano, il rotore è un vettore parallelo alla normale alla superficie $S$ , e dunque:

\nabla \times \mathbf {F} \cdot \mathbf {\hat {n}} ={\frac {\partial g}{\partial x}}-{\frac {\partial f}{\partial y}}

Quindi l'uguaglianza stabilita dal teorema stabilisce che la circuitazione di un campo vettoriale attraverso una curva è uguale al flusso del rotore del campo attraverso la superficie delimitata da tale curva. Questo è ciò che afferma il teorema del rotore, che è una generalizzazione del teorema di Green al caso di $\mathbb {R} ^{3}$ .

Dimostrazione per superficie semplice modifica

Il teorema di Green si dimostra se si provano le due equazioni seguenti:

\int _{\partial S}f\mathop {} \!\mathrm {d} x=-\iint _{S}{\frac {\partial f}{\partial y}}\mathop {} \!\mathrm {d} s\qquad \int _{\partial S}g\mathop {} \!\mathrm {d} y=\iint _{S}{\frac {\partial g}{\partial x}}\mathop {} \!\mathrm {d} s

Se si esprime $S$ come la regione:

S:=\{(x,y)|a\leq x\leq b,g_{1}(x)\leq y\leq g_{2}(x)\}

dove $g_{1}$ e $g_{2}$ sono funzioni continue, si può calcolare l'integrale doppio della prima relazione:

{\begin{aligned}\iint _{S}\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)\mathop {} \!\mathrm {d} s&=\int _{a}^{b}\!\!\int _{g_{1}(x)}^{g_{2}(x)}\left({\frac {\partial f}{\partial y}}(x,y)\mathop {\mathrm {d} y} \mathop {\mathrm {d} x} \right)\\&=\int _{a}^{b}f(x,g_{2}(x))-f(x,g_{1}(x))\mathop {\mathrm {d} x} \end{aligned}}

Avendo utilizzato il teorema fondamentale del calcolo integrale.

Spezzando il bordo $\partial S$ di $S$ nell'unione delle quattro curve $\partial S_{1}$ , $\partial S_{2}$ , $\partial S_{3}$ e $\partial S_{4}$ , si verifica che:

Per $\partial S_{1}$ valgono le equazioni parametriche $x=x$ , $y=g_{1}(x)$ , $a\leq x\leq b$ , e quindi si ottiene:

\int _{\partial S_{1}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} =\int _{a}^{b}f(x,g_{1}(x))\mathop {\mathrm {d} x}

.

Per $\partial S_{3}$ si usano le equazioni parametriche $x=x$ , $y=g_{2}(x)$ , $a\leq x\leq b$ , e si ottiene:

{\begin{aligned}\int _{\partial S_{3}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} &=-\int _{-\partial S_{3}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} \\&=-\int _{a}^{b}f(x,g_{2}(x))\mathop {\mathrm {d} x} \end{aligned}}

Per $\partial S_{2}$ e $\partial S_{4}$ la variabile $x$ è costante poiché ci si muove su un trattino rettilineo perpendicolare all'asse delle ascisse, il che implica:

\int _{\partial S_{4}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} =\int _{\partial S_{2}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} =0

e quindi:

{\begin{aligned}\int _{\partial S}f\mathop {\mathrm {d} x} &=\int _{\partial S_{1}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} +\int _{\partial S_{2}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} +\int _{\partial S_{3}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} +\int _{\partial S_{4}}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} \\&=-\int _{a}^{b}f(x,g_{2}(x))\mathop {\mathrm {d} x} +\int _{a}^{b}f(x,g_{1}(x))\mathop {\mathrm {d} x} \end{aligned}}

Sommando questa con l'integrale doppio della prima relazione definito in precedenza si ottiene:

\int _{\partial S}f(x,y)\mathop {\mathrm {d} x} =-\iint _{S}{\frac {\partial f}{\partial y}}\mathop {\mathrm {d} s}

e la seconda relazione si dimostra in modo analogo.

Relazione con il teorema di Stokes modifica

Il teorema di Green è un caso speciale del teorema di Stokes che si verifica considerando una regione nel piano x-y. Si ponga di avere un campo vettoriale $\mathbf {F}$ in tre dimensioni la cui componente z sia sempre nulla, ovvero $\mathbf {F} =(L,M,0)$ . Per il membro alla sinistra del teorema di Green si ha:

{\begin{aligned}\oint _{C}(L\mathop {\mathrm {d} x} +M\mathop {\mathrm {d} y} )&=\oint _{C}(L,M,0)\cdot (\mathop {\mathrm {d} x} ,\mathop {\mathrm {d} y} ,\mathop {\mathrm {d} z} )\\&=\oint _{C}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {r} \end{aligned}}

e per il teorema del rotore (o di Kelvin–Stokes):

\oint _{C}\mathbf {F} \cdot \mathop {\mathrm {d} \mathbf {r} } =\iint _{S}\nabla \times \mathbf {F} \cdot \mathbf {\hat {n}} \mathop {\mathrm {d} S}

dove la superficie $S$ è la regione nel piano e $\mathbf {\hat {n}}$ è il versore normale in direzione z. L'integrando diventa:

{\begin{aligned}\nabla \times \mathbf {F} \cdot \mathbf {\hat {n}} &=\left[\left({\frac {\partial 0}{\partial y}}-{\frac {\partial M}{\partial z}}\right)\mathbf {i} +\left({\frac {\partial L}{\partial z}}-{\frac {\partial 0}{\partial x}}\right)\mathbf {j} +\left({\frac {\partial M}{\partial x}}-{\frac {\partial L}{\partial y}}\right)\mathbf {k} \right]\cdot \mathbf {k} \\&=\left({\frac {\partial M}{\partial x}}-{\frac {\partial L}{\partial y}}\right)\end{aligned}}

sicché si ottiene il membro di destra del teorema di Green:

\iint _{S}\nabla \times \mathbf {F} \cdot \mathbf {\hat {n}} \mathop {\mathrm {d} S} =\iint _{D}\left({\frac {\partial M}{\partial x}}-{\frac {\partial L}{\partial y}}\right)\mathop {\mathrm {d} A}

Relazione con il teorema della divergenza modifica

Considerando campi vettoriali in due dimensioni il teorema di Green è equivalente alla seguente versione bidimensionale del teorema della divergenza:

\iint _{D}\left(\nabla \cdot \mathbf {F} \right)\mathop {\mathrm {d} A} =\oint _{C}\mathbf {F} \cdot \mathbf {\hat {n}} \mathop {\mathrm {d} s}

dove $\mathbf {\hat {n}}$ è il versore normale uscente alla frontiera $C$ di $D$ . Infatti, dal momento che nel teorema di Green $\mathrm {d} \mathbf {r} =(\mathrm {d} x,\mathrm {d} y)$ è un vettore tangente alla curva, e dato che la curva $C$ è orientata in senso antiorario, il vettore normale $\mathbf {\hat {n}}$ è il vettore $(\mathrm {d} y,-\mathrm {d} x)$ . La sua lunghezza è ${\sqrt {\mathrm {d} x^{2}+\mathrm {d} y^{2}}}=\mathrm {d} s$ , e quindi $\mathbf {\hat {n}} \mathop {} \!\mathrm {d} s=(\mathrm {d} y,-\mathrm {d} x)$ . Detto $\mathbf {F} =(P,Q)$ , il membro alla destra diventa: