Ana içerik
Çok Değişkenli Kalkülüs
Konu: Çok Değişkenli Kalkülüs > Ünite 5
Ders 6: Stokes Teoremi (Makaleler)Stokes teoremi
Bu Green teoreminin 3 boyutlu versiyonudur, bir rotasyonel vektör alanının yüzey integralini, o yüzeyin sınırındaki çizgi integraliyle ilişkilendirir.
Arka plan
Mutlaka gerekli değildir, ancak daha iyi kavramaya yardımcı olur:
Bu makale fiziksel sezgi içindir
Stokes teoremini hesaplamalarda kullanmaya örnekler isterseniz, bir sonraki makalede bunları bulabilirsiniz. Burada hedef, teoremin neleri ifade ettiğini anlayacak, ve neden doğru olduğunu hissedecek şekilde sunmaktır.
Neye ulaşıyoruz
- Stokes teoremi Green teoreminin 3 boyutlu versiyonudur.
- Bir vektör alanının rotasyonelinin yüzey integralini, aynı vektör alanının yüzeyin sınırındaki çizgi integraliyle ilişkilendirir:
3 boyutta bir çizgi integralini yorumlama
start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, left parenthesis, x, comma, y, comma, z, right parenthesis üç boyutlu bir vektör alanını temsil ediyor olsun.
Bu vektör alanını uzayda uçuşan bir gazın hız vektörü olarak düşünün.
start color #bc2612, C, end color #bc2612 bu vektör alanının içindeki bir kapalı eğri olsun.
start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99'nin start color #bc2612, C, end color #bc2612 etrafındaki çizgi integralini nasıl yorumlayabilirsiniz?
Öncelikle, bu integral eğri yönelimli değilse mantıklı değildir. d, start bold text, r, end bold text diferansiyel vektörü bir adım boyunca minik bir adım temsil eder, ama hangi yönde? Üç boyutta, "saat yönünde" veya "saat yönünün tersine" diyemezsin, çünkü bu eğriye baktığında uzayda nerede olduğuna bakar. Matematiksel olarak yönelimi nasıl ifade ettiğimi size belirteceğim, ama şimdilik bir yönelimi çizmek daha kolaydır:
Bir kuş olduğunuzu hayal edin, start color #bc2612, C, end color #bc2612 eğrisi boyunca uzayda uçarken, rüzgar start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 vektör alanına göre esiyor olsun. (Bu animasyon için, küre şeklinde bir kuşsunuz).
start color #bc2612, C, end color #bc2612 boyunca hareketinizin her bir adımını (kanat çırpmasını?) d, start bold text, r, end bold text minik vektörü olarak düşünün. d, start bold text, r, end bold text ile bulunduğunuz start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 alanından rüzgar hızı vektörünün iç çarpımını alın. Rüzgar size yardım ederken pozitif olur, yüzünüze çarparken de negatif olur.
Şimdi, başlangıçta sorduğum çizgi integraline tekrar bakın:
Uçuşunuz sırasında rüzgarın ne kadar faydalı veya külfetli olduğunu toplamak olarak düşünebilirsiniz. start color #bc2612, C, end color #bc2612 etrafında sıvının akış eğilimini ölçer. Pozitifse, rüzgar genelde faydalıydı, ve start color #bc2612, C, end color #bc2612 etrafında belirtilen yöneliminizin yönünde dönme eğilimli olduğunu söyleyebilirsiniz. Negatifse, diğer yönde dönme eğilimi olduğunu söyleriz.
Bir yüzeyi doğrama
Green teoremi makalesini okuyanlara aşağıdaki bilgiler tanıdık gelecektir.
Uzayda sınırı start color #bc2612, C, end color #bc2612 olan bir start color #bc2612, S, end color #bc2612 yüzeyini düşünün, start color #bc2612, C, end color #bc2612 sabuna batırdığınız bir tel döngüymüş, ve start color #bc2612, S, end color #bc2612 döngüden çıkan bir sabun köpüğünün başlangıcıymış gibi.
Bu yüzeyi ortadan ikiye bölün, ve ortaya çıkan iki parçanın sınırlarına start color #0d923f, C, start subscript, 1, end subscript, end color #0d923f ve start color #a75a05, C, start subscript, 2, end subscript, end color #a75a05 deyin. Bunların ikisi de start color #bc2612, C, end color #bc2612'nin yönelimindeyse, (aynı vektör alanı start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99'nin) bu küçük eğriler etrafındaki çizgi integralleri yaptığınız dilim boyunca birbirlerini götürür:
start color #0d923f, C, start subscript, 1, end subscript, end color #0d923f ve start color #a75a05, C, start subscript, 2, end subscript, end color #a75a05 'nin kalan kısımları start color #bc2612, C, end color #bc2612'nin orijinal sınırını oluşturur. Onun için, küçük parçaların etrafındaki çizgi integrallerinin toplamı, start color #bc2612, C, end color #bc2612'nin etrafındaki tam çizgi integraline eşit olur:
Daha genel olarak, start color #bc2612, S, end color #bc2612'yi birçok gerçekten küçük parçaya ayırdığınızı gözünüzde canlandırın, sınırlarını start color #bc2612, C, start subscript, 1, end subscript, end color #bc2612, comma, dots, comma, start color #bc2612, C, start subscript, n, end subscript, end color #bc2612 olarak adlandırın, ve hepsini start color #bc2612, C, end color #bc2612 ile aynı şekilde yönlendirin. Bunu 3D'de çizmek biraz karışık olur, onun için 2D versiyonunu gösteren Green teoremi makalesinden bir görüntü çalıyorum, çünkü buradaki sezgi neredeyse aynıdır.
Bu küçük döngülerdeki çizgi integralleri start color #bc2612, C, end color #bc2612 içindeki dilimlerde birbirini götürür, sadece start color #bc2612, C, end color #bc2612 etrafında çizgi integraline eşit bir şey bırakır.
Her parçadaki rotasyonel
start color #bc2612, S, end color #bc2612'yi böyle parçalamanın bir nedeni, çok küçük bir döngü etrafındaki çizgi integralinin rotasyonel kullanılarak kestirilebilmesidir. Özellikle, bu parçalardan birine yakınlaşın. Yeterince küçükse, düz olarak düşünebilirsiniz.
- Bu parçanın sınırına `, `, start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612, " diyelim.
- Bu küçük döngünün içinde, yüzeyde bir start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 noktası seçin.
- start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f yüzeye start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 noktasında birim normal bir vektör olsun. "Hangi yöne doğru?", diye sorabilirsiniz. Sağ elinizin parmaklarını start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612 küçük döngüsü etrafında kıvırarak yönelimiyle hizalayın. Baş parmağını dışarı çıkarın, ve bu start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f'nin yönü olur.
- start color #bc2612, d, \Sigma, end color #bc2612 bu küçük parçanın alanını temsil etsin (birazdan bir yüzey integrali için sonsuz küçüklükteki alanı kullanma beklentisindeyim).
Bu durumda, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99'nin start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612 etrafındaki çizgi integralinin yaklaşık değeri aşağıdaki gibi bulunabilir:
Rotasyonelin anlamıyla ilgili bilginizden, veya bir vektörün rotasyonu nasıl edebileceği ile ilgili bilginizden emin değilseniz, rotasyonelle ilgili bu makaleyi tekrar etmeyi düşünün.
Bu kestirimin neden işe yaradığıyla ilgili sezgi şöyle olabilir: start text, r, o, t, a, s, y, o, n, e, l, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 vektör alanı boyunca akan sıvının start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 noktasının yakınında nasıl döndüğünü veren bir vektördür. Örneğin, uzayda süzülen küçük bir tenis topunu gözünüzde canlandırırsanız, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 merkezli, start text, r, o, t, a, s, y, o, n, e, l, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 vektörü, etrafında esen rüzgara göre nasıl dönme şeklini tanımlar. Yani, vektör döndürme ekseni boyunca yönelir, ve büyüklüğü döndürme hızıyla orantılıdır.
Bu rotasyonel vektörüyle, yüzeyin birim normal vektörü start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f arasındaki iç çarpımı alırsak, rotasyonel vektörün yüzeye dik olan bileşenini verir. Bu, yüzeyin kendisinde sıvı döndürme hızını tanımlar. Öte yandan, bu küçük sıvı döndürme miktarı, minik parçanın sınırındaki çizgi integraliyle de verilir: \oint, start subscript, start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text.
Aslında, bu çizgi integrali çok küçük bir sayı verir (çünkü start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612 çok kısadır), ama start text, r, o, t, a, s, y, o, n, e, l, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, comma, y, start subscript, k, end subscript, comma, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05'yi içeren parçanın boyutundan bağımsız bir sayı verir. Bu nedenle, rotasyonelin ilgili bileşenini minik parçanın alanına göre ölçekleriz.
(Bu yaklaşımı daha derinden anlamak için, üç boyutta rotasyonelin biçimsel tanımına bir bakın.)
Bir rotasyonelin yüzey integrali
Son iki bölümdeki fikirleri birleştirdiğimizde, bunu elde ediyoruz:
Bunları gittikçe küçük parçalara ayırırsak, bu son toplam start color #bc2612, S, end color #bc2612 yüzeyindeki left parenthesis, start text, r, o, t, a, s, y, o, n, e, l, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f, right parenthesis integraline yaklaşır. (Bu size mantıklı gelmiyorsa, yüzey integralleriyle ilgili makaleyi tekrar etmeyi düşünebilirsiniz).
Bunların tümünü bir araya getirdiğimizde, Stokes teoremi olarak bilinen aşağıdaki harika denklemi elde ederiz:
Yönlendirmeyi hizalama
Yüzeyler birim normal vektörlerinin seçilen yönüyle yönlendirilir. Örneğin, sıklıkla bir yüzeyin dışa doğru birim normal vektörler kullanılarak yönlendirildiğini görürsünüz (her ne kadar tüm yüzeylerde dışa doğruya karşı içe doğru normal vektör düşüncesi olmasa da).
Eğriler, teğet vektörleri için seçilen yönde yönelimlenir.
Stokes teoreminin işe yaraması için, yüzeyin yönelimi ve sınırı aynı şekilde "eşleşmelidir". Aksi takdirde, denklemde minus, 1 çarpanı eksik olur. İnsanların bu eşleşmenin nasıl göründüğünü tanımladığı birçok farklı yol vardır; hepsi aynı şeyi tanımlamaktadır:
- Yüzeye birim normal vektörlerin hepsi size bakacak şekilde bakarsanız eğri saat yönünün tersi yönde durmalıdır.
- Eğrinin yönelimi, sağ el kuralını izlemelidir, yani sağ elinizin baş parmağını yüzeyin kenarında bir birim normal vektör yönünde uzatırsanız, ve parmaklarınızı kıvırırsanız, eğride işaret ettikleri yön, yönelimiyle eşleşmelidir.
- Sınır eğrisinde vücudunuz birim normal vektörün yönündeyken yürüdüğünüzde, yüzey sol tarafınızda şekilde yürümelisiniz.
Baloncuklar uçurma
Stokes teoremiyle ilgili işte şahane bir şey: Yüzeyin kendisi önemli değildir, tek önemli olan sınırıdır.
Örneğin, uzayda belirli bir döngüyü gözünüzde canlandırın, ve bu döngüyü sınır olarak alan bütün bu farklı yüzeyleri düşünün; bu döngüden çıkabilen farklı sabun köpükleri:
Verilen herhangi bir vektör alanı start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, left parenthesis, x, comma, y, comma, z, right parenthesis için, \iint, start subscript, start color #bc2612, S, end color #bc2612, end subscript, start text, c, u, r, l, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f, start color #bc2612, d, \Sigma, end color #bc2612 yüzey integrali bu yüzeylerden her birisi için aynı olacaktır. Bu çılgınca, değil mi? Bu yüzey integralleri uzaydaki tamamen farklı noktalardaki farklı değerleri toplamayı içerir, ancak gene de sonuçta aynı olduklarını görürüz; bunun nedeni bir sınırı paylaşıyor olmalarıdır.
Çoğu vektör alanında yüzey integrali söz konusu yüzeye kesinlikle bağlı olduğu için, bu durum rotasyonel vektör alanlarını ne kadar özel olduğunu gösterir. Konservatif vektör alanlarını öğrendiyseniz, bu, izden bağımsızlıkla benzerlik gösterir, ve gradyan vektör alanlarının ne kadar özel olduğuna işaret eder.
Hiç sınır olmasaydı ne olurdu?
Bir küre veya torus gibi kapalı bir yüzeyiniz varsa, sınır yoktur. Bunun anlamı, "sınır boyunca çizgi integrali" sıfırdır, ve Stokes teoremi aşağıdaki gibi okunur:
Yüzeyi birçok minik çizgi integrallerine ayırmayı düşündüğünüzde, bu küçük çizgi integraller sadeleşerek işle ilgili bir şey kalmaz.
Özet
- Stokes teoremi Green teoreminin 3 boyutlu versiyonudur.
- integral, start subscript, start color #bc2612, C, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text çizgi integrali, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 boyunca akan bir sıvının start color #bc2612, S, end color #bc2612 yüzeyinin start color #bc2612, C, end color #bc2612 sınırı boyunca ne kadar döndüğünü belirtir.
- Yüzey integralinin sol tarafı, start color #bc2612, S, end color #bc2612 yüzeyinin üstündeki sıvı döndürmenin toplamı olarak görülebilir. start text, r, o, t, a, s, y, o, n, e, l, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 vektörü her bir noktadaki sıvı döndürmesini tanımlar, ve yüzeyin birim normal vektörüyle iç çarpımını alırsak, start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f, yüzeyin üstündeki sıvı döndürmesinin bileşenini çıkarır.
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
Henüz gönderi yok.