Al sumar muchas piezas, sus bordes compartidos se recorren en sentidos opuestos y se cancelan. Solo queda la frontera exterior. Green, Gauss y Stokes convierten esa idea en teoremas precisos: cada uno conecta una magnitud interior con una medición orientada en su frontera.
Si necesitas repasar:
1. Primero identificamos el interior y qué tipo de frontera tiene
Una región plana tiene una o varias curvas como borde. Un volumen tiene una superficie cerrada como frontera. Una superficie abierta puede tener una curva como borde. No intercambiamos esas dimensiones: una curva espacial no delimita por sí sola un volumen.
En el dibujo sumamos recorridos de pequeñas celdas. Un borde compartido se recorre una vez en cada sentido y su contribución se anula. Esta cancelación explica la estructura de los teoremas; una demostración completa también controla aproximaciones y regularidad.
Qué queda al sumar dos rectángulos vecinos
Cada rectángulo se recorre antihorariamente. ¿Qué pasa con el lado común?
Primer rectángulo
Su recorrido del lado común lleva un sentido.
Segundo
Como también se orienta antihorariamente, lo recorre al revés.
Suma
Las integrales de ese mismo lado se niegan y cancelan; queda el contorno de la unión.
Los bordes internos no aparecen en la frontera final.
La cancelación exige sumar el mismo campo a lo largo de la misma arista con sentidos opuestos.
Una superficie abierta y un volumen
Compara un disco, una esfera y una semiesfera sin tapa.
Disco
Es una superficie con circunferencia como borde.
Esfera
Es una superficie cerrada, frontera de una bola; como superficie no tiene curva borde.
Semiesfera
Tiene circunferencia borde y para cerrar el volumen requiere añadir un disco.
La elección del teorema depende de esa geometría.
No se aplica directamente Gauss a una superficie abierta omitiendo la tapa.
2. Divergencia es escalar; rotacional es vector
Para F=(P,Q,R), div F=Pₓ+Qᵧ+R_z suma las variaciones de cada componente en su propia coordenada. Mide salida neta local. Un campo constante puede ser no nulo y tener divergencia cero.
Sus componentes son diferencias de parciales, no la misma suma de la divergencia. En el plano Qₓ−Pᵧ es la componente perpendicular de rotación.
Un campo radial
Para F=(x,y,z), calcula las dos operaciones.
Divergencia
1+1+1=3.Rotacional
Cada parcial cruzada es cero, así que curl F=(0,0,0).
Interpretación
Puede haber salida radial aunque no haya rotación local.
div F=3 y curl F=0.
Un rotacional cero no obliga a flujo cero por una superficie cerrada.
Un campo que gira sin salida neta local
Para F=(−y,x,0), calcula div y curl.
Divergencia
∂(−y)/∂x+∂x/∂y+0=0.Rotacional
Las primeras dos componentes son cero; la tercera es 1−(−1)=2.
Resultado
curl F=(0,0,2), perpendicular al plano de giro.
Divergencia cero y rotacional no nulo.
Las dos operaciones distinguen comportamientos diferentes del mismo campo.
3. Green transforma circulación plana en una integral de rotación
Sea D una región plana acotada con frontera regular por tramos, y P,Q de clase C¹ en un abierto que contiene la región y su frontera.
Orientación positiva deja la región a la izquierda del avance: borde exterior antihorario y bordes de agujeros horarios. Incluimos todas las componentes. Recorrer también los agujeros antihorariamente cambiaría la cantidad solicitada.
Circulación en un disco de radio dos
Calcula ∮(−2y dx+x dy) en sentido antihorario.
Derivada de Green
Qₓ−Pᵧ=1−(−2)=3.Hipótesis
Campo polinómico C¹ y disco regular, de área 4π.
Acumular
Tres por 4π da 12π.
Circulación 12π.
Una parametrización (2cos t,2sin t) da 8sin²t+4cos²t y confirma la misma integral.
Un anillo incluye dos bordes
Para F=(−y,x), integra sobre la frontera positiva de 1≤r≤2.
Interior
La rotación escalar es dos y el área del anillo 3π.
Green
Resultado 6π.
Por componentes
La exterior antihoraria aporta 8π; la interior horaria aporta −2π; suman 6π.
La orientación del agujero resta su contribución.
No se pide solo la circunferencia exterior: eso sería otra frontera y otra región.
4. La versión de flujo de Green usa divergencia plana y normal exterior
Para F=(P,Q), el flujo exterior por una curva positivamente orientada es ∮(P dy−Q dx). Green lo convierte en ∫∫_D(Pₓ+Qᵧ)dA. La combinación dy,−dx apunta hacia fuera cuando el interior queda a la izquierda.
Circulación usa componente tangencial; flujo usa componente normal. Aunque recorran la misma curva, pueden tener valores completamente distintos. Escribimos qué cantidad se pide antes de elegir derivadas.
Flujo por un rectángulo
F=(x,2y) en la frontera exterior de [0,2]×[0,1].
Divergencia plana
1+2=3.Área
Dos por uno da dos; flujo 3·2=6.Comprobar lados
Derecha aporta dos y arriba cuatro; izquierda y abajo cero.
Flujo exterior seis.
La circulación del mismo campo sería otra pregunta y usaría Qₓ−Pᵧ, que aquí es cero.
Giro tangencial con flujo cero
F=(−y,x) en la circunferencia unidad.
Normal exterior
n=(x,y) en la circunferencia.Producto
F·n=−yx+xy=0.Comparar
Flujo cero, pero circulación antihoraria 2π.
No hay cruce normal, aunque sí empuje tangencial.
La divergencia plana cero coincide con el resultado de flujo por Green.
5. Gauss exige toda la superficie cerrada y un campo regular en el volumen
Sea V un volumen acotado con frontera regular por tramos y normal exterior.
La superficie de la izquierda debe estar completa.
Si falta una tapa, podemos añadirla, aplicar Gauss al conjunto cerrado y restar el flujo de la tapa con su normal exterior. Para normal interior, el flujo final cambia de signo. Una singularidad dentro del volumen puede impedir la aplicación aunque el campo sea suave en la frontera.
Un cubo con flujo fácil por divergencia
F=(x²,y,z) sobre el cubo unidad, orientado hacia fuera.
Regularidad
Campo polinómico y cubo con frontera regular por partes.
Divergencia
2x+1+1=2x+2.Integral triple
Integrar en y,z aporta uno; ∫₀¹(2x+2)dx=3.
Flujo total tres.
Las caras x=1, y=1 y z=1 aportan uno cada una; las tres opuestas aportan cero.
Cerrar una semiesfera y restar la tapa
F=(0,0,1) atraviesa la semiesfera superior unidad con orientación exterior.
Cerrar
Añadimos el disco z=0 con normal hacia abajo.
Flujo cerrado
div F=0, así que el total de ambas superficies es cero.
Tapa y resta
La tapa aporta −π; la semiesfera debe aportar +π.
El flujo por la parte curva es π.
No era válido aplicar Gauss a la parte curva sola y concluir cero.
6. Stokes integra el rotacional sobre una superficie y la circulación sobre su borde
Para una superficie orientada suficientemente regular, por ejemplo C² por partes, y F de clase C¹ en un abierto que contiene la superficie, Stokes da ∮∂S F·dr=∫∫_S(curlF)·n dS. El flujo es del rotacional, no del campo F.
La orientación del borde corresponde a la normal por la regla de la mano derecha. Para un disco horizontal con normal hacia arriba, el borde se recorre antihorario visto desde arriba. Invertir la normal exige invertir también ese recorrido.
Un rotacional constante sobre un disco
F=(−y/2,x/2,0). Calcula su circulación en el círculo de radio dos visto antihorario desde arriba.
Rotacional
curl F=(0,0,1).Superficie y normal
Disco de radio dos con n=(0,0,1).Integral
El producto es uno; por el área resulta 4π.
Circulación 4π.
La parametrización circular da integrando dos en un intervalo de longitud 2π y confirma el signo.
Una superficie inclinada con el mismo procedimiento
F=(−y,x,0) y X(u,v)=(u,v,u+v), 0≤u,v≤1, orientada hacia arriba. Calcula circulación de su borde compatible.
Rotacional
(0,0,2).
Normal de parámetros
Xᵤ×Xᵥ=(−1,−1,1), con componente vertical positiva.Producto e integral
El producto es dos; el cuadrado de parámetros tiene área uno: circulación dos.
La circulación compatible vale dos.
No multiplicamos de nuevo por √3, porque el vector normal de parámetros ya contiene el factor de área.
7. Podemos elegir otra superficie con el mismo borde si las condiciones siguen siendo válidas
Si S₁ y S₂ tienen el mismo borde con la misma orientación inducida, y F es C¹ en un entorno de cada una, Stokes permite calcular la circulación con cualquiera. Elegimos la superficie que haga sencillo el rotacional y su normal.
Gauss conecta volumen y superficie cerrada; Stokes, superficie y curva borde. Una superficie cerrada, como superficie, tiene borde vacío; eso no significa que su flujo de F sea siempre cero.
Disco o semiesfera para una circulación
F=(−y/2,x/2,0), borde círculo unidad antihorario visto desde arriba.
Disco
curl F=(0,0,1); el flujo por el disco hacia arriba es π.
Semiesfera superior
Orientada hacia fuera induce ese mismo borde; el flujo de (0,0,1) por ella también es π.
Conclusión
Ambas calculan la misma circulación.
Elegir el disco simplifica la integral sin cambiar su valor.
El campo es polinómico y regular en ambas superficies; esa condición debe comprobarse en cada elección.
Superficie cerrada y dos flujos diferentes
En la esfera unidad compara el flujo de F=(x,y,z) con el flujo de su rotacional.
Campo original
Su flujo exterior es 4π por Gauss.
Rotacional
curl F=0, así que su flujo es cero.Stokes
La esfera no tiene curva borde, consistente con flujo total del rotacional igual a cero.
Flujo de F y flujo de curlF no son la misma cantidad.
La palabra cerrada no permite cambiar el campo que aparece en el teorema.
8. Las singularidades y los agujeros requieren revisar la región completa
El campo F=(x,y,z)/(x²+y²+z²)^(3/2) tiene divergencia cero fuera del origen. Su flujo por una esfera centrada en cero es 4π, porque el campo no está definido en el origen del volumen interior. La hipótesis de Gauss falla allí.
Si retiramos una bola alrededor del origen, aparece una frontera interior con normal dirigida hacia el hueco. En ese dominio perforado sí podemos aplicar Gauss y ambos flujos se cancelan. No omitimos esa frontera adicional.
El flujo singular no depende del radio de la esfera
Para una esfera de radio R>0, calcula F·n y el flujo.
Campo en la esfera
F=(x,y,z)/R³ y n=(x,y,z)/R.Producto
F·n=R²/R⁴=1/R².Área
Multiplicar por 4πR² da 4π.
La divergencia cero fuera del centro no obliga a flujo cero en una esfera que lo encierra.
En una cáscara entre radios ε y R, el flujo interior con normal hacia el hueco vale −4π y el total sí es cero.
La versión plana del mismo problema
F=(−y/r²,x/r²), r²=x²+y², en una vuelta antihoraria de radio uno.
Circulación
En el círculo el integrando por ángulo es uno; resultado 2π.
Derivada interior
Qₓ−Pᵧ=0 fuera del origen, pero el campo falla en el centro del disco.
Anillo válido
En un anillo, la exterior aporta 2π y la interior horaria −2π: total cero, como indica Green.
No se aplica Green al disco incluyendo la singularidad.
El dibujo de la frontera no basta; se necesita regularidad en toda la región relevante.
9. Derivadas nulas dan conclusiones concretas, no que todo el campo desaparezca
Si div F=0 y Gauss es aplicable, el flujo exterior total es cero. Puede entrar campo por una cara y salir por otra: cada pieza no tiene por qué dar cero. Un campo constante es un ejemplo inmediato.
Si curl F=0 y Stokes se aplica a una superficie, la circulación por su borde es cero. Para independencia de todos los caminos de un dominio se requieren condiciones globales adecuadas, como simple conexión junto con regularidad. Tener un potencial global lo demuestra directamente.
Entrada y salida se compensan
F=(1,0,0) sobre el cubo unidad.
Divergencia
Es cero: las componentes son constantes.
Dos caras
En x=1 el flujo es uno; en x=0, la normal (−1,0,0) da menos uno.Otras caras
El producto normal es cero; suma total cero.
Campo no nulo y flujos parciales no nulos, con flujo total cero.
Gauss controla la suma orientada de la frontera completa.
Un gradiente sin circulación pero con flujo
F=∇(x²+y²+z²)=(2x,2y,2z).
Potencial global
Todo recorrido cerrado tiene circulación cero.
Divergencia
Es seis.
Esfera unidad
Gauss da flujo 6·4π/3=8π.
Rotacional cero no implica flujo cero.
El potencial explica el trabajo; la divergencia explica la salida neta. Son propiedades distintas.
10. Elegimos por la magnitud pedida, la frontera y las condiciones
Una circulación plana cerrada sugiere Green; flujo por la frontera de un volumen, Gauss; circulación espacial con una superficie de borde conocido, Stokes. Antes de derivar declaramos orientación y revisamos dónde es C¹ el campo.
Si las condiciones fallan, volvemos a la parametrización o elegimos una región válida y tratamos sus fronteras adicionales. Una cuenta directa sencilla sirve para comprobar signos. Los teoremas simplifican integrales concretas; no convierten cualquier integral escalar en una circulación o un flujo.
| Teorema | Interior | Frontera | Cantidad |
|---|---|---|---|
| Green | Región plana | Curva cerrada | Circulación o flujo plano |
| Gauss | Volumen | Superficie cerrada | Flujo de F |
| Stokes | Superficie | Curva borde | Circulación de F / flujo de curlF |
Escoger Gauss con la geometría dada
Calcula el flujo de F=(x,y,z) por la frontera de [−1,1]³ hacia fuera.
Tipo y regularidad
Flujo por una superficie cerrada; campo C¹ en todo el espacio.
Divergencia
Tres.
Volumen
El cubo tiene lado dos y volumen ocho: flujo 3·8=24.
Gauss evita seis integrales de caras.
La normal hacia dentro cambiaría el resultado a −24.
Una integral escalar no se vuelve circulación por estar sobre un círculo
Compara ∫γ1 ds con ∫γ(x,y)·dr para el círculo unidad.
Escalar
La primera es longitud y vale 2π.
Trabajo radial
El campo (x,y) es perpendicular al avance y su trabajo es cero.
Elección
Green podría calcular la segunda con P=x,Q=y, pero no reemplaza la primera por esa misma fórmula.
La cantidad pedida determina el procedimiento.
El mismo dibujo de una curva admite integrales con significados y resultados diferentes.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Circulación en un círculo
Calcula ∮(−y dx+x dy) en la circunferencia unidad antihoraria.
Datos
P=−y, Q=x; frontera antihoraria del disco unidad, orientación positiva.
Condiciones
Campo polinómico C¹ en un abierto que contiene disco y borde; región regular.
Derivada de Green
Qₓ−Pᵧ=1−(−1)=2.Integral interior
∫∫_D2dA=2·área(D)=2π.Signo
La orientación dada es la positiva. Al invertirla cambiaría a −2π.
Parametrización independiente
γ=(cos t,sin t), γ′=(−sin t,cos t); el producto con (−y,x) es uno y su integral es 2π.
La circulación es 2π.
La parametrización (cos t,sin t) da integrando 1 y el mismo resultado.
EJEMPLO RESUELTO 2
Flujo de un campo radial
F=(x,y,z) y esfera unidad orientada hacia fuera.
Superficie y volumen
La esfera unidad es la frontera de la bola unidad; usamos normal exterior.
Hipótesis
F=(x,y,z) es C¹ en todo el volumen y un entorno, sin singularidades.Divergencia
∂x/∂x+∂y/∂y+∂z/∂z=3.Gauss
Flujo=3·volumen de la bola=3·4π/3=4π.Comprobar normal
En la esfera n=(x,y,z), por lo que F·n=1.Comprobar área
Integrar uno en la esfera da su área 4π, confirmando el resultado y el sentido exterior.
El flujo es 4π.
En la esfera F coincide con la normal unidad, así que el flujo también es el área.
Los símbolos que hemos usado
- ∂D / ∂V / ∂S
- Frontera de una región plana / de un volumen / de una superficie.
- div F = ∇·F
- Divergencia: suma de las derivadas de cada componente respecto de su coordenada.
- curl F = ∇×F
- Rotacional: vector que mide la tendencia local a circular.
- Orientación positiva en el plano
- La región queda a la izquierda al recorrer su frontera.
- n exterior
- Normal que apunta desde el volumen hacia fuera.
- Orientación inducida
- Sentido de recorrido de la frontera compatible con la normal de la superficie.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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