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1.3.7 Le cas des ( n − 1 , n ) -formes : les intégrales de bord [01M3]

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1.3.7 Le cas des (n−1,n)(n-1,n)-formes : les intégrales de bord

On suppose toujours que nn est la dimension de VV. Soit V+V_{+} un demi-espace fermé de VV ; c’est un sous-espace linéaire par morceaux de VV dont le bord ∂V+\partial V_{+} est un hyperplan affine. Si ℓ\ell est une forme affine telle que V+={ℓ≥0}V_{+}=\{\ell\geq 0\}, on dit qu’un vecteur v∈V→v\in\overrightarrow{V} est sortant de V+V_{+} si ℓ⁡(v)≤0\ell(v)\leq 0, l’adverbe strictement signifiant que l’inégalité précédente est stricte.

Tout vecteur-volume μ\mu sur VV induit canoniquement un élément ∂μ+\partial\mu_{+} de Or⁡(∂V+→)×{−1,1}Λn​V→\operatorname{Or}(\overrightarrow{\partial V_{+}})\times^{\{-1,1\}}\Lambda^{n}\overrightarrow{V} défini comme suit. On choisit une orientation oo de ∂V+→\overrightarrow{\partial V_{+}}, une base directe (e2,…,en)(e_{2},\ldots,e_{n}) de ∂V+→\overrightarrow{\partial V_{+}}, un vecteur e1e_{1} strictement sortant de V+V_{+}, et l’on note o′o^{\prime} l’orientation de VV pour laquelle la base (e1,…,en)(e_{1},\ldots,e_{n}) est directe. Il existe alors un unique λ∈Λn​V→\lambda\in\Lambda^{n}\overrightarrow{V} tel que (o′,λ)(o^{\prime},\lambda) soit égal à μ\mu dans |Λn​V→|\mathopen{|}{\Lambda^{n}\overrightarrow{V}}\mathclose{|}. Le couple (o,λ)(o,\lambda) définit un élément ∂μ+\partial\mu_{+} de Or⁡(∂V→)×{−1,1}Λn​V→\operatorname{Or}(\overrightarrow{\partial V})\times^{\{-1,1\}}\Lambda^{n}\overrightarrow{V} qui est indépendant des choix faits.

D’après les paragraphes 1.3.3 et 1.3.4, on peut alors définir : l’intégrale ∫U∩∂V+⟨|ω|,|∂μ+|⟩\int_{U\cap\partial V_{+}}\langle\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|},\mathopen{|}{\partial\mu_{+}}\mathclose{|}\rangle pour toute forme mesurable ω\omega de type (n−1,n)(n-1,n) sur UU  ; la notion de ∂μ+\partial\mu_{+}-intégrabilité d’une telle forme sur ∂V+\partial V_{+}  ; et, pour une forme ω\omega sur UU qui est mesurable et ∂μ+\partial\mu_{+}-intégrable sur ∂V+\partial V_{+}, l’intégrale ∫U∩∂V+⟨ω,∂μ+⟩\int_{U\cap\partial V_{+}}\langle\omega,\partial\mu_{+}\rangle.

Concrètement, choisissons (e1,…,en)(e_{1},\dots,e_{n}) comme ci-dessus. Cette base étant vue comme directe, le vecteur volume μ\mu est donné par un nn-vecteur a​e1∧⋯∧enae_{1}\wedge\dots\wedge e_{n} de Λn​V→\Lambda^{n}\overrightarrow{V}. Choisissons aussi une origine sur ∂V+\partial V_{+} ; dans les coordonnées correspondantes, on peut écrire

ω=∑i=1nωi​d′⁡x1∧d′′⁡x1∧…​d′⁡xi^∧d′′⁡xi∧…​d′⁡xn∧d′′⁡xn.\omega=\sum_{i=1}^{n}\omega_{i}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{1}\wedge\dots\widehat{\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{i}}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{i}\wedge\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{n}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{n}.

On a alors

∫U∩∂V+⟨|ω|,|∂μ+|⟩=|a|​∫U∩∂V+|ω1|​(0,x2,…,xn)​d​x2​…​d​xn.\int_{U\cap\partial V_{+}}\langle\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|},\mathopen{|}{\partial\mu_{+}}\mathclose{|}\rangle=\mathopen{|}{a}\mathclose{|}\int_{U\cap\partial V_{+}}\mathopen{|}{\omega_{1}}\mathclose{|}(0,x_{2},\dots,x_{n})\mathrm{d}x_{2}\dots\mathrm{d}x_{n}.

La forme ω\omega est ∂μ+\partial\mu_{+}-intégrable sur WW si et seulement si a​ω1​(0,∗,…,∗)a\omega_{1}(0,*,\ldots,*) est L1L^{1} (ce qui ne dépend pas de aa, sauf si celui-ci est nul, auquel cas toute forme mesurable est ∂μ+\partial\mu_{+}-intégrable). Si c’est le cas,

∫U∩∂V+⟨ω,∂μ+⟩=a​∫U∩∂V+ω1​(0,x2,…,xn)​d​x2​…​d​xn.\int_{U\cap\partial V_{+}}\langle\omega,\partial\mu_{+}\rangle=a\int_{U\cap\partial V_{+}}\omega_{1}(0,x_{2},\dots,x_{n})\mathrm{d}x_{2}\dots\mathrm{d}x_{n}.
\lemmname 1.3.8 (Formule de Green).

Soit μ∈|Λn​V→|\mu\in\mathopen{|}{\Lambda^{n}\overrightarrow{V}}\mathclose{|}. Soit V+V_{+} un demi-espace fermé dans VV. Soit α\alpha et β\beta des formes lisses symétriques de type (p,p)(p,p) et (q,q)(q,q) sur VV, avec p+q=n−1p+q=n-1 ; si l’intersection de leurs supports est compact, on a

∫V+⟨α∧d′​d′′⁡β−d′​d′′⁡α∧β,μ⟩=∫∂V+⟨α∧d′′⁡β−d′′⁡α∧β,∂μ+⟩.\int_{V_{+}}\langle\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta-\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\beta,\mu\rangle=\int_{\partial V_{+}}\langle\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta-\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\beta,\partial\mu^{+}\rangle.
Démonstration.

On peut supposer que V=𝐑nV=\mathbf{R}^{n}, V+=𝐑+×𝐑n−1V_{+}=\mathbf{R}_{+}\times\mathbf{R}^{n-1}, et que le vecteur-volume μ\mu est égal à e1∧⋯∧ene_{1}\wedge\dots\wedge e_{n}. Posons

ω=α∧d′′⁡β−d′′⁡α∧β.\omega=\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta-\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\beta.

Considérant ω\omega comme une (n−1)(n-1)-forme à coefficients dans le fibré vectoriel trivial Λn​V→∗\Lambda^{n}\overrightarrow{V}^{*}, la formule de Stokes usuelle assure que

∫V+𝑑ω=∫∂V+ω.\int_{V_{+}}\mathrm{d}\omega=\int_{\partial V_{+}}\omega.

Par ailleurs,

d​ω=(α∧d′​d′′⁡β−d′​d′′⁡α∧β)+(d′⁡α∧d′′⁡β+d′′⁡α∧d′⁡β).\mathrm{d}\omega=(\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta-\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\beta)+(\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta+\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\beta).

Pour démontrer le lemme, il suffit donc de prouver d′α∧d′′β=−d′′α∧d′β\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta=-\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\beta. Comme toute forme de type (n,n)(n,n) est symétrique et p+q=n−1p+q=n-1, on a

d′⁡α∧d′′⁡β\displaystyle\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\beta =d′⁡α∧J​d′⁡J​β\displaystyle=\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\alpha\wedge\mathrm{J}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\mathrm{J}\beta
=(−1)q​d′⁡α∧J​d′⁡β\displaystyle=(-1)^{q}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\alpha\wedge\mathrm{J}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\beta
=(−1)n+q​J​d′⁡α∧d′⁡β\displaystyle=(-1)^{n+q}\mathrm{J}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\beta
=(−1)​J​d′⁡J​α∧d′⁡β\displaystyle=(-1)\mathrm{J}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\mathrm{J}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\beta
=−d′′α∧d′β,\displaystyle=-\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\beta,

d’où le lemme. ∎

Original mathematics by the credited authors. Source-backed reader collection; mathematical self-containment is not assessed.