Enunciado

  1. Determine uma função f tal que F → = ∇ f e
  2. (b) use a parte (a) para calcular ∫ c F → ⋅ d r → sobre a curva C dada.

F → x , y , z = sen ⁡ y i ^ + x cos ⁡ y + cos ⁡ z j ^ - y sen ⁡ z k ^

C :     r → t = sen ⁡ t i ^ + t   j ^ + 2 t   k ^ ,     0 ≤ t ≤ π / 2

Passo 1

Faala, pessoal!

Nessa questão nós temos um campo vetorial F → e queremos achar uma função potencial f :

F → = ∇ f

Isso quer dizer que, sendo F → = P   i ^ + Q   j ^ + R   k ^ ,

P = f x

Q = f y

R = f z

Pra descobrir quem é esse f , vamos pegar uma dessas equações e integrar dos dois lados. Uma dica é pegarmos nesse caso a equação que envolve Q , porque ela é a componente que tem mais termos – isso vai facilitar nossa análise depois:

Q = f y ⇒ f = ∫ Q d y

Daí, como integramos em função de y , com x e z constantes, a constante de integração vai depender de x e z . Pra saber quem é essa constante, vamos fazer:

f x = P

f z = R

Depois de definirmos f , precisamos calcular uma integral de linha. Vamos usar o Teorema Fundamental das Integrais de Linha:

∫ C F → ⋅ d r → = f r → b - f r → a

Onde r → t , com a ≤ t ≤ b é uma parametrização da curva C .

Então vamos descobrir quais são os valores de r → b e r → a , e aplicar o teorema!

Passo 2

(a)

Nosso campo é

F → x , y , z = sen ⁡ y , x cos ⁡ y + cos ⁡ z , - y sen ⁡ z

Então

P = sen ⁡ y

Q = x cos ⁡ y + cos ⁡ z

R = - y sen ⁡ z

E a função f é:

f = ∫ Q d y

= ∫ x cos ⁡ y + cos ⁡ z d y

Integrando em função de y , com x e z constantes:

f = x sen ⁡ y + y cos ⁡ z + g x , z

A constante de integração, nesse caso, vai depender de x , z .

Passo 3

Pra descobrir quem é esse g , vamos começar derivando f em função de x , considerando y e z constantes:

P = f x = ∂ x sen ⁡ y + y cos ⁡ z + g x , z ∂ x

= sen ⁡ y + g x

Igualando a P :

sen ⁡ y = sen ⁡ y + g x

⇒ g x = 0

Então g é constante em função de x :

f = x sen ⁡ y + y cos ⁡ z + g z

Passo 4

Agora derivando f em função de z , com x e y constantes:

R = f z = ∂ x sen ⁡ y + y cos ⁡ z + g z ∂ z

= - y sen ⁡ z + g ' z

Igualando a R :

- y sen ⁡ z = - y sen ⁡ z + g ' z

⇒ g ' z = 0

Ou seja, g é uma constante qualquer! Por simplificação, vamos fazer g = 0 , então:

f = x sen ⁡ y + y cos ⁡ z

Passo 5

(b)

Bom, agora que já sabemos quem é f , podemos aplicar o teorema:

∫ C F → ⋅ d r → = f r → b - f r → a

A parametrização de C é

  r → t = sen ⁡ t , t , 2 t

0 ≤ t ≤ π / 2

Então os valores de r → a e r → b são:

r → 0 = sen ⁡ 0 , 0,2 ∙ 0 = 0,0 , 0

r → π 2 = sen ⁡ π 2 , π 2 , 2 ∙ π 2 = 1 , π 2 , π

Passo 6

Aplicando o teorema, temos:

∫ C F → ⋅ d r → = f r → π 2 - f r → 0

= f 1 , π 2 , π - f 0,0 , 0

Como f =   x sen ⁡ y + y cos ⁡ z , fica:

∫ C F → ⋅ d r → = 1 ∙ sen ⁡ π 2 + π 2 ∙ cos ⁡ π - 0 + 0

= 1 ∙ 1 + π 2 ∙ - 1

E achamos o valor da integral:

∫ C F → ⋅ d r → = 1 - π 2

Resposta

  1. f =   x   s e n   y + y cos ⁡ z + C

∫ c F → ⋅ d r → = 1 - π 2

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