Enunciado

Determine se F → é ou não um campo vetorial conservativo. Se for, determine uma função f tal que F → = ∇ f

F → x , y = l n l n   y   + y x i → + l n l n   x   + x y j →

Passo 1

Oi, galera! Tudo bem?

A questão pede para determinarmos se:

F → x , y = l n l n   y   + y x i → + l n l n   x   + x y j →

É ou não um campo vetorial conservativo e, se sim, para determinarmos uma função f tal que F → seja igual a ∇ f .

Se F → é:

F → = F x i → + F y j →

Então para ser conservativo tem que satisfazer isso aqui:

∂ F x ∂ y = ∂ F y ∂ x

Então, vamos precisar resolver as duas derivadas acima para entender se elas são iguais e se nosso campo é de fato conservativo.

Caso nosso campo seja de fato conservativo, vamos achar a função f x , y tal que F → = ∇ f . Para isso precisamos integrar nossa componente   F x :

∫   F x   d x

Essa integral nos dará uma função constante g y , e para encontrar seu valor vamos derivar nossa função potencial que acabamos de encontrar pela integral, em relação a y :

∂ f ∂ y

E teremos a derivada dessa função constante que estamos procurando, que é g ' y . Para encontrarmos o valor dela, fazemos:

∂ f ∂ y = F y

Agora que encontramos a derivada g ' y , ainda vamos precisar encontrar a função original g y , e para isso basta resolvermos:

∫ g ' ( y ) d y = g ( x )

Daí substituímos essa função constante, e teremos enfim nossa função f ( x , y ) tal que F → = ∇ f .

Vamos lá!

Passo 2

Primeiro de tudo, vamos verificar que esse campo é conservativo.

Um campo conservativo é aquele no qual as derivadas mistas das componentes são iguais,

Ok? Vamos aplicar para o campo dado? Bora lá:

Nossa função é:

F → x , y = l n l n   y   + y x i → + l n l n   x   + x y j →

Então as componentes serão:

F x = l n l n   y   + y x

E:

F y = l n l n   x   + x y

Bora calcular nossas derivadas parciais!

Derivando em y e tratando x como constante:

∂ F x ∂ y = ∂ l n l n   y   + y x ∂ y = 1 y + 1 x

Derivando em x e tratando y como constante:

∂ F y ∂ x = ∂ l n l n   x   + x y ∂ x = 1 x + 1 y

Como:

1 y + 1 x = 1 y + 1 x

Provamos que:

∂ F x ∂ y = ∂ F y ∂ x

E, portanto, nosso campo é sim conservativo! Beleza! Vamos agora determinar a função potencial associada a ele!

Passo 3

Vamos primeiro pegar uma das parciais, por exemplo ∂ F x / ∂ x   e integrar em relação à x :

∫ ∂ F x ∂ x = ∫ l n l n   y   + y x d x

Isso vai nos dar a função potencial f mais uma constante só de y , digamos g ( y ) (pois derivando em relação à x ela desaparece, sacou?). Então, o resultado da nossa integral é:

f = x l n l n   y   + y l n l n   x   + g ( y )

Pronto! Essa é a função potencial!

Tá, mas e aquela função de y ali? Calma, no próximo passo vamos determinar ela!

Passo 4

Legal! O próximo passo é derivar a função potencial determinada em relação à y :

∂ f ∂ y = ∂ ( x l n l n   y   + y l n l n   x   + g ( y ) ) ∂ y

Derivando em y , tratando x como constante:

∂ f ∂ y = x y + l n l n   x   + g ' ( y )

Ta, mas e agora? Agora olha o pulo do gato! Vamos resgatar do passo 1 a componente y do campo dado:

F y = l n l n   x   + x y

E agora vamos igualar os dois lados!

x y + l n l n   x   + g ' ( y ) = l n l n   x   + x y

Resolvendo a equação, temos:

g ' x = 0

Agora só nos resta integrar g ' ( y ) em y para achar seu valor:

∫ g ' ( y ) d y = ∫ 0 d y = + C

g y = C

Onde C é uma constante qualquer.

Agora sim! Juntando com o resultado do passo 2 temos a função potencial completa:

f = x l n l n   y   + y l n l n   x   + K

Resposta

f = x l n l n   y   + y l n l n   x   + K

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