Enunciado

Use o Teorema da Divergência para calcular a integral de superfície ∬ S F ⋅ d S ; ou seja, calcular o fluxo de F através de S .

F x , y , z = z i + y j + z x   k , S é a superfície de um tetraedro limitado pelos planos coordenados e pelo plano x a + y b + z c = 1 , onde a ,   b   e   c são números positivos.

Passo 1

E aí, galera! Tranquilo?

A questão quer que a gente calcule a integral de superfície

∬ S   F ⋅ d S

Onde:

F x , y , z = z i + y j + z x   k

E S é a superfície de um tetraedro limitado pelas coordenadas planas e pelo plano

x a + y b + z c = 1

onde a ,   b   e   c são números positivos.

O Teorema do Divergente diz que:

∬ E   F ⋅ d S = ∭ E   d i v   F   d V

Ou seja, o fluxo de F pela fronteira de E é igual a integral tripla da divergência de F sobre a mesma fronteira E .

Então, nós vamos precisar calcular o divergente de F dado por:

d i v F = ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y + ∂ R ∂ z

E calcular nossa integral tripla com base nos limites de integração que o enunciado nos deu!

Bora lá!

Passo 2

Vamos começar pelo cálculo do divergente:

A função campo é do tipo:

F = P i + Q j + R k

Como nosso campo tem a equação:

F x , y , z = z i + y j + z x   k

Nossos termos são:

P = z

Q = y

R = z x  

Aplicando na equação do divergente:

d i v F = ∂ z ∂ x + ∂ y ∂ y + ∂ z x ∂ z

Resolvendo as derivadas parciais:

d i v F = 0 + 1 + x = x + 1

Passo 3

Vamos aplicar agora o Teorema da Divergência!

∬ S   F ⋅ d S = ∭ E   d i v   F   d V = ∭ E   x + 1   d V

Agora precisamos achar os limites de integração da nossa superfície S . S é a superfície do tetraedro delimitada pelos planos coordenados, que são:

x = 0 , y = 0 e z = 0

e o plano

x a + y b + z c = 1

Isolando z na equação do plano acima, temos:

z = c - c a x - c b y

Assim, já temos os limites para z :

0 ≤ z ≤ c - c a x - c b y

Ainda faltam os limites para x e y . Vamos começar por x . Para entendermos qual a variação de x , fazemos y = z = 0 na equação do plano, assim ficamos só com o valor no eixo x :

x a + 0 b + 0 c = 1

Então:

x = a

Assim, temos nosso intervalo, já que x também está limitado pelo plano coordenado x = 0 :

0 ≤ x ≤ a

Por fim, fazemos z = 0 para acharmos os limites de y :

x a + y b + 0 c = 1

Isolando y :

y = b - b a x

Como também está limitado por y = 0 , temos:

0 ≤ y ≤ b - b a x

Show! Esses são nossos limites de integração.

E = x , y , z :   0 ≤ x ≤ a ,   0 ≤ y ≤ b - b a x ,   0 ≤ z ≤ c - c a x - c b y

Passo 4

Resolvendo a integral, teremos:

∭ E   d i v   F   d V = ∭ E   x + 1   d V = ∫ 0 a ∫ 0 b - b a x ∫ 0 c - c a x - c b y 1 + x d z d y d x

Note que precisamos montar nossa integral tripla colocando as variáveis que tem funções nos limites de integração “pra dentro”, se não nosso cálculo fica errado!

Fazendo a integral em z , que é a integral de dentro, tratando x como constante:

= ∫ 0 a ∫ 0 b - b a x 1 + x z 0 c - c a x - c b y d y d x

Aplicando os limites de integração em z :

= ∫ 0 a ∫ 0 b - b a x 1 + x c - c a x - c b y d y d x

Agora nossa integral mais pra dentro é a em y . Integrando, temos:

= ∫ 0 a 1 + x c - c a x - c b y y 0 b - b a x d x

Aplicando os limites de integração em y , ficamos com:

= ∫ 0 a 1 + x c - c a x - c b y b - b a x d x

Fazendo as multiplicações e reorganizando, você vai encontrar a seguinte expressão:

= ∫ 0 a b c 2 1 + x - b c a x + x 2 + b c 2 a 2 x 2 + x 3 d x

Resolvendo as integrais em x :

= b c 2 x + x 2 2 0 a - b c a x 2 2 + x 3 3 0 a + b c 2 a 2 x 3 3 + x 4 4 0 a

Aplicando os limites de integração:

= b c 2 a + a 2 2 - b c a a 2 2 + a 3 3 + b c 2 a 2 a 3 3 + a 4 4

Ficamos finalmente com:

= 1 24 a b c 4 + a

O Fluxo de F através de S será:

∬ S   F ⋅ d S = ∭ E   d i v   F   d V = 1 24 a b c 4 + a

Resposta

∬ S   F ⋅ d S = ∭ E   d i v   F   d V = 1 24 a b c 4 + a

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