Enunciado
Cálculo - Cálculo Volume 2 - 8ª Edição - James Stewart- Ed: 8º - Capítulo 16.9 - Ex. 10
Use o Teorema da Divergência para calcular a integral de superfície ; ou seja, calcular o fluxo de através de .
, é a superfície de um tetraedro limitado pelos planos coordenados e pelo plano , onde são números positivos.
Passo 1
E aí, galera! Tranquilo?
A questão quer que a gente calcule a integral de superfície
Onde:
E é a superfície de um tetraedro limitado pelas coordenadas planas e pelo plano
onde são números positivos.
O Teorema do Divergente diz que:
Ou seja, o fluxo de pela fronteira de é igual a integral tripla da divergência de sobre a mesma fronteira .
Então, nós vamos precisar calcular o divergente de dado por:
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:
Como nosso campo tem a equação:
Nossos termos são:
Aplicando na equação do divergente:
Resolvendo as derivadas parciais:
Passo 3
Vamos aplicar agora o Teorema da Divergência!
Agora precisamos achar os limites de integração da nossa superfície . é a superfície do tetraedro delimitada pelos planos coordenados, que são:
, e
e o plano
Isolando na equação do plano acima, temos:
Assim, já temos os limites para :
Ainda faltam os limites para e . Vamos começar por . Para entendermos qual a variação de , fazemos na equação do plano, assim ficamos só com o valor no eixo :
Então:
Assim, temos nosso intervalo, já que também está limitado pelo plano coordenado :
Por fim, fazemos para acharmos os limites de :
Isolando :
Como também está limitado por , temos:
Show! Esses são nossos limites de integração.
Passo 4
Resolvendo a integral, teremos:
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 , que é a integral de dentro, tratando como constante:
Aplicando os limites de integração em :
Agora nossa integral mais pra dentro é a em . Integrando, temos:
Aplicando os limites de integração em , ficamos com:
Fazendo as multiplicações e reorganizando, você vai encontrar a seguinte expressão:
Resolvendo as integrais em :
Aplicando os limites de integração:
Ficamos finalmente com:
O Fluxo de através de será: