Enunciado

Verifique que o Teorema do Divergente é verdadeiro para o campo vetorial F → na região E .

F → x , y , z = 3 x i → + x y j → + 2 x z k → , E   é o cubo limitado pelos planos x = 0 , x = 1 ,   y = 0 ,   y = 1 , z = 0 , z = 1 .

Passo 1

Oi galera, tudo bem? Vamos ver o que a questão quer!

Basicamente, ela quer que apliquemos o Teorema do Divergente

∬ S F → ⋅ d S → = ∭ E ∇ ⋅ F → d V

No campo vetorial F → para a região E , sendo

F → x , y , z = 3 x i → + x y j → + 2 x z k →

E E   é o cubo limitado pelos planos.

x = 0 , x = 1 ,   y = 0 ,   y = 1 , z = 0 , z = 1

Lembrando que divergente é calculado assim:

∇ ⋅ F → = ∂ ∂ x F x + ∂ ∂ y F y + ��� ∂ z F z

Então, para fazer isso, vamos calcular primeiro o lado direito do teorema, resolvendo a integral tripla e depois o lado esquerdo, resolvendo a integral de superfície. Poderia ser o contrário também, ok?

Passo 2

Começando, temos nosso campo vetorial

F → x , y , z = 3 x i → + x y j → + 2 x z k →

Pelo Teorema da Divergência temos:

∬ S F → ⋅ d S → = ∭ E ∇ ⋅ F → d V

Sendo assim, vamos testar dos dois lados.

Começando pelo lado direito, vamos calcular o divergente do campo F → :

∇ ⋅ F → = ∂ ∂ x F x + ∂ ∂ y F y + ∂ ∂ z ( F z )

∇ ⋅ F → = ∂ ∂ x 3 x + ∂ ∂ y x y + ∂ ∂ z 2 x z = 3 + x + 2 x = 3 + 3 x

Passo 3

Legal! O próximo passo é saber qual é a região E .Como a questão diz é um cubo com essas equações

x = 0 , x = 1 ,   y = 0 ,   y = 1 , z = 0 , z = 1

Todas as coordenadas variam de 0 até 1 , então:

0 ≤ x ≤ 1 0 ≤ y ≤ 1 0 ≤ z ≤ 1

Ou seja, todos os lados são iguais a 1 .

E o elemento de volume é d V = d x d y d z

Passo 4

Agora podemos calcular o valor de

∭ E ∇ ⋅ F → d V

Substituindo o que encontramos,

∭ E ∇ ⋅ F → d V = ∫ 0 1 ∫ 0 1 ∫ 0 1 3 + 3 x d x d y d z  

Resolvendo para x

∫ 0 1 ∫ 0 1 ∫ 0 1 3 + 3 x d x d y d z   = ∫ 0 1 ∫ 0 1 3 x + 3 x 2 2 0 1 d y d z

Aplicando os limites

∫ 0 1 ∫ 0 1 3 x + 3 x 2 2 0 1 d y d z = ∫ 0 1 ∫ 0 1 9 2 d y d z

Resolvendo para y

∫ 0 1 ∫ 0 1 9 2 d y d z = ∫ 0 1 9 2 y 0 1 d z

Aplicando os limites

∫ 0 1 9 2 y 0 1 d z = ∫ 0 1 9 2 d z

Resolvendo para z

∫ 0 1 9 2 d z = 9 2

Pronto! Já sabemos que o lado direito do Teorema da divergência é

∭ E ∇ ⋅ F → d V = 9 2

Vamos para o próximo passo!

Passo 5

Agora vamos calcular o lado esquerdo do teorema

∬ S F → ⋅ d S → = ∭ E ∇ ⋅ F → d V

Vamos começar encontrando a região S .

Como a região a ser considerada é um cubo, então devemos levar em conta a contribuição de cada uma das 6 faces. Vamos fazer região por região aos poucos

Para S 1 : n → = i →

O campo é F = 3 x ,   x y ,   2 x z ,   e em x = 1 ele fica: F = 3 ,   y ,   2 z

O produto escalar entre F → e n → é:

F → ⋅ n → = 3 , y , 2 z ⋅ 1,0 , 0 = 3

A região S 1 é um retângulo de lado 1 , no plano y z . O elemento de área vai ser d A = d y d z com os limites:

0 ≤ y ≤ 1 0 ≤ z ≤ 1

E fazendo a integral ∬ S F → ⋅ d S → :

∬ S 1 F → ⋅ d S → = ∫ 0 1 ∫ 0 1 3 d y d z = 3

Passo 6

Para S 2 : n → = - i →

O campo é F = 3 x ,   x y ,   2 x z ,   e em x = 0 ele fica: F = 0,0 , 0

O produto escalar entre F → e n → é:

F → ⋅ n → = 0,0 , 0 ⋅ - 1,0 , 0 = 0

Assim:

∬ S 2 F → ⋅ d S → = 0

Passo 7

Para S 3 : n → = j →

O campo é F = 3 x ,   x y ,   2 x z ,   e em y = 1 ele fica: F = 3 x , x , 2 x z

O produto escalar entre F → e n → é:

F → ⋅ n → = 3 x , x , 2 x z ⋅ 0,1 , 0 = x

A região S 3 é um retângulo de lado 1 , no plano x z . O elemento de área vai ser d A = d x d z com os limites:

0 ≤ x ≤ 1 0 ≤ z ≤ 1

E fazendo a integral:

∬ S 3 F → ⋅ d S → = ∫ 0 1 ∫ 0 1 x d x d z = ∫ 0 1 x 2 2 0 1 d z = 1 2 ∫ 0 1 d z = 1 2

Passo 8

Para S 4 : n → = - j →

O campo é F = 3 x ,   x y ,   2 x z ,   e em y = 0 ele fica: F = 3 x , 0,2 x y

O produto escalar entre F → e n → é:

F → ⋅ n → = 3 x , 0,2 x z ⋅ 0 , - 1,0 = 0

Assim:

∬ S 4 F → ⋅ d S → = 0

Passo 9

Para S 5 : n → = k →

O campo é F = 3 x ,   x y ,   2 x z ,   e em z = 1 ele fica: F = 3 x , x , 2 x

O produto escalar entre F → e n → é:

F → ⋅ n → = 3 x , x , 2 x ⋅ 0,0 , 1 = 2 x

A região S 5 é um retângulo de lado 1 , no plano x y . O elemento de área vai ser d A = d x d y com os limites:

0 ≤ x ≤ 1 0 ≤ y ≤ 1

E fazendo a integral:

∬ s 5 F → ⋅ d S → = ∫ 0 1 ∫ 0 12 x d x d z = ∫ 0 1 2 x 2 2 0 1 d z = 2 2 ∫ 0 1 d z = 1

Passo 10

Para S 6 : n → = - k →

O campo é F = 3 x ,   x y ,   2 x z ,   e em z = 0 ele fica: F = 3 x , x , 0

O produto escalar entre F → e n → é:

F → ⋅ n → = 3 x , x , 0 ⋅ 0,0 , - 1 = 0

Assim:

∬ S 6 F → ⋅ d S → = 0

Passo 11

Muito bem! Finalizamos todas as regiões, agora vamos somar todos os resultados. Temos:

∬ S F → ⋅ d S → = 3 + 0 + 1 2 + 0 + 1 + 0

∬ S F → ⋅ d S → = 9 2

Logo,

∬ S F → ⋅ d S → = ∭ E ∇ ⋅ F → d V = 9 2

Então verificamos o teorema 😃

Resposta

∬ S F → ⋅ d S → = ∭ E ∇ ⋅ F → d V = 9 2

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