Enunciado

Calcule o d i v ( c xx r ) , onde c é um vetor constante.

Passo 1

Bom, temos que calcular d i v ( vec c xx vec r ) , onde vec c é constante. Podemos dizer, então:

vec c = c_x hat i + c_y hat j + c_z hat k

E

vec r = r_x hat i + r_y hat j + r_z hat k

Vamos por partes, começando pelo cálculo do produto vetorial:

vec c xx vec r = |[[hat i,hat j,hat k],[c_x,c_y,c_z],[r_x,r_y,r_z]]|

Para calcular esse determinante, a gente faz o seguinte, por exemplo: queremos saber a componente hat i , ignoramos a linha e a coluna de hat i e fazemos o determinante do que sobrou:

Para hat i , após excluir a linha e a coluna, sobra [[c_y,c_z],[r_y,r_z]] e o determinante será: c_y r_z - c_z r_y . E esse será o valor associado ao hat i .

Fazemos o mesmo procedimento para hat j e hat k , a diferença é que para o hat j vamos multiplicar o resultado por - 1 no final, apenas! Dessa forma:

vec c xx vec r = (c_y r_z - c_z r_y) hat i + (c_z r_x - c_x r_z) hat j + (c_x r_y - c_y r_x) hat k

Passo 2

Agora, vamos fazer o divergente desse vetor, lembrando que o divergente de um vetor qualquer vec D :

d i v vec D = ((del D_x)/(del x) + (del D_y)/(del y) + (del D_z)/(del z))

Com isso, como queremos d i v (vec c xx vec r) , onde:

vec c xx vec r = (c_y r_z - c_z r_y) hat i + (c_z r_x - c_x r_z) hat j + (c_x r_y - c_y r_x) hat k

Vamos ter que:

d i v (vec c xx vec r) = ((del (c_y r_z - c_z r_y))/(del x)) + ((del (c_z r_x - c_x r_z))/(del y)) + ((del c_x r_y - c_y r_x)/(del z))

Calma, veremos que eles seguem um padrão!

Passo 3

No primeiro termo:

(del (c_y r_z - c_z r_y))/(del x) = (del c_y r_z)/(del x) - (del c_z r_y)/(del x)

Pela regra do produto:

(del c_y r_z)/(del x) = (del c_y)/(del x) * r_z + (del r_z)/(del x) * c_y

Mas, como vec c é um vetor constante, suas derivadas serão nulas. Dessa forma:

(del c_y r_z)/(del x) = (del r_z)/(del x) * c_y

Então, vemos que apenas as derivadas com as componentes de vec r que vão aparecer! Dessa forma:

(del c_z r_y)/(del x) = (del r_y)/(del x) * c_z

E:

(del (c_y r_z - c_z r_y))/(del x) = (del r_z)/(del x) * c_y - (del r_y)/(del x) * c_z

Nesse segundo termo, vamos usar as mesmas ideias:

(del (c_z r_x - c_x r_z))/(del y) = (del c_z r_x)/(del y) - (del c_x r_z)/(del y)

E pelo mesmo raciocínio anterior:

(del (c_z r_x - c_x r_z))/(del y) = (del r_x)/(del y) * c_z - (del r_z)/(del y) * c_x

O terceiro termo segue o padrão:

(del c_x r_y - c_y r_x)/(del z) = (del r_y)/(del z) * c_x - (del r_x)/(del z) * c_y

Passo 4

Vamos substituir todas as derivadas que encontramos:

d i v (vec c xx vec r) = (del r_z)/(del x) * c_y - (del r_y)/(del x) * c_z + (del r_x)/(del x) * c_z - (del r_z)/(del x) * c_x + (del r_y)/(del x) * c_x - (del r_x)/(del x) * c_y

Vamos colocar os c_x , c_y e c_z em evidência:

d i v (vec c xx vec r) = c_x ((del r_y)/(del z) - (del r_z)/(del y)) + c_y ((del r_z)/(del x) - (del r_x)/(del z)) + c_z ((del r_x)/(del y) - (del r_y)/(del x))

Então, seria o vetor vec c multiplicado escalarmente com alguma coisa:

d i v (vec c xx vec r) = vec c * (((del r_y)/(del z) - (del r_z)/(del y)) hat i + ((del r_z)/(del x) - (del r_x)/(del z)) hat j + ((del r_x)/(del y) - (del r_y)/(del x)) hat k)

Algo desse tipo...

Opa, isso tá com uma cara de rotacional... Vamos conferir o rotacional de vec r :

r o t vec r = ((del r_z)/(del y) - (del r_y)/(del z)) hat i + ((del r_x)/(del z) - (del r_z)/(del x)) hat j + ((del r_y)/(del x) - (del r_x)/(del y)) hat k

Repare que um é o oposto do outro! Então, o que temos dentro do parênteses no divergente é - r o t vec r . Dessa forma:

d i v (vec c xx vec r) = - vec c * (r o t vec r)

Ufa! Prontinho.

Resposta

d i v (vec c xx vec r) = - vec c * (r o t vec r)

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