calculointegralediferencial31-111008165153-phpapp01
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10.8. EXERCÍCIOS 235
10.8 Exercícios
1. Escreva os seguintes campos dados em coordenadas cartesianas retangulares, em coor-
denadas cilíndricas:
(a) F (x, y, z) = z2~i\u2212 x~j+ y ~k.
(b) F (x, y, z) =
1
x2 + y2 + z2
[
x~i+ y~j+ z ~k
]
.
(c) F (x, y, z) =
x
y
~i.
2. Considere o campo magnético F gerado quando um fio infinito situado sobre o eixo dos
z é percorrido por uma corrente I , no sentido positivo do eixo dos z:
F (x, y, z) =
2 I
c (x2 + y2)
[\u2212 y~i+ x~k],
onde c é a velocidade da luz. Escreva o campo F em coordenadas cilíndricas.
3. Escreva os seguintes campos dados em coordenadas cilíndricas, em coordenadas carte-
sianas retangulares:
(a) F (r, \u3b8, z) = ~er.
(b) F (r, \u3b8, z) = r2 ~e\u3b8.
(c) F (r, \u3b8, z) = r ~er + r ~e\u3b8.
4. Calcule o laplaciano de f(r, \u3b8, z) =
cos(\u3b8)
r
.
5. Sejam f(r, \u3b8, z) = ln(r) e F (r, \u3b8, z) = \u3b8 ~k. Verifique que: \u2207f = \u2207× F .
6. Sendo dado o campo de vetores F (r, \u3b8, z) = rcos(\u3b8) ~er + r sen(\u3b8) ~e\u3b8, calcule \u2207× F .
7. Considere o seguinte campo gravitacional no espaço gerado por uma partícula de massa
M situada na origem:
F (x, y, z) = \u2212 GM\u221a
(x2 + y2 + z2)3
[
x~i+ y~j+ z ~k
]
,
ondeG é a constante universal de gravitação. Escreva o campo em coordenadas esféricas.
8. Escreva o campo de vetores F (x, y, z) = 2 y~i\u2212 z~j+ 3x~k em coordenadas esféricas.
236 CAPÍTULO 10. COMPLEMENTOS DE CAMPOS DE VETORES
9. Em coordenadas esféricas, um campo elétrico gerado por uma carga elétricaQ situada na
origem é dado por:
F (x, y, z) =
kQ
\u3c12
~r\u3c1,
onde k é a constante de Coulomb. Escreva o campo em coordenadas retangulares.
10. Exprima em coordenadas esféricas a equação de transmissão de calor:
\u2202U
\u2202t
= k\u2206U , sendo
U independente de \u3b8 e \u3c6.
11. Determine o rotacional do campo F (\u3c1, \u3b8, \u3c6) =
k
\u3c12
~r\u3c1, k constante.
12. Calcule a constante c de modo que os campos admitam potencial vetorial.
(a) F (x, y, z) = (2x+ cos(y))~i\u2212 c y~j+ (6 z \u2212 ey)~k.
(b) F (x, y, z) = 2 c x~i + (cos(z)\u2212 4 y)~j\u2212 (2 z + ex)~k.
13. Verifique se o campo F (x, y, z) = x~i \u2212 2 y~j + z ~k admite potencial vetorial e, em caso
afirmativo, calcule-o.
14. Dado F (x, y, z) = 2x~i \u2212 y~j \u2212 z ~k, verifique que existe um campo A tal que \u2207 × A = F ,
em caso afirmativo, calcule A.
Capítulo 11
APÊNDICE
11.1 Teorema de Green
Provaremos uma versão particular do teorema de Green para regiões chamadas elementares.
Para isto, consideraremos três tipos especiais de regiões do plano, que serão definidas a seguir.
Regiões de tipo I
D é uma região de tipo I se pode ser descrita por:
D = {(x, y) \u2208 R2/a \u2264 x \u2264 b, \u3c61(x) \u2264 y \u2264 \u3c62(x)},
sendo \u3c6i : [a, b] \u2212\u2192 R (i = 1, 2) funções contínuas tais que \u3c61(x) \u2264 \u3c62(x) para todo x \u2208 [a, b].
a b
D
D
ba
\u3c6 \u3c6
\u3c6
\u3c6
1
2
2
1
Figura 11.1: Regiões de tipo I.
Regiões de tipo II
D é uma região de tipo II se pode ser descrita por:
D = {(x, y) \u2208 R2/c \u2264 y \u2264 d, \u3c81(y) \u2264 x \u2264 \u3c82(y)},
sendo \u3c8i : [c, d] \u2212\u2192 R (i = 1, 2) funções contínuas tais que \u3c81(y) \u2264 \u3c82(y) para todo y \u2208 [c, d].
237
238 CAPÍTULO 11. APÊNDICE
D
d
c
\u3c8 D\u3c8 \u3c81 2
\u3c8
1 2
Figura 11.2: Regiões de tipo II.
Regiões de tipo III
D é uma região de tipo III se pode ser descrita como região de tipo I ou de tipo II.
Qualquer destas regiões é chamada elementar. As regiões elementares são fechadas e limitadas.
Uma regiãoD \u2282 R2 é chamada simples se \u2202D = C é uma curva fechada simples. As fronteiras
das regiões elementares podem ser orientadas positivamente da seguinte forma: Se D é uma
região de tipo I:
a b
D
C+1
C+
C
C
2
3
_
4
_
Figura 11.3:
\u2202D+ = C+1 \u222a C+2 \u222aC\u22123 \u222a C\u22124 SeD é uma região de tipo II:
D C+
C
2
4
_
C3
C1
+
_
d
c
Figura 11.4:
11.1. TEOREMA DE GREEN 239
\u2202D+ = C+1 \u222a C+2 \u222a C\u22123 \u222a C\u22124
Teorema 11.1. (Teorema de Green) Sejam U \u2282 R2 um conjunto aberto, D uma região simples,
orientada positivamente tal que D \u2282 U e F : U \u2212\u2192 R2 um campo de vetores de classe C1, com funções
coordenadas (F1, F2). Se C = \u2202D tem uma parametrização diferenciável por partes e está orientada
positivamente em relação a D, então:
\u222e
\u2202D
F =
\u222b\u222b
D
[
\u2202F2
\u2202x
\u2212 \u2202F1
\u2202y
]
dx dy
Prova : EscrevamosD como região de tipo I:
D = {(x, y) \u2208 R2/a \u2264 x \u2264 b, \u3c61(x) \u2264 y \u2264 \u3c62(x)},
sendo \u3c6i : [a, b] \u2212\u2192 R (i = 1, 2) funções contínuas tais que \u3c61(x) \u2264 \u3c62(x) para todo x \u2208 [a, b].
Seja C1 a curva parametrizada por \u3b31(x) = (x, \u3c61(x)), a \u2264 x \u2264 b e C3 a curva parametrizada
por \u3b32(x) = (x, \u3c62(x)), a \u2264 x \u2264 b. Provaremos que:
(1)
\u222b
\u2202D
F1 dx = \u2212
\u222b\u222b
D
\u2202F1
\u2202y
dx dy.
Pelo teorema de Fubini:
\u2212
\u222b\u222b
D
\u2202F1
\u2202y
dx dy =
\u222b b
a
[ \u222b \u3c62(x)
\u3c61(x)
\u2212\u2202F1
\u2202y
dy
]
dx
=
\u222b b
a
(
F1(x, \u3c61(x))\u2212 F1(x, \u3c62(x))
)
dx
=
\u222b
C1
F1 \u2212
\u222b
C3
F1 =
\u222b
\u2202D
F1 dx,
pois \u2202D+ = C+1 \u222a C+2 \u222a C\u22123 \u222a C\u22124 e \u222b
C2
F1 +
\u222b
C4
F1 = 0;
onde C2 é parametrizada por \u3b32(x) = (b, y), \u3c61(b) \u2264 y \u2264 \u3c62(b) e C4 é parametrizada por
\u3b34(x) = (a, y), \u3c61(a) \u2264 y \u2264 \u3c62(a).
De forma análoga, escrevendoD como região de tipo II, prova-se que:
(2)
\u222b
\u2202D
F2 dy =
\u222b\u222b
D
\u2202F2
\u2202x
dx dy.
O teorema segue de (1) e (2).
240 CAPÍTULO 11. APÊNDICE
11.2 Teorema de Stokes
Teorema 11.2. (Teorema de Stokes) Seja F um campo de vetores de classe C1, definido num aberto
U tal que S \u2282 U ; então: \u222b\u222b
s
rot(F ) dS =
\u222e
\u2202S
F
Provaremos o teorema para o caso em que S = G(f), onde z = f(x, y)) é de classe C2.
S
D
C
C1
n
Figura 11.5:
Parametrizamos S por \u3a6(x, y) = (x, y, f(x, y)) tal que (x, y) \u2208 D; logo:
\u3a6x ×\u3a6y =
(\u2212 \u2202z
\u2202x
,\u2212\u2202z
\u2202y
, 1
)
.
Denotemos F = (F1, F2, F3); então:
(1)
\u222b\u222b
S
rot(F ) dS =
\u222b\u222b
D
[
P (x, y)
[
\u2212 \u2202z
\u2202x
[
+Q(x, y)
[
\u2212 \u2202z
\u2202y
]
+R(x, y)
]
dx dy,
onde P (x, y) =
\u2202F3
\u2202y
\u2212 \u2202F2
\u2202z
, Q(x, y) =
\u2202F1
\u2202z
\u2212 \u2202F3
\u2202x
e R(x, y) =
\u2202F2
\u2202x
\u2212 \u2202F1
\u2202y
, sendo as derivadas
parciais calculadas em \u3a6(x, y). Por outro lado:\u222e
\u2202S
F =
\u222b
C
F1 dx+ F2 dy + F3 dz
Parametrizamos C por \u3b3(t) =
(
x(t), y(t), f(x(t), y(t))
)
, t \u2208 [a, b], então:
(2)
\u222e
\u2202S
F =
\u222b b
a
[
F1
dx
dt
+ F2
dy
dt
+ F3
dz
dt
]
dt.
Utilizando a regra da cadeia
dz
dt
=
\u2202z
\u2202x
dx
dt
+
\u2202z
\u2202y
dy
dt
e substituindo em (2), obtemos:
\u222e
\u2202S
F =
\u222b b
a
[
F1 + F3
\u2202z
\u2202x
]
dx+
[
F2 + F3
\u2202z
\u2202y
]
dy =
\u222e
C1
[
F1 + F3
\u2202z
\u2202x
]
dx+
[
F2 + F3
\u2202z
\u2202y
]
dy
=
\u222e
\u2202D
[
F1 + F3
\u2202z
\u2202x
]
dx+
[
F2 + F3
\u2202z
\u2202y
]
dy
11.3. TEOREMA DE GAUSS 241
pois C1 é a projeção de C sobre o plano xy. Aplicando o teorema tipo Green à última integral:
\u222e
\u2202S
F =
\u222b\u222b
D
[
\u2202
\u2202x
(
F2 + F3
\u2202z
\u2202y
)\u2212 \u2202
\u2202y
(
F1 + F3
\u2202z
\u2202x
)]
dx dy =
\u222b\u222b
S
rot(F ) dS,
onde a última igualdade é obtida utilizando (1).
11.3 Teorema de Gauss
Provaremos o teorema de Gauss para sólidos definidos da seguinte forma: SejaW \u2282 R3.
Região de tipo I
W é do tipo I se:
W = {(x, y, z) \u2208 R3/(x, y) \u2208 D, f1(x, y) \u2264 z \u2264 f2(x, y)},
ondeD é a região elementar no plano, projeção deW no plano xy e f1, f2 : D \u2212\u2192 R contínuas,
sendo f1 \u2264 f2.
D
W
z=f
z=f
2
1
Figura 11.6: Região de tipo I.
Região de tipo II
W é do tipo II se:
W = {(x, y, z) \u2208 R3/(x, z) \u2208 D, g1(x, z) \u2264 y \u2264 g2(x, z)},
ondeD é a região elementar no plano, projeção deW no plano xz e g1, g2 : D \u2212\u2192 R contínuas,
sendo g1 \u2264 g2.
242 CAPÍTULO 11. APÊNDICE
W
y=g
y=g
2
1D
Figura 11.7: Região de tipo II.
Região de tipo III
W é do tipo III se:
W = {(x, y, z) \u2208 R3/(y, z) \u2208 D, h1(y, z) \u2264 x \u2264 h2(y, z)},
ondeD é a região elementar no plano, projeção deW no plano yz e h1, h2 : D \u2212\u2192 R contínuas,
sendo h1 \u2264 h2.
W
D
x=hx=h 12
Figura 11.8: Região de tipo III.
Região de tipo IV
W é do tipo IV se é do tipo I, tipo II ou tipo III.
Em qualquer dos casos anteriores, W é chamada região elementar do espaço. As regiões ele-
mentares são conjuntos fechados e limitados em R3.
Alguns exemplos de regiões elementares no espaço:
11.3. TEOREMA DE GAUSS 243
Figura 11.9: Regiões elementares no espaço.
Figura 11.10:
Teorema 11.3. (Teorema deGauss) SejaW \u2282 R3 um sólido tal que \u2202W = S é uma superfície fechada
e limitada, orientada positivamente. Se F é um campo de vetores de classe C1 definido no conjunto aberto
U tal queW \u2282 U , então: \u222b\u222b
\u2202W
F dS =
\u222b\u222b\u222b
W
div(F ) dx dy dz
Suponha queW é de tipo IV. Seja F = F1 i\u2dc+ F2 j\u2dc+ F3 k\u2dc; então div(F ) =
\u2202F1
\u2202x
+
\u2202F2
\u2202y
+
\u2202F3
\u2202z
;
\u222b\u222b\u222b
W
div(F ) dx dy dz =
\u222b\u222b\u222b