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MAT05 · 60h

Cálculo Diferencial e Integral Vetorial (Cálculo 3)

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Questão 012º EE2023.2Integrais múltiplas2,0 ptsVer material

Escolha um e apenas um dos itens abaixo e forneça o que se pede:

  1. Encontre o volume do sólido limitado abaixo pelo plano z=0z = 0 e acima pela superfície z=f(x,y)=1−x2−y2z = f(x,y) = 1 - x^2 - y^2;

  2. Calcule a integral ∫12∫y=xy=x2∫z=x−yz=x+y2xz  dz dy dx\displaystyle\int_1^2 \int_{y=x}^{y=x^2} \int_{z=x-y}^{z=x+y} 2xz\; dz\, dy\, dx.

z = 1disco x²+y² ≤ 1 (z = 0)

O paraboloide z=1−x2−y2z=1-x^2-y^2 é uma cúpula que encosta no plano z=0z=0 sobre o círculo x2+y2=1x^2+y^2=1. O volume é a integral da altura sobre esse disco — daí a simetria pedir coordenadas polares.

Gabarito

a) V=π2V = \dfrac{\pi}{2}

Passo a passo

Passo 1 — O paraboloide z=1−x2−y2z = 1 - x^2 - y^2 corta o plano z=0z = 0 quando x2+y2=1x^2 + y^2 = 1: a base é o disco de raio 1. O volume é

V=∬D(1−x2−y2)  dAV = \iint_D (1 - x^2 - y^2)\; dA

Passo 2 — Simetria circular ⇒\Rightarrow polares (x2+y2=r2x^2+y^2 = r^2, dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta):

V=∫02π ⁣ ⁣∫01(1−r2) r  dr dθV = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1 (1 - r^2)\, r\; dr\, d\theta

Passo 3 — Resolva a integral radial:

∫01(r−r3) dr=[r22−r44]01=12−14=14\int_0^1 (r - r^3)\, dr = \left[\frac{r^2}{2} - \frac{r^4}{4}\right]_0^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{4} = \frac{1}{4}

Passo 4 — Multiplique pela integral angular:

V=2π⋅14=π2V = 2\pi \cdot \frac{1}{4} = \boxed{\dfrac{\pi}{2}}
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Questão 022º EE2023.2Integrais de linha · Green4,0 ptsVer material

Encontre as seguintes integrais de linha:

  1. ∮φ(2x−y) dx+(2x+1) dy\displaystyle\oint_\varphi (2x - y)\,dx + (2x + 1)\,dy ao longo do caminho retangular de vértices V1(0,0)V_1(0,0), V2(5,0)V_2(5,0), V3(5,3)V_3(5,3) e V4(0,3)V_4(0,3), percorrido no sentido anti-horário (sugestão: use o Teorema de Green);

  2. ∫φ2xy dx+(x2+y2) dy\displaystyle\int_\varphi 2xy\,dx + (x^2 + y^2)\,dy ao longo do caminho φ:y=x2\varphi: y = x^2 entre os pontos A(−1,1)A(-1,1) e B(1,1)B(1,1).

xyV₁V₂(5,0)V₃(5,3)V₄(0,3)

No item (a), a curva é fechada e anti-horária — condição ideal para o Teorema de Green, que troca a integral de linha pela integral dupla sobre o retângulo 5×35\times3.

Gabarito

a) 45 b) 0 (o campo é conservativo, com potencial φ=x2y+y33\varphi = x^2y + \tfrac{y^3}{3})

Passo a passo

Item (a)

Passo 1 — Curva fechada + sentido anti-horário: condições perfeitas para Green. Com P=2x−yP = 2x - y e Q=2x+1Q = 2x + 1:

∂Q∂x−∂P∂y=2−(−1)=3\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 2 - (-1) = 3

Passo 2 — A integral vira 3 vezes a área do retângulo 5×35 \times 3:

∮φP dx+Q dy=∬D3  dA=3⋅(5)(3)=45\oint_\varphi P\,dx + Q\,dy = \iint_D 3\; dA = 3 \cdot (5)(3) = \boxed{45}

Item (b)

Passo 1 — Antes de parametrizar, teste se o campo é conservativo. Com P=2xyP = 2xy e Q=x2+y2Q = x^2 + y^2:

∂P∂y=2x=∂Q∂x    ✓ conservativo\frac{\partial P}{\partial y} = 2x = \frac{\partial Q}{\partial x} \;\;\checkmark \text{ conservativo}

Passo 2 — Ache o potencial: φ=∫2xy dx=x2y+g(y)\varphi = \int 2xy\,dx = x^2 y + g(y). Derivando em yy: x2+g′(y)=x2+y2⇒g(y)=y33x^2 + g'(y) = x^2 + y^2 \Rightarrow g(y) = \tfrac{y^3}{3}. Logo

φ(x,y)=x2y+y33\varphi(x,y) = x^2 y + \frac{y^3}{3}

Passo 3 — Pelo Teorema Fundamental, a integral só depende dos extremos. Atenção ao sinal: como o potencial tem x2x^2, tanto em x=1x=1 quanto em x=−1x=-1 vale x2=1x^2 = 1:

∫φF⃗⋅dr⃗=φ(1,1)−φ(−1,1)=(1+13)−(1+13)=0\int_\varphi \vec F \cdot d\vec r = \varphi(1,1) - \varphi(-1,1) = \left(1 + \tfrac13\right) - \left(1 + \tfrac13\right) = \boxed{0}

Repare: a parábola y=x2y = x^2 era só distração — qualquer caminho de AA a BB daria o mesmo valor. E como A(−1,1)A(-1,1) e B(1,1)B(1,1) têm o mesmo yy e o mesmo x2x^2, estão na mesma equipotencial, então a integral dá zero.

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Questão 032º EE2023.2Campos conservativos4,0 ptsVer material

Considere o campo vetorial F⃗(x,y)=(x2+y2) i⃗+(2xy+y3+1) j⃗\vec F(x,y) = (x^2 + y^2)\,\vec i + (2xy + y^3 + 1)\,\vec j.

  1. (1,0 pt) Mostre que o campo é conservativo;

  2. (1,5 pt) Encontre o campo escalar φ(x,y)\varphi(x,y) tal que ∇φ=F⃗\nabla\varphi = \vec F;

  3. (1,5 pt) Calcule ∫φF⃗⋅ds⃗\displaystyle\int_\varphi \vec F \cdot d\vec s ao longo do caminho x=y2x = y^2 entre os pontos C(1,−1)C(1,-1) e D(1,1)D(1,1).

Gabarito

a) Py=Qx=2yP_y = Q_x = 2y ✓ b) φ=x33+xy2+y44+y\varphi = \dfrac{x^3}{3} + xy^2 + \dfrac{y^4}{4} + y c) φ(1,1)−φ(1,−1)=2\varphi(1,1) - \varphi(1,-1) = 2

Passo a passo

Item (a) — Com P=x2+y2P = x^2 + y^2 e Q=2xy+y3+1Q = 2xy + y^3 + 1:

∂P∂y=2ye∂Q∂x=2y\frac{\partial P}{\partial y} = 2y \qquad\text{e}\qquad \frac{\partial Q}{\partial x} = 2y

Como Py=QxP_y = Q_x em todo o plano (que é simplesmente conexo), F⃗\vec F é conservativo.

Item (b)

Passo 1 — Integre PP em xx:

φ=∫(x2+y2) dx=x33+xy2+g(y)\varphi = \int (x^2 + y^2)\, dx = \frac{x^3}{3} + xy^2 + g(y)

Passo 2 — Derive em yy e iguale a QQ:

∂φ∂y=2xy+g′(y)=2xy+y3+1  ⇒  g′(y)=y3+1  ⇒  g(y)=y44+y\frac{\partial \varphi}{\partial y} = 2xy + g'(y) = 2xy + y^3 + 1 \;\Rightarrow\; g'(y) = y^3 + 1 \;\Rightarrow\; g(y) = \frac{y^4}{4} + y

Passo 3 — Potencial completo:

φ(x,y)=x33+xy2+y44+y\varphi(x,y) = \frac{x^3}{3} + xy^2 + \frac{y^4}{4} + y

Item (c) — Campo conservativo ⇒\Rightarrow Teorema Fundamental (o caminho x=y2x = y^2 é irrelevante):

∫CDF⃗⋅ds⃗=φ(1,1)−φ(1,−1)=(13+1+14+1)−(13+1+14−1)=2\int_C^D \vec F \cdot d\vec s = \varphi(1,1) - \varphi(1,-1) = \left(\tfrac13 + 1 + \tfrac14 + 1\right) - \left(\tfrac13 + 1 + \tfrac14 - 1\right) = \boxed{2}
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Questão 042º EE1º EE 2024.2Integrais duplas · Região geral2,0 ptsVer material

Calcule a integral dupla

∬Dx3y2  dA\iint_D x^3 y^2\; dA

onde D={(x,y) / 0≤x≤2, −x≤y≤x}D = \{(x,y)\ /\ 0 \le x \le 2,\ -x \le y \le x\}.

xyy = xy = -xx = 2

O domínio é um triângulo (tipo I): para cada xx entre 0 e 2, yy varia da reta y=−xy=-x até y=xy=x. Por isso integramos primeiro em yy, depois em xx.

Gabarito

∬Dx3y2 dA=25621\displaystyle\iint_D x^3y^2\,dA = \frac{256}{21}

Passo a passo

Passo 1 — A região é do tipo I (triângulo entre as retas y=xy = x e y=−xy = -x, até x=2x = 2). Monte a integral iterada integrando primeiro em yy:

∫02 ⁣ ⁣∫−xxx3y2  dy dx\int_0^2\!\!\int_{-x}^{x} x^3 y^2\; dy\, dx

Passo 2 — Integral interna (xx é constante):

∫−xxx3y2 dy=x3[y33]−xx=x33[x3−(−x)3]=x33⋅2x3=2x63\int_{-x}^{x} x^3 y^2\,dy = x^3\left[\frac{y^3}{3}\right]_{-x}^{x} = \frac{x^3}{3}\left[x^3 - (-x)^3\right] = \frac{x^3}{3}\cdot 2x^3 = \frac{2x^6}{3}

Passo 3 — Integral externa:

∫022x63 dx=23⋅x77∣02=23⋅1287=25621\int_0^2 \frac{2x^6}{3}\,dx = \frac{2}{3}\cdot\frac{x^7}{7}\bigg|_0^2 = \frac{2}{3}\cdot\frac{128}{7} = \boxed{\frac{256}{21}}
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Questão 052º EE1º EE 2024.2Integrais duplas · Coordenadas polares2,0 ptsVer material

Usando integrais duplas em coordenadas polares, calcule

∬Re−(x2+y2)  dx dy\iint_R e^{-(x^2+y^2)}\; dx\,dy

onde RR é o disco definido por x2+y2≤4x^2 + y^2 \le 4.

Gabarito

∬Re−(x2+y2) dA=π(1−1e4)\displaystyle\iint_R e^{-(x^2+y^2)}\,dA = \pi\left(1 - \frac{1}{e^4}\right)

Passo a passo

Passo 1 — Em polares, x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2 e dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta. O disco vira 0≤r≤20 \le r \le 2, 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi:

∫02π ⁣ ⁣∫02e−r2 r dr dθ\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2} e^{-r^2}\, r\,dr\,d\theta

Repare: sem o jacobiano rr, a integral de e−x2−y2e^{-x^2-y^2} não teria primitiva elementar — é o rr que salva a conta.

Passo 2 — Substituição u=−r2u = -r^2, du=−2r drdu = -2r\,dr:

∫02e−r2 r dr=−12 e−r2∣02=12(1−e−4)\int_0^{2} e^{-r^2}\,r\,dr = -\frac{1}{2}\,e^{-r^2}\bigg|_0^2 = \frac{1}{2}\left(1 - e^{-4}\right)

Passo 3 — A integral em θ\theta só multiplica por 2π2\pi:

∫02π12(1−e−4)dθ=π(1−1e4)\int_0^{2\pi} \frac{1}{2}\left(1 - e^{-4}\right)d\theta = \boxed{\pi\left(1 - \frac{1}{e^4}\right)}
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Questão 062º EEFinal 2022.2Integrais triplas · Coordenadas esféricas2,0 ptsVer material

Calcule

∭S(x2+y2+z2)dV\iiint_S \left(x^2 + y^2 + z^2\right) dV

onde SS é a região limitada pela porção da esfera x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4 pertencente ao primeiro octante e pelos planos coordenados.

zyxρ = 2

É um “gomo” da bola de raio 2 no primeiro octante: ρ\rho de 0 a 2, φ\varphi de 0 a π2\tfrac{\pi}{2} e θ\theta de 0 a π2\tfrac{\pi}{2}. Coordenadas esféricas transformam x2+y2+z2x^2+y^2+z^2 em ρ2\rho^2.

Gabarito

∭S(x2+y2+z2) dV=16π5\displaystyle\iiint_S (x^2+y^2+z^2)\,dV = \frac{16\pi}{5}

Passo a passo

Passo 1 — Em esféricas, x2+y2+z2=ρ2x^2+y^2+z^2 = \rho^2 e dV=ρ2 sen⁡φ dρ dφ dθdV = \rho^2\,\operatorname{sen} \varphi\ d\rho\,d\varphi\,d\theta. O primeiro octante da bola de raio 2 é:

0≤ρ≤2,0≤φ≤π2,0≤θ≤π20 \le \rho \le 2, \qquad 0 \le \varphi \le \tfrac{\pi}{2}, \qquad 0 \le \theta \le \tfrac{\pi}{2}

Passo 2 — Monte a integral (o integrando vira ρ2⋅ρ2 sen⁡φ=ρ4 sen⁡φ\rho^2\cdot\rho^2\,\operatorname{sen} \varphi = \rho^4\,\operatorname{sen} \varphi):

∫0π/2 ⁣ ⁣∫0π/2 ⁣ ⁣∫02ρ4 sen⁡φ dρ dφ dθ\int_0^{\pi/2}\!\!\int_0^{\pi/2}\!\!\int_0^{2} \rho^4\,\operatorname{sen} \varphi\ d\rho\,d\varphi\,d\theta

Passo 3 — As três integrais se separam:

∫02ρ4 dρ=325∫0π/2sen⁡φ dφ=[−cos⁡φ]0π/2=1∫0π/2dθ=π2\int_0^{2}\rho^4\,d\rho = \frac{32}{5} \qquad \int_0^{\pi/2}\operatorname{sen} \varphi\,d\varphi = \left[-\cos\varphi\right]_0^{\pi/2} = 1 \qquad \int_0^{\pi/2}d\theta = \frac{\pi}{2}

Passo 4 — Multiplicando:

325⋅1⋅π2=16π5\frac{32}{5}\cdot 1\cdot\frac{\pi}{2} = \boxed{\frac{16\pi}{5}}
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Questão 072º EE2025.1Integral de linha (escalar)2,0 ptsVer material

Considerando CC o segmento de reta do ponto (0,0,0)(0,0,0) ao ponto (1,2,3)(1,2,3), calcule a integral de linha

∫Cx eyz ds\int_C x\,e^{yz}\,ds
Gabarito

∫Cx eyz ds=1412(e6−1)\displaystyle\int_C x\,e^{yz}\,ds = \frac{\sqrt{14}}{12}\left(e^{6}-1\right)

Passo a passo

Passo 1 — Parametrize o segmento. Saindo da origem, r⃗(t)=(t, 2t, 3t)\vec r(t) = (t,\,2t,\,3t) com 0≤t≤10 \le t \le 1 (em t=0t=0 estamos em (0,0,0)(0,0,0); em t=1t=1, em (1,2,3)(1,2,3)).

Passo 2 — O elemento de arco é ds=∣r⃗ ′(t)∣ dtds = |\vec r\,'(t)|\,dt. Como r⃗ ′(t)=(1,2,3)\vec r\,'(t) = (1,2,3):

∣r⃗ ′(t)∣=12+22+32=14⇒ds=14 dt|\vec r\,'(t)| = \sqrt{1^2 + 2^2 + 3^2} = \sqrt{14} \quad\Rightarrow\quad ds = \sqrt{14}\,dt

Passo 3 — Substitua x=tx = t, y=2ty = 2t, z=3tz = 3t no integrando: yz=(2t)(3t)=6t2yz = (2t)(3t) = 6t^2, então x eyz=t e6t2x\,e^{yz} = t\,e^{6t^2}.

Passo 4 — Monte a integral em tt:

∫Cx eyz ds=∫01t e6t2 14 dt\int_C x\,e^{yz}\,ds = \int_0^1 t\,e^{6t^2}\,\sqrt{14}\,dt

Passo 5 — Substituição u=6t2u = 6t^2, du=12t dt⇒t dt=du12du = 12t\,dt\Rightarrow t\,dt = \tfrac{du}{12}:

14∫01t e6t2 dt=1412∫06eu du=1412[eu]06=1412(e6−1)\sqrt{14}\int_0^1 t\,e^{6t^2}\,dt = \frac{\sqrt{14}}{12}\int_0^{6} e^{u}\,du = \frac{\sqrt{14}}{12}\Big[e^{u}\Big]_0^{6} = \frac{\sqrt{14}}{12}\left(e^{6}-1\right)

Repare: na integral de linha escalar (dsds) o que importa é o comprimento — por isso aparece ∣r⃗ ′∣|\vec r\,'|, e o sentido de percurso não altera o resultado.

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Questão 082º EE2025.1Trabalho · campo conservativo2,0 ptsVer material

Utilizando o conceito de integral de linha de campo vetorial, determine o trabalho realizado pelo campo de força

F⃗(x,y,z)=(y+z,  x+z,  x+y)\vec F(x,y,z) = (y+z,\; x+z,\; x+y)

sobre uma partícula que se move ao longo do segmento de reta de (1,0,0)(1,0,0) a (3,4,2)(3,4,2).

Gabarito

W=26W = 26 (o campo é conservativo, com potencial f=xy+yz+xzf = xy + yz + xz).

Passo a passo

Passo 1 — Antes de parametrizar, teste se F⃗\vec F é conservativo. Com P=y+zP = y+z, Q=x+zQ = x+z, R=x+yR = x+y, o rotacional é nulo:

Py=1=Qx,Pz=1=Rx,Qz=1=RyP_y = 1 = Q_x,\qquad P_z = 1 = R_x,\qquad Q_z = 1 = R_y

Como F⃗\vec F está definido em todo o R3\mathbb R^3 (simplesmente conexo) e ∇×F⃗=0⃗\nabla\times\vec F = \vec 0, o campo é conservativo.

Passo 2 — Ache a função potencial ff com ∇f=F⃗\nabla f = \vec F. De fx=y+zf_x = y+z:

f=xy+xz+g(y,z)f = xy + xz + g(y,z)

Derive em yy: fy=x+gy=x+z⇒gy=z⇒g=yz+h(z)f_y = x + g_y = x + z \Rightarrow g_y = z \Rightarrow g = yz + h(z). Derive em zz: fz=x+y+h′(z)=x+y⇒h′(z)=0f_z = x + y + h'(z) = x + y \Rightarrow h'(z) = 0. Logo

f(x,y,z)=xy+yz+xzf(x,y,z) = xy + yz + xz

Passo 3 — Pelo Teorema Fundamental das integrais de linha, o trabalho só depende dos extremos (o segmento em si é irrelevante):

W=∫CF⃗⋅dr⃗=f(3,4,2)−f(1,0,0)W = \int_C \vec F\cdot d\vec r = f(3,4,2) - f(1,0,0)

Passo 4 — Avalie:

f(3,4,2)=3⋅4+4⋅2+3⋅2=12+8+6=26,f(1,0,0)=0f(3,4,2) = 3\cdot4 + 4\cdot2 + 3\cdot2 = 12 + 8 + 6 = 26,\qquad f(1,0,0) = 0W=26−0=26W = 26 - 0 = 26
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Questão 092º EE2022.2Teorema de Green2,0 ptsVer material

Use o Teorema de Green para calcular a integral de linha

∮C(3y−esin⁡x)dx+(7x+y4+1)dy\oint_C \left(3y - e^{\sin x}\right)dx + \left(7x + \sqrt{y^4+1}\right)dy

onde CC é a circunferência x2+y2=4x^2 + y^2 = 4, orientada no sentido anti-horário.

Gabarito

∮CF⃗⋅dr⃗=16π\displaystyle\oint_C \vec F\cdot d\vec r = 16\pi

Passo a passo

Passo 1 — O Teorema de Green troca a integral de linha por uma integral dupla sobre a região DD cercada por CC:

∮CP dx+Q dy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dA\oint_C P\,dx + Q\,dy = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right)dA

Aqui P=3y−esin⁡xP = 3y - e^{\sin x} e Q=7x+y4+1Q = 7x + \sqrt{y^4+1}.

Passo 2 — Repare que as parcelas feias esin⁡xe^{\sin x} e y4+1\sqrt{y^4+1} somem nas derivadas certas:

∂Q∂x=7,∂P∂y=3⇒∂Q∂x−∂P∂y=7−3=4\frac{\partial Q}{\partial x} = 7,\qquad \frac{\partial P}{\partial y} = 3 \quad\Rightarrow\quad \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 7 - 3 = 4

Passo 3 — A integral dupla vira uma constante vezes a área do disco DD de raio 22:

∬D4 dA=4⋅aˊrea(D)=4⋅π(2)2=4⋅4π=16π\iint_D 4\,dA = 4\cdot\text{área}(D) = 4\cdot\pi(2)^2 = 4\cdot 4\pi = 16\pi

Moral: quando o rotacional escalar Qx−PyQ_x - P_y é constante, a integral de linha é só essa constante vezes a área cercada.

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Questão 102º EE2023.1Plano tangente · superfície parametrizada2,0 ptsVer material

Considere a superfície parametrizada

r⃗(u,v)=(u+v,  3u2,  u−v)\vec r(u,v) = (u+v,\; 3u^2,\; u-v)

Determine a equação do plano tangente à superfície no ponto (2,3,0)(2,3,0).

Gabarito

3x−y+3z=33x - y + 3z = 3

Passo a passo

Passo 1 — Ache os parâmetros (u,v)(u,v) do ponto. Igualando r⃗(u,v)=(2,3,0)\vec r(u,v) = (2,3,0):

u+v=2,3u2=3  ⇒  u=1,u−v=0  ⇒  v=1u+v = 2,\qquad 3u^2 = 3 \;\Rightarrow\; u = 1,\qquad u - v = 0 \;\Rightarrow\; v = 1

Confere: u+v=1+1=2u+v = 1+1 = 2. Logo (u,v)=(1,1)(u,v) = (1,1).

Passo 2 — O vetor normal ao plano tangente é r⃗u×r⃗v\vec r_u \times \vec r_v. Calcule as derivadas parciais:

r⃗u=(1, 6u, 1)→u=1(1,6,1),r⃗v=(1, 0, −1)\vec r_u = (1,\, 6u,\, 1) \xrightarrow{u=1} (1,6,1),\qquad \vec r_v = (1,\, 0,\, -1)

Passo 3 — Produto vetorial:

r⃗u×r⃗v=∣i⃗j⃗k⃗16110−1∣=(6(−1)−1⋅0,  −(1(−1)−1⋅1),  1⋅0−6⋅1)=(−6, 2, −6)\vec r_u \times \vec r_v = \begin{vmatrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ 1 & 6 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \end{vmatrix} = \big(6(-1)-1\cdot 0,\; -(1(-1)-1\cdot 1),\; 1\cdot 0 - 6\cdot 1\big) = (-6,\, 2,\, -6)

Passo 4 — Plano por (2,3,0)(2,3,0) com normal (−6,2,−6)(-6,2,-6):

−6(x−2)+2(y−3)−6(z−0)=0  ⇒  −6x+2y−6z+6=0-6(x-2) + 2(y-3) - 6(z-0) = 0 \;\Rightarrow\; -6x + 2y - 6z + 6 = 0

Dividindo por −2-2:   3x−y+3z−3=0\;3x - y + 3z - 3 = 0, ou seja   3x−y+3z=3\;3x - y + 3z = 3.

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Questão 112º EE2023.1Integral de superfície (escalar)2,0 ptsVer material

Calcule a integral de superfície

∬S(x+y+z) dS\iint_S (x+y+z)\,dS

onde SS é o paralelogramo parametrizado por

r⃗(u,v)=(u+v,  u−v,  1+2u+v),0≤u≤2, 0≤v≤1\vec r(u,v) = (u+v,\; u-v,\; 1+2u+v),\qquad 0\le u\le 2,\ 0\le v\le 1
Gabarito

∬S(x+y+z) dS=1114\displaystyle\iint_S (x+y+z)\,dS = 11\sqrt{14}

Passo a passo

Passo 1 — Numa integral de superfície escalar, dS=∣r⃗u×r⃗v∣ du dvdS = |\vec r_u \times \vec r_v|\,du\,dv. Calcule os vetores tangentes:

r⃗u=(1,1,2),r⃗v=(1,−1,1)\vec r_u = (1,1,2),\qquad \vec r_v = (1,-1,1)

Passo 2 — Produto vetorial e sua norma:

r⃗u×r⃗v=∣i⃗j⃗k⃗1121−11∣=(1+2,  −(1−2),  −1−1)=(3,1,−2)\vec r_u \times \vec r_v = \begin{vmatrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ 1 & 1 & 2 \\ 1 & -1 & 1 \end{vmatrix} = (1+2,\; -(1-2),\; -1-1) = (3,1,-2)∣r⃗u×r⃗v∣=32+12+(−2)2=14|\vec r_u \times \vec r_v| = \sqrt{3^2+1^2+(-2)^2} = \sqrt{14}

Passo 3 — Escreva o integrando em termos de u,vu,v:

x+y+z=(u+v)+(u−v)+(1+2u+v)=4u+v+1x+y+z = (u+v)+(u-v)+(1+2u+v) = 4u + v + 1

Passo 4 — Monte e resolva a integral dupla (o 14\sqrt{14} é constante, sai fora):

∬S(x+y+z) dS=14∫02 ⁣ ⁣∫01(4u+v+1) dv du\iint_S (x+y+z)\,dS = \sqrt{14}\int_0^2\!\!\int_0^1 (4u+v+1)\,dv\,du∫01(4u+v+1) dv=4u+12+1=4u+32\int_0^1 (4u+v+1)\,dv = 4u + \tfrac12 + 1 = 4u + \tfrac3214∫02(4u+32)du=14[2u2+32u]02=14 (8+3)=1114\sqrt{14}\int_0^2\left(4u+\tfrac32\right)du = \sqrt{14}\Big[2u^2 + \tfrac32 u\Big]_0^2 = \sqrt{14}\,(8+3) = 11\sqrt{14}
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Questão 122º EE2025.1Integral de superfície · cone2,0 ptsVer material

Calcule a integral de superfície

∬Sx2z2 dS\iint_S x^2 z^2\,dS

onde SS é a parte do cone z2=x2+y2z^2 = x^2 + y^2 que está entre os planos z=1z=1 e z=3z=3.

z=3z=1

Faixa do cone z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} com 1≤z≤31\le z\le 3.

Gabarito

∬Sx2z2 dS=3642 π3\displaystyle\iint_S x^2 z^2\,dS = \frac{364\sqrt{2}\,\pi}{3}

Passo a passo

Passo 1 — Escreva o cone como gráfico z=f(x,y)=x2+y2z = f(x,y) = \sqrt{x^2+y^2}. O elemento de área é

dS=1+zx2+zy2 dA,zx=xx2+y2,  zy=yx2+y2dS = \sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2}\,dA,\qquad z_x = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}},\; z_y = \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}zx2+zy2=x2+y2x2+y2=1⇒dS=2 dAz_x^2 + z_y^2 = \frac{x^2+y^2}{x^2+y^2} = 1 \quad\Rightarrow\quad dS = \sqrt{2}\,dA

Passo 2 — No cone, z2=x2+y2z^2 = x^2+y^2, então o integrando fica

x2z2=x2(x2+y2)x^2 z^2 = x^2(x^2+y^2)

Passo 3 — Passe para polares: x=rcos⁡θx = r\cos\theta, x2+y2=r2x^2+y^2 = r^2. Como z=rz = r, a faixa 1≤z≤31\le z\le 3 vira 1≤r≤31\le r\le 3, com 0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi. O integrando:

x2(x2+y2)=(r2cos⁡2θ)(r2)=r4cos⁡2θx^2(x^2+y^2) = (r^2\cos^2\theta)(r^2) = r^4\cos^2\theta

Passo 4 — Monte a integral (lembrando dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta e o fator 2\sqrt{2}):

∬Sx2z2 dS=2∫02π ⁣ ⁣∫13r4cos⁡2θ⋅r dr dθ=2∫02πcos⁡2θ dθ∫13r5 dr\iint_S x^2 z^2\,dS = \sqrt{2}\int_0^{2\pi}\!\!\int_1^3 r^4\cos^2\theta\cdot r\,dr\,d\theta = \sqrt{2}\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta\int_1^3 r^5\,dr

Passo 5 — As duas integrais:

∫02πcos⁡2θ dθ=π,∫13r5 dr=[r66]13=729−16=3643\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta = \pi,\qquad \int_1^3 r^5\,dr = \left[\frac{r^6}{6}\right]_1^3 = \frac{729-1}{6} = \frac{364}{3}∬Sx2z2 dS=2⋅π⋅3643=3642 π3\iint_S x^2 z^2\,dS = \sqrt{2}\cdot\pi\cdot\frac{364}{3} = \frac{364\sqrt{2}\,\pi}{3}
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Questão 132º EE2025.1Área de superfície2,0 ptsVer material

Determine a área da parte da superfície z=3y+x2z = 3y + x^2 que está acima do triângulo de vértices (0,0)(0,0), (1,0)(1,0) e (1,1)(1,1) no plano xyxy.

(0,0)(1,0)(1,1)y = x

Região DD: 0≤x≤1, 0≤y≤x0\le x\le 1,\ 0\le y\le x.

Gabarito

A=1414−101012\displaystyle A = \frac{14\sqrt{14} - 10\sqrt{10}}{12}

Passo a passo

Passo 1 — A área de uma superfície z=f(x,y)z = f(x,y) sobre a região DD é

A=∬D1+fx2+fy2 dAA = \iint_D \sqrt{1 + f_x^2 + f_y^2}\,dA

Com f=3y+x2f = 3y + x^2: fx=2xf_x = 2x, fy=3f_y = 3, logo 1+4x2+9=10+4x2\sqrt{1 + 4x^2 + 9} = \sqrt{10 + 4x^2}.

Passo 2 — Descreva o triângulo. Os vértices (0,0),(1,0),(1,1)(0,0),(1,0),(1,1) dão a região entre a reta y=0y=0 e a reta y=xy=x, com xx de 00 a 11:

D:0≤x≤1,0≤y≤xD:\quad 0\le x\le 1,\qquad 0\le y\le x

Passo 3 — Monte a integral. O integrando não depende de yy, então a integral em yy só dá o comprimento xx:

A=∫01 ⁣ ⁣∫0x10+4x2 dy dx=∫01x10+4x2 dxA = \int_0^1\!\!\int_0^x \sqrt{10+4x^2}\,dy\,dx = \int_0^1 x\sqrt{10+4x^2}\,dx

Passo 4 — Substituição u=10+4x2u = 10 + 4x^2, du=8x dx⇒x dx=du8du = 8x\,dx \Rightarrow x\,dx = \tfrac{du}{8}. Para x:0→1x:0\to 1, u:10→14u:10\to 14:

A=18∫1014u du=18⋅23 u3/2∣1014=112(143/2−103/2)A = \frac18\int_{10}^{14}\sqrt{u}\,du = \frac18\cdot\frac23\,u^{3/2}\Big|_{10}^{14} = \frac{1}{12}\left(14^{3/2} - 10^{3/2}\right)

Passo 5 — Como 143/2=141414^{3/2} = 14\sqrt{14} e 103/2=101010^{3/2} = 10\sqrt{10}:

A=1414−101012A = \frac{14\sqrt{14} - 10\sqrt{10}}{12}
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Questão 142º EE2023.1Fluxo · Teorema da divergência2,0 ptsVer material

Use o Teorema da Divergência (Gauss) para calcular o fluxo ∬SF⃗⋅dS⃗\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S do campo

F⃗(x,y,z)=(xy ez,  xy2z3,  −y ez)\vec F(x,y,z) = \left(xy\,e^{z},\; xy^2 z^3,\; -y\,e^{z}\right)

através da superfície SS da caixa [0,3]×[0,2]×[0,1][0,3]\times[0,2]\times[0,1], orientada para fora.

Gabarito

∬SF⃗⋅dS⃗=92\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S = \frac{9}{2}

Passo a passo

Passo 1 — O Teorema da Divergência troca o fluxo por uma integral tripla do divergente:

∬SF⃗⋅dS⃗=∭Ediv⁡F⃗ dV\iint_S \vec F\cdot d\vec S = \iiint_E \operatorname{div}\vec F\,dV

Passo 2 — Calcule o divergente. Com P=xy ezP = xy\,e^z, Q=xy2z3Q = xy^2 z^3, R=−y ezR = -y\,e^z:

div⁡F⃗=∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z=y ez+2xyz3+(−y ez)=2xyz3\operatorname{div}\vec F = \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} = y\,e^z + 2xy z^3 + (-y\,e^z) = 2xy z^3

Repare: os termos y ezy\,e^z se cancelam — sobra só 2xyz32xyz^3.

Passo 3 — A caixa é um domínio-retângulo, então a integral tripla separa em produto de integrais simples:

∭E2xyz3 dV=2∫03x dx∫02y dy∫01z3 dz\iiint_E 2xy z^3\,dV = 2\int_0^3 x\,dx \int_0^2 y\,dy \int_0^1 z^3\,dz

Passo 4 — Cada fator:

∫03x dx=92,∫02y dy=2,∫01z3 dz=14\int_0^3 x\,dx = \frac92,\qquad \int_0^2 y\,dy = 2,\qquad \int_0^1 z^3\,dz = \frac14∬SF⃗⋅dS⃗=2⋅92⋅2⋅14=92\iint_S \vec F\cdot d\vec S = 2\cdot\frac92\cdot 2\cdot\frac14 = \frac{9}{2}
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Questão 152º EE2022.2Fluxo · Teorema da divergência2,0 ptsVer material

Use o Teorema da Divergência para calcular o fluxo ∬SF⃗⋅dS⃗\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S do campo

F⃗(x,y,z)=(cos⁡z+xy2,  xe−z,  sen⁡y+x2z)\vec F(x,y,z) = \left(\cos z + xy^2,\; x e^{-z},\; \operatorname{sen} y + x^2 z\right)

através da superfície SS do sólido limitado pelo paraboloide z=x2+y2z = x^2 + y^2 e pelo plano z=4z = 4, orientada para fora.

z=4z=x²+y²

Sólido “tigela” fechado pela tampa z=4z=4.

Gabarito

∬SF⃗⋅dS⃗=32π3\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S = \frac{32\pi}{3}

Passo a passo

Passo 1 — Pelo Teorema da Divergência, ∬SF⃗⋅dS⃗=∭Ediv⁡F⃗ dV\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S = \iiint_E \operatorname{div}\vec F\,dV. Calcule o divergente:

div⁡F⃗=∂∂x(cos⁡z+xy2)+∂∂y(xe−z)+∂∂z(sen⁡y+x2z)=y2+0+x2=x2+y2\operatorname{div}\vec F = \frac{\partial}{\partial x}(\cos z + xy^2) + \frac{\partial}{\partial y}(x e^{-z}) + \frac{\partial}{\partial z}(\operatorname{sen} y + x^2 z) = y^2 + 0 + x^2 = x^2 + y^2

De novo, os termos “assustadores” (cos⁡z\cos z, e−ze^{-z}, sen⁡y\operatorname{sen} y) somem nas derivadas certas.

Passo 2 — Use coordenadas cilíndricas: x2+y2=r2x^2+y^2 = r^2, dV=r dz dr dθdV = r\,dz\,dr\,d\theta. O sólido vai da parede z=r2z = r^2 até a tampa z=4z = 4; o raio máximo é onde r2=4r^2 = 4, ou seja r=2r = 2:

0≤θ≤2π,0≤r≤2,r2≤z≤40\le\theta\le 2\pi,\qquad 0\le r\le 2,\qquad r^2\le z\le 4

Passo 3 — Monte a integral (integrando =r2=r^2):

∭E(x2+y2) dV=∫02π ⁣ ⁣∫02 ⁣ ⁣∫r24r2⋅r dz dr dθ\iiint_E (x^2+y^2)\,dV = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^2\!\!\int_{r^2}^{4} r^2\cdot r\,dz\,dr\,d\theta

Passo 4 — Integre em zz (dá 4−r24 - r^2):

=2π∫02r3(4−r2) dr=2π∫02(4r3−r5) dr= 2\pi\int_0^2 r^3(4 - r^2)\,dr = 2\pi\int_0^2 (4r^3 - r^5)\,dr

Passo 5 — Finalize:

=2π[r4−r66]02=2π(16−646)=2π⋅163=32π3= 2\pi\left[r^4 - \frac{r^6}{6}\right]_0^2 = 2\pi\left(16 - \frac{64}{6}\right) = 2\pi\cdot\frac{16}{3} = \frac{32\pi}{3}
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Questão 162º EE2022.2Teorema de Stokes2,0 ptsVer material

Use o Teorema de Stokes para calcular ∬S(∇×F⃗)⋅dS⃗\displaystyle\iint_S (\nabla\times\vec F)\cdot d\vec S, onde

F⃗(x,y,z)=(−4y,  2z,  3x)\vec F(x,y,z) = (-4y,\; 2z,\; 3x)

e SS é a parte do paraboloide z=10−x2−y2z = 10 - x^2 - y^2 acima do plano z=1z = 1, orientada para cima.

Gabarito

∬S(∇×F⃗)⋅dS⃗=36π\displaystyle\iint_S (\nabla\times\vec F)\cdot d\vec S = 36\pi

Passo a passo

Passo 1 — Calcule o rotacional ∇×F⃗\nabla\times\vec F com P=−4yP=-4y, Q=2zQ=2z, R=3xR=3x:

∇×F⃗=(Ry−Qz,  Pz−Rx,  Qx−Py)=(0−2,  0−3,  0−(−4))=(−2, −3, 4)\nabla\times\vec F = \left(R_y - Q_z,\; P_z - R_x,\; Q_x - P_y\right) = (0-2,\; 0-3,\; 0-(-4)) = (-2,\, -3,\, 4)

Passo 2 — Aqui há dois caminhos. Fazendo o fluxo do rotacional direto pela superfície z=g(x,y)=10−x2−y2z = g(x,y) = 10 - x^2 - y^2 (orientação para cima), o vetor de área é

dS⃗=(−gx, −gy, 1) dA=(2x, 2y, 1) dAd\vec S = (-g_x,\, -g_y,\, 1)\,dA = (2x,\, 2y,\, 1)\,dA

Passo 3 — Faça o produto escalar do rotacional constante com dS⃗d\vec S:

(∇×F⃗)⋅dS⃗=[(−2)(2x)+(−3)(2y)+4(1)] dA=(−4x−6y+4) dA(\nabla\times\vec F)\cdot d\vec S = \big[(-2)(2x) + (-3)(2y) + 4(1)\big]\,dA = (-4x - 6y + 4)\,dA

Passo 4 — A projeção no plano xyxy é o disco onde z≥1z\ge 1, isto é 10−x2−y2≥1⇒x2+y2≤910 - x^2 - y^2 \ge 1 \Rightarrow x^2+y^2\le 9 (raio 33). Integre sobre esse disco DD:

∬D(−4x−6y+4) dA\iint_D (-4x - 6y + 4)\,dA

Passo 5 — Por simetria, ∬Dx dA=∬Dy dA=0\iint_D x\,dA = \iint_D y\,dA = 0 (disco centrado na origem). Sobra só a constante:

∬D4 dA=4⋅aˊrea(D)=4⋅π(3)2=36π\iint_D 4\,dA = 4\cdot\text{área}(D) = 4\cdot\pi(3)^2 = 36\pi

Observação: pelo Teorema de Stokes esse valor é igual à circulação ∮CF⃗⋅dr⃗\oint_C \vec F\cdot d\vec r na circunferência de borda x2+y2=9x^2+y^2=9, z=1z=1 — poderia ter sido feito por lá também.

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Questão 172º EE2022.2Integral tripla · cilíndricas2,0 ptsVer material

Um cano é uma casca cilíndrica de comprimento L=20 cmL = 20\text{ cm}, raio interno rint=6 cmr_{\text{int}} = 6\text{ cm} e raio externo rext=7 cmr_{\text{ext}} = 7\text{ cm}. Usando integral tripla em coordenadas cilíndricas, calcule o volume do material do cano.

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Seção transversal: anel entre r=6r=6 e r=7r=7.

Gabarito

V=260π cm3≈816,8 cm3V = 260\pi\ \text{cm}^3 \approx 816{,}8\ \text{cm}^3

Passo a passo

Passo 1 — Em coordenadas cilíndricas o elemento de volume é dV=r dr dθ dzdV = r\,dr\,d\theta\,dz. O material do cano ocupa

6≤r≤7,0≤θ≤2π,0≤z≤206\le r\le 7,\qquad 0\le\theta\le 2\pi,\qquad 0\le z\le 20

Passo 2 — Monte a integral tripla. Como os limites são constantes, ela separa em produto:

V=∫02π ⁣ ⁣∫020 ⁣ ⁣∫67r dr dz dθ=∫02πdθ∫020dz∫67r drV = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{20}\!\!\int_6^7 r\,dr\,dz\,d\theta = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{20} dz \int_6^7 r\,dr

Passo 3 — Resolva cada fator:

∫02πdθ=2π,∫020dz=20,∫67r dr=[r22]67=49−362=132\int_0^{2\pi} d\theta = 2\pi,\qquad \int_0^{20} dz = 20,\qquad \int_6^7 r\,dr = \left[\frac{r^2}{2}\right]_6^7 = \frac{49-36}{2} = \frac{13}{2}

Passo 4 — Multiplique:

V=2π⋅20⋅132=260π cm3V = 2\pi\cdot 20\cdot\frac{13}{2} = 260\pi\ \text{cm}^3

Confere com a fórmula direta da casca: V=π(rext2−rint2)L=π(49−36)⋅20=260πV = \pi(r_{\text{ext}}^2 - r_{\text{int}}^2)L = \pi(49-36)\cdot 20 = 260\pi.

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