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Nabla
MAT05 · 60h

Cálculo Diferencial e Integral Vetorial (Cálculo 3)

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Questão 01Prova Final2023.1Derivada direcional2,0 ptsVer material

O escoamento de fluido por um canal pode ser representado pela função f(x,y,z)=(x+2y+3z)1/2f(x,y,z) = (x + 2y + 3z)^{1/2}. A taxa de variação da pressão aplicada no fluido pode ser calculada a partir da derivada direcional. Determine a taxa de variação da pressão no ponto (1,1,2)(1, 1, 2), na direção do vetor v=ik\vec v = \vec i - \vec k.

Gabarito

Dv^f(1,1,2)=26D_{\hat v} f(1,1,2) = -\dfrac{\sqrt2}{6}

Passo a passo

Passo 1 — Normalize o vetor direção v=(1,0,1)\vec v = (1, 0, -1):

v^=(1,0,1)1+1=(12,  0,  12)\hat v = \frac{(1,0,-1)}{\sqrt{1+1}} = \left(\frac{1}{\sqrt2},\; 0,\; -\frac{1}{\sqrt2}\right)

Passo 2 — Calcule o gradiente. Com u=x+2y+3zu = x + 2y + 3z, f=u1/2f = u^{1/2}:

fx=12u,fy=22u=1u,fz=32uf_x = \frac{1}{2\sqrt{u}}, \qquad f_y = \frac{2}{2\sqrt{u}} = \frac{1}{\sqrt u}, \qquad f_z = \frac{3}{2\sqrt{u}}

Passo 3 — Avalie em (1,1,2)(1,1,2): u=1+2+6=9u = 1 + 2 + 6 = 9, u=3\sqrt u = 3:

f(1,1,2)=(16,  13,  12)\nabla f(1,1,2) = \left(\frac{1}{6},\; \frac{1}{3},\; \frac{1}{2}\right)

Passo 4 — Produto escalar com a direção unitária:

Dv^f=(16,13,12)(12,0,12)=162122=1362=262=26D_{\hat v}f = \left(\frac16, \frac13, \frac12\right)\cdot\left(\frac{1}{\sqrt2}, 0, -\frac{1}{\sqrt2}\right) = \frac{1}{6\sqrt2} - \frac{1}{2\sqrt2} = \frac{1 - 3}{6\sqrt2} = -\frac{2}{6\sqrt2} = \boxed{-\frac{\sqrt2}{6}}
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Questão 02Prova Final2023.1Pontos críticos · Hessiana2,0 ptsVer material

Determine os pontos críticos da função f(x,y)=3xy+x23xf(x,y) = 3xy + x^2 - 3x e interprete se são máximos e/ou mínimos locais, ou ponto de sela.

ponto críticosobedesce

Quando o Hessiano D<0D\lt 0, o ponto crítico é uma sela: numa direção a função sobe, na outra desce — não é máximo nem mínimo, como o centro de uma sela de cavalo.

Gabarito

Único ponto crítico: (0,1)(0, 1), que é ponto de sela (D=9<0D = -9 \lt 0).

Passo a passo

Passo 1 — Calcule e zere as parciais:

fx=3y+2x3=0fy=3x=0f_x = 3y + 2x - 3 = 0 \qquad\quad f_y = 3x = 0

Passo 2 — Da segunda equação, x=0x = 0. Substituindo na primeira: 3y3=0y=13y - 3 = 0 \Rightarrow y = 1. Ponto crítico: (0,1)(0, 1).

Passo 3 — Segundas derivadas: fxx=2f_{xx} = 2, fyy=0f_{yy} = 0, fxy=3f_{xy} = 3. Determinante Hessiano:

D=fxxfyy(fxy)2=(2)(0)32=9D = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2 = (2)(0) - 3^2 = -9

Passo 4 — Como D=9<0D = -9 \lt 0, o ponto (0,1)(0,1) é ponto de sela — não é máximo nem mínimo local.

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Questão 03Prova Final2023.1Teorema de Green2,0 ptsVer material

Use o Teorema de Green para calcular a integral de linha Cy2dx+x2dy\displaystyle\oint_C -y^2\,dx + x^2\,dy da curva com sentido anti-horário formada no primeiro quadrante do círculo x2+y2=4x^2 + y^2 = 4.

xyarco C (x²+y²=4)(2,0)(0,2)

Para usar Green é preciso fechar a curva: soma-se ao arco os dois segmentos dos eixos (tracejados). Nesses segmentos a integral dá zero, então sobra só o arco pedido.

Gabarito

323\dfrac{32}{3}

Passo a passo

Passo 1 — Feche a região: o quarto de círculo no 1º quadrante é delimitado pelo arco CC, pelo segmento do eixo yy (descendo de (0,2)(0,2) à origem) e pelo segmento do eixo xx (da origem até (2,0)(2,0)). Chame o contorno completo de CC'.

Passo 2 — Aplique Green em CC', com P=y2P = -y^2 e Q=x2Q = x^2:

Cy2dx+x2dy=A(x(x2)y(y2))dA=A(2x+2y)dA\oint_{C'} -y^2\,dx + x^2\,dy = \iint_A \left(\frac{\partial}{\partial x}(x^2) - \frac{\partial}{\partial y}(-y^2)\right) dA = \iint_A (2x + 2y)\, dA

Passo 3 — Passe para polares (0r20 \le r \le 2, 0θπ/20 \le \theta \le \pi/2):

20π/2 ⁣ ⁣02r(rcosθ+rsinθ)drdθ=20π/2(cosθ+sinθ)dθ02r2dr2\int_0^{\pi/2}\!\!\int_0^2 r(r\cos\theta + r\sin\theta)\, dr\, d\theta = 2\int_0^{\pi/2}(\cos\theta + \sin\theta)\,d\theta \cdot \int_0^2 r^2\, dr

Passo 4 — Calcule cada fator:

0π/2(cosθ+sinθ)dθ=[sinθcosθ]0π/2=1(1)=2,02r2dr=83\int_0^{\pi/2}(\cos\theta+\sin\theta)\,d\theta = \big[\sin\theta - \cos\theta\big]_0^{\pi/2} = 1 - (-1) = 2, \qquad \int_0^2 r^2\,dr = \frac{8}{3}C=2283=323\oint_{C'} = 2\cdot 2 \cdot \frac{8}{3} = \frac{32}{3}

Passo 5 — Desconte os trechos dos eixos. No eixo yy (x=0x=0, r(t)=(0,2t)\vec r(t) = (0, 2-t)): F=((2t)2,0)\vec F = (-(2-t)^2, 0) e r=(0,1)\vec r\,' = (0,-1), produto escalar nulo \Rightarrow integral 0. No eixo xx (y=0y=0, r(t)=(t,0)\vec r(t) = (t,0)): F=(0,t2)\vec F = (0, t^2) e r=(1,0)\vec r\,' = (1,0), produto nulo \Rightarrow integral 0.

Passo 6 — Logo a integral no arco pedido é

Cy2dx+x2dy=32300=323\oint_C -y^2\,dx + x^2\,dy = \frac{32}{3} - 0 - 0 = \boxed{\frac{32}{3}}
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Questão 04Prova Final2023.1Integral tripla · Cilíndricas2,0 ptsVer material

Encontre o valor da integral Exy  dV\displaystyle\iiint_E xy\; dV, onde EE é o sólido que está entre os cilindros x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 e x2+y2=9x^2 + y^2 = 9, limitado inferiormente pelo plano xyxy e superiormente pelo plano z=2z = 2, e encontra-se no primeiro octante do espaço tridimensional.

zz=2r = 3r = 1

O sólido é um “tubo” de parede grossa (entre r=1r=1 e r=3r=3) e altura 2, restrito ao primeiro octante (um quarto de volta). Coordenadas cilíndricas descrevem tudo com 1r31\le r\le3, 0θπ20\le\theta\le\tfrac{\pi}{2}, 0z20\le z\le2.

Gabarito

804=20\dfrac{80}{4} = 20

Passo a passo

Passo 1 — Descreva o sólido em coordenadas cilíndricas (x=rcosθx = r\cos\theta, y=rsinθy = r\sin\theta, dV=rdzdrdθdV = r\,dz\,dr\,d\theta):

E={(r,θ,z):  1r3,    0θπ2,    0z2}E = \left\{(r,\theta,z):\; 1 \le r \le 3,\;\; 0 \le \theta \le \tfrac{\pi}{2},\;\; 0 \le z \le 2\right\}

(primeiro octante θ\Rightarrow \theta de 0 a π/2\pi/2).

Passo 2 — Substitua o integrando: xy=r2sinθcosθxy = r^2\sin\theta\cos\theta, e com o Jacobiano rr:

ExydV=02 ⁣ ⁣13 ⁣ ⁣0π/2r3sinθcosθ  dθdrdz\iiint_E xy\,dV = \int_0^2\!\!\int_1^3\!\!\int_0^{\pi/2} r^3 \sin\theta\cos\theta\; d\theta\, dr\, dz

Passo 3 — A integral separa em três fatores:

02dz=2,0π/2sinθcosθdθ=[sin2θ2]0π/2=12,13r3dr=8114=20\int_0^2 dz = 2, \qquad \int_0^{\pi/2}\sin\theta\cos\theta\,d\theta = \left[\frac{\sin^2\theta}{2}\right]_0^{\pi/2} = \frac12, \qquad \int_1^3 r^3\,dr = \frac{81-1}{4} = 20

Passo 4 — Multiplique:

21220=202 \cdot \frac{1}{2} \cdot 20 = \boxed{20}
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Questão 05Prova Final2023.1Campo conservativo · Potencial2,0 ptsVer material

Determine se o campo vetorial F(x,y)=yx2i1xj\vec F(x,y) = \dfrac{y}{x^2}\,\vec i - \dfrac{1}{x}\,\vec j é conservativo. Se sim, existe uma função potencial: encontre-a.

Gabarito

É conservativo (Py=Qx=1x2P_y = Q_x = \tfrac{1}{x^2}) e uma função potencial é φ(x,y)=yx\varphi(x,y) = -\dfrac{y}{x}.

Passo a passo

Passo 1 — Teste de conservatividade, com P=yx2P = \tfrac{y}{x^2} e Q=1xQ = -\tfrac{1}{x}:

Py=1x2Qx=x(x1)=1x2\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{1}{x^2} \qquad\quad \frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}\left(-x^{-1}\right) = \frac{1}{x^2}

Iguais (no domínio x0x \neq 0) \Rightarrow o campo é conservativo.

Passo 2 — Integre PP em relação a xx:

φ=yx2dx=yx+g(y)\varphi = \int \frac{y}{x^2}\, dx = -\frac{y}{x} + g(y)

Passo 3 — Derive em yy e compare com QQ:

φy=1x+g(y)=!1x    g(y)=0    g(y)=c\frac{\partial \varphi}{\partial y} = -\frac{1}{x} + g'(y) \overset{!}{=} -\frac{1}{x} \;\Rightarrow\; g'(y) = 0 \;\Rightarrow\; g(y) = c

Passo 4 — Tomando c=0c = 0, uma função potencial é

φ(x,y)=yx\boxed{\varphi(x,y) = -\frac{y}{x}}

Verificação rápida: φ=(yx2,1x)=F\nabla\varphi = \left(\tfrac{y}{x^2},\, -\tfrac1x\right) = \vec F

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Questão 06Prova Final2022.2Teorema de Green2,0 ptsVer material

Calcule a integral de linha

Cy2dx+4xydy\oint_C y^2\,dx + 4xy\,dy

onde CC é a curva fechada formada pelo arco da parábola y=x2y = x^2 da origem até (2,4)(2, 4), seguido do segmento da reta y=2xy = 2x de (2,4)(2, 4) de volta à origem.

xyy = 2xy = x²(0,0)(2,4)

As duas curvas se cruzam em (0,0)(0,0) e (2,4)(2,4), fechando a região. Como x22xx^2\le 2x nesse intervalo, a parábola é o piso e a reta é o teto: x2y2xx^2\le y\le 2x.

Gabarito

Cy2dx+4xydy=6415\displaystyle\oint_C y^2\,dx + 4xy\,dy = \frac{64}{15}

Passo a passo

Passo 1 — A curva é fechada e percorrida no sentido positivo (anti-horário), então aplique o Teorema de Green com P=y2P = y^2 e Q=4xyQ = 4xy:

CPdx+Qdy=R(QxPy)dA=R(4y2y)dA=R2y  dA\oint_C P\,dx + Q\,dy = \iint_R \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right)dA = \iint_R (4y - 2y)\,dA = \iint_R 2y\; dA

Passo 2 — A região RR fica entre a parábola (por baixo) e a reta (por cima), pois x22xx^2 \le 2x para 0x20 \le x \le 2:

0x2,x2y2x0 \le x \le 2, \qquad x^2 \le y \le 2x

Passo 3 — Integral interna em yy:

x22x2ydy=[y2]x22x=4x2x4\int_{x^2}^{2x} 2y\,dy = \left[y^2\right]_{x^2}^{2x} = 4x^2 - x^4

Passo 4 — Integral externa:

02(4x2x4)dx=483325=1609615=6415\int_0^2 \left(4x^2 - x^4\right)dx = \frac{4\cdot 8}{3} - \frac{32}{5} = \frac{160 - 96}{15} = \boxed{\frac{64}{15}}
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Questão 07Prova FinalIntegral tripla · esféricasEstilo de prova2,0 ptsVer material

Usando coordenadas esféricas, calcule

Ex2+y2+z2dV\iiint_E \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}\,dV

onde EE é a bola x2+y2+z29x^2 + y^2 + z^2 \le 9.

Gabarito

Ex2+y2+z2dV=81π\displaystyle\iiint_E \sqrt{x^2+y^2+z^2}\,dV = 81\pi

Passo a passo

Passo 1 — Em coordenadas esféricas: x2+y2+z2=ρ2x^2+y^2+z^2 = \rho^2, o integrando x2+y2+z2=ρ\sqrt{x^2+y^2+z^2} = \rho, e o elemento de volume é

dV=ρ2senφdρdφdθdV = \rho^2\operatorname{sen}\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta

Passo 2 — Limites da bola inteira de raio 33:

0ρ3,0φπ,0θ2π0 \le \rho \le 3,\qquad 0 \le \varphi \le \pi,\qquad 0 \le \theta \le 2\pi

Passo 3 — Monte a integral (integrando ρρ2senφ=ρ3senφ\rho\cdot\rho^2\operatorname{sen}\varphi = \rho^3\operatorname{sen}\varphi). Como as variáveis separam:

EρdV=02πdθ0πsenφdφ03ρ3dρ\iiint_E \rho\,dV = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\pi}\operatorname{sen}\varphi\,d\varphi \int_0^{3}\rho^3\,d\rho

Passo 4 — Cada fator:

02πdθ=2π,0πsenφdφ=2,03ρ3dρ=814\int_0^{2\pi} d\theta = 2\pi,\quad \int_0^{\pi}\operatorname{sen}\varphi\,d\varphi = 2,\quad \int_0^{3}\rho^3\,d\rho = \frac{81}{4}Ex2+y2+z2dV=2π2814=81π\iiint_E \sqrt{x^2+y^2+z^2}\,dV = 2\pi\cdot 2\cdot\frac{81}{4} = 81\pi

Dica de limites: bola completa φ\Rightarrow \varphi percorre 00 a π\pi (polo norte ao sul) e θ\theta toda a volta 00 a 2π2\pi.

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Questão 08Prova FinalFluxo · Teorema da divergênciaEstilo de prova2,0 ptsVer material

Use o Teorema da Divergência para calcular o fluxo de F(x,y,z)=(x3,y3,z3)\vec F(x,y,z) = (x^3,\, y^3,\, z^3) através da esfera unitária x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1, orientada para fora.

Gabarito

SFdS=12π5\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S = \frac{12\pi}{5}

Passo a passo

Passo 1 — Divergente:

divF=3x2+3y2+3z2=3(x2+y2+z2)\operatorname{div}\vec F = 3x^2 + 3y^2 + 3z^2 = 3(x^2+y^2+z^2)

Passo 2 — Pelo Teorema da Divergência, o fluxo vira E3(x2+y2+z2)dV\displaystyle\iiint_E 3(x^2+y^2+z^2)\,dV sobre a bola EE. Em esféricas, x2+y2+z2=ρ2x^2+y^2+z^2 = \rho^2 e dV=ρ2senφdρdφdθdV = \rho^2\operatorname{sen}\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta, com 0ρ10\le\rho\le 1, 0φπ0\le\varphi\le\pi, 0θ2π0\le\theta\le 2\pi.

Passo 3 — Monte (integrando 3ρ2ρ2senφ=3ρ4senφ3\rho^2\cdot\rho^2\operatorname{sen}\varphi = 3\rho^4\operatorname{sen}\varphi):

302πdθ0πsenφdφ01ρ4dρ3\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^{\pi}\operatorname{sen}\varphi\,d\varphi\int_0^{1}\rho^4\,d\rho

Passo 4 — Os fatores:

02πdθ=2π,0πsenφdφ=2,01ρ4dρ=15\int_0^{2\pi}d\theta = 2\pi,\quad \int_0^{\pi}\operatorname{sen}\varphi\,d\varphi = 2,\quad \int_0^{1}\rho^4\,d\rho = \frac15SFdS=32π215=12π5\iint_S \vec F\cdot d\vec S = 3\cdot 2\pi\cdot 2\cdot\frac15 = \frac{12\pi}{5}
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Questão 09Prova FinalTeorema de StokesEstilo de prova2,0 ptsVer material

Use o Teorema de Stokes para calcular S(×F)dS\displaystyle\iint_S (\nabla\times\vec F)\cdot d\vec S, onde

F(x,y,z)=(y,z,x)\vec F(x,y,z) = (y,\, z,\, x)

e SS é o hemisfério superior x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1, z0z \ge 0, orientado para cima.

Gabarito

S(×F)dS=π\displaystyle\iint_S (\nabla\times\vec F)\cdot d\vec S = -\pi

Passo a passo

Passo 1 — O Teorema de Stokes diz que o fluxo do rotacional pela superfície é igual à circulação na borda:

S(×F)dS=CFdr\iint_S (\nabla\times\vec F)\cdot d\vec S = \oint_C \vec F\cdot d\vec r

A borda CC do hemisfério é a circunferência x2+y2=1x^2+y^2 = 1 no plano z=0z=0.

Passo 2 — Parametrize CC no sentido positivo (compatível com normal para cima): r(t)=(cost, sent, 0)\vec r(t) = (\cos t,\ \operatorname{sen} t,\ 0), 0t2π0\le t\le 2\pi. Então r(t)=(sent, cost, 0)\vec r\,'(t) = (-\operatorname{sen} t,\ \cos t,\ 0).

Passo 3 — Sobre CC (onde z=0z=0): F=(y,z,x)=(sent, 0, cost)\vec F = (y,z,x) = (\operatorname{sen} t,\ 0,\ \cos t). O produto escalar:

Fr=sent(sent)+0cost+cost0=sen2t\vec F\cdot\vec r\,' = \operatorname{sen} t\,(-\operatorname{sen} t) + 0\cdot\cos t + \cos t\cdot 0 = -\operatorname{sen}^2 t

Passo 4 — Integre:

CFdr=02πsen2tdt=π\oint_C \vec F\cdot d\vec r = \int_0^{2\pi} -\operatorname{sen}^2 t\,dt = -\pi

Alternativa: ×F=(1,1,1)\nabla\times\vec F = (-1,-1,-1); pela borda plana, só a componente zz importa (n=k\vec n = \vec k no disco), dando D(1)dA=π\iint_D (-1)\,dA = -\pi — mesma resposta.

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Questão 10Prova FinalFluxo · integral de superfície (direto)Estilo de prova2,0 ptsVer material

Calcule diretamente (sem usar o Teorema da Divergência) o fluxo

SFdS,F(x,y,z)=(x,y,z)\iint_S \vec F\cdot d\vec S,\qquad \vec F(x,y,z) = (x,\, y,\, z)

onde SS é a parte do paraboloide z=4x2y2z = 4 - x^2 - y^2 com z0z \ge 0, orientada para cima.

Gabarito

SFdS=24π\displaystyle\iint_S \vec F\cdot d\vec S = 24\pi

Passo a passo

Passo 1 — Para uma superfície gráfico z=g(x,y)z = g(x,y) com orientação para cima, o vetor de área é

dS=(gx,gy,1)dAd\vec S = (-g_x,\, -g_y,\, 1)\,dA

Com g=4x2y2g = 4 - x^2 - y^2: gx=2xg_x = -2x, gy=2yg_y = -2y, logo dS=(2x,2y,1)dAd\vec S = (2x,\, 2y,\, 1)\,dA.

Passo 2 — Faça FdS\vec F\cdot d\vec S, lembrando que na superfície z=4x2y2z = 4 - x^2 - y^2:

FdS=[x(2x)+y(2y)+z(1)]dA=[2x2+2y2+(4x2y2)]dA=(x2+y2+4)dA\vec F\cdot d\vec S = \big[x(2x) + y(2y) + z(1)\big]dA = \big[2x^2 + 2y^2 + (4 - x^2 - y^2)\big]dA = (x^2 + y^2 + 4)\,dA

Passo 3 — A projeção no plano xyxy é o disco onde z0z\ge 0: 4x2y20x2+y244 - x^2 - y^2 \ge 0 \Rightarrow x^2+y^2 \le 4. Em polares (0r20\le r\le 2, 0θ2π0\le\theta\le 2\pi):

SFdS=02π ⁣ ⁣02(r2+4)rdrdθ\iint_S \vec F\cdot d\vec S = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2} (r^2 + 4)\,r\,dr\,d\theta

Passo 4 — Resolva:

02(r3+4r)dr=[r44+2r2]02=4+8=12\int_0^2 (r^3 + 4r)\,dr = \left[\frac{r^4}{4} + 2r^2\right]_0^2 = 4 + 8 = 12SFdS=2π12=24π\iint_S \vec F\cdot d\vec S = 2\pi\cdot 12 = 24\pi
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Questão 11Prova FinalMultiplicadores de LagrangeEstilo de prova2,0 ptsVer material

Uma caixa retangular tem as arestas paralelas aos eixos e um vértice na origem; o vértice oposto (x,y,z)(x,y,z), com x,y,z>0x,y,z\gt 0, está sobre a esfera x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1. Use multiplicadores de Lagrange para determinar o volume máximo dessa caixa.

Gabarito

Vmax=133=39V_{\max} = \dfrac{1}{3\sqrt{3}} = \dfrac{\sqrt{3}}{9}, em x=y=z=13x=y=z=\dfrac{1}{\sqrt{3}}.

Passo a passo

Passo 1 — Maximize V=xyzV = xyz sujeito a g=x2+y2+z2=1g = x^2 + y^2 + z^2 = 1. O sistema V=λg\nabla V = \lambda\nabla g:

yz=2λx,xz=2λy,xy=2λzyz = 2\lambda x,\qquad xz = 2\lambda y,\qquad xy = 2\lambda z

Passo 2 — Multiplique por x,y,zx, y, z respectivamente — cada lado vira xyzxyz:

xyz=2λx2=2λy2=2λz2xyz = 2\lambda x^2 = 2\lambda y^2 = 2\lambda z^2

Passo 3 — Com λ0\lambda\ne 0 (senão V=0V=0), obtemos x2=y2=z2x^2 = y^2 = z^2. Como x,y,z>0x,y,z\gt 0, x=y=zx=y=z.

Passo 4 — Na restrição: 3x2=1x=133x^2 = 1 \Rightarrow x = \dfrac{1}{\sqrt3}. Assim x=y=z=13x=y=z=\dfrac{1}{\sqrt3}.

Passo 5 — Volume máximo:

Vmax=(13)3=133=39V_{\max} = \left(\frac{1}{\sqrt3}\right)^3 = \frac{1}{3\sqrt3} = \frac{\sqrt3}{9}
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Questão 12Prova FinalÁrea de superfícieEstilo de prova2,0 ptsVer material

Calcule a área da parte do paraboloide z=x2+y2z = x^2 + y^2 que está abaixo do plano z=4z = 4.

z=4z=x²+y²

Taça do paraboloide até a altura z=4z=4 (raio r=2r=2).

Gabarito

A=π6(17171)\displaystyle A = \frac{\pi}{6}\left(17\sqrt{17} - 1\right)

Passo a passo

Passo 1 — Área de z=f(x,y)z = f(x,y): A=D1+fx2+fy2dA\displaystyle A = \iint_D \sqrt{1 + f_x^2 + f_y^2}\,dA. Com f=x2+y2f = x^2+y^2: fx=2xf_x = 2x, fy=2yf_y = 2y, então o integrando é 1+4x2+4y2\sqrt{1 + 4x^2 + 4y^2}.

Passo 2 — A região DD é a projeção: z4x2+y24z\le 4 \Rightarrow x^2 + y^2 \le 4, disco de raio 22. Em polares (0r20\le r\le 2, 0θ2π0\le\theta\le 2\pi): 1+4r2\sqrt{1 + 4r^2}.

Passo 3 — Monte a integral:

A=02π ⁣ ⁣021+4r2rdrdθ=2π02r1+4r2drA = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2}\sqrt{1+4r^2}\,r\,dr\,d\theta = 2\pi\int_0^{2} r\sqrt{1+4r^2}\,dr

Passo 4 — Substituição u=1+4r2u = 1 + 4r^2, rdr=du8r\,dr = \tfrac{du}{8}; r:02r:0\to 2u:117u:1\to 17:

A=2π18117udu=π423u3/2117=π6(17171)A = 2\pi\cdot\frac18\int_1^{17}\sqrt{u}\,du = \frac{\pi}{4}\cdot\frac23\,u^{3/2}\Big|_1^{17} = \frac{\pi}{6}\left(17\sqrt{17} - 1\right)
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