O escoamento de fluido por um canal pode ser representado pela função f(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), na direção do vetor v=i−k.
Gabarito
Dv^f(1,1,2)=−62
Passo a passo
Passo 1 — Normalize o vetor direção v=(1,0,−1):
v^=1+1(1,0,−1)=(21,0,−21)
Passo 2 — Calcule o gradiente. Com u=x+2y+3z, f=u1/2:
Determine os pontos críticos da função f(x,y)=3xy+x2−3x e interprete se são máximos e/ou mínimos locais, ou ponto de sela.
Quando o Hessiano D<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), que é ponto de sela (D=−9<0).
Passo a passo
Passo 1 — Calcule e zere as parciais:
fx=3y+2x−3=0fy=3x=0
Passo 2 — Da segunda equação, x=0. Substituindo na primeira: 3y−3=0⇒y=1. Ponto crítico: (0,1).
Use o Teorema de Green para calcular a integral de linha ∮C−y2dx+x2dy da curva com sentido anti-horário formada no primeiro quadrante do círculo x2+y2=4.
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
332
Passo a passo
Passo 1 — Feche a região: o quarto de círculo no 1º quadrante é delimitado pelo arco C, pelo segmento do eixo y (descendo de (0,2) à origem) e pelo segmento do eixo x (da origem até (2,0)). Chame o contorno completo de C′.
Passo 5 — Desconte os trechos dos eixos. No eixo y (x=0, r(t)=(0,2−t)): F=(−(2−t)2,0) e r′=(0,−1), produto escalar nulo ⇒ integral 0. No eixo x (y=0, r(t)=(t,0)): F=(0,t2) e r′=(1,0), produto nulo ⇒ integral 0.
Encontre o valor da integral ∭ExydV, onde E é o sólido que está entre os cilindros x2+y2=1 e x2+y2=9, limitado inferiormente pelo plano xy e superiormente pelo plano z=2, e encontra-se no primeiro octante do espaço tridimensional.
O sólido é um “tubo” de parede grossa (entre r=1 e r=3) e altura 2, restrito ao primeiro octante (um quarto de volta). Coordenadas cilíndricas descrevem tudo com 1≤r≤3, 0≤θ≤2π, 0≤z≤2.
Gabarito
480=20
Passo a passo
Passo 1 — Descreva o sólido em coordenadas cilíndricas (x=rcosθ, y=rsinθ, dV=rdzdrdθ):
E={(r,θ,z):1≤r≤3,0≤θ≤2π,0≤z≤2}
(primeiro octante ⇒θ de 0 a π/2).
Passo 2 — Substitua o integrando: xy=r2sinθcosθ, e com o Jacobiano r:
Use o Teorema da Divergência para calcular o fluxo de F(x,y,z)=(x3,y3,z3) através da esfera unitária x2+y2+z2=1, orientada para fora.
Gabarito
∬SF⋅dS=512π
Passo a passo
Passo 1 — Divergente:
divF=3x2+3y2+3z2=3(x2+y2+z2)
Passo 2 — Pelo Teorema da Divergência, o fluxo vira ∭E3(x2+y2+z2)dV sobre a bola E. Em esféricas, x2+y2+z2=ρ2 e dV=ρ2senφdρdφdθ, com 0≤ρ≤1, 0≤φ≤π, 0≤θ≤2π.
Uma caixa retangular tem as arestas paralelas aos eixos e um vértice na origem; o vértice oposto (x,y,z), com x,y,z>0, está sobre a esfera x2+y2+z2=1. Use multiplicadores de Lagrange para determinar o volume máximo dessa caixa.
Gabarito
Vmax=331=93, em x=y=z=31.
Passo a passo
Passo 1 — Maximize V=xyz sujeito a g=x2+y2+z2=1. O sistema ∇V=λ∇g:
yz=2λx,xz=2λy,xy=2λz
Passo 2 — Multiplique por x,y,z respectivamente — cada lado vira xyz:
xyz=2λx2=2λy2=2λz2
Passo 3 — Com λ=0 (senão V=0), obtemos x2=y2=z2. Como x,y,z>0, x=y=z.
Passo 4 — Na restrição: 3x2=1⇒x=31. Assim x=y=z=31.