06-integrais de superfície
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Superfıcie
Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Integrais de SuperfıcieAnalise Matematica 2/ Calculo 2
2o Semestre 2013/14versao de 5 de Junho de 2014
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Superfıcie
Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Definicao
Chama-se parametrizacao de uma superfıcie a uma aplicacao:
~R : D ⊂ R2 −→ R3
(u, v) −→ (x(u, v), y(u, v), z(u, v))
com D um aberto conexo de R2.
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Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Exercıcios I
Parametrize as superfıcies usando, se possıvel, as projeccoes emxOy, yOz e em xOz:
1
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , z ≤ 4
2
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z2, 1 ≤ z ≤ 4
3
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 9, z ≥ 0
4 *
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 16, −1 ≤ z ≤ 3
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Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Exercıcios II
5
S =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 1− x2, z ≥ 0, 0 ≤ y ≤ 3
6
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x + y + x = 1, x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0
7
S =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 1, x2 + y 2 ≤ 4
8
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x = y , −1 ≤ z ≤ 3, 0 ≤ x ≤ 2
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Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Exercıcios III
Parametrize as superfıcies usando coordenadas polares:
1
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , z ≤ 9
2
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 1, z ≤ 0
3
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z2, −3 ≤ z ≤ 0
4 *
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 4, −1 ≤ z ≤ 4
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Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Qual o tipo de deformacao que e produzida pela parametrizacaoem coordenadas polares e em coordenadas cartesianas?
falta outra...
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Exercıcios IV
Parametrize as superfıcies:
1
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 9− z , 0 ≤ z < 5, x ≤ 0
2
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z2,−4 ≤ z ≤ 0, y ≤ x , x ≥ 0
3
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 4, −2 ≤ z ≤ 3, y ≤ 0
4
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 9, x ≤ 0, y ≤ 0, z ≤ 0
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Exercıcios VParametrize as superfıcies:
1
S =
(x , y , z) ∈ R3 : (x − 2)2 + (y + 1)2 = 9− z , z ≥ 0
2
S =
(x , y , z) ∈ R3 : y 2 + z2 = x2,−4 ≤ x ≤ 0, z ≥ 0
3
S =
(x , y , z) ∈ R3 :
(x
3
)2+ y 2 = 4, −1 ≤ z ≤ 5, y ≤ 0
4
S =
(x , y , z) ∈ R3 : (x − 3)2 +
(z
2
)2= y , x ≤ 3, y ≤ 4
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Teorema deStokes
Exercıcios VIParametrize, usando coordenadas esfericas, as superfıcies:
1
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 9, x ≤ 0, y ≤ 0, z ≤ 0
2
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 4, x ≥ 0, y ≥ 0, z ≤ 0
3
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 25, x ≥ 0, y ≤ 0, z ≤ 0
Coordenadas esfericasx = ρ cos(θ) sin(ϕ)y = ρ sin(θ) sin(ϕ)z = ρ cos(ϕ)
, θ ∈ [0, 2π[, ϕ ∈ [0, π], ρ ∈ R+
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Teorema deStokes
Seja S uma superfıcie parametrizada por
~r(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)), (u, v) ∈ D
de classe C 1(D).
∂~r
∂u(a, b, c)
e um vetor tangente a superfıcie S no ponto (a, b, c) .
∂~r
∂v(a, b, c)
e um vetor tangente a superfıcie S no ponto (a, b, c) .
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Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Vetor normalSeja S uma superfıcie parametrizada por
~r(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)), (u, v) ∈ D
de classe C 1(D).Um vetor normal a superfıcie num pontoP = (a, b, c) = (x(u0, v0), y(u0, v0), z(u0, v0)) e dado por
∂~r
∂u(u0, v0)× ∂~r
∂v(u0, v0) =
∣∣∣∣∣∣~e1 ~e2 ~e3∂x∂u
∂y∂u
∂z∂u
∂x∂v
∂y∂v
∂z∂v
∣∣∣∣∣∣ =
(∂y
∂u
∂z
∂v− ∂z
∂u
∂y
∂v
)~e1+
(∂z
∂u
∂x
∂v− ∂x
∂u
∂z
∂v
)~e2+
(∂x
∂u
∂y
∂v− ∂y
∂u
∂x
∂v
)~e3
(desde que seja nao nulo.) Ao vetor anterior chama-se vetorproduto fundamental.
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Notas:
1 ~n =∂~r∂u× ∂~r
∂v
‖ ∂~r∂u× ∂~r
∂v ‖e normal a superfıcie e unitario.
2 O vetor ∂~r∂v ×
∂~r∂u tambem e normal a S mas tem sentido
oposto a ∂~r∂u ×
∂~r∂v .
3 Uma superfıcie com vetor normal (nao nulo) em todos ospontos diz-se regular (nao apresenta regioes pontiagudas).
4 Equacao cartesiana do plano que passa no ponto (a, b, c)e e normal ao vetor ~n = (n1, n2, n3):
n1(x − a) + n2(y − b) + n3(z − c) = 0
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Teorema deStokes
Exercıcios
1 Determine a equacao do plano tangente ao paraboloideparametrizado por
~r(u, v) = (u, v , u2 + v 2)
no ponto (1, 2, 5).
2 Determine as equacoes dos planos tangentes aoparaboloide dado pela equacao
x2 + y 2 = 4− z
nos pontos (0,0,4) e (-1,1,2).
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Teorema deStokes
Definicao (Integral de superfıcie de campo escalar)
Seja S ≡ ~r(D) uma superfıcie, ~r ∈ C 1(D) e f : Ω −→ R umcampo escalar limitado com S ⊂ Ω.Define-se o integral de superfıcie de f sobre S como:∫∫
Sf dS =
∫∫D
f (~r(u, v))
∣∣∣∣∣∣∣∣ ∂~r∂u× ∂~r
∂v(u, v)
∣∣∣∣∣∣∣∣ dudv
Nota:
area de S =
∫∫S
1 dS
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Proposicao
O integral de superfıcie de campo escalar nao depende daparametrizacao.
Se S e S1 sao duas superfıcies que apenas diferem numnumero finito de linhas, entao:∫∫
Sf dS =
∫∫S1
f dS
Interpretacao:∫∫S f dS da a quantidade total de f sobre a superfıcie S.
Por exemplo, se f (x , y , z) indicar a quantidade de humidadeem cada ponto (x,y,z), este integral indica a quantidade totalde humidade que esta sobre a superfıcie S.
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Teorema deStokes
Exercıcios I
1 Calcule∫∫S f dS sendo f (x , y , z) = x2 + y 2 + z2 + 5
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z2, 0 ≤ z ≤ 1.
R: 6√
2π
2 Calcule∫∫S(x + z) dS onde S e a parte do cilindro
y 2 + z2 = 9 entre x = 0 e x = 4 contida no 1o octante.R: 12π + 36
3 Calcule∫∫S f dS sendo f (x , y , z) = xy
z
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , 4 ≤ x2 + y 2 ≤ 16.
R: 6532−17
32
3
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Teorema deStokes
Exercıcios II
4 Calcule a area da superfıcie
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , 0 ≤ z ≤ 4
R: π6 (√
173 − 1)
5 Verifique que a area da superfıcie de uma esfera unitaria e4π.Sug: Use coordenadas esfericas.
6 Calcule a area da superfıcie dada por
x2 + y 2 − z = 0 ∧ z ≤ 9
R: π2
3732−13
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Teorema deStokes
Orientacao de uma superfıcieUma superfıcie S diz-se orientavel se podemos definir umvetor normal unitario ~n a cada ponto de S e de modo que estesvetores variem continuamente sobre a superfıcie S .Uma superfıcie orientada tem dois lados distintos. Assimquando orientamos uma superfıcie escolhemos um dos doispossıveis vectores normais unitarios.
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Teorema deStokes
Fita de Mobius
http://www.youtube.com/watch?v=BVsIAa2XNKc&NR=
1&feature=fvwp
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Teorema deStokes
Garrafa de Klein
http://www.youtube.com/watch?v=E8rifKlq5hc20/42
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Teorema deStokes
Definicao (Integral de superfıcie de campo vetorial)
Seja S uma superfıcie orientada de parametrizacao ~r eorientacao ~n, isto e, (S ,~n).
Seja ~F : Ω −→ R3 um campo vetorial contınuo, tal queS ⊂ Ω.
Define-se∫∫S
~F · dS =
∫∫S
~F · ~n dS =
∫∫D
~F (~r(u, v))| ∂~r
∂u× ∂~r
∂vdudv
Nota:∫∫S
~F · dS e o fluxo que atravessa S com velocidade ~F , ou
seja, e a quantidade de fluido que atravessa a superfıcie S porunidade de tempo.
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Teorema deStokes
Campo vetorial de velocidades (constantes em modulo), ~v deum escoamento de agua num tubo infinitesimalmente pequeno.
Quais partıculas do fluido contribuirao mais para o fluxo?~v1-Tem a contribuicao maxima possıvel: ~v1 · ~n = ~f1
~v3-Nao contribui: ~v1 · ~n = 0~v2-So tem contribuicao da componente horizontal.1
1Pedro Silva,IFMC,ISEL22/42
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Teorema deStokes
ExercıcioDetermine se e positivo, negativo ou nulo, o fluxo atraves dassuperfıcies abaixo, de~F (x , y , z) = (0, 0, z),~G (x , y , z) = (x , 0, 0),~H(x , y , z) = (0, 1, 0),~J(x , y , z) = (0, 0, z − 2)
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Teorema deStokes
Exercıcios I
1 Calcule o fluxo de ~f (x , y , z) = (x , 0, 0) atraves dassuperfıcies
S1 =
(x , y , z) ∈ R3 : x = 2, 0 ≤ y ≤ 2, 0 ≤ z ≤ 2
e
S2 =
(x , y , z) ∈ R3 : x = 0, 0 ≤ y ≤ 2, 0 ≤ z ≤ 2
segundo a normal com a primeira componente positiva. Eatraves da superfıcie
S3 =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 2, 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 2
segundo a normal com a terceira componente positiva.Comente o resultado.
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Teorema deStokes
Exercıcios II
2 Calcule
∫∫S
~F · ~n dS sendo
~F (x , y , z) = (x , y , 2x + 2y + 2z) e
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , z ≤ 4, x ≥ 0, y ≥ 0
segundo uma normal a sua escolha.
3 Calcule o fluxo de ~f (x , y , z) =(y 2z , 0, 0
)atraves da
superfıcie
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , z ≤ 4
segundo a normal “exterior”.
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Teorema deStokes
Exercıcios III
4 Determine o fluxo de ~f (x , y , z) = (x , y , z) atraves dasuperfıcie
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 4− z , z ≥ 0
orientada por um vector normal unitario apontado paracima.
5 Calcule o fluxo de
~f (x , y , z) =
(y√
x2+y2,− y√
x2+y2, 1√
x2+y2
)atraves da
superfıcie
S =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 1− x2 − y 2, 0 ≤ z ≤ 1
segundo a normal com a terceira componente positiva.
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Teorema (da Divergencia / de Gauss)
Considerem-se:
V um subconjunto limitado de R3 tal que a sua fronteira euma superfıcie S, orientada segundo a normal exterior(~ne).~F um campo vetorial de classe C 1 num aberto quecontenha V.
Entao: ∫∫∫Vdiv~F dx dy dz =
∫∫S
~F · ~ne dS .
Nota:Se ~F (x , y , z) = (F1,F2,F3) entao div~F = ∂F1
∂x + ∂F2∂y + ∂F3
∂z .
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Divergencia2
Se ~F (x , y , z) = (F1,F2,F3) entao div~F = ∂F1∂x + ∂F2
∂y + ∂F3∂z .
A divergencia e um escalar que expressa se o campo vectorialapresenta convergencia (contraccao do campo das velocidades)ou divergencia (expansao do campo das velocidades).
2Pedro Silva,IFMC,ISEL28/42
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
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Teorema deStokes
Quando:
div~F > 0 diz-se que existem fontes de campo, pois ofluxo que sai da superfıcie excede o que entra;
div~F < 0 diz-se que existem sumidouros de campo, poiso fluxo que sai e menor que o que entra na superfıcie;
div~F = 0 diz-se que o campo vectorial e solenoidal.
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Teorema deStokes
ExercıcioDetermine se e positiva, negativa ou nula a divergencia docampo vectorial representado abaixo (representado no xOy poisnao tem componente em z e e independente de z) nos pontosindicados.
negativa; negativa.30/42
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Teorema deStokes
O Teorema da divergencia mostra que a divergencia pode serinterpretada como o balanco de fluxo que entra e sai porunidade de volume, atraves da superfıcie que o encerra.https:
//www.khanacademy.org/math/multivariable-calculus/
divergence_theorem_topic/divergence_theorem/v/
3-d-divergence-theorem-intuition
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Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
1 Verifique o Teorema da Divergencia sendo
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 ≤ z , z ≤ 1
e ~F (x , y , z) = (0, 0, z).
2 Calcule, usando o T. Div., o integral∫∫A~F · ~n dS onde
~n e a normal com a terceira componente negativa,~F (x , y , z) = (x , z , y) e
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z2, 0 ≤ z ≤ 1.
3 Usando o T.Div. calcule o fluxo de ~G (x , y , z) = (−z , y , y)atraves de
A =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 9− x2 − y 2, z ≥ 0, x ≤ 0
no sentido da normal com a terceira componente negativa.
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Teorema deStokes
4 Usando o T. Div. calcule o volume da regiao
A =
(x , y , z) ∈ R3 : y 2 + z2 ≤ 9, z ≥ 0, |x | ≤ 5.
5 Calcule o fluxo de ~G (x , y , z) = (2x ,−y , 1− z) atraves de
A =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 1− x2 − y 2, y ≥ 0, z ≥ 0
no sentido da normal com a terceira componente positiva.
6 Considere as regioes
A =
(x , y , z) ∈ R3 : z = 2− x2 − y 2, x ≥ 0, z ≥ 1
e
B =
(x , y , z) ∈ R3 : z2 = x2 + y 2, 0 ≤ z ≤ 1.
Seja ~H(x , y , z) = (0, 0, z). Calcule o volume do interior deS1 ∪ S2 usando o T. Div.
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Rotacional3
Sendo ~F (x , y , z) = (F1,F2,F3),
Rot~F =
∣∣∣∣∣∣~e1 ~e2 ~e3∂∂x
∂∂y
∂∂z
F1 F2 F3
∣∣∣∣∣∣ =
=
(∂F3
∂y− ∂F2
∂z
)~e1 +
(∂F1
∂z− ∂F3
∂x
)~e2 +
(∂F2
∂x− ∂F1
∂y
)~e3
=
(∂F3
∂y− ∂F2
∂z,
∂F1
∂z− ∂F3
∂x,
∂F2
∂x− ∂F1
∂y
)3Pedro Silva,IFMC,ISEL
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
As figuras seguintes apresentam um aparelho para medir acirculacao (moinho de pas) e um campo vetorial.
Repare que se a vara do moinho estiver ”deitada”sobre ocampo vetorial o moinho nao roda.Se a vara estiver vertical o moinho roda.O vetor Rot~F aponta no sentido da vara, segindo a direcao da”regra da mao direita”. E nulo se o campo vetorial naoproduzir rotacao.
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Regra da mao direita
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Considere-se o campo de velocidades simplificado de umescoamento numa conduta (escoamento no plano xy):
1) o unico termo do rotacional que e diferente de zero e∂F1∂y > 0, o que resulta num rotacional diferente de zero e
negativo,
Rot~F = −∂F1
∂y~e3
2) tambem o unico termo do rotacional que e diferente de zeroe ∂F1
∂y < 0 que resulta num rotacional diferente de zero epositivo,
Rot~F =∂F1
∂y~e3
3) uma vez que a velocidade nao apresenta efeito de corte (econstante com y), nao existe rotacao; de facto, todos ostermos do rotacional sao zero.
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Integral desuperfıcie decampo escalar
Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Exercıcio
Considere os campos vectoriais(a)~F (x , y , z) = (x , y , 0)(b) ~F (x , y , z) = (y ,−x , 0)(c) ~F (x , y , z) = (−(y + 1), 0, 0)A figura abaixo mostra a sua representacao (para qualquer z,pois sao independentes de z)
Calcule e interprete Rot~F (0, 0, 0).
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Integral desuperfıcie decampo vetorial
Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Teorema (de Stokes)
Considerem-se:
S uma superfıcie orientavel dada por:S ≡ ~r(u, v), (u, v) ∈ D com ~r de classe C 2 num abertoque contenha D ∪ ∂D;
∂S uma linha seccionalmente regular que e bordo de S(transformado por ~r da fronteira de D: ~r(frD)).
~n um vector unitario normal S com sentido emconcordancia com o sentido do ∂S segundo a “Regra damao direita”.~F um campo vetorial de classe C 1 num aberto quecontenha S ∪ ∂S.
Entao: ∫∫SRot~F · dS =
∫∂S
~F · dr .
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Superfıcie
Vetor normale planotangente
Integral desuperfıcie decampo escalar
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Teorema dadivergencia
Teorema deStokes
Teorema de Stokes – Intuicao
https://www.khanacademy.org/math/
multivariable-calculus/surface-integrals/stokes_
theorem/v/stokes--theorem-intuition
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1 Verifique o Teorema de Stokes sendo
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z , z ≤ 4
e ~F (x , y , z) = (1, 0, 1− x).(Use a parametrizacao em coordenadas cartesianas epolares.) R:4π
2 Usando o T. Stokes calcule∫∫S Rot
~F · dS sendo~F (x , y , z) = (x + 1, 0, 0) e S a superfıcie
S =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = z2, 0 ≤ z ≤ 9
que tem orientacao dada pela normal que tem acomponente em z negativa.R:0
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3 Usando o T. Stokes, calcule o trabalho realizado nodeslocamento de um ponto material ao longo do bordo deA, percorrido uma so vez, no sentido direto por accao de~G (x , y , z) = (0, x , 0), sendo
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 9, x + y + z = 4
4 Sejam
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z2 = 1, z ≥ 0
e ~H(x , y , z) = (−y , x , 1). Usando o T. Stokes, calcule ofluxo de Rot~F , atraves de A no sentido da normal com aterceira componente positiva.R:2π
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5 Calcule o fluxo de Rot~F sendo ~F (x , y , z) = (z , x , y)atraves de
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 1, −1 ≤ z ≤ 2
segundo a normal que tem a componente em z negativa.R:0
6 Usando o T. Stokes, calcule o trabalho realizado pelocampo ~F (x , y , z) = (0, 0, x) ao longo da parte da linha
A =
(x , y , z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 1, z = 1
com origem em (1,0,1), extremidade em (0,-1,1) e quepassa por (0,1,1).
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Autora:Sandra Gaspar Martins
Com base no trabalho de:Nuno David Lopes
eCristina Januario
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