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Teoremas de séries e várias variáveis

Teorema da Divergência (Teorema de Gauss): enunciado e exemplos

Teorema da divergência: o fluxo de um campo vetorial para fora de uma superfície fechada é a integral tripla do divergente. Enunciado e exemplos.

Teoremas de séries e várias variáveis Atualizado 3 min de leitura

Visão geral

\iint_S \mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \iiint_E \nabla\cdot\mathbf{F}\,dV
Também chamado
Teorema de Gauss, teorema de Gauss-Ostrogradsky
Hipóteses
E é uma região sólida cuja fronteira S é uma superfície fechada, suave por partes e orientada para fora, e \mathbf{F} tem derivadas parciais contínuas em uma região aberta que contém E
Divergente
\nabla\cdot\mathbf{F} = P_x + Q_y + R_z para \mathbf{F} = \langle P, Q, R \rangle
Em palavras
O fluxo total que sai pela superfície é igual à intensidade total das fontes no interior
Versão 2D
A forma de fluxo do teorema de Green
Disciplina
Cálculo 3
Nesta página
  1. Enunciado do teorema da divergência
  2. O que o teorema da divergência significa
  3. Por que cada hipótese importa
  4. Exemplos resolvidos
  5. Erros comuns
  6. Teoremas e guias relacionados

O teorema da divergência, também chamado de teorema de Gauss, diz que o fluxo total de um campo vetorial para fora de uma superfície fechada é igual ao divergente total do campo no interior. O que escoa para fora pela casca precisa ser produzido por fontes no interior.

Enunciado do teorema da divergência

Sejam

  1. E uma região sólida do espaço cuja fronteira S é uma superfície fechada e suave por partes,
  2. S orientada pela normal para fora \mathbf{n}, e
  3. \mathbf{F} = \langle P, Q, R \rangle com derivadas parciais contínuas em uma região aberta que contém E.

Então

\iint_S \mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \iiint_E \nabla\cdot\mathbf{F}\,dV, \qquad \nabla\cdot\mathbf{F} = \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z}

Aqui \iint_S \mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \iint_S \mathbf{F}\cdot\mathbf{n}\,dS é o fluxo para fora.

O que o teorema da divergência significa

Pense em \mathbf{F} como a velocidade de um fluido. O divergente em um ponto é a taxa com que o fluido é criado ali por unidade de volume: positivo em uma fonte, negativo em um sumidouro. Somando toda a criação dentro do sólido, obtemos a quantidade total que sai pela superfície. Como no teorema de Green, o fluxo através de cada parede interna entre caixinhas vizinhas se cancela, e só sobra a fronteira externa.

Por que cada hipótese importa

Suavidade no interior. O campo do inverso do quadrado \mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|^3}, onde \mathbf{r} = \langle x, y, z \rangle, tem \nabla\cdot\mathbf{F} = 0 em todo lugar exceto na origem, onde não está definido. Mesmo assim, na esfera unitária \mathbf{F}\cdot\mathbf{n} = 1, então o fluxo é a área da superfície, 4\pi, e não 0. O teorema falha porque E contém o ponto singular. Essa é exatamente a lei de Gauss: o fluxo mede a carga pontual no interior.

Uma superfície fechada. O fluxo através de uma superfície aberta, como um hemisfério, não é determinado apenas pelo divergente. Feche a superfície primeiro.

Orientação para fora. Usar normais para dentro troca o sinal do fluxo.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: \mathbf{F} = \langle x, y, z \rangle através de uma esfera de raio R.

Passo 1. \nabla\cdot\mathbf{F} = 1 + 1 + 1 = 3.

Passo 2. \iiint_E 3\,dV = 3\cdot\frac{4}{3}\pi R^3 = 4\pi R^3.

Verificação direta. Na esfera, \mathbf{n} = \frac{\mathbf{r}}{R}, então \mathbf{F}\cdot\mathbf{n} = \frac{x^2 + y^2 + z^2}{R} = R. O fluxo é R vezes a área 4\pi R^2, ou seja, 4\pi R^3.

Exemplo 2: \mathbf{F} = \langle x^3, y^3, z^3 \rangle através da esfera unitária.

\nabla\cdot\mathbf{F} = 3x^2 + 3y^2 + 3z^2 = 3\rho^2 em coordenadas esféricas. Então

\iiint_E 3\rho^2\,dV = \int_0^{2\pi}\int_0^{\pi}\int_0^1 3\rho^2\cdot\rho^2\sin\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta = 3\cdot\frac{1}{5}\cdot 2\cdot 2\pi = \frac{12\pi}{5}

Calcular esse fluxo como integral de superfície daria muito mais trabalho.

Exemplo 3: um cubo com seis faces. Encontre o fluxo para fora de \mathbf{F} = \langle x^2, yz, z \rangle através da superfície do cubo unitário [0, 1]^3.

Passo 1. \nabla\cdot\mathbf{F} = 2x + z + 1.

Passo 2. Integre sobre o cubo, termo a termo (cada uma das outras variáveis integra para 1):

\iiint_E (2x + z + 1)\,dV = 1 + \frac{1}{2} + 1 = \frac{5}{2}

Uma integral tripla substitui seis integrais de superfície separadas.

Erros comuns

  1. Aplicar o teorema a uma superfície aberta. O teorema exige a fronteira fechada de um sólido.
  2. Não perceber uma singularidade. Verifique se \mathbf{F} está definido e é suave em todos os pontos do interior, especialmente na origem.
  3. Confundir divergente com rotacional. O divergente é um escalar, P_x + Q_y + R_z; o rotacional é um vetor e pertence ao teorema de Stokes.

Teoremas e guias relacionados

O teorema da divergência, o teorema de Stokes e o teorema de Green são versões de uma mesma ideia: integrar uma derivada sobre uma região é o mesmo que integrar o campo original sobre a fronteira, assim como no Teorema Fundamental do Cálculo. Para o lado da integral tripla, comece por integrais duplas e, para as operações com vetores, veja vetores, produto escalar e produto vetorial.

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Teorema de Stokes e Teorema da Divergência

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Perguntas frequentes

O que diz o teorema da divergência?

Se E é uma região sólida com superfície de fronteira fechada S orientada para fora, e \mathbf{F} tem derivadas parciais contínuas em uma região que contém E, então \iint_S \mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \iiint_E \nabla\cdot\mathbf{F}\,dV.

Quando usar o teorema da divergência?

Use-o para calcular o fluxo através de uma superfície fechada, como uma esfera, um cubo ou um cilindro com tampas, principalmente quando o divergente é uma expressão simples. Uma única integral tripla substitui várias integrais de superfície.

Dá para usar o teorema da divergência em uma superfície aberta?

Não diretamente. Acrescente uma superfície que a feche, como um disco plano em um hemisfério, aplique o teorema à superfície fechada e depois subtraia o fluxo através da parte adicionada.

Qual a diferença entre o teorema da divergência e o teorema de Stokes?

O teorema da divergência relaciona o fluxo através de uma superfície fechada com o divergente no volume interior. O teorema de Stokes relaciona a circulação ao longo de uma curva fechada com o fluxo do rotacional através de uma superfície limitada por essa curva.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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