Miyazawa (12', 40'), Ueki (29') e Tanaka (82') marcaram os gols da partida no Sky Stadium.
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Com o resultado, o Japão chegou a 9 pontos no grupo.
A Espanha terminou com 6 pontos e se classificou como vice-líder.
Zâmbia, que venceu a Costa Rica na última rodada, ficou com 3 pontos. As latino-americanas terminaram na lanterna, sem nenhum ponto conquistado.
Em sua quarta participação consecutiva na fase de mata-mata do Mundial, as japonesas enfrentarão a Noruega nas oitavas de final.
Já as espanholas encaram a Suíça na próxima fase. Zâmbia e Costa Rica estão eliminadas.
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Contra-ataque contra o tiki taka
A Espanha até então era o bicho-papão da chave, marcando pelo menos dois gols no primeiro tempo em ambos os jogos anteriores da fase de grupos.
Mas, apesar de ter 77% da posse de bola na primeira etapa, as europeias levaram três gols e pouco ameaçaram as rivais.
O 4x0 desta segunda-feira foi a maior goleada sofrida pelas espanholas em uma Copa Feminina desde o 5x0 contra a Alemanha em 2011
A velocidade do Japão no contra-ataque parecia imparável e Hinata Miyazawa abriu o placar logo as 12 minutos.
A equipe de Jorge Vilda não aprendeu a lição e, mais uma vez, foi surpreendida pelo Japão na transição, aos 29 minutos, quando Riko Ueki cortou pela esquerda e seu chute desviou em Irene Paredes, encobrindo a goleira Misa Rodríguez e morrendo dentro do gol.
Contra uma Espanha atônita, o Japão fez o terceiro antes do intervalo, graças a outro contra-ataque relâmpago, desta vez com Miyazawa.
Na segunda etapa, a Espanha foi neutralizada por uma equipe japonesa resiliente e feliz em jogar no contra-golpe.
A Roja continuou a dominar a posse de bola, mas não conseguiu registrar um chute no alvo sequer no segundo tempo.
A substituta Mina Tanaka marcou o quarto gol nos últimos minutos, virando a retaguarda espanhola do avesso em uma mais uma jogada rápida e finalizando no canto superior para fechar o placar.
Em três jogos no Mundial, as Nadeshiko construíram um placar agregado de 11 a 0 e se mostraram uma ameaça às demais favoritas ao título.
Atuações
A atacante Hinata Miyazawa foi o nome do jogo não só pela nota automática do Flashscore (8,5), mas também pela FIFA, que a elegeu a melhor em campo.
A goleira espanhola Misa recebeu a nota mais baixa (5,3), pois falhou em um dos gols. A lateral Carmona Garcia teve a pior avaliação entre as jogadoras de linha (5,5) por ter servido como uma avenida para as japonesas pelo lado esquerdo.