1
Cálculo Diferencial e Integral II
Exercícios – ListaParte 1 – Derivadas Parciais e taxas relacionadas.
Parte 2 – Integrais definidas e indefinidas. 1. Considere
f x y
( , )
x
2
3
y
2. Calcule (a)f
x(3, 2)
usando:
(
, )
( , )
,
lim
0
xf
f x
x y
f x y
f x y
x
x
x
. (b)f
y(3, 2)
usando:( ,
)
( , )
( , )
lim
0
yf
f x y
y
f x y
f x y
y
y
y
2. Consideref x y
( , )
4
x y
2 (a) Calculef
x( 1, 2)
. (b) Calculef
y( 1, 2)
.3. Calcule fx e fy para as seguintes funções: (a).
f x y
( , ) 7
x
10
y
(b)f x y
( , )
x
23
y
2 (c) 21
3
( , )
f x y
x
y
(d)f x y
( , )
2
36
2x
y
(e)f x y
( , )
x
1 2
y
1 2 (f)f x y
( , )
3x
y
(g)f x y
( , ) 4
x y
2 (h)f x y
( , ) 10
x y
25
x y
2 (i)f x y
( , )
e
x2
x
26
y
10
(j)f x y
( , ) ln
x
4
y
39
(k)f x y
( , ) 3
xseny
(l)f x y
( , ) cos
x
ln
x e
y10
(m)f x y
( , )
x e
3 x10
y
(n)f x y
( , ) 2
y
2ln
x
(o)f x y
( , ) 3
y
2cos
x
(p)f x y
( , ) 4
y e
2 y6
x
2 (q)f x y
( , ) 20
x y senx
2 2 (r)f x y
( , )
x y
x y
(s)( , )
2
3
xe
f x y
x
y
(t)( , )
ln
2
y
f x y
x
y
(u)f x y
( , )
x y
(v)f x y
( , )
x y x
2 (x)f x y
( , ) ln
x
2
y
2 (y)f x y
( , ) ln
e
x y
x
2y
3
5. Considere a função de produção:
0.5 0.5
( , ) 3
P K L
K
L
Mostre que:( , )
( , )
( , )
P K L
P K L
K
L
P K L
K
L
6. Um observatório será construído na forma de um cilindro circular reto com uma abóboda esférica como cobertura. Se o custo da construção da abóboda será duas vezes mais caro que na parede do cilindro quais deverão ser as proporções mais econômicas do observatório supondo que o volume é fixo?
Parte 2: Diferencial, Regra da cadeia, Derivada direcional e Gradiente. Máximos e mínimos de Funções de várias variáveis.
1. Calcular o diferencial total e o crescimento total da função z=xy no ponto (2,3), se x=0,1 e
y=0,2:
2. Uma lata de metal fechada, na forma de um cilindro circular reto, deve possuir altura do lado interno igual a 6cm, raio interno de 2cm e espessura de 0,1 cm. Se o custo do metal a ser usado é 10 centavos por cm 3, encontre o custo aproximado (por diferenciação) na fabricação da lata.
2
3. Nos exercícios abaixo, encontre a derivada parcial pelos dois métodos:
(a) Pela regra da cadeia:
u r u x x r u y y r
(
)(
)
(
)(
)
; us u x x s u y y s
(
)(
)
(
)(
)
(b) Faça as substituições de x e y antes de derivar. (b1)
u
x
2
y
2;
x
3
r
s y
;
r
2
s
;
us;
ur (b2)u e
x
r
t y
rsent
y x u r u t
;
2
cos ;
4
;
;
(b3)u
x
xy
y
x
y
x
r
s y
r
s
ur us
3
2
3
2
3
2 2;
;
;
;
4. Uma caixa vai ser fabricada com madeira de 2/3 cm de espessura. O comprimento interno deve ter 60 cm de espessura, a largura interna 30 cm e a altura 40 cm. Use a diferencial total para encontrar a quantidade aproximada de madeira que será utilizada na fabricação da caixa.
5. Dada a função f(x,y,z)= x2+ y2 +z2 achar a derivada
s
f
no ponto M (1,1,1): (a) Na direção do vetor
s
1
2
x
y
3
z
(b) Na direção do vetor
s
2
x
y
z
6. Seja dada a função:
2 2 2
)
,
,
(
x
y
z
x
y
z
f
.(a) Encontre o gradiente de f no ponto
M(1,1,1).
(b) Determine a derivada da função f(x,y,z) , no ponto M(1,1,1), na direção do gradiente.
7. Encontre a derivada direcional no Ponto P0
para a função dada, na direçãoe no sentido do vetor
u
: (a)g x y
y tg x
u
x
y P
( , )
;
; (
, )
2 2 1 2 1 2 0 133
2
(b)(
,
)
;
ˆ
2ˆ
;
0(
2
,
0
)
3 2 1 2P
y
x
u
e
x
y
x
f
y
(c) h x y z xy sen yz u x y z P ( , , ) cos( ( ); ; ( , , ) 1 3 2 3 2 3 0 2 0 3 (d)f x y z
x
y
z
u
x
y
z P
( , , )
ln(
);
; ( , , )
2 2 2 1 3 1 3 1 3 01 3 2
(e)f x y e y u x sen y P x ( , ) cos( ); cos( ) ( ) ; ( , ) 3 12 12 0 12 3 0 8. Encontre o gradiente de f em P e a taxa de variação do valor da função na direção e sentido de u em P. (a)
f x y
x
y P
u
x
sen
y
( , )
; (
, );
cos
2 3 34
2 2
(b)f x y
( , )
e
2xy; ( , );
P
2 1
u
45x
35y
9. A temperatura em qualquer ponto (x,y,z) do espaço é dada por
T
x y z
60 32 2 2 . A distância é medida em cm.
(a) Encontre a taxa de variação da temperatura no ponto (3,-2,2) na direção do vetor
u
2
x
3
y
6
z
.(b) Encontre a direção e magnitude da variação máxima de T(x,y,z) em P (3,-2,2).
10. Se V volts é o potencial elétrico em qualquer ponto (x,y,z) do espaço e
V
x
y
z
1
2 2 2 , encontre:(a) A taxa de variação de V no ponto (2,2,-1). (b) A direção da taxa de variação máxima de
V em (2,2,-1).
11. A densidade de qualquer ponto P(x,y) de uma chapa retangular no plano xy é :
1
3
2 2x
y
.(a) Encontre a taxa de variação da densidade no ponto (3,2) na direção do vetor
cos
u
23
x
sen
23
y
.(b) Encontre a direção e magnitude da taxa de variação máxima de
f
em (3,2).12. chapa de metal está situada no plano-xy, de modo que a temperatura T em (x,y) seja inversamente proporcional à distância à origem, e a temperatura em P(3,4) é 1000F.
3
(a) Ache a taxa de variação de T em P na direção de
i
j
.(b) Em que direção P aumenta mais rapidamente em P?
(c) Em que direção P decresce mais rapidamente em P?
(d) Em que direção a taxa de variação é 0? 13. A superfície de um lago é representada por uma região D no plano-xy, de modo que a profundidade (em metros) sob o ponto (x,y) é
f x y
( , )
300
2
x
2
3
y
2.(a) Em que direção um bote em P(4,9) deve navegar para que a profundidade da água decresça mais rapidamente?
(b) Em que direção a profundidade permanece a mesma?
14. O potencial elétrico V em (x,y,z) é :
V
x
2
4
y
2
9
z
2(a) Ache a taxa de variação de V em P(2,-1,3) na direção de P para a origem.
(b) Ache a variação que produz a taxa máxima de variação de V em P.
(c) Qual é a taxa máxima de variação em P? 15. A temperatura em (x,y,z) é dada por:
T x y z
( , , )
4
x
2
y
2
16
z
2Ache a taxa de variação de T em P(4,-2,1) na diração
2
i
6
j
3
k
.(a) Em que direção T aumenta mais rapidamente em P?
(b) Qual é esta taxa de variação?
(c) Em que direção T decresce mais rapidamente em P?
(d) Qual é essa taxa de variação?
16. O Potencial elétrico de uma carga elétrica puntiforme é dado por:
r
kQ
r
V
(
)
ou 2 2 2)
,
,
(
z
y
x
kQ
z
y
x
V
Sabendo que o campo elétrico desta carga é dado por:
V
r
E
(
)
Demonstre que:r
r
KQ
r
E
(
)
2ˆ
Onde:r
r
r
ˆ
E
r
é o chamado vetor deslocamento:z
z
y
y
x
x
r
ˆ
ˆ
ˆ
Possui módulo r dado por:
2 2 2
z
y
x
r
17. Dada a função f definida por:
f x y
( , )
2
x
4
y
2
x
2
2
y
:determine os extremos relativos de f, se existirem18. Determine as dimensões relativas de uma caixa retangular, sem tampa, tendo um volume específico V, se queremos usar a mínima quantidade de material em sua confecção:
19. Determine as dimensões de uma caixa retangular sem tampas que deve ser feita de tal forma que tenha o máximo volume possível.
20. Encontre 3 números positivos cuja soma seja 24 e seu produto o maior possível.
21. Dada:
y
x
y
x
y
x
f
(
,
)
4
3
32
2
27
:(a) Determine os possíveis pontos críticos P0(x0,y0) de f(x,y). (b) Calcule o discriminante 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ) , ( y x f y f x f y f y x f y x f x f y x D
e verifique se há máximos ou mínimos relativos.
Dado:
(i) f tem um valor mínimo relativo
4
D(x0 ,y0 ) > 0 e
2 2 0 00
f
x
(
x y
,
)
(ii) f tem um valor máximo relativo em (x0 , y0 ) se: D(x0 ,y0 ) > 0 e
2 2 0 00
f
x
( ,
x y
)
(iii) f não é extremo relativo em (x0 , y0 ) se D(x0 ,y0 ) < 0 :
(iv) Não podemos chegar a nenhuma conclusão se
D(x0 ,y0) = 0:
Para auxiliar a classificação, use a tabela abaixo. P0(x0,y0) D(x0,y0)
)
,
(
0 0 2 2y
x
x
f
Classificação de P0(x0,y0)22. O raio e a base de um cone circular reto valem, respectivamente, 10 cm e 25 cm com erro de 0.1 cm em cada dimensão. Determine o máximo erro no volume do cone.
23. Se R é a resistência equivalente de 3 resistores de resistências R1, R2 e R3, dada por:
1 2 3
1
1
1
1
R
R
R
R
Com valores: Resistências R1() R2() R3() Valores 25 40 50 R = 0.5%REstime o máximo valor em R.
24. Encontre a derivada direcional
f
u
no pontoP e na direção do vetor dado.
(a) f x y
, 1 2 x yP
3, 4 v 4 iˆ 3 ˆj (b) f x y
, ln
x2y2
P
2,1 v 1iˆ 2 jˆ (c)
4 2 3
ˆ ˆ , 2,1 4 3 g p q p p q P v i j (d) f r s
, arctg r s
P
1, 2 v 5 iˆ 10 jˆ (e)
, ,
y z y
0,0,0
5,1, 2 f x y z x e y e z e P v (f) f x y z
, ,
x y z P
3, 2,6
v 1, 2, 2 (f) f x y z
, ,
x 2y 3z
23P
1,1, 2
v 2 ˆj kˆ25. Encontre a máxima taxa de variação da função dada,
max
f
u
no ponto P e indique a direção em queela ocorre. Observação: max
ˆ
P P Pf
f
f
u
u
f
(a)
2 , y 2, 4 f x y P x (b)
,
p q
0, 0 f q p q e p e P (c) f x y
, sen x y
P
1, 0 (d) f x y z
, ,
x y
P
1,1, 2
z (e)
2 2 2
, , 3,6, 2 f x y z x y z P (f) f x y z
, ,
tg x
2y 3z
P
5,1,1
(f) f x y z
, ,
x 2y 3z
23P
1,1, 2
v 2 ˆj kˆ Referências bibliográficas:1. James Stewart, Calculus, concepts and context, 2° Edition.
2. Swokovski, "O Cálculo com Geometria Analítica", Volume II, 2ª Edição, Makron Books, Volume 2.
3. L. Leithold, "O Cálculo com Geometria Analítica", Volume 2, Editora Harbra. ISBN: 8529402065
4. Hamilton Luiz Guidorizzi “Um curso de Cálculo” , V 2, Editora LTC. 5. http://www.wolfram.com 6. http://www.wolframalpha.com Exercícios Resolvidos 1. Considere 2 2
( , )
3
f x y
x
y
(a) Calcule
f
x(3, 2)
usando 4.1. (b) Calculef
y(3, 2)
usando 4.2. Solução: (a)
(
, )
( , )
,
lim
0
xf
f x
x y
f x y
f x y
x
x
x
2 2 2 23
3
,
lim
0
xx
x
y
x
y
f x y
x
x
22
23
2 23
2,
lim
0
xx
x x
x
y
x
y
f x y
x
x
5
2
2,
lim
0
xx
x
x
f x y
x
x
,
lim
2
0
xx
x
x
f
x y
x
x
,
lim 2
0
xf x y
x
x
x
,
2
xf x y
x
(3, 2)
2 3
6
xf
(b)( ,
)
( , )
( , )
lim
0
yf
f x y
y
f x y
f x y
y
y
y
2 2 2 23
3
( , )
lim
0
yx
y
y
x
y
f x y
y
y
2 2 2 2 23
2
3
( , )
lim
0
yx
y
y y
y
x
y
f x y
y
y
2 2 2 2 23
6
3
3
( , )
lim
0
yx
y
y y
y
x
y
f x y
y
y
26
3
( , )
lim
0
yy y
y
f x y
y
y
6
3
( , )
lim
0
yy
y
f x y
y
y
y
( , )
lim 6
3
0
yf x y
y
y
y
( , ) 6
yf x y
y
(3, 2)
6 2 12
yf
2. Considere 2( , )
4
f x y
x y
(a) Calcule
f
x( 1, 2)
usando 4.1. (b) Calculef
y( 1, 2)
usando 4.2. Solução: (a)
1 1 1 1 1( , )
( , )
,
lim
xf x y
f x y
f
f x y
x
x
x
x x
1( , 2)
( 1, 2)
1, 2
lim
1
xf x
f
f
x
x
1, 2
lim
4
2
24
1 2
21
1
xx
f
x
x
16
16
1, 2
lim
1
1
xx
f
x
x
1
1, 2
lim 16
1
1
xx
f
x
x
1,2
lim 16 1
1
xf
x
1,2
16
xf
(b) 1 1 1 1 1 1 1( , )
( , )
( , )
lim
y yf x y
f x y
f
f x y
y
y
y y
2
24
1
4
1 2
( 1, 2)
lim
2
2
yy
f
f
y
y
y
24
16
( 1, 2)
lim
2
2
yy
f
y
y
24
( 1, 2)
lim
4
2
2
yy
f
y
y
22
2( 1, 2)
lim
4
2
2
yy
f
y
y
2
2
( 1, 2)
lim
4
2
2
yy
y
f
y
y
( 1, 2)
lim
4
2
2
yf
y
y
( 1, 2)
4
2 2
16
yf
3. Calcule fx e fy para as seguintes funções: 1.