IFBA–INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO,CIÊNCIA E TECNOLOGIA COORDENAÇÃO DE MATEMÁTICA –CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL II PROF.:GUSTAVO COSTA
ALUNO:______________________________________________________
ESTUDO DIRIGIDO
Integral Dupla
Considere uma superfície z f
x,y definida numa região fechada e limitada R do plano xy.Traçando-se retas paralelas aos eixos ox e oy, respectivamente, recobrimos a região R por pequenos
retângulos. Considere somente os retângulos
R
k que estão totalmente contidos em R,numerando-os de 1 até n (figura 1).
Figura 1 Figura 2
Em cada retângulo Rk, escolha um ponto interno Pk
xk,yk
e forme a soma
kn
1 k
k k,y A
x
f
,
onde Ak xk.yk é a área do retângulo
R
k.Suponha que mais retas paralelas aos eixos coordenados são traçadas, tornando as dimensões dos retângulos cada vez menores (figura 2). Isso é feito de tal maneira que a diagonal máxima dos retângulos
R
k tende a zero quando n tende ao infinito.Nessa situação, se
n
lim
kn
1 k
k k,y A
x
f
existe, ele é chamado de integral dupla da função
x,yf sobre a região R. R é a projeção da
Denotamos este limite como f
x,y dAR
ou f
x,y dxdyR
ou f
x,y dydxR
.
n
lim
kn
1 k
k k,y A
x
f
= f
x,y dAR
Observações:
1. A região R é denominada região de integração.
2. A soma n
k1 k
k k,y A
x
f
é chamada de soma de Riemann de z f
x,y sobre R.Veremos que se z f
x,y 0 , a integral dupla pode ser interpretada como um volume.Interpretação geométrica da integral dupla
Suponha z f
x,y 0 sobre R. Observe que f
xk,yk
Ak representa o volume de um prismareto, cuja base é o retângulo
R
k e cuja altura é f
xk,yk
(figura 3).Figura 3 Figura 4
A soma de Riemann
kn
1 k
k k,y A
x
f
representa uma aproximação do volume da porção do
espaço compreendida abaixo do gráfico da superfície z f
x,y e acima da região R do plano xy.Assim, quando f
x,y 0, a f
x,y dAR
nos dá o volume do sólido delimitado superiormente pela superfície z f
x,y , inferiormente pela região R e lateralmente pelo cilindro vertical cujabase é o contorno de R (figura 4).
Obs.: Se f
x,y 0, a f
x,y dAR
Propriedades da integral dupla.
Sejam f
x,y e g
x,y funções contínuas sobre a região R, então:a) k.f
x,y dA k. f
x,y dAR
R
, para todo k real.b)
f
x,y g x,y
dA f
x,y dA g
x,y dAR R
R
.c) Se a região R é composta de duas subregiões R1 e R2que não tem pontos emcomum (figura 5),
exceto os pontos de fronteira, então:
x,y dA f
x,y dA f
x,y dA f2
1 R
R
R
.Figura 5
Cálculo das integrais duplas
De acordo com o tipo de região de integração R, podemos calcular a integral dupla de duas formas:
Se R é uma região do tipo I, então f
x,ydA g x f
x,y dydxx g b
a R
2 1
. Se R é uma região do tipo II, então f
x,ydA h y f
x,y dxdyy h d
c R
2 1
Região tipo I:
a x b e g x y g x
y ,
x 2 1 2 .
Região tipo II:
c y d e h y x h y
y ,
x 2 1 2 .
Exercícios:
1. Calcule
1 8xy
dAR
, onde R é a região retangular
x,y 2 / 1 y2, 0x3
.Proposição: Se R é a região retangular
x,y 2 / axb, c yd
, então
x,y dydx f
x,y dxdyf b
a d
c d
c b
a
.2. Calcule
4 x y
dAR
. A região R está representada na figura 6.3. Calcule ydA
R
. A região R está representada na figura 7.4.Calcule ysen
xy dAR
, onde R é a região retangular de vértices
0, 2
,B1, 2
,C1, D
0,A e .
5. Calcule e dxdy
R -x2
, sendo R a região delimitada por x4y, y0 e x4.6. Calcule xydA
R
. A região R está representada na figura 8.figura 6 figura 7 figura 8
Respostas:
Aplicações da integral dupla
Volumes de sólidos
Se f
x,y 0 a integral dupla f
x,y dAR
nos dá o volume do sólido delimitado superiormente pela superfície z f
x,y , inferiormente pela região R e lateralmente pelo cilindro vertical cujabase é o contorno de R.
Exercícios:
7. Calcule o volume do sólido delimitado superiormente pelo plano z4x y, inferiormente
pela região R delimitada por x0, x2, y0 e y
x 4 1 2 e lateralmente pelo cilindrovertical cuja base é o contorno de R. Esboce o sólido.
8. Calcule o volume do sólido no primeiro octante, delimitado pelo plano zy 2 e pelo
cilindro vertical que contorna a região plana delimitada pelas curvas 2
x
y e yx. Esboce o sólido.
9. Calcule o volume do sólido no primeiro octante, delimitado pelos cilindros x2y2 16 e
16 z
x2 2 . Esboce o sólido.
10. Calcule o volume do sólido delimitado pelas superfícies abaixo. Esboce o sólido.
2
x 1
z (cilindro parabólico) e pelos planos z0, y0 e xy4.
Respostas:
Áreas de regiões planas
Se na expressão f
x,y dAR
fazemos f
x,y 1, obtemos dAR
que nos dá a área da regiãode integração R.
11. Calcule a área da região R mostrada na figura abaixo:
12. Calcule a área da região plana limitada pelas curvas abaixo. Esboce os gráficos e identifique a região.
e x
e y 1 , e x
e x 0 , e y
1 x 0 , x 1 y
e x 1 , x ln y
Respostas:
11) 146/9.
12) ee– (5/2) 12,65. Área (R) =
1 dAR
Integral dupla em coordenadas polares
Descrição de regiões planas em coordenadas polares (revisão). Integral dupla em coordenadas polares.
Descrição de regiões planas em coordenadas polares (revisão)
As equações xrcos
e yrsen
definem as relações de coordenadas dosistema polar para o sistema cartesiano. Para o estudo das integrais duplas em coordenadas polares,
basta considerarmos r0 e
0,2
.De
rsen y
cos r x
, obtemos as relações 2 2 2
r y
x (ou r x2 y2 ) e arctg
y x .A descrição de um ponto P
x,y no sistema polar é P
r, , sendo r a distância de P ao centro e o ângulo que o segmento PO forma com o eixo x positivo. Por exemplo, o ponto P
1,1 emcoordenadas cartesianas é representado por
4 , 2
P no sistema polar. Verifique!
No sistema cartesiano as retas verticais e horizontais têm equações da forma xxo(xo constante)
e y yo(yo constante), respectivamente. Já no sistema polar, o(o constante) representa
uma reta que passa pela origem e r ro(ro constante) representa uma circunferência de centro na
origem e raio ro. Prove estes resultados.
Integral dupla em coordenadas polares
Algumas integrais são mais fáceis de serem calculadas se a região R de integração for
expressa em coordenadas polares. Por exemplo, o setor circular da figura 1 tem descrição mais simples em coordenadas polares do que em coordenadas cartesianas.
Figura 1
Esta região é descrita em coordenadas polares como
2 1 2 1 2
r r r ,
r
R e .
Chamamos este tipo de região de retângulo polar. A descrição dos retângulos polares
em coordenadas cartesianas não é tão simples como a descrita acima. Além disso, as integrais duplas cujos integrandos envolvem 2 2
y
x também tendem a ser mais fáceis de serem calculadas
em coordenadas polares, pois esta soma é igual a 2
r , quando aplicadas as fórmulas de conversão
rcosx e y rsen
.Considere z f
x,y uma superfície definida numa região R fechada e limitada do plano xy.Sabemos que f
x,y dAR
=
n
lim
kn
1 k
k k,y A
x
f
, onde Ak xk.yk representa a área do
k-ézimo retângulo obtido na partição da região R em coordenadas cartesianas e
xk,yk
é umponto interno deste retângulo. Este limite expressa a soma de Riemman que define a integral dupla
da função f sobre a região R. Vamos calcular esta soma num sistema de coordenadas polares. Para
Figura 2
Considere apenas os retângulos polares internos a região R. Vamos destacar o pequeno retângulo
polar da figura 2 e calcular a sua área.
Figura 3
Seja k k k1 e rk rk rk1.
Vamos escolher o ponto arbitrário
*
k * k ,r
P como sendo o “centro” deste k-ézimo retângulo polar.
Então:
2 r r
rk* k1 k e
2
k 1 k *
k
.
Considerando Ak a área desse retângulo polar como a diferença de áreas entre dois setores
circulares, obtemos:
2
r r r r 2
r r
2 r 2
r
A k k k 1 k k 1
2 1 k 2 k k 2
1 k k 2 k k k
k k * k k 1 k k 1 k k
r r r
r 2
r r
. Assim, * k k
k
k r r
A
Desta forma, o limite da soma de Riemman que define a integral dupla no sistema polar é
n
lim
k n 1 k k k,y Ax
f
n
lim
k k* k n 1 k * k * k * k *
k cos , r sen r r
r
f
.
Esta soma sugere então que f
x,y dA f
rcos
θ , rsen
θ
rdrdθR
R
.Conclusão:
Para calcularmos uma integral dupla no sistema de coordenadas polares devemos descrever a região R em coordenadas polares, aplicar as fórmulas de conversão xrcos
e
rseny na equação da superfície z f
x,y e lembrar que dxdyrdrd, isto é:
x,y dxdy f
rcos
θ , rsen
θ
rdrdθ fR
R
.Exemplo: Mostre que a área de uma circunferência de raio a é a2 usando integral dupla em
coordenadas cartesianas e polares.
Usando integral dupla em coordenadas cartesianas:
2 2 2 2
x a y x a , a x a / y , x
R é a descrição da região em coordenadas
cartesianas.
Área =
1 dydx 2 a x dxa a 2 2 a a x a x a 2 2 2 2
= * = 2
a a 2 2 2 a a x arcsen a x a
x
.
* Calcule esta integral usando a substituição trigonométrica
2 π , 2 t , t asen
x .
Usando integral dupla em coordenadas polares:
r, /0 r a,0 2
R é a descrição da região em coordenadas polares.
Área =
2 22 0 a 0 2 2 0 2 0 a 0 a d 2 a d 2 r drd r
1
.Exercícios:
13. Calcule sen
x y
dxdyR
2 2
, onde R é a região da figura abaixo.14. Calcule 2e
dxdyR
y x2 2
, ondeR é a região do plano xy delimitada por
4 y x 1
y
x2 2 e 2 2 .
15. Calcule dxdy
R
, onde R é a região sombreada da figura abaixo.16. Calcule 4
x y
dxdy0 y y 4 0 2 2 2
. Esboce a região de integração.Use, se necessário, as integrais
C u 8 3 u sen u cos 8 3 u sen u cos 4 1 du u cos C u 8 3 u sen u cos 8 3 u cos u sen 4 1 du u sen 3 4 3 4 .17. Calcule o volume do sólido delimitado pelas superfícies abaixo. Esboce as superfícies.
a) ) ( ) ( ) ( e parabolóid y x z plano 0 z cilindro 1 y x 2 2 2 2
. b)
) ( ) ( e parabolóid y x z e parabolóid y x 9 z 2 2 2 2 .
Resp: 13)
4 4 cos 1
. 14) 2
e4e . 15)4 3 3 6
. 16) 12. 17.a) u.v. 2
17.b) u.v. 4 81