Volumes de revolução e coordenadas polares

Secções transversais, discos, arandelas, cascas e áreas polares sem contar regiões duas vezes.

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Secções transversais, discos e arandelas

Para calcular um volume, corta o sólido em fatias e identifica a área de cada corte. Uma secção perpendicular ao eixo de rotação pode ter um furo, que tem de ser retirado antes de somar os volumes.

Se A(x)A(x) é a área da secção perpendicular ao eixo xx, o volume é

V=∫abA(x) dx.V=\int_a^b A(x)\,dx.

Uma pirâmide de altura hh com base quadrada de lado ss tem, à distância xx da base, secções quadradas de lado s(1−x/h)s(1-x/h). Assim,

V=∫0hs2(1−x/h)2 dx=s2h3.V=\int_0^h s^2(1-x/h)^2\,dx=\frac{s^2h}{3}.

Num sólido de revolução, uma secção perpendicular ao eixo é um disco de raio RR ou uma arandela com raio exterior RR e interior rr. A área é πR2\pi R^2 ou π(R2−r2)\pi(R^2-r^2), com R≥r≥0R\ge r\ge0.

Eixo de rotação deslocado

Considera a região entre y=x2y=x^2 e y=4y=4, −2≤x≤2-2\le x\le2, rodada em torno de y=5y=5. O eixo está acima da região, por isso o raio exterior é a distância à curva mais baixa, R=5−x2R=5-x^2, e o raio interior é r=5−4=1r=5-4=1.

Na animação, segue a faixa em x=1x=1: ao rodar, ocupa os raios entre 11 e 44 e deixa um furo no centro, ou seja, cada valor de xx dá uma arandela com os seus próprios raios.

Da faixa à arandela. O eixo está em y igual a cinco. A faixa em x igual a um roda e forma uma arandela de raio exterior quatro e interior um. Em geral, os raios são cinco menos x ao quadrado e um.
V=π∫−22[(5−x2)2−1]dx=π∫−22(24−10x2+x4)dx.\begin{gathered} V=\pi\int_{-2}^2[(5-x^2)^2-1]dx\\ =\pi\int_{-2}^2(24-10x^2+x^4)dx. \end{gathered}

A função é par. Dobrando o integral em [0,2][0,2],

V=2π[24x−10x33+x55]02=832π15.\begin{gathered} V=2\pi\bigl[24x-\frac{10x^3}{3}+\frac{x^5}{5}\bigr]_0^2\\ =\frac{832\pi}{15}. \end{gathered}

“Curva de cima” não significa sempre “raio exterior”. A distância ao eixo decide. Se o eixo atravessa uma faixa da região, a rotação dessa faixa pode dar um disco cheio; não uses automaticamente a diferença de dois quadrados.

Quando o eixo atravessa a região

Se uma faixa vertical vai de y=g(x)y=g(x) a y=f(x)y=f(x) e contém o eixo y=ky=k, a sua rotação dá um disco cheio. Todos os raios desde zero até à extremidade mais distante ficam ocupados:

R(x)=max⁡{∣f(x)−k∣,∣g(x)−k∣},r(x)=0.R(x)=\max\{|f(x)-k|,|g(x)-k|\},\qquad r(x)=0.

Não há um disco interior para subtrair. Se a extremidade mais distante muda ao longo de xx, divide o integral onde as duas distâncias se igualam.

Por exemplo, roda a região 0≤x≤10\le x\le1, −x≤y≤2x-x\le y\le2x em torno de y=0y=0. Cada faixa atravessa o eixo e o raio exterior é 2x2x, porque 2x≥x2x\ge x. Portanto

V=π∫01(2x)2 dx=4π3.V=\pi\int_0^1(2x)^2\,dx=\frac{4\pi}{3}.

Subtrair (2x)2−(−x)2(2x)^2-(-x)^2 daria o volume de uma arandela com um furo de raio xx. Esse furo não existe: a parte da faixa entre zero e 2x2x já preenche todo o disco. Somar separadamente os volumes das partes acima e abaixo do eixo também contaria duas vezes a região de raio até xx.

Cascas cilíndricas

Quando a faixa é paralela ao eixo de rotação, rodá-la gera uma casca: uma parede cilíndrica de raio ρ\rho, altura HH e espessura pequena. O seu volume aproximado é circunferência vezes altura vezes espessura, 2πρH dx2\pi\rho H\,dx. Somando as cascas sem sobreposição,

V=2π∫abρ(x)H(x) dx,V=2\pi\int_a^b \rho(x)H(x)\,dx,

com ρ\rho igual à distância ao eixo. Para eixo vertical x=px=p, ρ=∣x−p∣\rho=|x-p|. As faixas devem ficar num lado do eixo ou ser escolhidas de forma a não contar o mesmo raio duas vezes.

A região entre y=x2y=x^2 e y=2xy=2x, 0≤x≤20\le x\le2, rodada em torno do eixo yy, tem ρ=x\rho=x e H=2x−x2H=2x-x^2:

V=2π∫02x(2x−x2) dx=2π[2x33−x44]02=8π3.\begin{gathered} V=2\pi\int_0^2x(2x-x^2)\,dx\\ =2\pi\bigl[\frac{2x^3}{3}-\frac{x^4}{4}\bigr]_0^2\\ =\frac{8\pi}{3}. \end{gathered}

Por arandelas, usa faixas horizontais. Para 0≤y≤40\le y\le4, a região vai de x=y/2x=y/2 a x=yx=\sqrt y, portanto

V=π∫04[y−y2/4]dy=8π3.V=\pi\int_0^4[y-y^2/4]dy=\frac{8\pi}{3}.

Os dois métodos descrevem o mesmo sólido. Escolhe o que evita inversões e divisões em demasiados intervalos.

Coordenadas polares

Um ponto polar (r,θ)(r,\theta) corresponde a

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ.x=r\cos\theta,\qquad y=r\sin\theta.

A representação não é única: (r,θ)(r,\theta) e (r,θ+2π)(r,\theta+2\pi) representam o mesmo ponto; (−r,θ)(-r,\theta) é equivalente a (r,θ+π)(r,\theta+\pi). Um raio negativo coloca o ponto no sentido oposto ao indicado pelo ângulo.

Para desenhar r=f(θ)r=f(\theta), procura zeros, simetrias e valores em ângulos simples. A equação r=2cos⁡θr=2\cos\theta dá r2=2rcos⁡θr^2=2r\cos\theta, ou seja x2+y2=2xx^2+y^2=2x. É a circunferência de centro (1,0)(1,0) e raio 11.

Áreas em coordenadas polares

Um setor de raio rr e ângulo Δθ\Delta\theta tem área r2Δθ/2r^2\Delta\theta/2. Para uma curva que descreve a fronteira uma única vez entre α\alpha e β\beta,

A=12∫αβr(θ)2 dθ.A=\frac12\int_\alpha^\beta r(\theta)^2\,d\theta.

Para a circunferência r=2cos⁡θr=2\cos\theta, escolhe −π/2≤θ≤π/2-\pi/2\le\theta\le\pi/2: aqui r≥0r\ge0 e a curva é percorrida uma vez, com área 12∫−π/2π/24cos⁡2θ dθ=π\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}4\cos^2\theta\,d\theta=\pi.

De 00 a 2π2\pi, percorrerias a curva duas vezes e obterias o dobro: o quadrado de rr elimina o sinal mas não corrige uma parametrização repetida.

Para a cardioide r=1+cos⁡θ≥0r=1+\cos\theta\ge0, um percurso completo é 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi:

A=12∫02π(1+2cos⁡θ+cos⁡2θ)dθ=12(2π+0+π)=3π2.\begin{gathered} A=\frac12\int_0^{2\pi}(1+2\cos\theta+\cos^2\theta)d\theta\\ =\frac12(2\pi+0+\pi)\\ =\frac{3\pi}{2}. \end{gathered}

Entre duas curvas com 0≤rint≤rext0\le r_{\text{int}}\le r_{\text{ext}} nos mesmos ângulos,

A=12∫αβ(rext2−rint2) dθ.A=\frac12\int_\alpha^\beta (r_{\text{ext}}^2-r_{\text{int}}^2)\,d\theta.

Resolve as interseções e confirma qual a curva exterior em cada intervalo. Duas curvas também podem encontrar-se na origem com valores diferentes de θ\theta.

Interseção de regiões polares

A interseção dos discos 0≤r≤2cos⁡θ0\le r\le2\cos\theta e 0≤r≤10\le r\le1 não é a diferença das áreas. No primeiro disco, usamos −π/2≤θ≤π/2-\pi/2\le\theta\le\pi/2, onde 2cos⁡θ≥02\cos\theta\ge0. Os encontros estão em θ=±π/3\theta=\pm\pi/3, porque 2cos⁡θ=12\cos\theta=1.

Para pertencer aos dois discos, o ponto tem de respeitar o menor dos dois raios. Se ∣θ∣≤π/3|\theta|\le\pi/3, a fronteira é r=1r=1; nos restantes ângulos do intervalo, é r=2cos⁡θr=2\cos\theta. No desenho, segue os raios até aos pontos marcados e compara as duas partes da fronteira sombreada.

θ = π/3θ = −π/3012xy
Contínuo: r = 1. Tracejado: r = 2 cos θ. A região sombreada usa o menor dos dois raios em cada direção, entre −π/2 e π/2.

A simetria em relação ao eixo horizontal permite dobrar a metade superior. Esse fator cancela o 1/21/2 da fórmula polar:

A=∫0π/31 dθ+∫π/3π/24cos⁡2θ dθ.A=\int_0^{\pi/3}1\,d\theta +\int_{\pi/3}^{\pi/2}4\cos^2\theta\,d\theta.

A primeira parcela vale π/3\pi/3. Na segunda, 4cos⁡2θ=2+2cos⁡(2θ)4\cos^2\theta=2+2\cos(2\theta), por isso

∫π/3π/24cos⁡2θ dθ=[2θ+sin⁡(2θ)]π/3π/2.\int_{\pi/3}^{\pi/2}4\cos^2\theta\,d\theta =\left[2\theta+\sin(2\theta)\right]_{\pi/3}^{\pi/2}.

O valor é π/3−3/2\pi/3-\sqrt3/2. Somando,

A=2π3−32≈1,23.A=\frac{2\pi}{3}-\frac{\sqrt3}{2}\approx1{,}23.

A área é menor do que π\pi, a área de cada disco, como exige a inclusão da interseção em ambos.

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