Exercícios MT1

Limpar todos os resolvidos?

Curvas paramétricas

Triedro e plano osculador de uma héliceAutoavaliação

Teste 1, 2016/17

Considere o ponto Q=(3,3,−1)Q=(3,3,-1) e a curva parametrizada por r(t)=(3+3tcos⁡t, 3+3tsen⁡t, 4t−1)r(t)=(3+3t\cos t,\,3+3t\operatorname{sen}t,\,4t-1), t∈Rt\in\mathbb{R}. Determine no ponto QQ: a) os versores da tangente e da binormal; b) a equação cartesiana do plano osculador; c) as componentes tangencial e normal do vetor aceleração.

Solução

T=(3/5,0,4/5)T=(3/5,0,4/5), B=(−4/5,0,3/5)B=(-4/5,0,3/5), plano osculador 4x−3z−15=04x-3z-15=0, aT=0a_T=0 e aN=6a_N=6.

O ponto QQ corresponde a t=0t=0. Tem-se r′(t)=(3cos⁡t−3tsen⁡t, 3sen⁡t+3tcos⁡t, 4)r'(t)=(3\cos t-3t\operatorname{sen}t,\,3\operatorname{sen}t+3t\cos t,\,4), logo r′(0)=(3,0,4)r'(0)=(3,0,4) e ∣r′(0)∣=5|r'(0)|=5, donde T=(3/5,0,4/5)T=(3/5,0,4/5). Além disso, r′′(0)=(0,6,0)r''(0)=(0,6,0) e r′(0)×r′′(0)=(−24,0,18)r'(0)\times r''(0)=(-24,0,18), com norma 3030, donde B=(−4/5,0,3/5)B=(-4/5,0,3/5). O plano osculador tem normal BB e passa por QQ: −4(x−3)+3(z+1)=0-4(x-3)+3(z+1)=0, ou seja, 4x−3z−15=04x-3z-15=0. A componente tangencial é aT=(r′⋅r′′)/∣r′∣=0a_T=(r'\cdot r'')/|r'|=0 e a normal é aN=∣r′×r′′∣/∣r′∣=30/5=6a_N=|r'\times r''|/|r'|=30/5=6.

Confere a tua resposta:

  • O versor da tangente em QQ é (3/5,0,4/5)(3/5,0,4/5) e o da binormal é (−4/5,0,3/5)(-4/5,0,3/5).
  • O plano osculador tem equação 4x−3z−15=04x-3z-15=0.
  • A componente tangencial da aceleração é 00 e a normal é 66.
Comprimento de arco e triedro de uma curvaAutoavaliação

Recurso do Teste 1, 2016/17

Considere o ponto P=(2,1,0)P=(2,1,0) e a curva CC parametrizada por r(t)=(2t, t2, ln⁡t)r(t)=(2t,\,t^2,\,\ln t), t∈[1,e]t\in[1,e]. a) Mostre que ∣r′(t)∣=1+2t2t|r'(t)|=\frac{1+2t^2}{t} e calcule o comprimento de CC. b) Obtenha os versores da tangente, da binormal e da normal principal no ponto PP. c) Determine a equação cartesiana do plano normal à curva em PP.

Solução

Comprimento e2e^2; em P=(2,1,0)P=(2,1,0): T=(2/3,2/3,1/3)T=(2/3,2/3,1/3), B=(−2/3,1/3,2/3)B=(-2/3,1/3,2/3), N=(−1/3,2/3,−2/3)N=(-1/3,2/3,-2/3); plano normal 2x+2y+z−6=02x+2y+z-6=0.

Tem-se r′(t)=(2,2t,1/t)r'(t)=(2,2t,1/t), logo ∣r′(t)∣=4+4t2+1/t2=1+2t2t|r'(t)|=\sqrt{4+4t^2+1/t^2}=\frac{1+2t^2}{t}, pois (1+2t2)2/t2=1/t2+4+4t2(1+2t^2)^2/t^2=1/t^2+4+4t^2. O comprimento é ∫1e1+2t2t dt=[ln⁡t+t2]1e=e2\int_1^e \frac{1+2t^2}{t}\,dt=[\ln t+t^2]_1^e=e^2. O ponto PP corresponde a t=1t=1: r′(1)=(2,2,1)r'(1)=(2,2,1), ∣r′(1)∣=3|r'(1)|=3, donde T=(2/3,2/3,1/3)T=(2/3,2/3,1/3). Como r′′(1)=(0,2,−1)r''(1)=(0,2,-1) e r′(1)×r′′(1)=(−4,2,4)r'(1)\times r''(1)=(-4,2,4) (norma 66), obtém-se B=(−2/3,1/3,2/3)B=(-2/3,1/3,2/3). A normal principal é N=B×T=(−1/3,2/3,−2/3)N=B\times T=(-1/3,2/3,-2/3). O plano normal tem normal TT e passa por PP: 2(x−2)+2(y−1)+z=02(x-2)+2(y-1)+z=0, ou seja, 2x+2y+z−6=02x+2y+z-6=0.

Confere a tua resposta:

  • O comprimento da curva é e2e^2.
  • Em PP: T=(2/3,2/3,1/3)T=(2/3,2/3,1/3), B=(−2/3,1/3,2/3)B=(-2/3,1/3,2/3) e N=(−1/3,2/3,−2/3)N=(-1/3,2/3,-2/3).
  • O plano normal em PP tem equação 2x+2y+z−6=02x+2y+z-6=0.
Versor da tangente e comprimento de arcoAutoavaliação

Teste 1, 2017/18

Considere o ponto T=(1/3,1,0)T=(1/3,1,0) e a curva parametrizada por r(t)=(t33, t2, 1−t2)r(t)=\left(\frac{t^3}{3},\,t^2,\,1-t^2\right), t≥0t\ge 0. a) Determine o versor da tangente num ponto genérico da curva e o seu valor no ponto TT. b) Calcule o comprimento de arco entre TT e Q=(9,9,−8)Q=(9,9,-8).

Solução

T^(t)=(t,2,−2)t2+8\hat T(t)=\frac{(t,2,-2)}{\sqrt{t^2+8}}, T^(1)=(1,2,−2)3\hat T(1)=\frac{(1,2,-2)}{3} e comprimento L=1717−273L=\frac{17\sqrt{17}-27}{3}.

Os pontos TT e QQ correspondem a t=1t=1 e t=3t=3. Tem-se r′(t)=(t2,2t,−2t)r'(t)=(t^2,2t,-2t) e ∣r′(t)∣=t4+8t2=tt2+8|r'(t)|=\sqrt{t^4+8t^2}=t\sqrt{t^2+8} (para t≥0t\ge0), donde T^(t)=(t,2,−2)t2+8\hat T(t)=\frac{(t,2,-2)}{\sqrt{t^2+8}}. O comprimento é ∫13tt2+8 dt=[(t2+8)3/23]13=1717−273\int_1^3 t\sqrt{t^2+8}\,dt=\left[\frac{(t^2+8)^{3/2}}{3}\right]_1^3=\frac{17\sqrt{17}-27}{3}.

Confere a tua resposta:

  • O versor da tangente é (t,2,−2)/t2+8\left(t,2,-2\right)/\sqrt{t^2+8} e em TT vale (1,2,−2)/3(1,2,-2)/3.
  • O comprimento de arco entre TT e QQ é (1717−27)/3(17\sqrt{17}-27)/3.
Curva parametrizada pelo comprimento de arcoAutoavaliação

Teste 1, 2017/18

Seja uma curva descrita por r(s)r(s), parametrizada pelo comprimento de arco ss, com ∣r(s)∣=k|r(s)|=k constante, k>0k>0, para todo s∈[0,a]s\in[0,a]. Mostre que, para todo s∈[0,a]s\in[0,a], r(s)⋅r′(s)=0r(s)\cdot r'(s)=0 e r(s)⋅r′′(s)=−1r(s)\cdot r''(s)=-1.

Solução

r(s)⋅r′(s)=0r(s)\cdot r'(s)=0 e r(s)⋅r′′(s)=−1r(s)\cdot r''(s)=-1.

Como ∣r(s)∣2=r(s)⋅r(s)=k2|r(s)|^2=r(s)\cdot r(s)=k^2 é constante, derivando obtém-se 2r(s)⋅r′(s)=02r(s)\cdot r'(s)=0. Derivando esta identidade, r′(s)⋅r′(s)+r(s)⋅r′′(s)=0r'(s)\cdot r'(s)+r(s)\cdot r''(s)=0. Como a parametrização é pelo comprimento de arco, ∣r′(s)∣=1|r'(s)|=1, logo r(s)⋅r′′(s)=−1r(s)\cdot r''(s)=-1.

Confere a tua resposta:

  • A justificação usa ∣r(s)∣2=k2|r(s)|^2=k^2 para obter r⋅r′=0r\cdot r'=0.
  • A segunda identidade resulta de derivar r⋅r′=0r\cdot r'=0 e usar ∣r′∣=1|r'|=1.

Derivadas direcionais e gradiente

Derivada direcional, reta normal e plano tangenteAutoavaliação

Teste 1, 2016/17

Considere a função escalar f(x,y,z)=sen⁡(xy3)+ln⁡(yz2)f(x,y,z)=\operatorname{sen}(xy^3)+\ln(yz^2). a) Calcule a derivada direcional de ff no ponto P=(π/2,1,1)P=(\pi/2,1,1) na direção do vetor v=(0,1,−1)v=(0,1,-1). b) Considere a superfície de nível SS, f(x,y,z)=1f(x,y,z)=1. Escreva as equações cartesianas da reta normal a SS em PP e do plano tangente a SS em PP.

Solução

Dvf(P)=−22D_vf(P)=-\frac{\sqrt{2}}{2}; reta normal: x=π2x=\frac{\pi}{2}, y−11=z−12\frac{y-1}{1}=\frac{z-1}{2}; plano tangente: y+2z−3=0y+2z-3=0.

O gradiente é ∇f=(y3cos⁡(xy3), 3xy2cos⁡(xy3)+1/y, 2/z)\nabla f=(y^3\cos(xy^3),\,3xy^2\cos(xy^3)+1/y,\,2/z). Em PP: xy3=π/2xy^3=\pi/2, cos⁡(π/2)=0\cos(\pi/2)=0, logo ∇f(P)=(0,1,2)\nabla f(P)=(0,1,2). O versor na direção de vv é u=(0,1,−1)/2u=(0,1,-1)/\sqrt2, donde Duf(P)=(0,1,2)⋅u=−1/2=−2/2D_uf(P)=(0,1,2)\cdot u=-1/\sqrt2=-\sqrt2/2. Como f(P)=1f(P)=1, o ponto PP pertence a SS. A reta normal tem a direção do gradiente: (x,y,z)=(π/2,1+t,1+2t)(x,y,z)=(\pi/2,1+t,1+2t). O plano tangente é ∇f(P)⋅(x−π/2,y−1,z−1)=0\nabla f(P)\cdot(x-\pi/2,y-1,z-1)=0, ou seja, (y−1)+2(z−1)=0(y-1)+2(z-1)=0, donde y+2z−3=0y+2z-3=0.

Confere a tua resposta:

  • A derivada direcional é −2/2-\sqrt{2}/2.
  • A reta normal é x=π/2x=\pi/2, y=1+ty=1+t, z=1+2tz=1+2t (ou cartesiana x=π/2x=\pi/2 e y−1=(z−1)/2y-1=(z-1)/2).
  • O plano tangente é y+2z−3=0y+2z-3=0.
Ângulo entre a tangente a uma curva e o gradienteAutoavaliação

Recurso do Teste 1, 2016/17

Dada a função escalar f(x,y,z)=xcos⁡y−ezsen⁡yf(x,y,z)=x\cos y-e^z\operatorname{sen}y e a curva CC parametrizada por r(t)=(cos⁡3t, sen⁡2t, cos⁡t sen⁡t)r(t)=(\cos^3t,\,\operatorname{sen}^2t,\,\cos t\,\operatorname{sen}t), t∈[0,π/2]t\in[0,\pi/2], determine: a) o vetor vv tangente a CC no ponto R=(1,0,0)R=(1,0,0); b) o ângulo que vv faz com ∇f(R)\nabla f(R); c) a derivada direcional de ff em RR na direção da maior taxa de variação.

Solução

v=(0,0,1)v=(0,0,1), ângulo π/2\pi/2 e derivada direcional máxima 2\sqrt{2}.

O ponto RR corresponde a t=0t=0. Tem-se r′(t)=(−3cos⁡2t sen⁡t, 2sen⁡tcos⁡t, cos⁡2t−sen⁡2t)r'(t)=(-3\cos^2t\,\operatorname{sen}t,\,2\operatorname{sen}t\cos t,\,\cos^2t-\operatorname{sen}^2t), logo r′(0)=(0,0,1)r'(0)=(0,0,1). O gradiente é ∇f=(cos⁡y, −xsen⁡y−ezcos⁡y, −ezsen⁡y)\nabla f=(\cos y,\,-x\operatorname{sen}y-e^z\cos y,\,-e^z\operatorname{sen}y), donde ∇f(R)=(1,−1,0)\nabla f(R)=(1,-1,0). Como v⋅∇f(R)=0v\cdot\nabla f(R)=0, o ângulo é π/2\pi/2. A maior taxa de variação dá-se na direção do gradiente e vale ∣∇f(R)∣=12+(−1)2=2|\nabla f(R)|=\sqrt{1^2+(-1)^2}=\sqrt2.

Confere a tua resposta:

  • O vetor tangente em RR é v=(0,0,1)v=(0,0,1).
  • O ângulo entre vv e ∇f(R)=(1,−1,0)\nabla f(R)=(1,-1,0) é π/2\pi/2.
  • A derivada direcional máxima em RR é 2\sqrt{2}.
Derivada direcional segundo a normal a uma superfícieAutoavaliação

Teste 1, 2017/18

Considere a função escalar f(x,y,z)=(x−y)3−z(1+y)f(x,y,z)=(x-y)^3-z(1+y) e o ponto P=(1,2,−3)P=(1,2,-3). a) Calcule a derivada direcional de ff em PP na direção do vetor normal à superfície x2+z23−xy−3y=−4x^2+\frac{z^2}{3}-xy-3y=-4 nesse ponto. b) Em que direção ff tem a mínima razão de variação em PP, e qual é o valor dessa razão mínima? c) Escreva a equação cartesiana do plano tangente à superfície de nível f(x,y,z)=8f(x,y,z)=8 em PP.

Solução

Duf(P)=35D_uf(P)=\frac{3}{\sqrt5}; direção mínima (−1,0,1)/2(-1,0,1)/\sqrt2 com valor −32-3\sqrt2; plano tangente x−z−4=0x-z-4=0.

Seja g(x,y,z)=x2+z2/3−xy−3y+4g(x,y,z)=x^2+z^2/3-xy-3y+4. Tem-se \nabla g(P)=(2x-y,\,-x-3,\,2z/3)ig|_P=(0,-4,-2), donde o versor normal é u=(0,−2,−1)/5u=(0,-2,-1)/\sqrt5. O gradiente de ff é ∇f=(3(x−y)2, −3(x−y)2−z, −(1+y))\nabla f=(3(x-y)^2,\,-3(x-y)^2-z,\,-(1+y)), donde ∇f(P)=(3,0,−3)\nabla f(P)=(3,0,-3). Assim, Duf(P)=(3,0,−3)⋅u=3/5D_uf(P)=(3,0,-3)\cdot u=3/\sqrt5. A mínima razão de variação ocorre na direção oposta ao gradiente, −∇f/∣∇f∣=(−1,0,1)/2-\nabla f/|\nabla f|=(-1,0,1)/\sqrt2, com valor −∣∇f(P)∣=−32-|\nabla f(P)|=-3\sqrt2. Como f(P)=(−1)3−(−3)(3)=8f(P)=(-1)^3-(-3)(3)=8, o plano tangente é 3(x−1)−3(z+3)=03(x-1)-3(z+3)=0, ou seja, x−z−4=0x-z-4=0.

Confere a tua resposta:

  • A derivada direcional pedida é 3/53/\sqrt{5}.
  • A direção de mínima variação é (−1,0,1)/2(-1,0,1)/\sqrt{2} e a razão mínima é −32-3\sqrt{2}.
  • O plano tangente é x−z−4=0x-z-4=0.

Funções implícitas

Derivadas parciais de uma função implícitaAutoavaliação

Teste 1, 2016/17

Sabendo que a equação xy+yz+ez=2xy+yz+e^z=2 define implicitamente z=z(x,y)z=z(x,y) na vizinhança do ponto R=(1,1,0)R=(1,1,0), obtenha ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} e ∂2z∂x2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} em RR.

Solução

∂z∂x(R)=−12\frac{\partial z}{\partial x}(R)=-\frac12, ∂z∂y(R)=−12\frac{\partial z}{\partial y}(R)=-\frac12 e ∂2z∂x2(R)=−18\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}(R)=-\frac18.

Com F(x,y,z)=xy+yz+ez−2F(x,y,z)=xy+yz+e^z-2, tem-se Fx=yF_x=y, Fy=x+zF_y=x+z e Fz=y+ezF_z=y+e^z. Pelo teorema da função implícita, ∂z/∂x=−Fx/Fz=−y/(y+ez)\partial z/\partial x=-F_x/F_z=-y/(y+e^z) e ∂z/∂y=−(x+z)/(y+ez)\partial z/\partial y=-(x+z)/(y+e^z). Em RR: ambas valem −1/2-1/2. Derivando ∂z/∂x\partial z/\partial x em ordem a xx (com yy constante): ∂2z/∂x2=y ez(y+ez)2∂z∂x\partial^2 z/\partial x^2=\frac{y\,e^z}{(y+e^z)^2}\frac{\partial z}{\partial x}, que em RR dá 1⋅14⋅(−12)=−18\frac{1\cdot1}{4}\cdot(-\frac12)=-\frac18.

Confere a tua resposta:

  • Em RR: ∂z/∂x=−1/2\partial z/\partial x=-1/2 e ∂z/∂y=−1/2\partial z/\partial y=-1/2.
  • Em RR: ∂2z/∂x2=−1/8\partial^2 z/\partial x^2=-1/8.
Derivadas de segunda ordem de função implícitaAutoavaliação

Recurso do Teste 1, 2016/17

Sabendo que a equação 2xz2+y+z=22xz^2+y+z=2 define implicitamente z=z(x,y)z=z(x,y) na vizinhança do ponto Q=(1,2,0)Q=(1,2,0), obtenha ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} e ∂2z∂y2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} em QQ.

Solução

∂z∂x(Q)=0\frac{\partial z}{\partial x}(Q)=0, ∂z∂y(Q)=−1\frac{\partial z}{\partial y}(Q)=-1 e ∂2z∂y2(Q)=−4\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}(Q)=-4.

Com F(x,y,z)=2xz2+y+z−2F(x,y,z)=2xz^2+y+z-2, tem-se Fx=2z2F_x=2z^2, Fy=1F_y=1 e Fz=4xz+1F_z=4xz+1. Em QQ: Fz=1F_z=1, logo ∂z/∂x=−2z2/(4xz+1)=0\partial z/\partial x=-2z^2/(4xz+1)=0 e ∂z/∂y=−1/(4xz+1)=−1\partial z/\partial y=-1/(4xz+1)=-1. Derivando ∂z/∂y=−(4xz+1)−1\partial z/\partial y=-(4xz+1)^{-1} em ordem a yy: ∂2z/∂y2=4x(4xz+1)2∂z∂y\partial^2 z/\partial y^2=\frac{4x}{(4xz+1)^2}\frac{\partial z}{\partial y}, que em QQ dá 4⋅1⋅(−1)=−44\cdot1\cdot(-1)=-4.

Confere a tua resposta:

  • Em QQ: ∂z/∂x=0\partial z/\partial x=0 e ∂z/∂y=−1\partial z/\partial y=-1.
  • Em QQ: ∂2z/∂y2=−4\partial^2 z/\partial y^2=-4.

Extremos

Pontos estacionários de uma função de duas variáveisAutoavaliação

Teste 1, 2016/17

Determine e classifique os pontos estacionários da função f(x,y)=8y3+2xy−3y2+x2f(x,y)=8y^3+2xy-3y^2+x^2.

Solução

(0,0)(0,0) é sela e (−1/3,1/3)(-1/3,1/3) é mínimo local com valor −4/27-4/27.

As condições fx=2x+2y=0f_x=2x+2y=0 e fy=24y2+2x−6y=0f_y=24y^2+2x-6y=0 dão x=−yx=-y e 24y2−8y=8y(3y−1)=024y^2-8y=8y(3y-1)=0, donde (0,0)(0,0) e (−1/3,1/3)(-1/3,1/3). A matriz hessiana tem fxx=2f_{xx}=2, fxy=2f_{xy}=2 e fyy=48y−6f_{yy}=48y-6, com determinante 96y−1696y-16. Em (0,0)(0,0) o determinante é −16<0-16<0, logo é sela. Em (−1/3,1/3)(-1/3,1/3) é 16>016>0 e fxx=2>0f_{xx}=2>0, logo é mínimo local; o valor é f(−1/3,1/3)=8/27−2/9−1/3+1/9=−4/27f(-1/3,1/3)=8/27-2/9-1/3+1/9=-4/27.

Confere a tua resposta:

  • Os pontos estacionários são (0,0)(0,0) e (−1/3,1/3)(-1/3,1/3).
  • (0,0)(0,0) é ponto de sela e (−1/3,1/3)(-1/3,1/3) é mínimo local, com f(−1/3,1/3)=−4/27f(-1/3,1/3)=-4/27.
Classificação de pontos estacionáriosAutoavaliação

Recurso do Teste 1, 2016/17

Determine e classifique os pontos estacionários da função f(x,y)=x3+y3+3xy+2f(x,y)=x^3+y^3+3xy+2.

Solução

(0,0)(0,0) é sela e (−1,−1)(-1,-1) é máximo local com valor 33.

De fx=3x2+3y=0f_x=3x^2+3y=0 e fy=3y2+3x=0f_y=3y^2+3x=0 resulta x2=−yx^2=-y e y2=−xy^2=-x, donde x4=−xx^4=-x, ou seja, x(x3+1)=0x(x^3+1)=0: x=0x=0 ou x=−1x=-1, obtendo-se (0,0)(0,0) e (−1,−1)(-1,-1). A hessiana tem fxx=6xf_{xx}=6x, fxy=3f_{xy}=3, fyy=6yf_{yy}=6y e determinante 36xy−936xy-9. Em (0,0)(0,0) o determinante é −9<0-9<0 (sela). Em (−1,−1)(-1,-1) é 27>027>0 e fxx=−6<0f_{xx}=-6<0, logo máximo local, com f(−1,−1)=−1−1+3+2=3f(-1,-1)=-1-1+3+2=3.

Confere a tua resposta:

  • Os pontos estacionários são (0,0)(0,0) e (−1,−1)(-1,-1).
  • (0,0)(0,0) é ponto de sela e (−1,−1)(-1,-1) é máximo local, com f(−1,−1)=3f(-1,-1)=3.
Estacionários de uma quártica simétricaAutoavaliação

Teste 1, 2017/18

Determine e classifique os pontos estacionários da função f(x,y)=x4+y4−xy+3f(x,y)=x^4+y^4-xy+3.

Solução

(0,0)(0,0) é sela; (±1/2,±1/2)(\pm1/2,\pm1/2) são mínimos locais com valor 23/823/8.

De fx=4x3−y=0f_x=4x^3-y=0 e fy=4y3−x=0f_y=4y^3-x=0 resulta y=4x3y=4x^3 e x=256x9x=256x^9, ou seja, x(256x8−1)=0x(256x^8-1)=0: x=0x=0 ou x=±1/2x=\pm1/2, obtendo-se (0,0)(0,0), (1/2,1/2)(1/2,1/2) e (−1/2,−1/2)(-1/2,-1/2). A hessiana tem determinante 144x2y2−1144x^2y^2-1 e fxx=12x2f_{xx}=12x^2. Em (0,0)(0,0) o determinante é −1<0-1<0 (sela). Nos outros dois, o determinante é 8>08>0 e fxx=3>0f_{xx}=3>0, logo são mínimos locais, com f=1/16+1/16−1/4+3=23/8f=1/16+1/16-1/4+3=23/8.

Confere a tua resposta:

  • Os pontos estacionários são (0,0)(0,0), (1/2,1/2)(1/2,1/2) e (−1/2,−1/2)(-1/2,-1/2).
  • (0,0)(0,0) é sela; (1/2,1/2)(1/2,1/2) e (−1/2,−1/2)(-1/2,-1/2) são mínimos locais, com valor 23/823/8.

Integrais duplos

Integral duplo sobre região entre parábolasAutoavaliação

Teste 1, 2016/17

Considere o integral duplo ∫−11∫x24−x2(1−x) dy dx\int_{-1}^{1}\int_{x^2}^{4-x^2}(1-x)\,dy\,dx. a) Esboce o domínio de integração. b) Calcule o valor do integral. c) Reescreva-o trocando a ordem de integração.

Solução

∫−11∫x24−x2(1−x) dy dx=203=∫03∫−yy(1−x) dx dy+∫34∫−4−y4−y(1−x) dx dy\int_{-1}^{1}\int_{x^2}^{4-x^2}(1-x)\,dy\,dx=\frac{20}{3}=\int_0^3\int_{-\sqrt y}^{\sqrt y}(1-x)\,dx\,dy+\int_3^4\int_{-\sqrt{4-y}}^{\sqrt{4-y}}(1-x)\,dx\,dy.

O domínio é a região entre y=x2y=x^2 e y=4−x2y=4-x^2, com x∈[−1,1]x\in[-1,1]; as parábolas só se intersectam em x=±2x=\pm\sqrt2, fora do intervalo. O integral vale ∫−11(1−x)(4−2x2) dx\int_{-1}^1(1-x)(4-2x^2)\,dx. Como 4x−2x34x-2x^3 é ímpar, anula-se no intervalo simétrico, obtendo-se ∫−11(4−2x2) dx=20/3\int_{-1}^1(4-2x^2)\,dx=20/3. Trocando a ordem: para 0≤y≤30\le y\le3 a fronteira inferior é y=x2y=x^2, donde x=±yx=\pm\sqrt y; para 3≤y≤43\le y\le4 a fronteira superior é y=4−x2y=4-x^2, donde x=±4−yx=\pm\sqrt{4-y}.

Confere a tua resposta:

  • O valor do integral é 20/320/3.
  • Na ordem trocada, o domínio decompõe-se em 0≤y≤30\le y\le3, −y≤x≤y-\sqrt y\le x\le\sqrt y, e 3≤y≤43\le y\le4, −4−y≤x≤4−y-\sqrt{4-y}\le x\le\sqrt{4-y}.
Integral duplo entre reta e parábolaAutoavaliação

Teste 1, 2017/18

Considere o integral duplo ∫04∫−x4x−x2dy dx\int_0^4\int_{-x}^{4x-x^2}dy\,dx. a) Calcule o valor do integral. b) Esboce o domínio de integração. c) Reescreva-o trocando a ordem de integração, definindo analiticamente o respetivo domínio.

Solução

∫04∫−x4x−x2dy dx=563=∫−40∫2−4−y−ydx dy+∫04∫2−4−y2+4−ydx dy\int_0^4\int_{-x}^{4x-x^2}dy\,dx=\frac{56}{3}=\int_{-4}^{0}\int_{2-\sqrt{4-y}}^{-y}dx\,dy+\int_0^4\int_{2-\sqrt{4-y}}^{2+\sqrt{4-y}}dx\,dy.

O domínio é limitado por baixo pela reta y=−xy=-x e por cima pela parábola y=4x−x2y=4x-x^2; as curvas intersectam-se em x=0x=0 e x=5x=5, e no intervalo [0,4][0,4] a parábola está acima da reta. O integral vale ∫04(4x−x2+x) dx=∫04(5x−x2) dx=40−64/3=56/3\int_0^4(4x-x^2+x)\,dx=\int_0^4(5x-x^2)\,dx=40-64/3=56/3. Invertendo a ordem, resolve-se y=4x−x2y=4x-x^2 em ordem a xx: x=2±4−yx=2\pm\sqrt{4-y}. Para −4≤y≤0-4\le y\le0 a fronteira direita é a reta x=−yx=-y; para 0≤y≤40\le y\le4 as duas fronteiras são os dois ramos da parábola.

Confere a tua resposta:

  • O valor do integral é 56/356/3.
  • Na ordem trocada: −4≤y≤0-4\le y\le0 com 2−4−y≤x≤−y2-\sqrt{4-y}\le x\le-y, e 0≤y≤40\le y\le4 com 2−4−y≤x≤2+4−y2-\sqrt{4-y}\le x\le2+\sqrt{4-y}.

Regra da cadeia

Regra da cadeia em coordenadas polaresAutoavaliação

Teste 1, 2016/17

As equações u=f(x,y)u=f(x,y), x=rcos⁡tx=r\cos t e y=rsen⁡ty=r\operatorname{sen}t definem uu como função de rr e tt, u=F(r,t)u=F(r,t). Usando a regra da cadeia, obtenha: a) ∂F∂t\frac{\partial F}{\partial t} em função de ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x} e ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}; b) ∂2F∂t2\frac{\partial^2 F}{\partial t^2}.

Solução

∂F∂t=−rsen⁡t fx+rcos⁡t fy\frac{\partial F}{\partial t}=-r\operatorname{sen}t\,f_x+r\cos t\,f_y e ∂2F∂t2=r2sen⁡2t fxx−2r2sen⁡tcos⁡t fxy+r2cos⁡2t fyy−rcos⁡t fx−rsen⁡t fy\frac{\partial^2 F}{\partial t^2}=r^2\operatorname{sen}^2t\,f_{xx}-2r^2\operatorname{sen}t\cos t\,f_{xy}+r^2\cos^2t\,f_{yy}-r\cos t\,f_x-r\operatorname{sen}t\,f_y.

Pela regra da cadeia, ∂F∂t=fx∂x∂t+fy∂y∂t=−rsen⁡t fx+rcos⁡t fy\frac{\partial F}{\partial t}=f_x\frac{\partial x}{\partial t}+f_y\frac{\partial y}{\partial t}=-r\operatorname{sen}t\,f_x+r\cos t\,f_y. Derivando outra vez em ordem a tt e aplicando a cadeia a fxf_x e fyf_y (cujas derivadas em tt são −rsen⁡t fxx+rcos⁡t fxy-r\operatorname{sen}t\,f_{xx}+r\cos t\,f_{xy} e −rsen⁡t fyx+rcos⁡t fyy-r\operatorname{sen}t\,f_{yx}+r\cos t\,f_{yy}), obtém-se a expressão indicada, com os termos das derivadas dos coeficientes −rcos⁡t fx-r\cos t\,f_x e −rsen⁡t fy-r\operatorname{sen}t\,f_y.

Confere a tua resposta:

  • ∂F∂t=−rsen⁡t ∂f∂x+rcos⁡t ∂f∂y\frac{\partial F}{\partial t}=-r\operatorname{sen}t\,\frac{\partial f}{\partial x}+r\cos t\,\frac{\partial f}{\partial y}.
  • ∂2F∂t2=r2sen⁡2t fxx−2r2sen⁡tcos⁡t fxy+r2cos⁡2t fyy−rcos⁡t fx−rsen⁡t fy\frac{\partial^2 F}{\partial t^2}=r^2\operatorname{sen}^2t\,f_{xx}-2r^2\operatorname{sen}t\cos t\,f_{xy}+r^2\cos^2t\,f_{yy}-r\cos t\,f_x-r\operatorname{sen}t\,f_y.
Derivada da norma de uma função vetorialAutoavaliação

Recurso do Teste 1, 2016/17

Seja f(t)f(t), t∈It\in I, uma função vetorial tal que f(t)≠0f(t)\neq0. Mostre que: a) ddt∣f(t)∣=f(t)⋅f′(t)∣f(t)∣\frac{d}{dt}|f(t)|=\frac{f(t)\cdot f'(t)}{|f(t)|}; b) ddt(f(t)∣f(t)∣)=f′(t)∣f(t)∣−f(t) (f(t)⋅f′(t))∣f(t)∣3\frac{d}{dt}\left(\frac{f(t)}{|f(t)|}\right)=\frac{f'(t)}{|f(t)|}-\frac{f(t)\,(f(t)\cdot f'(t))}{|f(t)|^3}.

Solução

ddt∣f∣=f⋅f′∣f∣\frac{d}{dt}|f|=\frac{f\cdot f'}{|f|} e ddtf∣f∣=f′∣f∣−f (f⋅f′)∣f∣3\frac{d}{dt}\frac{f}{|f|}=\frac{f'}{|f|}-\frac{f\,(f\cdot f')}{|f|^3}.

Como ∣f(t)∣2=f(t)⋅f(t)|f(t)|^2=f(t)\cdot f(t), derivando obtém-se 2∣f∣d∣f∣dt=2f⋅f′2|f|\frac{d|f|}{dt}=2f\cdot f', donde a primeira identidade. Para a segunda, deriva-se o quociente: ddtf∣f∣=f′∣f∣−fd∣f∣dt∣f∣2\frac{d}{dt}\frac{f}{|f|}=\frac{f'|f|-f\frac{d|f|}{dt}}{|f|^2}, e substituindo d∣f∣dt=f⋅f′∣f∣\frac{d|f|}{dt}=\frac{f\cdot f'}{|f|} obtém-se f′∣f∣−f (f⋅f′)∣f∣3\frac{f'}{|f|}-\frac{f\,(f\cdot f')}{|f|^3}.

Confere a tua resposta:

  • A primeira identidade resulta de derivar ∣f∣2=f⋅f|f|^2=f\cdot f.
  • A segunda resulta da regra do quociente aplicada a f/∣f∣f/|f|, usando a primeira identidade.

À tua maneira

Aparência

Modo de cor
Tema
Cor de destaque

Leitura

Fonte de leitura

Álgebra, lógica e uma ideia de cada vez.

Código

Fonte do código

Navegação

Cursor de leitura, sem edição. h, j, k, l movem; / pesquisa nesta página. v seleciona caracteres; V seleciona linhas; y copia. Tab permite destacar ou comentar. Espaço ou Enter abre blocos recolhíveis. Nos cartões, h, j, k, l mudam o foco.

CSS personalizado

Ativa uma sugestão ou guarda o teu CSS. Só muda este navegador.

Usa --page, --text e --accent para acompanhar o tema.

Seletores e recuperação

.site-header, .prose, .course-card, [data-reading-history], [data-playground] e .page-actions.

Abre a aparência com a tecla vírgula ou no rodapé. Se o CSS esconder os controlos, abre esta página sem CSS personalizado.

Pesquisar

Escreve para pesquisar em todo o site.

para escolher · Enter para abrir · Esc para fechar

Copiar fórmula

A cópia automática não está disponível. Copia o LaTeX abaixo.

Pesquisar nesta página

Enter procura · n / N repetem · Esc cancela. Ctrl / Cmd K pesquisa todo o site.

Atalhos de teclado

Clica numa tecla para a mudar. Esc cancela. Backspace desativa.

PesquisarCtrl / Cmd K

Os atalhos não interferem enquanto escreves. Tab e Enter funcionam sempre.