Integrais duplos

Fubini, troca de ordem, coordenadas polares, jacobianos, massa e centro de massa.

TLDR

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No triângulo D={(x,y):0≤x≤y≤1}D=\{(x,y):0\le x\le y\le1\}, cada faixa vertical vai de y=xy=x a y=1y=1. Somar as suas alturas dá a área ∫01(1−x) dx=1/2\int_0^1(1-x)\,dx=1/2.

Um integral duplo soma sobre a região inteira. Com integrando 1 mede área; com densidade superficial mede massa; com altura não negativa mede volume. A região mantém-se, mas a quantidade somada muda.

Integrais iterados e Fubini

Para uma função contínua num retângulo [a,b]×[c,d][a,b]\times[c,d], Fubini permite integrar por qualquer ordem:

∬Df dA=∫ab∫cdf(x,y) dy dx=∫cd∫abf(x,y) dx dy.\iint_D f\,dA=\int_a^b\int_c^d f(x,y)\,dy\,dx =\int_c^d\int_a^b f(x,y)\,dx\,dy.

No retângulo [0,1]×[0,2][0,1]\times[0,2], ∬xy dA=∫012x dx=1\iint xy\,dA=\int_0^1 2x\,dx=1. Na integral interior, xx é constante. A existência das duas integrais iteradas, sem hipóteses de integrabilidade, não basta para afirmar Fubini.

Para regiões entre gráficos, os limites de dentro dependem da variável de fora. Se a≤x≤ba\le x\le b e g1(x)≤y≤g2(x)g_1(x)\le y\le g_2(x), escrevemos ∫ab∫g1(x)g2(x)f dy dx\int_a^b\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}f\,dy\,dx. Um esboço com uma faixa vertical ajuda a ler estes limites.

Trocar a ordem quando a primitiva bloqueia

Considera I=∫01∫x1ey2 dy dxI=\int_0^1\int_x^1 e^{y^2}\,dy\,dx. O domínio é 0≤x≤y≤10\le x\le y\le1. Por faixas horizontais, 0≤y≤10\le y\le1 e 0≤x≤y0\le x\le y, logo

I=∫01∫0yey2 dx dy=∫01yey2 dy=e−12.I=\int_0^1\int_0^y e^{y^2}\,dx\,dy =\int_0^1y e^{y^2}\,dy=\frac{e-1}{2}.

Não encontrámos uma primitiva elementar de ey2e^{y^2}; alterámos a ordem para que aparecesse o fator yy necessário à substituição.

Na região entre y=x2y=x^2 e y=xy=x, 0≤x≤10\le x\le1, a ordem dy dxdy\,dx usa x2≤y≤xx^2\le y\le x. Na ordem oposta, 0≤y≤10\le y\le1 e y≤x≤yy\le x\le\sqrt y. A área é ∫01(x−x2) dx=1/6\int_0^1(x-x^2)\,dx=1/6, ou ∫01(y−y) dy=1/6\int_0^1(\sqrt y-y)\,dy=1/6. Trocar a ordem exige resolver as desigualdades, não apenas trocar os diferenciais.

Quando a troca exige partição

O triângulo de vértices (0,0)(0,0), (2,0)(2,0) e (1,2)(1,2) não se descreve de uma vez por faixas verticais. Por faixas horizontais, 0≤y≤20\le y\le2 e y/2≤x≤2−y/2y/2\le x\le2-y/2. Por faixas verticais, a fronteira superior muda em x=1x=1:

0≤x≤1:0≤y≤2x,1≤x≤2:0≤y≤4−2x.0\le x\le1:\quad 0\le y\le2x,\qquad 1\le x\le2:\quad 0\le y\le4-2x.

A área confirma-se dos dois modos. Por faixas horizontais,

∫02(2−y) dy=2,\int_0^2(2-y)\,dy=2,

e por faixas verticais,

∫012x dx+∫12(4−2x) dx=1+1=2.\int_0^1 2x\,dx+\int_1^2(4-2x)\,dx=1+1=2.

O ponto x=1x=1 é onde as retas y=2xy=2x e y=4−2xy=4-2x se cruzam; é ele que obriga a dividir o integral. O esquema seguinte mostra as duas fatias e o ponto de mudança.

Coordenadas polares

Usa x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta, com r≥0r\ge0. O elemento de área é

dA=r dr dθ.dA=r\,dr\,d\theta.

Uma pequena faixa angular tem largura aproximada r dθr\,d\theta, por isso a área depende da distância ao centro. O círculo usa 0≤r≤a0\le r\le a e um intervalo angular de amplitude 2π2\pi.

No disco unitário,

∬D(x2+y2) dA=∫02π∫01r2r dr dθ=π2.\iint_D(x^2+y^2)\,dA =\int_0^{2\pi}\int_0^1 r^2r\,dr\,d\theta=\frac\pi2.

O fator r2r^2 vem da função e o terceiro rr do elemento de área. O valor médio de x2+y2x^2+y^2 no disco é 1/21/2, dividindo pela área π\pi.

Para x2+y2≤2xx^2+y^2\le2x, a forma polar é 0≤r≤2cos⁡θ0\le r\le2\cos\theta, com −π/2≤θ≤π/2-\pi/2\le\theta\le\pi/2. Este intervalo mantém o raio superior não negativo. A área calculada é ∫−π/2π/22cos⁡2θ dθ=π\int_{-\pi/2}^{\pi/2}2\cos^2\theta\,d\theta=\pi, confirmando o círculo de centro (1,0)(1,0) e raio 1.

Mudança de variáveis e jacobiano

Se (x,y)=T(u,v)(x,y)=T(u,v) é uma mudança C1C^1, invertível no interior relevante, com jacobiano não nulo, então

∬Df(x,y) dA=∬Ef(T(u,v))∣det⁡∂(x,y)∂(u,v)∣du dv.\iint_D f(x,y)\,dA=\iint_E f(T(u,v))\left|\det\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\right|du\,dv.

As fronteiras e pontos singulares de área zero podem ser tratados separadamente. Evita cobrir a região várias vezes com a mesma parametrização.

Para o paralelogramo 0≤x+y≤20\le x+y\le2, 0≤x−y≤10\le x-y\le1, escolhe u=x+yu=x+y, v=x−yv=x-y. A inversa é x=(u+v)/2x=(u+v)/2, y=(u−v)/2y=(u-v)/2, e o módulo do determinante da inversa é 1/21/2. Assim, a área é ∫02∫0112 dv du=1\int_0^2\int_0^1\tfrac12\,dv\,du=1. Usar o determinante da transformação direta, cujo módulo é 2, daria uma área errada.

Uma mudança não linear

Na região do primeiro quadrante com 1≤xy≤21\le xy\le2 e 1≤y/x≤31\le y/x\le3, põe u=xyu=xy e v=y/xv=y/x. Como y=vxy=vx e u=vx2u=vx^2, a inversa é x=u/vx=\sqrt{u/v}, y=uvy=\sqrt{uv}. Escolhemos as raízes positivas porque estamos no primeiro quadrante. O determinante direto é

det⁡∂(u,v)∂(x,y)=det⁡(yx−y/x21/x)=2y/x=2v.\det\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)} =\det\begin{pmatrix}y&x\\-y/x^2&1/x\end{pmatrix}=2y/x=2v.

O determinante da inversa é o recíproco, 1/(2v)1/(2v). A região vira o retângulo 1≤u≤21\le u\le2, 1≤v≤31\le v\le3, e a área é

∫12∫1312v dv du=ln⁡32.\int_1^2\int_1^3\frac{1}{2v}\,dv\,du=\frac{\ln 3}{2}.

Sem o jacobiano, a área do retângulo 22 nada diz sobre a região curva.

A conta confere-se pelo sinal: u,v>0u,v>0 no primeiro quadrante, logo o módulo não troca o sinal.

Massa, centro de massa e simetria

Para densidade σ≥0\sigma\ge0, M=∬Dσ dAM=\iint_D\sigma\,dA. Se M>0M>0, xˉ=M−1∬Dxσ dA\bar x=M^{-1}\iint_D x\sigma\,dA e yˉ=M−1∬Dyσ dA\bar y=M^{-1}\iint_D y\sigma\,dA.

No triângulo 0≤y≤x≤10\le y\le x\le1, com densidade constante 1, M=1/2M=1/2. Os momentos são ∫01∫0xx dy dx=1/3\int_0^1\int_0^x x\,dy\,dx=1/3 e ∫01∫0xy dy dx=1/6\int_0^1\int_0^x y\,dy\,dx=1/6. Logo o centro é (2/3,1/3)(2/3,1/3), no interior do triângulo.

Momentos de inércia

O momento em relação ao eixo xx pesa cada ponto pelo quadrado da distância a esse eixo:

Ix=∬Dy2σ dA,Iy=∬Dx2σ dA.I_x=\iint_D y^2\sigma\,dA,\qquad I_y=\iint_D x^2\sigma\,dA.

Não uses x2+y2x^2+y^2 nos dois: essa é a distância à origem, que dá o momento polar IO=Ix+IyI_O=I_x+I_y. No mesmo triângulo com σ=1\sigma=1,

Ix=∫01∫0xy2 dy dx=1/12,Iy=∫01∫0xx2 dy dx=1/4.I_x=\int_0^1\int_0^x y^2\,dy\,dx=1/12,\qquad I_y=\int_0^1\int_0^x x^2\,dy\,dx=1/4.

A massa é 1/21/2, por isso o raio de giração Ix/M=1/6\sqrt{I_x/M}=1/\sqrt6 fica dentro da altura do triângulo, como deve ser.

Uma função ímpar em xx integra a zero se a região e a densidade aplicável forem simétricas em relação ao eixo yy. A simetria deve existir no integrando completo e no domínio, não apenas numa parcela da expressão.

Exercícios

Descrever a mesma região duas vezes

Escreve a área entre y=x2y=x^2 e y=xy=x, para 0≤x≤10\le x\le1, nas duas ordens e calcula-a.

Pista
Na ordem dy dx, a faixa é vertical.
Mais uma pista
Na ordem dx dy, resolve x2≤y≤xx^2\le y\le x para x não negativo.
Solução
As expressões são ∫01∫x2x1 dy dx\int_0^1\int_{x^2}^x1\,dy\,dx e ∫01∫yy1 dx dy\int_0^1\int_y^{\sqrt y}1\,dx\,dy. Ambas valem 1/6.

Confere a tua resposta:

  • Escrevi desigualdades equivalentes.
  • Inverti os limites internos.
  • Confirmei a área por ambas as ordens.

Erros frequentes

Não transportes os limites sem resolveres as desigualdades: a raiz é o limite superior em x.
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Um integrando e um jacobiano

No anel 1≤x2+y2≤41\le x^2+y^2\le4, escreve ∬D(x2+y2) dA=cπ\iint_D(x^2+y^2)\,dA=c\pi. Qual é c?

Pista
Em polares, a função é r ao quadrado.
Solução

Os raios vão de 1 a 2. Assim, ∫02π∫12r3 dr dθ=2π(16−1)/4=15π/2\int_0^{2\pi}\int_1^2r^3\,dr\,d\theta=2\pi(16-1)/4=15\pi/2, por isso c=7,5c=7{,}5. O limite inferior 1 exclui o disco central.

Erros frequentes

Se esqueceres o jacobiano, obténs uma potência errada e um resultado diferente.
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Trocar a ordem com partição

No triângulo de vértices (0,0)(0,0), (2,0)(2,0) e (1,2)(1,2), escreve a área nas duas ordens.

Pista
Por faixas horizontais há um só integral; por faixas verticais a fronteira superior muda.
Mais uma pista
O cruzamento das retas está em x=1.
Solução

Por dx dydx\,dy:

∫02∫y/22−y/21 dx dy=2.\int_0^2\int_{y/2}^{2-y/2}1\,dx\,dy=2.

Por dy dxdy\,dx:

∫01∫02x1 dy dx+∫12∫04−2x1 dy dx=1+1=2.\int_0^1\int_0^{2x}1\,dy\,dx+\int_1^2\int_0^{4-2x}1\,dy\,dx=1+1=2.

Confere a tua resposta:

  • Desenhei o triângulo e o ponto de mudança.
  • Escrevi os dois integrais da ordem dividida.
  • Confirmei a área dos dois modos.

Erros frequentes

Um só integral em dy dx com limites 00 a 2x2x conta apenas metade do triângulo.
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Área com mudança não linear

No primeiro quadrante, com 1≤xy≤21\le xy\le2 e 1≤y/x≤31\le y/x\le3, escreve a área com u=xyu=xy, v=y/xv=y/x. Qual é o valor numérico?

Pista
A região vira um retângulo em uv.
Solução

A área é

∫12∫13(2v)−1 dv du=ln⁡(3)/2≈0,5493.\int_1^2\int_1^3(2v)^{-1}\,dv\,du=\ln(3)/2\approx0{,}5493.

Erros frequentes

Sem o módulo do jacobiano, a área do retângulo 22 não mede a região curva.
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Momento de inércia do triângulo

No triângulo 0≤y≤x≤10\le y\le x\le1 com densidade 11, qual é IxI_x?

Pista
Pesa cada ponto por y2y^2.
Solução
Ix=∫01x3/3 dx=1/12≈0,0833.I_x=\int_0^1 x^3/3\,dx=1/12\approx0{,}0833.

É diferente de Iy=1/4I_y=1/4, porque a distância ao eixo conta, não a distância à origem.

Erros frequentes

Usar x2+y2x^2+y^2 aqui dá o momento polar, não IxI_x.
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Área de um paralelogramo

Qual é a área da região 0≤x+y≤20\le x+y\le2, 0≤x−y≤10\le x-y\le1?

Pista
Usa u=x+y e v=x−y.
Mais uma pista
A inversa tem determinante de módulo 1/2.
Solução

O retângulo uv tem área 2 e a transformação inversa multiplica a área por 1/2. A área pedida é 1.

Erros frequentes

O determinante da transformação direta é 2. No integral em uv, usa o determinante da inversa.

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