Matemática, perguntado por oliveiraufpe, 8 meses atrás

Calcule a integral dupla ∫∫R (x + y) dA semicírculo limitado por y = √ 4 − x 2 e y = 0.

Soluções para a tarefa

Respondido por SubGui
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Olá, boa tarde.

Para resolvermos esta questão, devemos nos relembrar de algumas propriedades estudadas sobre integrais duplas.

Devemos resolver a seguinte integral dupla: \displaystyle{\iint_R(x+y)\,dA, em que R é a região do semicírculo limitado por y=\sqrt{4-x^2} e y=0.

Primeiro, parametrizamos a curva. Fazemos:

\begin{cases}x=r\cos(\theta)\\y=r\sin(\theta)\\\end{cases}

Calculamos os limites de integração

r\sin(\theta)=\sqrt{4-r^2\cos^2\theta}\\\\\\r^2\sin^2(\theta)=4-r^2\cos^2(\theta)\\\\\\ r^2\sin^2(\theta)+r^2\cos^2(\theta)=4\\\\\\ r^2\cdot\underbrace{(\sin^2(\theta)+\cos^2(\theta))}_1=4\\\\\\ r^2 =4\\\\\\ r=\pm2

Assim, os limites de integração serão -2\leq r\leq 2 e 0\leq\theta\leq\pi, tendo em vista que a região é um semicírculo.

Calculamos o determinante jacobiano da transformação:

J=\begin{bmatrix}\dfrac{\partial x}{\partial r}&\dfrac{\partial x}{\partial \theta}\\\\ \dfrac{\partial y}{\partial r}&\dfrac{\partial y}{\partial \theta}\\\end{bmatrix}\\\\\\ J=\begin{bmatrix}\cos(\theta)&-r\sin(\theta)\\\sin(\theta)&r\cos(\theta)\\\end{bmatrix}

Calcule o determinante

\det|J|=\begin{Vmatrix}\cos(\theta)&-r\sin(\theta)\\\sin(\theta)&r\cos(\theta)\\\end{Vmatrix}\\\\\\ \det|J|=|\cos(\theta)\cdot(r\cos(\theta))-(-r\sin(\theta))\cdot\sin(\theta)|\\\\\\ \det|J|=|r\cos^2(\theta)+r\sin^2(\theta)|\\\\\\ \det|J|=|r\cdot\underbrace{(\cos^2(\theta)+\sin^2(\theta))}_1|\\\\\\ \det|J|=|r|=r

A integral dupla se torna: \displaystyle{\iint_R f(x,~y)\,dA\Rightarrow\int_{\theta_1}^{\theta_2}\int_{r_1}^{r_2}f(r,~\theta)\cdot\det|J|\,dr\,d\theta}. Assim, teremos:

\displaystyle{\int_0^{\pi}\int_{-2}^2(r\cos(\theta)+r\sin(\theta))\cdot r\,dr\,d\theta

Fatore a expressão no integrando

\displaystyle{\int_0^{\pi}\int_{-2}^2r^2\cdot(\cos(\theta)+\sin(\theta))\,dr\,d\theta

A integral mais interna diz respeito à variável r. Logo, fazemos:

\displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))\cdot\int_{-2}^2r^2\,dr\,d\theta

Calculamos a integral utilizando a regra da potência: \displaystyle{\int x^n\,dx=\dfrac{x^{n+1}}{n+1}+C.

\displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))\cdot\left(\dfrac{r^{2+1}}{2+1}\right)~\biggr|_{-2}^2\,d\theta

Some os valores no expoente e denominador e aplique os limites de integração, de acordo com o Teorema fundamental do Cálculo: \displaystyle{\int_a ^b f(x)\,dx=F(x)~\biggr|_a ^b=F(b)-F(a).

\displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))\cdot\left(\dfrac{r^3}{3}\right)~\biggr|_{-2}^2\,d\theta}\\\\\\ \displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))\cdot\left(\dfrac{2^3}{3}-\dfrac{(-2)^3}{3}\right)\,d\theta}

Calcule as potências, some e multiplique os valores

\displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))\cdot\left(\dfrac{8}{3}-\dfrac{-8}{3}\right)\,d\theta}\\\\\\ \displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))\cdot\dfrac{16}{3}\,d\theta}

Aplique a regra da constante

\dfrac{16}{3}\cdot\displaystyle{\int_0^{\pi}(\cos(\theta)+\sin(\theta))}\,d\theta}

Aplique a regra da soma: \displaystyle{\int f(x)\pm g(x)\,dx=\int f(x)\,dx\pm \int g(x)\,dx

\dfrac{16}{3}\cdot\left(\displaystyle{\int_0^{\pi}\cos(\theta)\,d\theta+\int_0^{\pi}\sin(\theta)}\,d\theta}\right)

Calcule as integrais, sabendo que \displaystyle{\int\cos(\theta)\,d\theta=\sin(\theta)+C e \displaystyle{\int\sin(\theta)\,d\theta=-\cos(\theta)+C

\dfrac{16}{3}\cdot\left(\sin(\theta)-\cos(\theta)\right)~\biggr|_0^{\pi}

Aplique os limites de integração

\dfrac{16}{3}\cdot[\sin(\pi)-\cos(\pi)-(\sin(0)-\cos(0))]

Sabendo que \sin(\pi)=\sin(0)=0, \cos(\pi)=-1 e \cos(0)=1, teremos:

\dfrac{16}{3}\cdot[0-(-1)-(0-1)]\\\\\\ \dfrac{16}{3}\cdot2\\\\\\ \dfrac{32}{3}

Este é o resultado desta integral.

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