Enunciado

Determine a área da superfície.

A parte do paraboloide hiperbólico z = y 2 - x 2 que está entre os cilindros x 2 + y 2 = 1 e x 2 + y 2 = 4

Passo 1

Faaala, pessoal, beleza??

Nessa questão a gente precisa calcular a área de uma superfície.

A área do gráfico de uma função z = f x , y é:

A S = ∬ D f x 2 + f y 2 + 1   d A

Nossa estratégia pra resolver isso vai ser:

  1. Definir quem é f , e calcular as derivadas parciais
  2. Descobrir o domínio D e transformar essa integral em uma integral iterada
  3. Calcular a integral.

Passo 2

A superfície S é parte de um paraboloide hiperbólico, então a função f vai ser:

f x , y = z = y 2 - x 2

Calculando as derivadas parciais, começando com x , mantendo y constante:

f x = ∂ y 2 - x 2 ∂ x = - 2 x

Em função de y , com x constante:

f y = ∂ y 2 - x 2 ∂ y = 2 y

A integral fica:

A S = ∬ D f x 2 + f y 2 + 1   d A

= ∬ D - 2 x 2 + 2 y 2 + 1   d A =

Então:

= ∬ D 4 x 2 + 4 y 2 + 1   d A =

A S = ∬ D 4 x 2 + y 2 + 1   d A

Passo 3

O domínio de integração é limitado pelos cilindros:

x 2 + y 2 = 1

x 2 + y 2 = 4

Ou seja:

1 ≤ x 2 + y 2 ≤ 4

Isso é uma região anular (entre duas circunferências de mesmo centro) no plano x y :

Então vamos fazer uma mudança de variáveis, usando coordenadas polares:

x = r cos ⁡ θ y = r sen ⁡ θ

Como estamos entre uma circunferência de raio 1 e outra de raio 2 ,

1 ≤ r ≤ 2

E

0 ≤ θ ≤ 2 π

Além disso, vamos lembrar que em coordenadas polares:

x 2 + y 2 = r 2 cos 2 ⁡ θ + r 2 sen 2 ⁡ θ = r 2

E que precisamos multiplicar o integrando pelo jacobiano:

J = r

Então:

A S = ∬ D 4 x 2 + y 2 + 1   d A

A S = ∫ 0 2 π ∫ 1 2 4 r 2 + 1 ∙ r d r d θ

Passo 4

Agora vamos resolver a integral, de dentro pra fora. Primeiro calculando em função de r , considerando θ constante:

= ∫ 0 2 π ∫ 1 2 4 r 2 + 1 ∙ r d r d θ =

Vamos fazer uma substituição u = 4 r 2 + 1 :

d u = 8 r d r ⇒ r d r = 1 8 d u

u 1 = 5

u 2 = 17

A integral fica assim:

= ∫ 0 2 π ∫ 5 17 u ∙ 1 8 d u d θ =

Calculamos a primitiva de u = u 1 2 :

u 3 2 3 2 = 2 3 u 3 2

Então:

= ∫ 0 2 π 1 8 ∙ 2 3 ∙ u 3 2 5 17 d θ =

= ∫ 0 2 π 1 12 ∙ 17 3 2 - 1 12 ∙ 5 3 2 d θ

Colocamos 1 12 em evidência pra fora da integral:

= 1 12 ∫ 0 2 π 17 17 - 5 5 d θ

Como o integrando é constante, a integral fica:

= 1 12 17 17 - 5 5 ∙ θ 0 2 π =

= 1 12 17 17 - 5 5 2 π

E achamos o valor da área:

A S = π 6 17 17 - 5 5

Resposta

A S = π 6 17 17 - 5 5

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