Enunciado

Determine o comprimento da curva dada.

r t = cos ⁡ t i + sin ⁡ t j + ln ⁡ cos ⁡ t   k         0 ≤ t ≤ π 4

Passo 1

Fala ai galerinha!

Tranquilo? Vamos começar mais uma questão?

O objetivo é calcular o comprimento da curva dada no enunciado e para isso precisamos iniciar pela derivada da curva e seu módulo para colocarmos na equação do comprimento da curva

Agora é só resolver!

Passo 2

Em uma equação paramétrica do seguinte tipo:

r t = x t i + y t j + z t k

r t = cos ⁡ t i + s e n   t j + l n cos ⁡ t k

As derivadas parciais são:

r ' t = d d t [ cos ⁡ t   i + s e n   t   j + l m   ( cos ⁡ t ) k

r ' t = - s e n   t   i + cos ⁡ t j + d d t ln ⁡ cos ⁡ t k

Para a terceira componente, usamos a regra da cadeia:

d d t ln ⁡ cos ⁡ t = 1 cos ⁡ t - s e n   t

= - t g   t

Portanto,

r ' t = - s e n   t   i + cos ⁡ t   j - t g   t   k  

Passo 3

Para calcular | r ' t | é:

r ' t = - s e n 2 t + cos 2 ⁡ t + ( - t g   t ) ²

Simplificando cada termo:

r ' t = - s e n 2 t + cos 2 ⁡ t + t g 2 t

Sabemos que s e n 2 t + c o s 2 t = 1 e t g = s e n t c o s t

t g 2 t = s e n 2 t c o s 2 t

Simplificando ainda mais

r ' t = 1 + s e n 2 t c o s 2 t

Fazendo o MMC

r ' t = c o s 2 t + s e n 2 t c o s 2 t

r ' t = 1 c o s 2 t

r ' t = 1 cos ⁡ t

Passo 4

Calculando o comprimento da curva

L = ∫ a b r ' t d t

Substituindo o que encontramos no Passo 3

L = ∫ 0 π / 4 1 cos ⁡ t d t

Lembrando que sec ⁡ t = 1 cos ⁡ t

L = ∫ 0 π / 4 sec ⁡ t d t

A integral de sec ⁡ t = l n ⁡ | sec ⁡ t + t g �� t | :

L = ln ⁡ sec ⁡ t + t g   t

Passo 5

Aplicando os limites de integração

Para t = 0

sec ⁡ 0 = 1 ,   t g   0 = 0

sec ⁡ 0 + t g   0 = 1

Para t =   π / 4

sec ⁡ π 4 = 2 ,     t g π 4 = 1

s e n π 4 + t g π 4 = 2 + 1

Então:

L = ln ⁡ 2 + 1 - ln ⁡ 1

Simplificando

L = l n 2 + 1

Resposta

L = l n ⁡ ( 2 + 1 )

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