Enunciado

Escreva a equação em coordenadas esféricas.

(a) z 2 = x 2 + y 2

(b) x 2 + z 2 = 9

Passo 1

Olá, mestre dos números! Está pronto para mostrar todo o seu talento em cálculo? Vamos nessa!

Essa questão nos pede para escrever a equação (a) z 2 = x 2 + y 2   e (b) x 2 + z 2 = 9 em coordenadas esféricas.

Basta nos lembrarmos do conceito de coordenadas esféricas para encontrarmos os pontos em coordenadas retangulares equivalentes.

As relações entre coordenadas esféricas ρ , ϕ , θ e coordenadas retangulares x , y , z são dadas da seguinte forma:

x = ρ sen ⁡ ϕ cos ⁡ θ y = ρ sen ⁡ ϕ sen ⁡ θ z = ρ cos ⁡ ϕ

Desta forma fica fácil, né? Vamos começar pela letra a:

Passo 2

(a)Substituindo as relações do passo 1 na equação z 2 = x 2 + y 2 :

ρ cos ⁡ ϕ 2 = ρ sen ⁡ ϕ cos ⁡ θ 2 + ρ sen ⁡ ϕ sen ⁡ θ 2

ρ cos ⁡ ϕ 2 = ρ ² sen ² ⁡ ϕ cos ² ⁡ θ + ρ ² sen ² ⁡ ϕ sen ² ⁡ θ

Expandimos os termos à direita:

ρ cos ⁡ ϕ 2 = ( ρ ² sen ² ⁡ ϕ ) ( cos ² ⁡ θ + sen ² ⁡ θ )

Como ( cos ² ⁡ θ + sen ² ⁡ θ ) = 1 :

ρ cos ⁡ ϕ 2 = ( ρ ² sen ² ⁡ ϕ )

Dividimos ambos os lados por ρ ² :

cos 2 ⁡ ϕ = sen 2 ⁡ ϕ

Portanto, a solução para a equação (a) é:

cos 2 ⁡ ϕ = sen 2 ⁡ ϕ

Passo 3

(b) Vamos novamente usar as relações entre coordenadas esféricas e cartesianas:

x 2 + z 2 = 9

Substituímos as relações:

ρ sen ⁡ ϕ cos ⁡ θ 2 + ρ cos ⁡ ϕ 2 = 9

ρ ² sen ² ⁡ ϕ cos ² ⁡ θ + ρ ² cos ² ⁡ ϕ = 9

Fatoramos ρ ² :

ρ ² ( sen ² ⁡ ϕ cos 2 ⁡ θ + cos 2 ⁡ ϕ ) = 9

Portanto, a solução para a equação (b) é:

ρ ² ( sen ² ⁡ ϕ cos 2 ⁡ θ + cos 2 ⁡ ϕ ) = 9

Resposta

(a) cos 2 ⁡ ϕ = sen 2 ⁡ ϕ

(b) ρ ² ( sen ² ⁡ ϕ cos 2 ⁡ θ + cos 2 ⁡ ϕ ) = 9

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