Enunciado
Cálculo - Cálculo Volume 2 - 8ª Edição - James Stewart- Ed: 8º - Capítulo 16.4 - Ex. 22
Seja a região limitada por um caminho fechado simples no plano Utilize o Teorema de Green para demonstrar que as coordenadas do centroide de são
onde é a área de .
Passo 1
Fala, pessoal! Tranquilo?
Nossa questão pede para usarmos o Teorema de Green
Para demonstramos que as coordenadas do centroide são as integrais de linha:
Para isso, podemos aplicar o Teorema de Green nas integrais duplas que já conhecemos:
Onde:
Então nossa estratégia é usarmos o Teorema de Green para sairmos da integral dupla e chegarmos na integral de linha.
Vamos lá!
Passo 2
O centroide nada mais é do que o centro de massa de uma região onde a função densidade é
então temos
Onde temos que
Substituindo a função densidade:
Com a integral dupla de é a própria área:
Agora, lidando com a integral do momento em , substituímos a densidade novamente:
Passo 3
O teorema de Green traz que:
Igualando as integrais duplas:
Então vemos que o integrando das integrais devem ser iguais:
Podemos escolher qualquer função que satisfaça a condição, se usarmos
Integrando dos dois lados:
Como a integral da derivada é a função original, temos:
Substituindo e na integral de linha. A solução mais simples é quando , já que é uma constante que pode assumir qualquer valor. Assim temos que uma das possíveis soluções é
Substituindo em
Ficamos com:
Tirando a constante para fora, temos finalmente:
Pronto! Chegamos na integral de linha que o enunciado pediu!
Passo 4
Usando o mesmo raciocínio para :
Já podemos estender o resultado da integral de para :
Para transformar em uma integral de linha:
Se
Para descobrirmos a função , integramos dos dois lados:
Como a integral da derivada é a função original:
Multiplicando a equação por :
Substituindo temos
Tirando a constante para fora, chegamos exatamente na equação que o enunciado pediu!
Resposta
Demonstrações feitas!