Enunciado

Seja D a região limitada por um caminho fechado simples C   no plano x y . Utilize o Teorema de Green para demonstrar que as coordenadas do centroide ( x - ,   y - ) de D são

x - = 1 2 A ∮ C x 2   d y                     y - = - 1 2 A ∮ C y 2   d x

onde A é a área de D .

Passo 1

Fala, pessoal! Tranquilo?

Nossa questão pede para usarmos o Teorema de Green

∫ C P   d x + Q   d y = ∬ ∂ Q ∂ x - ∂ P ∂ y d A

Para demonstramos que as coordenadas do centroide são as integrais de linha:

x - = 1 2 A ∮ C x 2   d y                     y - = - 1 2 A ∮ C y 2   d x

Para isso, podemos aplicar o Teorema de Green nas integrais duplas que já conhecemos:

x - = M y m ,   y - = M x m

Onde:

m = ∬ D ρ ( x , y ) d A

M y = ∬ D x ρ ( x , y ) d A

M x = ∬ D y ρ ( x , y ) d A

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

ρ x , y = 1

então temos

x - = M y m

Onde temos que

m = ∬ D ρ x , y d A

Substituindo a função densidade:

m = ∬ D d A

Com a integral dupla de d A é a própria área:

m = A ( D )

Agora, lidando com a integral do momento em y , substituímos a densidade ρ x , y = 1 novamente:

M y = ∬ D x ρ ( x , y ) d A = ∬ D x   d A

Passo 3

O teorema de Green traz que:

∫ C P   d x + Q   d y = ∬ ∂ Q ∂ x - ∂ P ∂ y d A

Igualando as integrais duplas:

∬ ∂ Q ∂ x - ∂ P ∂ y d A = ∬ D x   d A

Então vemos que o integrando das integrais devem ser iguais:

x = ∂ Q ∂ x - ∂ P ∂ y

Podemos escolher qualquer função que satisfaça a condição, se usarmos

P = 0

∂ Q ∂ x = x

Integrando dos dois lados:

∫ ∂ Q ∂ x d x = ∫ x   d x

Como a integral da derivada é a função original, temos:

Q = x 2 2 + C

Substituindo P e Q na integral de linha. A solução mais simples é quando C = 0 , já que C é uma constante que pode assumir qualquer valor. Assim temos que uma das possíveis soluções é

∬ D x   d A = ∮ C 0   d x + x 2 2 d y = ∮ C x 2 2 d y

Substituindo em x -

x - = M y m

Ficamos com:

x - = 1 A ∮ C x 2 2 d y

Tirando a constante 1 / 2 para fora, temos finalmente:

x - = 1 2 A ∮ C x 2   d y

Pronto! Chegamos na integral de linha que o enunciado pediu!

Passo 4

Usando o mesmo raciocínio para y - :

y - = M x m

Já podemos estender o resultado da integral de M y para M x :

y - = 1 A ∬ D y   d A

Para transformar em uma integral de linha:

y = ∂ Q ∂ x - ∂ P ∂ y

Se Q = 0

y = - ∂ P ∂ y

Para descobrirmos a função P , integramos dos dois lados:

- ∫ ∂ P ∂ y   d y = ∫ y   d y

Como a integral da derivada é a função original:

- P = y 2 2

Multiplicando a equação por - 1 :

P = - y 2 2

Substituindo temos

y - = 1 A ∮ C - y 2 2 d x

Tirando a constante para fora, chegamos exatamente na equação que o enunciado pediu!

y - = - 1 2 A ∮ C y 2   d x

Resposta

Demonstrações feitas!

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