Enunciado

Use coordenadas esféricas.

Encontre o volume da parte da esfera ρ   ≤   a que fica entre os cones ϕ = π 6 e ϕ = π 3 .

Passo 1

Fala, pessoal! Como é que cês tão?

Nossa questão pede o volume de uma esfera com raio:

ρ   ≤   a

Que fica entre os cones descritos por:

ϕ = π 6

E:

ϕ = π 3

O enunciado pede para usarmos coordenadas esféricas. Para achar o volume de um sólido, precisamos da integral tripla:

∭ E d V

Então, o que precisamos começar encontrando na nossa resolução são os limites de integração, que terão que estar em coordenadas esféricas. De coordenadas retangulares para esféricas temos as seguintes relações:

x = ρ   s e n ϕ cos ⁡ θ

y = ρ   s e n ϕ sen ⁡ θ

z = ρ cos ⁡ ϕ

E:

d V = ρ 2   s e n ϕ   d ρ   d ϕ   d θ  

Também usamos a equação:

ρ 2 = x 2 + y 2 + z 2

Então, precisamos descrever nossa esfera em coordenadas cilíndricas e resolver nossa integral de volume “de dentro para fora”.

Vem!

Passo 2

Vamos encontrar nossos limites de integração:

Analisando a região dada no enunciado, através da esfera temos que

0   ≤   ρ   ≤   a

Como nosso sólido está entre dois cones descritos por ϕ :

π 6   ≤   ϕ   ≤   π 3

Não temos nenhuma restrição para θ , logo

0   ≤   θ   ≤   2 π

Dessa forma, podemos reescrever nossa integral:

∭ E d V

Como:

d V = ρ 2   s e n ϕ   d ρ   d ϕ   d θ  

Podemos substituir nossos limites de integração:

∫ π / 6 π / 3 ∫ 0 2 π ∫ 0 a ρ 2 s e n   ϕ   d ρ   d θ   d ϕ

Pronto! Já temos a integral em coordenadas cilíndricas que representa o volume do sólido.

Passo 3

Agora basta calcularmos nossa integral:

∫ π / 6 π / 3 ∫ 0 2 π ∫ 0 a ρ 2 s e n   ϕ   d ρ   d θ   d ϕ

Podemos agora separar as integrais conforme suas variáveis, sendo assim, temos:

∫ π / 6 π / 3 s e n   ϕ   d ϕ ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 a ρ 2 d ρ

Resolvendo simultaneamente a integral para as 3 coordenadas, temos:

- c o s   ϕ   π / 6 π / 3   .   θ 0 2 π   .   ρ 3 3 0 a

Aplicando os limites de integração em cada variável:

- c o s   π 3 + c o s   π 6   .   2 π - 0   .   a 3 3 - 0 3 3

Calculando os resultados:

- 1 2 + 3 2   .   2 π   .   a 3 3

Somando as frações:

3 - 1 2   .   2 π   .   a 3 3

Multiplicando nossos termos e simplificando:

3 - 1 . π . a 3 3

Sendo assim, temos que:

V = π a 3 3 3 - 1

Uhul! Conseguimos!

Resposta

V = π a 3 3 3 - 1

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Escreva a integral tripla de uma função contínua arbitrária f x , y , z em coordenadas cilíndricas ou esféricas sobre o sólido mostrado.
Utilize coordenadas esféricas.Calcule ∭ E z d V , onde E está entre as esferas x 2 + y 2 + z 2 = 1 e x 2 + y 2 + z 2 = 4 no primeiro octante.
Utilize coordenadas esféricas.Calcule ∭ E x y z d V , onde E está entre as esferas ρ = 2 e ρ = 4 e acima do cone ϕ = π 3 .
Utilize coordenadas esféricas.Calcule ∭ H 9 - x 2 - y 2 d V , onde H é o hemisfério sólido x 2 + y 2 + z 2 ≤ 9 , z ≥ 0 .
Esboce o sólido descrito pelas desigualdades dadas. ρ ≤ 2 , ρ ≤ c o s s e c ( ϕ )