Enunciado

(a) Use a Regra do Ponto Médio para integrais duplas (veja a Seção 15.1 ) com seis quadrados para estimar a área da superfície z = 1 1 + x 2 + y 2   ,   0 ≤ x ≤ 6   ,   0 ≤ y ≤ 4 .

(b) Use um sistema de computação algébrica para aproximar a área de superfície da parte (a) até a quarta casa decimal. Compare com sua resposta para a parte (a).

Passo 1

Fala, galera! Beleza? 😊

No item (a), iremos resolver a área de superfície

z = 1 1 + x 2 + y 2

Através da Regra do Ponto Médio para integrais duplas, definidas por

0 ≤ x ≤ 6   ,     0 ≤ y ≤ 4

Iremos usar fórmulas para cada coisinha dessa questão.

E no item (b), usar softwares para expressar os valores do item (a) em até quatro casas decimais, show?

Passo 2

(a) Pessoal, primeiro vamos expressar a área da superfície como uma integral através dessa fórmula aqui:

A S = ∫ ∫ D   1 + ∂ z ∂ x 2 + ∂ z ∂ y 2   d A

Vamos fazer as derivadas parciais da função z dada na questão e substituir na raiz:

∂ z ∂ x 1 1 + x 2 + y 2 → - 2 x 1 + x 2 + y 2 2

∂ z ∂ y 1 1 + x 2 + y 2 → - 2 y 1 + x 2 + y 2 2

Temos nossos limites de integração também já definidos no enunciado, com

0 ≤ x ≤ 6   ,     0 ≤ y ≤ 4

Portanto, jogando tudo na fórmula, teremos:

∫ 0 6 ∫ 0 4 1 + - 2 x 1 + x 2 + y 2 2 2 + - 2 y 1 + x 2 + y 2 2 2     d y   d x

Organizando, chegaremos a

∫ 0 6 ∫ 0 4 1 + 4 x 2 + 4 y 2 1 + x 2 + y 2 4   d y   d x

Ou melhor,

∫ 0 6 ∫ 0 4 1 + x 2 + y 2 4 + 4 x 2 + 4 y 2 1 + x 2 + y 2 2   d y   d x

Passo 3

Agora vamos usar a regra do Ponto Médio, com a fórmula

∫ ∫ D f x , y d A = ∑ i = 0 m ∑ j = 0 n f ( x i - , y j - ) ∆ A

Onde f x ,   y = 1 + x 2 + y 2 4 + 4 x 2 + 4 y 2 1 + x 2 + y 2 2

E m e n são subquadrados em cada eixo, como podemos ver abaixo, com m = 2 e n = 3 :

E em cada quadradinho temos os pontos médios x i - , y j - .

Lembrando que a área de cada subquadrado é dado por

∆ A = 2 ⋅ 2 = 4

Com isso, podemos fazer que a ��rea de superfície é dada por:

A S ≈ 4 f 1 ,   1 + f 1 ,   3 + f 3 ,   1 + f 3 ,   3 + f 5 ,   1 + f 5 ,   3

Substituindo cada valor dentro da função z , teremos:

A S ≈ 24,2055

Passo 4

(b) Agora, se usarmos um sistema de computação algébrica para aproximar a mesma integral, obteremos:

A S ≈ 24,2476

Repare que a Regra do Ponto Médio nos deu uma aproximação bastante coerente da área da superfície, mas para uma maior precisão, deveria se usar mais quadrados.

Resposta

a   A S ≈ 24,2055

b   A S ≈ 24,2476

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