Enunciado

Use o Teorema de Green para calcular a integral de linha ao longo da curva dada com orientação positiva.

∫ C y 3 d x - x 3 d y

C é o círculo x 2 + y 2 = 4

Passo 1

E aiiii turma, beleza?

Nesse exercício devemos usar o teorema de Green para calcular a seguinte integral de linha com orientação positiva:

∫ C y 3 d x - x 3 d y

Onde, C é o círculo x 2 + y 2 = 4

Bom, o primeiro passo é esboçar esse gráfico. Repare que temos um círculo de raio igual a 2 Fazendo isso temos:

Como temos um círculo, é interessante trabalharmos em coordenadas polares. Logo temos que:

x 2 + y 2 = r 2

x = r cos ⁡ θ

y = r   s e n   θ

d x d y = r d r d θ

E para esse círculo vamos ter os intervalos de r e θ como:

0 ≤ r ≤ 2

0 ≤ θ ≤ 2 π

Vamos lembrar do teorema de Green. Para uma curva C fechada e orientada positivamente, ou seja, no sentido anti-horário, podemos aplicar:

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

Por fim, seu objetivo vai ser montar a integral e calcular seu valor!

Vamos lá!!!

Passo 2

Vamos começar avaliando nossa região.

Sabemos que ela é o círculo: x 2 + y 2 = 4

Quando se trata de um círculo, podemos usar coordenadas polares. Ficando assim:

x 2 + y 2 = r 2

x = r cos ⁡ θ

y = r   s e n   θ

d x d y = r d r d θ

Pela figura, conseguimos confirmar que é um círculo de raio 2 .

Como é um círculo completo, vamos ter os seguintes intervalos de variação de r e θ :

0 ≤ r ≤ 2

0 ≤ θ ≤ 2 π

Passo 3

Como C é uma curva fechada, pelo Teorema de Green temos:

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

Do enunciado temos que nossa integral de linha é:

∫ C y 3 d x - x 3 d y

Onde,

P = y 3

Q = - x 3

Substituindo no teorema de Green, vamos ter:

∬ D ∂ ∂ x - x 3 - ∂ ∂ y y 3 d x d y

Fazendo as derivadas, ficamos com:

∬ D - 3 x 2 - 3 y 2 d x d y

- 3 ∬ D ( x 2 + y 2 ) d x d y

Agora devemos substituir por coordenadas polares. Fazendo isso ficamos com:

- 3 ∬ D r cos ⁡ θ 2 + r   s e n   θ 2 r d r d θ

- 3 ∬ D r 3 ( cos 2 ⁡ θ + s e n 2   θ ) d r d θ

Vamos utilizar a seguinte relação trigonométrica:

s e n 2   θ + cos 2 ⁡ θ = 1

Logo ficamos com:

- 3 ∬ D r 3 d r d θ

Passo 4

Agora vamos integrar. Mas antes vamos substitui os limites de integração:

0 ≤ r ≤ 2

0 ≤ θ ≤ 2 π

Vamos ficar com:

- 3 ∫ 0 2 π ∫ 0 2 r 3   d r d θ

Integrando em d r vamos ter:

- 3 ∫ 0 2 π r 4 4 0 2 d θ

Aplicando os intervalos de integração, temos:

- 3 ∫ 0 2 π 2 4 4 - 0 4 4 d θ

- 12 ∫ 0 2 π d θ

Integrando em d θ , vamos ter:

- 12 ( θ ) 0 2 π

Aplicando os intervalos de integração:

- 12 2 π - 0

Logo, nossa resposta aplicando o teorema de Green é:

- 24 π

Resposta

- 24 π

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