Enunciado

Se você tentar utilizar a Fórmula 2 para determinar a área do topo superior da esfera x 2 + y 2 + z 2 = a 2 , terá problemas, porque a integral dupla é impropria. De fato, o integrando tem uma descontinuidade infinita em todo ponto da fronteira circular x 2 + y 2 = a 2 . Entretanto, a integral pode ser calculada sobre o disco x 2 + y 2 ≤ t 2 com t → a - . Utilize este método para mostrar que a área de uma esfera de raio a é 4 π a 2 .

Passo 1

Faala, pessoal!

Essa questão vai fazer a gente pensar em alguns conceitos, então vamos ver com calma...

Primeira coisa: vamos ver quem é essa Fórmula 2 que ele tá falando:

A área da superfície de equação z = f x , y , x , y ∈ D , onde f x e f y são contínuas é:

A S = ∬ D 1 + f x 2 + f y 2 d A

Beleza, só que a questão fala que a gente não consegue usar essa fórmula pra determinar a área da metade superior de uma esfera, porque ela vai ter uma descontinuidade nos pontos x 2 + y 2 = a 2 .

Spoiler: isso acontece porque vai aparecer um termo a 2 - x 2 - y 2 (que da 0 nesses pontos) no denominador quando calcularmos as derivadas parciais...

Então o que ele fala pra gente fazer é usar do conceito de limite!

Se a gente calcular essa integral em vez de no disco x 2 + y 2 ≤ a 2 , que é o domínio da esfera, no disco x 2 + y 2 ≤ t 2 , nós deixamos de ter esse problema do 0 no denominador! E aí no final é só fazer t → a - que teremos a área da esfera!

Tá, vamos organizar então nosso passo a passo pra resolver isso:

  1. Definir quem vai ser a função f , pra poder calcular as derivadas parciais, e jogar isso na integral. Aqui vai ser mais fácil a gente fazer só o topo superior da esfera, e no final a gente multiplica o resultado por 2 .
  2. Transformar essa integral em uma integral iterada, a partir do domínio D : x 2 + y 2 ≤ t 2 e calcular (nosso resultado vai depender de t )
  3. Calcular o limite desse resultado quando t → a - e achamos a área da esfera assim:

A e s f e r a = 2 ∙ lim t → a - ⁡ A S

A gente já sabe que esse resultado tem que dar 4 π a 2

Ent��o vamos lá!!

Passo 2

A gente consegue achar a função que define uma esfera isolando o z na equação

x 2 + y 2 + z 2 = a 2

z 2 = a 2 - x 2 - y 2

Como vamos ver só o topo superior ( z ≥ 0 ):

f x , y = z = a 2 - x 2 - y 2

Assim, calculamos as derivadas parciais.

Quando derivamos em função de x , consideramos y constante, e vamos precisar usar a regra da cadeia:

f x = ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∂ x = ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∙ ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∂ x

Como a derivada de x = 1 2 x :

= 1 2 a 2 - x 2 - y 2 ∙ - 2 x

⇒ f x = - x 2 2 - x 2 - y 2

Pra derivar em função de y o processo é o mesmo, agora mantendo x constante:

f y = ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∂ y = ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∙ ∂ a 2 - x 2 - y 2 ∂ y

Como a derivada de x = 1 2 x :

= 1 2 a 2 - x 2 - y 2 ∙ - 2 y

⇒ f y = - y a 2 - x 2 - y 2

Colocando isso na fórmula:

A S = ∬ D 1 + f x 2 + f y 2 d A

= ∬ D 1 + - x a 2 - x 2 - y 2 2 + - y a 2 - x 2 - y 2 2 d A

Resolvendo os quadrados:

= ∬ D 1 + x 2 a 2 - x 2 - y 2 + y 2 a 2 - x 2 - y 2 d A

= ∬ D 1 + x 2 + y 2 a 2 - x 2 - y 2 d A

Vamos juntar esses termos dentro da raiz em uma fração só:

= ∬ D ( a 2 - x 2 - y 2 ) + ( x 2 + y 2 ) a 2 - x 2 - y 2 d A

= ∬ D a 2 a 2 - x 2 - y 2 d A

Como a é o raio da esfera, é sempre um valor positivo, então pode sair da raiz e temos:

A S = ∬ D a a 2 - x 2 - y 2 d A

Passo 3

Vamos olhar pro nosso domínio:

x 2 + y 2 ≤ t 2

Como isso é um disco, vamos usar coordenadas polares:

x = r cos ⁡ θ y = r sen ⁡ θ

Com 0 ≤ r ≤ t e 0 ≤ θ ≤ 2 π .

E o jacobiano:

J = r

Além disso, nesse sistema de coordenadas temos:

x 2 + y 2 = r 2

Então, nossa integral fica assim:

A S = ∬ D a a 2 - x 2 - y 2 d A

= ∫ 0 2 π ∫ 0 t a a 2 - r 2 r d r d θ

Passo 4

Pra resolver essa integral, vamos calcular de dentro pra fora. Primeiro em função de r , considerando θ constante:

��� 0 2 π ∫ 0 t a a 2 - r 2 r d r d θ

Podemos fazer uma substituição u = a 2 - r 2

d u = - 2 r d r ⇒ r d r = - 1 2 d u

u 0 = a 2

u t = a 2 - t 2

Então:

= ∫ 0 2 π ∫ a 2 a 2 - t 2 a u - 1 2 d u d θ =

Os termos a e - 1 2 são constantes e podem sair da integral toda:

= - a 2 ∫ 0 2 π ∫ a 2 a 2 - t 2 1 u d u d θ =

A primitiva de 1 u = u - 1 2 é:

u 1 2 1 2 = 2 u

Então:

= - a 2 ∫ 0 2 π 2 u u = a 2 u = a 2 - t 2 d θ =

Resolvendo nos limites de integração:

= - a 2 ∫ 0 2 π 2 a 2 - t 2 - 2 a 2 d θ =

De novo podemos tirar o a 2 da raiz, porque a é sempre positivo. Além disso, todo esse termo entre parênteses é constante, e sai da integral:

= - a 2 ∫ 0 2 π 2 a 2 - t 2 - 2 a d θ =

= - a 2 2 a 2 - t 2 - 2 a ∫ 0 2 π d θ =

Resolvendo a integral em função de θ :

= - a 2 2 a 2 - t 2 - 2 a ∙ θ 0 2 π =

= - a 2 2 a 2 - t 2 - 2 a ∙ 2 π - 0 =

Colocando o 2 em evidência:

= - a 2 ∙ 2 a 2 - t 2 - a ∙ 2 π =

= - 2 π a a 2 - t 2 - a =

E então:

A S = 2 π a a - a 2 - t 2

Passo 5

Agora nós queremos relacionar essa área com a área de uma esfera.

Isso acontece quando t → a - .

Só que como a gente só pegou a parte superior da esfera, também temos que multiplicar por 2 , então:

A e s f e r a = 2 ∙ lim t → a - ⁡ A S

= 2 ∙ lim t → a - ⁡ 2 π a a - a 2 - t 2

Percebe que quando t → a - o termo a 2 - t 2 → 0 + , já que t 2 tende pra a 2 , mas por valores menores, então essa subtração vai ser positiva. Já que isso acontece, podemos tirar a raiz tranquilamente e:

lim t → a - ⁡ a 2 - t 2 = 0

Assim:

A e s f e r a = 2 ∙ 2 π a a - 0

= 4 π a 2

E provamos o que o exercício pediu!

Resposta

Demonstração ao longo da resolução.

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