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Exercícios Resolvidos de Caso Escalar R²

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Exercício 512346789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960

Enunciado

  1. Calcule ∮ C   - y   d x + x   d y , ao longo dos seguintes caminhos fechados, orientados no sentido anti-horário.
  1. Triângulo de vértices 0 ,   0 ,   1 ,   0 e 0 ,   1 .

Passo 1

Bem, antes do começarmos qualquer coisa, vamos colocar essa integral de linha de uma forma mais elegante.

Como você já pode notar, a integral de linha está assim ∮ C   - y   d x + x   d y , certo? Só que esse formato é apenas outra forma de falar que estamos trabalhando uma integral de linha de um campo de vetores: ∮ C   F → x ,   y d r →

∮ C   - y   d x + x   d y = ∮ C   F → x ,   y d r →

Onde esse F → x ,   y é o vetor...

F → x ,   y = - y ,   x

Se buscarmos a solução dessa integral de linha do modo diretão, nada mais justo que seguirmos o passo a passo maroto de resolução desse tipo de integral:

  1. Parametrizar a curva C que estamos trabalhando.
  2. Substituir os termos do campo vetorial F → x ,   y pelos termos da parametrização.
  3. Encontrar o termo d r → .

Então vem comigo nessa aventura! :D

Passo 2

Vamos então parametrizar a curva C , mas por falar nisso, quem é a curva C ?

Bem, para encontra essa curva C , basca desenharmos esse triângulo do enunciado unindo os pontos: 0 ,   0 ,   1 ,   0   e   0 ,   1 .

Viu?

Agora note que há três curvas a serem parametrizadas que vou nomeá-las de C 1 , C 2 e C 3

Logo, para calcular a integral de linha que queremos no triângulo, devemos calcular a integral em cada uma dessas curvas separadamente e depois somarmos:

∮ C   F → x ,   y d r → = ∫ C 1   F → x ,   y d r → + ∫ C 2   F → x ,   y d r → + ∫ C 3   F → x ,   y d r →

Passo 3

Vamos fazer aqui a ∫ C 1   F → x ,   y d r → primeiro.

Como vimos, devemos parametrizar C 1 primeiro:

Como C 1 é uma reta, toda reta pode ser parametrizada da forma

x = x 0 + a t

y = y 0 + b t

Onde ( x 0 ,   y 0 ) é um ponto da reta... No caso pode ser o próprio ponto de saída ( 0 ,   0 ) ...

x = a t

y = b t

Quanto ao ( a ,   b ) , ele nada mais é do que o vetor de direção da retinha e pode ser encontrada fazendo a subtração do ponto de chegada pelo ponto de partida

a ,   b = 1 ,   0 - 0 ,   0

a ,   b = 1 ,   0

então, a = 1 e b = 0 ...

x = t

y = 0

Logo, a parametrização da reta C 1 de uma forma mais elegante...

γ 1 t = ( t ,   0 )

Como x é t e x está variando do ponto inicial 0 ,   0   de x = 0 até o ponto final 1 ,   0 ...

0 ≤ t ≤ 1

Passo 4

Beleza! Agora devemos prosseguir substituindo no campo vetorial F → x ,   y , esse x e y pelos termos da parametrização:

F → x ,   y = - y ,   x       →

Como na parametrização que temos,   γ 1 t = ( t ,   0 ) , x é a primeira entrada e y é a segunda...

F → γ t = 0 ,   t  

Passo 5

Para encontrar o termo d r → , basta sabermos que facilmente o encontramos fazendo:

d r → = γ ' t d t

Como no caso a parametrização foi   γ 1 t = ( t ,   0 ) , derivando cada termo do vetor em relação a t ...

γ 1 t = ( t ,   0 ) ,               →               γ ' t = 1 ,   0

Logo...

d r → = 1 ,   0 d t

Passo 6

Voltando para a integral de linha que estamos trabalhando

∫ C 1   F → x ,   y d r →

e substituir todos os dados que obtivemos...

∫ C 1   F → x ,   y d r → = ∫ 0 1 0 ,   t ∙ 1 ,   0 d t

Não se esqueça de realizar esse produto escalar de vetores aí, heim!

∫ 0 1 0 ,   t ∙ 1 ,   0 d t = ∫ 0 1 1 ⋅ 0 +   0 ⋅ t   d t =

0

Passo 7

Vamos repetir o processo, mas agora para encontrar o resultado da segunda integral: ∫ C 2   F → x ,   y d r → :

  • Portando devemos parametrizar a curva C 2 ...

    • Como é uma reta, sua parametrização é do tipo

    x = x 0 + a t

    y = y 0 + b t

    Onde ( x 0 ,   y 0 ) é um ponto da reta... No caso pode ser ( 1 ,   0 ) ...

    x = 1 + a t

    y = b t

    Quanto ao vetor de direção ( a ,   b ) , dessa vez

    a ,   b = 0 ,   1 - 1,0 = - 1 ,   1

    logo,

    x = 1 - t

    y = t

    γ 2 t = ( 1 - t ,   t )

    Com t saindo do y = 0 e indo até o y = 1 ...

    0 ≤ t ≤ 1

  • Sim, substituir a parametrização no campo vetorial F → x ,   y :

    • F → x ,   y = - y ,   x       →

    Como x = 1 - t e y = t ...

    F → γ t = - t ,   1 - t  

  • Não se esqueça de encontrar o termo d r → para esse caso:

    • d r → = γ ' 2 t d t

    γ 2 t = 1 - t ,   t   →       γ ' 2 t = - 1 ,   1

  • Substituindo na integral de linha...

∫ C 2   F → x ,   y d r → = ∫ 0 1 - t ,   1 - t ⋅ - 1 ,   1   d t =

∫ 0 1 t + 1 - t   d t = ∫ 0 1 1   d t =

t 0 1 =

1

Passo 8

Mas uma vez, e não fique entediado, repetimos o processo para a última integral: ∫ C 3   F → x ,   y d r → :

  • Parametrizando, poderíamos fazer como fizemos até agora, ou para ganhar tempo, repare que a reta está perpendicular a y e passando por x = 0 , então sua parametrização tem y variando e x fixo sempre sendo0 1 :

    • x = 0

    y = t

    como a reta desce, coloquemos um negativo na frente do y ... Portanto a parametrização é

    γ 3 = 0 , -   t

    onde t varia de 0 até 1

    0 ≤ t ≤ 1

  • Substituindo a parametrização no campo vetorial F → x ,   y :

    • F → x ,   y = - y ,   x       →

    F → γ 3 t = t ,   0

  • O termo d r → para esse caso:

    • d r → = γ ' 3 t d t

    γ 3 t = 0 , -   t   →       γ ' 3 t = 0 ,   - 1

  • Substituindo na integral de linha...

∫ C 3   F → x ,   y d r → = ∫ 0 1 t ,   0 ⋅ 0 ,   - 1 d t =

0

Passo 9

Finalmente somando tudo, obtemos a integral de linha em cima da Curva C composta, saca?

∮ C   F → x ,   y d r → = ∫ C 1   F → x ,   y d r → + ∫ C 2   F → x ,   y d r → + ∫ C 3   F → x ,   y d r →

∮ C   F → x ,   y d r → = 0 + 1 + 0 =

1

Resposta

c )   1

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Calcule a integral de linha, onde C é a curva dada.int_C x y^3 d s , C : x = 4 s e n t , y = 4 cos t , z = 3 t , 0 = t = (pi)/(2)
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Calcule a integral de linha, onde C é a curva dada.int_C x y^4 d s , C é a m e t a d e d i r e i t a d o c í r c u l o x^2 + y^2 = 16 é í