Calcule a integral de superfície 14. $\iint_{S} y^{2} d S, S$ é a parte da esfera $x^{2}+y^{2}+z^{2}=4$ que está dentro do cilindro $x^{2}+y^{2}=1$ e acima do plano $x y$
Passo 1
Beleza, vamos lá! Temos uma integral de superfície para calcular:
. A superfície
é a parte da esfera
que está dentro do cilindro
e acima do plano
(ou seja, onde
). Para resolver isso, vamos precisar usar coordenadas esféricas, que facilitam os cálculos em superfícies esféricas.
Passo 2
Primeiro, vamos entender a geometria do problema. A esfera tem raio
(já que
) e o cilindro tem raio
. Como estamos acima do plano
, consideramos apenas a metade superior da esfera (
).
Passo 3
Vamos mudar para coordenadas esféricas, onde:
Aqui,
é o raio (que é
para a esfera),
é o ângulo com o eixo
, e
é o ângulo no plano
.
Passo 4
Na esfera de raio
,
. O cilindro
em coordenadas esféricas fica:
Simplificando:
Então,
ou
.
Passo 5
Portanto,
varia de
a
para estarmos dentro do cilindro. A integral na superfície em coordenadas esféricas é dada por:
Aqui,
.
Passo 6
Vamos simplificar a expressão:
Então:
Passo 7
Podemos separar as integrais:
Primeiro, vamos calcular
. Sabemos que:
Porque
tem média
ao longo de um período completo.
Passo 8
Agora, vamos calcular
. Podemos usar a fórmula de redução:
Para
:
Avaliando de
a
:
Simplificando:
Passo 9
Agora, juntando tudo:
Resposta
A integral de superfície é
.
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<mjx-container class=“MathJax” jax=“SVG”><svg style=“vertical-align: -0.566ex;” xmlns=“http://www.w3.org/2000/svg” width=“10.289ex” height=“2.451ex” role=“img” focusable=“false” viewBox=“0 -833.2 4547.6 1083.2”><title>870 kg/m^3</title><g stroke=“currentColor” fill=“currentColor” stroke-width=“0” transform=“scale(1,-1)”><g data-mml-node=“math”><g data-mml-node=“mn”><path data-c=“38” d=“M70 417T70 494T124 618T248 666Q319 666 374 624T429 515Q429 485 418 459T392 417T361 389T335 371T324 363L338 354Q352 344 366 334T382 323Q457 264 457 174Q457 95 399 37T249 -22Q159 -22 101 29T43 155Q43 263 172 335L154 348Q133 361 127 368Q70 417 70 494ZM286 386L292 390Q298 394 301 396T311 403T323 413T334 425T345 438T355 454T364 471T369 491T371 513Q371 556 342 586T275 624Q268 625 242 625Q201 625 165 599T128 534Q128 511 141 492T167 463T217 431Q224 426 228 424L286 386ZM250 21Q308 21 350 55T392 137Q392 154 387 169T375 194T353 216T330 234T301 253T274 270Q260 279 244 289T218 306L210 311Q204 311 181 294T133 239T107 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<mjx-container class=“MathJax” jax=“SVG”><svg style=“vertical-align: 0;” xmlns=“http://www.w3.org/2000/svg” width=“1.373ex” height=“1.005ex” role=“img” focusable=“false” viewBox=“0 -444 607 444”><title>v</title><g stroke=“currentColor” fill=“currentColor” stroke-width=“0” transform=“scale(1,-1)”><g data-mml-node=“math”><g data-mml-node=“TeXAtom” data-mjx-texclass=“ORD”><g data-mml-node=“mi”><path data-c=“1D42F” d=“M401 444Q413 441 495 441Q568 441 574 444H580V382H510L409 156Q348 18 339 6Q331 -4 320 -4Q318 -4 313 -4T303 -3H288Q273 -3 264 12T221 102Q206 135 197 156L96 382H26V444H34Q49 441 145 441Q252 441 270 444H279V382H231L284 264Q335 149 338 149Q338 150 389 264T442 381Q442 382 418 382H394V444H401Z”></path></g></g></g></g></svg></mjx-container></span> em metros por segundo. Encontre a vazão para fora do cilindro <span class="math-inline ">
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<mjx-container class=“MathJax” jax=“SVG”><svg style=“vertical-align: 0;” xmlns=“http://www.w3.org/2000/svg” width=“1.373ex” height=“1.005ex” role=“img” focusable=“false” viewBox=“0 -444 607 444”><title>v</title><g stroke=“currentColor” fill=“currentColor” stroke-width=“0” transform=“scale(1,-1)”><g data-mml-node=“math”><g data-mml-node=“TeXAtom” data-mjx-texclass=“ORD”><g data-mml-node=“mi”><path data-c=“1D42F” d=“M401 444Q413 441 495 441Q568 441 574 444H580V382H510L409 156Q348 18 339 6Q331 -4 320 -4Q318 -4 313 -4T303 -3H288Q273 -3 264 12T221 102Q206 135 197 156L96 382H26V444H34Q49 441 145 441Q252 441 270 444H279V382H231L284 264Q335 149 338 149Q338 150 389 264T442 381Q442 382 418 382H394V444H401Z”></path></g></g></g></g></svg></mjx-container></span> em metros por segundo. Encontre a vazão para fora do cilindro <span class="math-inline ">
<mjx-container class=“MathJax” jax=“SVG”><svg style=“vertical-align: -0.464ex;” xmlns=“http://www.w3.org/2000/svg” width=“21.647ex” height=“2.351ex” role=“img” focusable=“false” viewBox=“0 -833.9 9567.9 1038.9”><title>x^2 + y^2 = 4, 0 <= z <= 1</title><g stroke=“currentColor” fill=“currentColor” stroke-width=“0” transform=“scale(1,-1)”><g data-mml-node=“math”><g data-mml-node=“msup”><g data-mml-node=“mi”><path data-c=“1D465” d=“M52 289Q59 331 106 386T222 442Q257 442 286 424T329 379Q371 442 430 442Q467 442 494 420T522 361Q522 332 508 314T481 292T458 288Q439 288 427 299T415 328Q415 374 465 391Q454 404 425 404Q412 404 406 402Q368 386 350 336Q290 115 290 78Q290 50 306 38T341 26Q378 26 414 59T463 140Q466 150 469 151T485 153H489Q504 153 504 145Q504 144 502 134Q486 77 440 33T333 -11Q263 -11 227 52Q186 -10 133 -10H127Q78 -10 57 16T35 71Q35 103 54 123T99 143Q142 143 142 101Q142 81 130 66T107 46T94 41L91 40Q91 39 97 36T113 29T132 26Q168 26 194 71Q203 87 217 139T245 247T261 313Q266 340 266 352Q266 380 251 392T217 404Q177 404 142 372T93 290Q91 281 88 280T72 278H58Q52 284 52 289Z”></path></g><g data-mml-node=“TeXAtom” transform=“translate(605,363) scale(0.707)” data-mjx-texclass=“ORD”><g data-mml-node=“mn”><path data-c=“32” d=“M109 429Q82 429 66 447T50 491Q50 562 103 614T235 666Q326 666 387 610T449 465Q449 422 429 383T381 315T301 241Q265 210 201 149L142 93L218 92Q375 92 385 97Q392 99 409 186V189H449V186Q448 183 436 95T421 3V0H50V19V31Q50 38 56 46T86 81Q115 113 136 137Q145 147 170 174T204 211T233 244T261 278T284 308T305 340T320 369T333 401T340 431T343 464Q343 527 309 573T212 619Q179 619 154 602T119 569T109 550Q109 549 114 549Q132 549 151 535T170 489Q170 464 154 447T109 429Z”></path></g></g></g><g data-mml-node=“mo” transform=“translate(1230.8,0)”><path data-c=“2B” d=“M56 237T56 250T70 270H369V420L370 570Q380 583 389 583Q402 583 409 568V270H707Q722 262 722 250T707 230H409V-68Q401 -82 391 -82H389H387Q375 -82 369 -68V230H70Q56 237 56 250Z”></path></g><g data-mml-node=“msup” transform=“translate(2231,0)”><g data-mml-node=“mi”><path data-c=“1D466” d=“M21 287Q21 301 36 335T84 406T158 442Q199 442 224 419T250 355Q248 336 247 334Q247 331 231 288T198 191T182 105Q182 62 196 45T238 27Q261 27 281 38T312 61T339 94Q339 95 344 114T358 173T377 247Q415 397 419 404Q432 431 462 431Q475 431 483 424T494 412T496 403Q496 390 447 193T391 -23Q363 -106 294 -155T156 -205Q111 -205 77 -183T43 -117Q43 -95 50 -80T69 -58T89 -48T106 -45Q150 -45 150 -87Q150 -107 138 -122T115 -142T102 -147L99 -148Q101 -153 118 -160T152 -167H160Q177 -167 186 -165Q219 -156 247 -127T290 -65T313 -9T321 21L315 17Q309 13 296 6T270 -6Q250 -11 231 -11Q185 -11 150 11T104 82Q103 89 103 113Q103 170 138 262T173 379Q173 380 173 381Q173 390 173 393T169 400T158 404H154Q131 404 112 385T82 344T65 302T57 280Q55 278 41 278H27Q21 284 21 287Z”></path></g><g data-mml-node=“TeXAtom” transform=“translate(523,363) scale(0.707)” data-mjx-texclass=“ORD”><g data-mml-node=“mn”><path data-c=“32” d=“M109 429Q82 429 66 447T50 491Q50 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365Q104 369 382 500T665 634Q669 636 674 636ZM94 170Q102 172 104 172Q110 171 254 103T535 -30T678 -98Q694 -106 694 -118Q694 -136 676 -138H670L382 -2Q92 135 90 137Q83 142 83 154Q84 164 94 170Z”></path></g><g data-mml-node=“mi” transform=“translate(7269.3,0)”><path data-c=“1D467” d=“M347 338Q337 338 294 349T231 360Q211 360 197 356T174 346T162 335T155 324L153 320Q150 317 138 317Q117 317 117 325Q117 330 120 339Q133 378 163 406T229 440Q241 442 246 442Q271 442 291 425T329 392T367 375Q389 375 411 408T434 441Q435 442 449 442H462Q468 436 468 434Q468 430 463 420T449 399T432 377T418 358L411 349Q368 298 275 214T160 106L148 94L163 93Q185 93 227 82T290 71Q328 71 360 90T402 140Q406 149 409 151T424 153Q443 153 443 143Q443 138 442 134Q425 72 376 31T278 -11Q252 -11 232 6T193 40T155 57Q111 57 76 -3Q70 -11 59 -11H54H41Q35 -5 35 -2Q35 13 93 84Q132 129 225 214T340 322Q352 338 347 338Z”></path></g><g data-mml-node=“mo” transform=“translate(8012.1,0)”><path data-c=“2A7D” d=“M674 636Q682 636 688 630T694 615T687 601Q686 600 417 472L151 346L399 228Q687 92 691 87Q694 81 694 76Q694 58 676 56H670L382 192Q92 329 90 331Q83 336 83 348Q84 359 96 365Q104 369 382 500T665 634Q669 636 674 636ZM94 170Q102 172 104 172Q110 171 254 103T535 -30T678 -98Q694 -106 694 -118Q694 -136 676 -138H670L382 -2Q92 135 90 137Q83 142 83 154Q84 164 94 170Z”></path></g><g data-mml-node=“mn” transform=“translate(9067.9,0)”><path data-c=“31” d=“M213 578L200 573Q186 568 160 563T102 556H83V602H102Q149 604 189 617T245 641T273 663Q275 666 285 666Q294 666 302 660V361L303 61Q310 54 315 52T339 48T401 46H427V0H416Q395 3 257 3Q121 3 100 0H88V46H114Q136 46 152 46T177 47T193 50T201 52T207 57T213 61V578Z”></path></g></g></g></svg></mjx-container></span>.</div>
</body></html>
Calcule a integral de superfície
16. é a fronteira da região delimitada pelo cilindro
e pelos planos
e
16.
Calcule a integral de superfície
9. é o helicoide com equação vetorial
9.
<html><head></head><body><div>Determine o centro de massa do hemisfério <span class="math-inline ">
<mjx-container class=“MathJax” jax=“SVG”><svg style=“vertical-align: -0.464ex;” xmlns=“http://www.w3.org/2000/svg” width=“17.151ex” height=“2.351ex” role=“img” focusable=“false” viewBox=“0 -833.9 7580.7 1038.9”><title>x^2 + y^2 + z^2 = a^2</title><g stroke=“currentColor” fill=“currentColor” stroke-width=“0” transform=“scale(1,-1)”><g data-mml-node=“math”><g data-mml-node=“msup”><g data-mml-node=“mi”><path data-c=“1D465” d=“M52 289Q59 331 106 386T222 442Q257 442 286 424T329 379Q371 442 430 442Q467 442 494 420T522 361Q522 332 508 314T481 292T458 288Q439 288 427 299T415 328Q415 374 465 391Q454 404 425 404Q412 404 406 402Q368 386 350 336Q290 115 290 78Q290 50 306 38T341 26Q378 26 414 59T463 140Q466 150 469 151T485 153H489Q504 153 504 145Q504 144 502 134Q486 77 440 33T333 -11Q263 -11 227 52Q186 -10 133 -10H127Q78 -10 57 16T35 71Q35 103 54 123T99 143Q142 143 142 101Q142 81 130 66T107 46T94 41L91 40Q91 39 97 36T113 29T132 26Q168 26 194 71Q203 87 217 139T245 247T261 313Q266 340 266 352Q266 380 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