Universidade Federal da Bahia
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- Mateus Borja
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1 Universidade Federal da Bahia Instituto de Matemática DISCIPLINA: MATA3 - CÁLCULO B UNIDADE II - LISTA DE EXERCÍCIOS Atualiada 13.1 Coordenadas Polares [1] Dados os pontos P 1 (3, 5π 3 ), P ( 3, 33 ), P 3 ( 1, π 3 ), P (, 315 ), P 5 (, 53 ), P (, e π ) e P 7 (1, 3), determine: (1.1) A representação gráfica de cada um desses pontos no plano polar. (1.) Três outros conjuntos de coordenadas polares para os pontos P 3 e P. (1.3) Quais desses pontos coincidem com o ponto P(3, 31 ). (1.) O conjunto principal de coordenadas polares do ponto P. (1.5) Um conjunto de coordenadas polares (r, θ) do ponto P 3, tal que r > e θ ( 7π, 5π). [] Em cada um dos ítens a seguir, identifique o lugar geométrico do ponto que se move e faça um esboço desse lugar: (.1) Um ponto P(r, θ) se move de maneira que, para todos os valores de seu ângulo vetorial θ seu raio vetor r permanece constante e igual a. (.) Um ponto se move de maneira que, para todos os valores de seu raio vetor, seu ângulo vetorial permanece constante e igual a. [3] Determine um conjunto abrangente para cada uma das curvas dadas a seguir: (3.1) C 1 : r = (3.) C : θ = π (3.3) C 3 : r = cos θ (3.) C : r = cos θ [] Verifique se o ponto P pertence à curva C, sendo: (.1) P( 1, π) e C : r cos θ = (.) P( 1, π ) e C : r(1 3 sen θ) = (.3) P(, π) e C : r = sen 3θ (.) P(, π ) e C : r 3 cos θ + r sen θ =. 11 [5] Determine o conjunto principal de coordenadas polares dos pontos de coordenadas retangulares: 3 3 (3.1), 3 (3.) (3, ) (3.3) ( cos, sen ) [] Transforme as equações cartesianas para polares: (.1) = (.) ( 1) + ( 3) = (.3) = + 1 (.) a = (.5) = (.) = 1 1
2 [7] Transforme as equações polares para cartesianas: (7.1) r = 8 sen θ (7.) r sen θ = (7.3) r = 3 sen θ (7.) r = θ (7.5) r = sen 3θ (7.) r = cos θ [8] Determine todos os pares de coordenadas polares do ponto Q simétrico de P em relação: (8.1) ao eio polar (8.) ao eio à 9 (8.3) ao pólo. [9] Considere a curva C : r = sen θ. (9.1) Determine uma equação polar da curva C simétrica de C em relação: (a) ao eio polar (b) ao eio à 9 (c) ao pólo. (9.) Verifique se C é simétrica em relação: (a) ao eio polar (b) ao eio à 9 (c) ao pólo. [1] Ache os pontos de intersecção dos gráficos do par de equações dadas: r = 3 r = (1 + sen θ) (1.1) r = 1 + cos θ (1.) r(1 sen θ) = 3 (1.3), π 3 r = 1 sen θ r = cos θ (1.) r = sen θ r = + sen θ (1.5) r = + cos θ θ = π [11] Deduir a fórmula da distância entre os pontos P 1 (r 1, θ 1 ) e P (r, θ ) em coordenadas polares. [1] Faça um esboço do gráfico das seguintes equações polares: (1.1) r = 3 cos θ (1.) r = + sen θ (1.3) r = 9 sen θ (1.) r = 5 cos 3θ (1.5) r = sen 5θ (1.) r = sen θ (1.7) r = 3θ, θ > (1.8) r = 8 sen θ Áreas de figuras planas em coordenadas polares [13] Nos problemas a seguir encontre a área das regiões indicadas: (13.1) Interior à circunferência r = cos θ e eterior à cardióide r = 1 cos θ. (13.) Eterior à circunferência r = cos θ e interior à cardióide r = 1 cos θ. (13.3) Intersecção do círculo r = cos θ com o interior da cardióide r = 1 cos θ. (13.) Intersecção dos círculos r = cos θ e r =. (13.5) Interior à rosácea r = sen θ.
3 (13.) Interior à rosácea r = cos 3θ e eterior à circunferência r = 1. (13.7) Interior à lemniscata r = a cos θ. (13.8) Interior à rosácea r = sen θ e eterior à circunferência circunferência r = cos θ. (13.9) Eterior à limaçon r = sen θ e interior à circunferência r = 3 sen θ. Comprimento de arco em coordenadas polares [1] Calcular o comprimento de arco das seguintes curvas dadas em coordenadas polares: (1.1) a espiral r = θ, θ 3 (1.) a espiral r = 1 e θ, θ π (1.3) a cardioide r = 1 + cos θ (1.) r = 1 + sen θ (1.5) r = ( cos θ + sen θ), θ π (1.) r = 1 + sen θ, θ π [15] Determine o comprimento da espiral logarítmica r = e θ/ de θ = a θ =. [1] Calcule o comprimento de arco da curva r = 1 + cos θ. Domínio, Imagem e Curvas de Nível [17] Determine o domínio de cada uma das funções abaio e represente-o graficamente: (17.1) f(, ) = (17.) f(, ) = ln ( ) å (17.3) f(, ) = ln ( + è 1 ) (17.) f(, ) = ln (17.5) f(, ) = arccos( ) (17.) f(, ) = arcsec + [18] Determine o domínio; determine e trace as interseções do gráfico com os planos coordenados; determine e trace as curvas de nível; e esboce o gráfico das funções: (18.1) f(, ) = 1 (18.) f(, ) = 9 + (18.3) f(, ) = (18.) f(, ) = (18.5) f(, ) = 8 (18.) f(, ) = (18.7) f(, ) = + + [19] Descreva as curvas de nível da cada função: (19.1) f(, ) = e (19.) f(, ) = arcsen( ) (19.3) f(, ) = ln () 3
4 Limites e Continuidade [] Mostre que lim P P f(, ) não eiste se: (.1) f(, ) = ( + ) e P (, ) (.) f(, ) = + e P (, ) (.3) f(, ) = 3 ( ) ( ) e P (, ) (.) f(, ) = 1 e P (, 1) - (.5) f(, ) = + e P (, ) (.) f(, ) = e P (, ) [1] Calcule os limites: (1.1) lim (,) (,) (1.3) lim (,) (,) 1 + (1.) lim (,) (,1) (1.) f(, ) = arcsen( ) arctg(3 ) ( + )( + ) ; se ( 1) + ( 3) ; se = e P (1, 3) [3] Estude a continuidade das seguintes funções no ponto : ( + 1 ) sen, (, ) (, ) (3.1) f(, ) = + (, ) = (, ) (3.) f(, ) = 3 + 5, 3 5, = 3 5 ; (, ) ; (, ) (3.3) f(, ) = +, (, ) (, ), (, ) = (, ) ; (, )
5 Derivadas Parciais de 1 a ordem [] Calcule as derivadas parciais das seguintes funções: (.1) = + + (.) = arcsen( ) (.3) = e / ln (.) = + sen () (.5) = e cos ( ).) [5] Para as funções abaio calcule, caso eista, as derivadas parciais, nos pontos indicados: (5.1) f(, ) = cos + π ; P (, 1) (5.) f(, ) = arctg ; P (1, 1) (5.3) f(, ) = tg [ln (1 + )]; P (π, ) (5.) f(, ) = 3 + ; se ; P (1, ) e P 1 (1, 1). 3 ; se = w = [] Verificar a identidade proposta para cada função dada: (.1) = 3 3 ; + = (.) = ln ( + ); + = 1 (.3) = ln ( + ) arctg( ); + = + (.) = ; + = Diferenciabilidade [7] Considere a função f : R R definida por f(, ) = Mostre que f não é diferenciável no ponto (, )., se (, ) (, ) +, se (, ) = (, ) [8] Seja f(, ) = +, (, ) (, ), (, ) = (, ) Mostre que f não é diferenciável no ponto (, ). 5
6 Derivadas Parciais de Ordem Superior [9] Calcule as derivadas parciais de segunda ordem de: (9.1) = (9.) = cos () sen () (9.3) = cos ( 3 + ). = e + 9.) (9.5) w = e (9.) w = 3 [3] Provar as identidades: (3.1) f(, t) = sen (ap ) sen (p t); a f t = f (3.) V (, t) = f( ct) + g( + ct); V 1 V = ; f e g são funções deriváveis. c t [31] Uma função f de e é harmônica se satisfaem à equação de Laplace f f + =. Prove que as funções a seguir são harmônicas: (31.1) f(, ) = e cos () (31.) f(, ) = ln ( + ) (31.3) f(, ) = arctg, >. Regra da Cadeia [3] Usando a regra da cadeia para = f(, ) calcule d dt : (3.1) = +, = sen (t), = cos (t) (3.) = arctg, = ln (t), = e t (3.3) = tg, = t, = ln t [33] Usando a regra da cadeia para = f(, ) calcule t, s : (33.1) =, = 3t s, = t + s (33.) = e, = s cos(t), = s sen(t) (33.3) = 1 + +, = se t, = se t, [3] Seja φ : R R uma função de uma variável real, diferenciável e tal que φ (1) =. Seja g(, ) = φ. Calcule: (3.1) g (1, 1) g (3.) (1, 1)
7 [35] Seja f(,, ) = g e,. Determine o valor da constante β, sabendo-se que β f = f + f. [3] Considere a função dada por w = +, onde = f(, ). Se (1, 1) = e f(1, 1) = 1, calcule w (1, 1). [37] Seja f(, ) = g, 3, onde f e g são funções diferenciáveis. Sabendo-se que f f (, 1) = 1 e (, 1) = 8, calcule as derivadas parciais de g no ponto (, 8). [38] Considere f(, ) = ln ( ) + arctg( ). (38.1) Calcule f (, 3). (38.) Se = g(u, v) = uv + v, = h(u, v), h(, 1) = 3, f f h (, 1) =, calcule (, 1) e (, 1). v u v h (, 1) = e u Diferenciação Implícita [39] Suponha que = f(, ) é definida implicitamente como uma função de e pela equação /3 + /3 + 3 /3 = 1, onde,, e sao números reais positivas. Usando derivação implícita, calcule. [] Se é uma função de e definida implicitamente pela equação = cos (++), determine no ponto (, π/, π/). [1] Se é uma função de e definida implicitamente pela equação + ( 1) + = 1, calcule (, ) e (, ). [] Supondo que é uma função diferenciável definida implicitamente pela equação F(,) =, onde F d também é direfenciável, mostre que: d = F F F F F + F F. F 3 7
8 Plano Tangentes, Reta Tangentes e Normais [3] Determine a equação do plano tangente e da reta normal a cada superfície abaio, nos pontos indicados: (3.1) = em P = (1, 1, 1) (3.) = no ponto cuja projeção no plano = é (1,, 3) (3.3) cos () + sen () = em P = (1, π/, ) (3.) = para = = (3.5) g(, ) = em (1, 1, 1) [] Determine o plano tangente ao gráfico de = que passa pelos pontos (1, 1, ) e ( 1, 1, 1). [5] Dada a superfície = 1, determine as equações dos planos tangentes que são paralelos ao plano + + =. 8
9 Respostas P 3 (1, 1 ), P 3 (1, 8 ), P 3 ( 1, 3 ) (1.) [1] P (, 5 ), P (, 135 ), P (, 5 ) (1.3) P (1.) P (3, 15 ) (1.5) P (1, 1π) 3 [] (.1) Círculo: r = (.) Reta: θ = 5 [3] (3.1) E(C) = {r =, r = } (3.) E(C) = {θ = (n + 1) π ; n Z} (3.3) E(C) = {r = cos θ} (3.) E(C) = {r = cos θ; r = cos θ} [] (.1) Sim (.) Sim (.3) Não (.) Sim [5] [] [7] [8] [9] 5π (5.1) (3, ) (5.) ( 13, π + arctg( )) (5.3) (1, ) 3 3 (.1) θ = arctg (.) r r( cos θ + 3 sen θ) + = (.3) r cos θ sen θ + sen θ cos θ = (.) r = ou r( cos 3 θ + sen 3 θ) 3a (.) r = 1 secθ (7.1) + 8 = (7.) = 1 sen θ = (.5) r + 3 sen θ = (7.3) + 3 = (7.) tg ( + ) = (7.5) ( + ) + 3 = (7.) ( + ) = ( ) (8.1) (8.3) (9.1) (9.) ( 1) n, π 3 + nπ, n Z (8.) ( 1) n, π 3 + nπ, n Z ( 1) n, π 3 + nπ, n Z (a) r = sen θ (b) r = sen θ (c) r = sen θ (a) Nâo (b) Não (c) Sim 9
10 3 (1.1), π 3 e 3, 5π 3 π 5π 7π 11π (1.),,,,, e, 1 (, ), (1, ), (1, π),, π 1,, 5π, [1] (1.3) , arcsen,, π arcsen (1.) 3, 7π, 3, 11π + π, e 5π (1.5)polo, [11] d = r 1 + r r 1r cos (θ θ 1 ) [1] (1.1) (1.) (1.3) (1.) (1.5) (1.) 1
11 (1.8) [13] (13.1) 3 3 π 3 (13.) 11π (13.5) π (13.) π (13.9) 3 3 (13.3) 7π (13.) 8π 3 3 (13.7) a (13.8) π [1] 8 3 (1.) 8 (1.5) π (1.1) [15] 5(e 1) [1] (1.) e π 1 (1.3) 8 (1.) π [17] (17.1) {(, ) R ; 1 e } (17.) {(, ) R ; ou e > }
12 (17.3) {(, ) R ; > } (17.) (, ) R ; e + 1 > (17.5) {(, ) R ; 1 1} (17.) {(, ) R ; + 1 ou + 1} 1 1
13 [18] (18.1) D(f) = R G(f) Ì XOY : o circulo: + = 1 G(f) Ì XOZ : a parábola = 1 1 Curvas de nível: Para = k, k < 1 : circulos + = 1 k k = 1 : ponto (, ) k > 1 : 1 k Gráfico: (um parabolóide de revolução) G(f) Ì Y OZ : a parábola = (18.) D(f) = R G(f) Ì XOY : o ponto (, ) G(f) Ì XOZ : a parábola = 9 G(f) Ì Y OZ : a parábola = Curvas de nível: Para = k, k > : as elipses ( k/3) + ( k/) = 1 k = : o ponto (, ) k < : Gráfico: k/ k/
14 (18.3) D(f) = R G(f) Ì XOY : o eio OY G(f) Ì XOZ : a parábola = G(f) Ì Y OZ : o eio OY Curvas de nível: Para = k, k > : as retas = k e = k k = : o eio OY k < : k k Gráfico: (uma superfície cilíndrica) (18.) D(f) = R G(f) Ì XOY : G(f) Ì XOZ : a reta = 1 G(f) Ì Y OZ : a curva = 1 1+ Curvas de nível: Para = k, < k < 1 : as retas = Õ 1 k 1 e Õ 1 k 1 k = 1 : o eio OX k > 1 ou k : 1/(k 1) 1/(k 1) Gráfico: (uma superfície cilíndrica)
15 (18.5) D(f) = R G(f) Ì XOY : a reta: = + G(f) Ì XOZ : a reta = Curvas de nível: Para = k, k R : as retas = + 8 k (8 k) (8 k) Gráfico: (um plano) G(f) Ì Y OZ : a reta = (18.) D(f) = R {(, )} G(f) Ì XOY : G(f) Ì XOZ : a curva = G(f) Ì Y OZ : a curva = 1 Curvas de nível: Para = k, k > : elipses k : Gráfico: (/ k) + (1/ k) = 1 1 k k 9e+3 8e+3 7e+3 e+3 5e+3 e+3 3e+3 e+3 1e
16 (18.7) D(f) = R G(f) Ì XOY : o ponto (, ) G(f) Ì XOZ : a curva = Curvas de nível: Para = k, k > : circulos + = (k ) k = : ponto (, ) k < : G(f) Ì Y OZ : a curva = k Gráfico: (uma superfície de revolução) [19] (19.1) k <, curvas de nível é vaio < k < 1, curvas de nível são elipses de semi eios k = 1, curvas de nível é o ponto (, ) k > 1, curvas de nível é vaio ln k lnk e (19.3) Para k R, curvas de nível são hipérboles = c, c = ek > [1] (1.1) + (1.) 1 3 (1.3) 1 (1.) [3] (3.1) contínua (3.) descontínua (3.3) descontínua (3.) contínua 1
17 [] (.1) = + ( + ) = + ( + ) (.) = 1 = 1 (.3) å = ln = å 1 ln + 1 è e / è e / (.) = + cos () = + cos () = e [ cos ( ) sen ( )] (.5) w = e [ cos ( ) + sen ( )] 3 (5.1) f (P ) = 1, f (P ) = (5.) f (P ) = 3, f (P ) = 3 1 [5] (5.3) f (P ) =, f (P ) = π (5.) f (P ) =, f (P ) = 5, f (P 1 ), f (P 1 ) [9] (9.1) = = = (9.) = (3 ) sen () cos () = sen () ( 3 + ) cos () = ( ) sen () ( + ) cos () 17
18 (9.5) w = e w = e w = e w = ( + )e w = ( + )e w = ( + )e (9.) w = 3 w = w = 1 3 w = w = 83 3 w = 1 3 (33.1) (33.3) t = s (e t e t ) 1 + s e t + s e t s = s(e t + e t ) [35]β = [3]17 [38] (3.1) sen t cos t (3.) [39] 1/3 3 1/3 = 1t 1s t = 1t s s (38.1) f (, 3) = [] + -3 = 1 + s e t + s e [3] [] π 1 (33.) e ( 1 + tln t) t[e t + (ln t) ] [37] [5] [5 + + = 1 e + + = 1 t = sec t.e tg t s = g (, 8) = 1 u e (3.1) (3.) g (, 8) = v f (38.) u (, 1) = 17 e h (, 1) = 5 v f f 1 1 [1] (, ) = e (, ) = ln = = 18 (3.1) 1 = 1 = 1 (3.) 1 = = 3 9 π + 18 π = π [3] (3.3) 1 π = 8 = = + (3.) (,, ) = (,, ) + t(,, 1); t R π 18 π = (3.5) (,, ) = (1, 1, 1) + t(1,, 1); t R 18
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