1.1 Domínios e Regiões
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- Wilson Ávila Ramires
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1 1.1 Domínios e Regiões 1.1A Esboce a região R do plano R 2 dada abaixo e determine sua fronteira. Classi que R em: aberto (A), fechado (F), limitado (L), compacto (K), ou conexo (C). (a) R = (x; y) 2 R 2 ; y 0 (b) R = (x; y) 2 R 2 ; x 0 e x 2 + y 2 < 1 (c) R =]1; 2[[0; +1[ (d) R = (x; y) 2 R 2 ; 1 < x 2 + y 2 2 (e) R = (x; y) 2 R 2 ; 4 < x 2 < 9 (f) R = (x; y) 2 R 2 ; 0 < x e 1 y 2 (g) R = (x; y) 2 R 2 ; x < y (h) R = (x; y) 2 R 2 ; jxj 1; 1 y < 2 (i) R = (x; y) 2 R 2 ; 4x 2 + y 2 9 (k) R = [0; 1] [1; 2] (j) R = f(x; y) 2 R 2 ; sen x y cos x; 0 x =4g (l) R = f(x; y) 2 R 2 ; jxj + jyj 1g (m) R = (x; y) 2 R 2 ; 1 x 2 y 2 (n) R = f(x; y) 2 R 2 ; x 2 + y 2 1 y < 0g (o) R = (x; y) 2 R 2 ; x 3 < y (p) R = (x; y) 2 R 2 ; jxj 2 e 1 < x 2 + y 2 (q) R = f(x; y) 2 R 2 ; x 2 < y 2 g (r) R = (x; y) 2 R 2 ; jxj + jyj 2 e 1 < x 2 + y 2 1.2B Em cada caso determine e represente gra camente o domínio da função z = f (x; y). (a) z = p y x 2 + p 2x y (b) z = p jxj jyj (c) 4x 2 + y 2 + z 2 = 1; z 0 (d) z = ln 1 4x 2 y 2 =9 (e) z = p ln (x 2 + y 2 3) (f) z = x exp (y) ln x (g) z = arccos (y x) (h) z = p (x 3) (y 2) (i) z = arcsin [x= (x y)] p s 4 x 2 y (j) z = p 2 x y x 2 1 (k) z = (l) z = x 2 + y 2 1 sen x sen y y C Esboce a região R = f(x; y) 2 R 2 ; x 2 + y 2 1 [(x 1) 2 + y 2 1] < 0g; veri que que ela é aberta e determine sua fronteira. 1.1D Em cada caso esboce algumas curvas de nível função z = f (x; y), de modo a obter uma visualização do seu grá co.
![2 (g) R = (x; y) 2 R 2 ; x < y (h) R = (x; y) 2 R 2 ; jxj 1; 1 y < 2 (i) R = (x; y) 2 R 2 ; 4x 2 + y 2 9 (k) R = [0; 1] [1; 2] (j) R = f(x; y) 2 R 2 ; sen x y cos x; 0 x =4g (l) R = f(x; y) 2 R 2 ;](/docs-images/43/13487647/images/page_1.jpg "jxj + jyj 1g (m) R = (x; y) 2 R 2 ; 1 x 2 y 2 (n) R = f(x; y) 2 R 2 ; x 2 + y 2 1 y < 0g (o) R = (x; y) 2 R 2 ; x 3 < y (p) R = (x; y) 2 R 2 ; jxj 2 e 1 < x 2 + y 2 (q) R = f(x; y) 2 R 2 ; x 2 < y 2")
2 2 CAMPOS ESCALARES COMP. 1 (a) z = x 2 + y 2 (b) z = p x 2 + y 2 (c) z = x 2 + y 2 1 (d) z = ln 1 + x 2 + y 2 (e) z = x + y (f) z = sen (x y) (g) z = jxj jyj (h) z = 8 x 2 2y (i) z = 2x x 2 + y 2 1 (j) z = xy (k) z = p 9 x 2 y 2 (l) z = p 1 x 2 =4 y 2 =9 (m) z = jx yj (n) z = x + y 2 (o) z = x y 2 1.1E Identi que e esboce a curva de nível da função z = 2y 4x 3 que passa no ponto P (1; 2). Observe o comportamento da função ao longo da tangente que passa no ponto P: 1.1F Identi que as superfícies de nível da função w = x 2 + y 2 + z 2, nos níveis 0, 1 e G Identi que a superfície de nível da função w = x 2 +y 2 z 2 que passa no ponto P (1; 1; 1) : 1.1H Esboce o grá co da função z = f (x; y) dada por: (a) f (x; y) = 3 (b) f (x; y) = x (c) f (x; y) = 1 x y (d) f (x; y) = sen y (e) f (x; y) = exp( p x 2 + y 2 ) (f) f (x; y) = 3 x 2 y 2 (g) f (x; y) = p x 2 y 2 (h) f (x; y) = p 16 x 2 16y 2 (i) f (x; y) = x 2 + y 2 1=2 (j) f (x; y) = 1 x 2 (k) f (x; y) = log( p x 2 + y 2 ) (l) f (x; y) = sen(x 2 + y 2 ): 1.1I Descreva as superfícies de nível da função w = f (x; y; z) : (a) f (x; y; z) = x + 3y + 5z (b) f (x; y; z) = x 2 + 3y 2 + 5z 2 (c) f (x; y; z) = x 2 y 2 + z 2 (d) f (x; y; z) = x 2 y 2 : 1.2 Limite e Continuidade 1.2A Considere f : R 2! R de nida por: f (x; y) = 2xy x 2 ; se (x; y) 6= (0; 0) e f (0; 0) = 0: + y2 Mostre que: f (1 + x; 1) f (1; 1) f (0; y) f (0; 0) lim = 0 e lim = 0: x y 1.2B Em cada caso, mostre que a função z = f (x; y) não tem limite quando (x; y)! (0; 0) :
3 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 3 (a) z = (e) z = (i) z = x3 + y 3 x 2 + y x + y x 2 + y 2 (b) z = xy2 x 2 + y 4 (f) z = x x 2 + y 2 (c) z = jxj x y 3 (d) z = x p x 2 + y 2 (g) z = xy 2x 2 + 3y 2 x 6 xy (x y) (x 3 + y 2 ) 2 (h) z = x 4 + y 4 (j) z = x2 y 2 x 3 + y 3 (k) z = x2 y 2 x 2 + y 2 (l) z = x4 + y 2 + 2xy 3 (x 2 + y 2 ) 2 : 1.2C Veri que que a função f (x; y; z) = x2 + y 2 z 2 x 2 + y 2 não tem limite na origem. + z2 1.2D Calcule os seguintes limites: (a) lim ln (xy + 1) (d) lim 1 cos p xy sen x sen y (g) lim z sen (x 2 y 2 + z 2 ) 1=2 z!0 (b) lim y 2 1 sen x x (e) lim arctg (y=x) x!2 y!2 (h) lim x! 2 y!4 y p x 3 + 2y (c) lim (f) lim sen (xy) sen x sen y exp sen x 2 y + cos y cos (xy) (i) lim [x cos (y=4) + 1] 2=3 y! 1.2E Use a de nição de limite e prove que: (a) lim y!3 (d) lim y!1 z!1 (g) lim (2x + 3y) = 11 (b) lim y!2 (2x + y + z) = 4 (e) lim x!2 y!3 x 2 1 = 0 (h) lim z!0 x 3 + y 3 (j) lim x 2 + y 2 = 0 1.2F Mostre que: 1 cos p xy (a) lim x (k) lim y! 2 = 0 (b) lim 3x 2 + y = 5 (c) lim y!1 2x 2 y 2 = 1 (f) lim x!3 y! 1 y 3 + xz 2 x 2 + y 2 + z 2 = 0 (i) lim x 2 + y 2 = 2 x 2 + y 2 4x + 2y = 4 (x + y) sen (1=x) = 0 x 2 y 2 2 (x 1) 2 (y 2) = 3 (l) lim 3 (x 1) (y 2) 2 = 0 y!2 sen x 2 + y 2 1 cos p = 2 (c) lim x 2 + y2 jxj + jyj x 2 + y 2 = 1: 1.2G Mostre que as funções f (x; y) = xy xy2 e g (x; y) = y x3 x 2 não têm limite na origem. y2 1.2H Considere a função f : R 2 n f(0; 0)g! R de nida por f (x; y) = 3x4 y 4 (x 4 + y 2 ) 3. Calcule os limites de f (x; y) quando (x; y)! (0; 0), ao longo dos seguintes caminhos: (a) eixo x; (b) reta y = x; (c) curva y = x 2 : A função f tem limite na origem? Por quê?
4 4 CAMPOS ESCALARES COMP I Veri que se a função z = f (x; y) é contínua no ponto P 0 indicado. (a) z = p 25 x 2 y 2 ; P 0 ( 3; 4) (b) z = exp ( xy) ln 7 + x 2 2y ; P 0 (0; 0) (c) z = xy x 2 + y 2 ; P 0 (0; 0) (d) z = xy y 2x ; se y 6= 2x e f (x; 2x) = 1; P 0 (1; 2) 1.2J Identi que a função z = f (x; y) como combinação de funções elementares do cálculo e deduza que ela é contínua em seu domínio. (a) f (x; y) = p xy (b) f (x; y) = 4x2 y 2 (d) f (x; y) = 2x y (c) f (x; y) = x y 2 1 3x2 y x 2 + y 2 (e) f (x; y) = arcsen (y=x) (f) f (x; y) = ln (xy 2) 1.2K Discuta a continuidade das seguintes funções: (a) f (x; y) = x2 y 2 ; se x 6= y e f (x; x) = 1 x y (b) f (x; y) = exp 1= x 2 + y 2 1 ; se x 2 + y 2 < 1 e f (x; y) = 0; se x 2 + y 2 1 (c) f (x; y) = exp x2 + y 2 x 2 + y 2 ; se (x; y) 6= (0; 0) e f (0; 0) = 1 (d) f (x; y) = (e) f (x; y; z) = sen (x + y) ; se x + y 6= 0 e f (x; x) = 1 x + y xz y2 x 2 + y 2 ; se (x; y; z) 6= (0; 0; 0) e f(0; 0; 0) = 0 + z2 (f) f (x; y) = 4x 2 + 9y 2 ; se 4x 2 + 9y 2 1 e f (x; y) = 0; se 4x 2 + 9y 2 > 1 (g) f (x; y; z) = x 2 + y 2 + z 2 ; se x 2 + y 2 + z 2 1 e f (x; y; z) = 0; se x 2 + y 2 + z 2 > 1 1.2L Considere as funções g e h de nidas em R 2 por: 8 >< g (x; y) = >: 3x 2 y x 2 ; se (x; y) 6= (0; 0) + y2 1; se (x; y) = (0; 0) 8 >< e h (x; y) = >: xy x 2 ; se (x; y) 6= (0; 0) + y2 1; se (x; y) = (0; 0) : Veri que que a origem é uma descontinuidade de g (x; y) e de h (x; y) : Em que caso a descontinuidade pode ser removida? Recorde-se que remover uma descontinuidade signi ca rede nir a função de modo a torná-la contínua. 1.2M Veri que que a origem é uma descontinuidade da função: 8 sen x >< 2 + y 2 f (x; y) = 1 cos p ; se (x; y) 6= (0; 0) x 2 + y2 >: 0; se (x; y) = (0; 0) :
5 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 5 Essa descontinuidade pode ser removida? 1.2N Sabendo que: 1 calcule os seguintes limites: arctg (xy) (a) lim xy x 2 y 2 3 arctg (xy) xy 4 4 cos p jxyj (b) lim jxyj < 1 e 2 jxyj x 2 y 2 6 < 4 4 cos p jxyj < 2 jxyj ; 1.2O Seja f (x; y) = exp 1= x 2 + y 2 se (x; y) 6= (0; 0) e f (0; 0) = 0. Veri que que f é contínua em todo ponto (x; y) do R 2 e calcule os limites: f (x; 0) lim x e lim f (0; y) : y 1.2P Considere a função f (x; y) = xy2 x 2 + y 3 ; se x2 + y 3 6= 0, e f (0; 0) = 0, de nida no domínio D = f(x; y) 2 R 2 ; x 2 + y 3 6= 0g [ f(0; 0)g : (a) Calcule o limite de f na origem, ao longo das retas y = mx: (b) Calcule o limite de f na origem, ao longo do caminho y = x 2=3 e x : (c) Calcule o limite de f na origem, ao longo do caminho r = cos 2 ; =2 0: (d) Investigue a continuidade de f: 1.2Q Mostre que lim arctg jxj + jyj x 2 + y 2 = (veja o Exercício 1.2F(c)) R Use coordenadas polares e mostre que lim (x;y)!(0;0) x 2 + y 2 log p x 2 + y 2 = 0: Alerta! A mudança para coordenadas polares pode nos levar a conclusões falsas. Por exemplo, em coordenadas polares a função f (x; y) = 2x2 y x 4 assume a forma: + y2 f (r cos ; r sen ) = 2r cos2 sen r 2 cos 4 + sen 2 ; quando r 6= 0 e daí segue que, ao deixar constante e fazer r! 0; encontra-se lim r!0 f (r cos ; r sen ) = 0. Esse cálculo induz a a rmação (falsa!) de que o limite da função na origem é igual a 0. Ao longo do caminho y = x 2, contudo, tem-se r sen = r 2 cos 2 e, portanto: f (r cos ; r sen ) = 2r cos2 sen r 2 cos 4 + sen 2 = 1; 8r; : Assim, no caminho y = x 2 (ou r sen = r 2 cos 2 ); tem-se lim r!0 f (r cos ; r sen ) = 1 e, portanto, a função f (x; y) não tem limite na origem.
6 6 CAMPOS ESCALARES COMP. 1 Respostas & Sugestões Exercícios A (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) (n) (o) (p) (q) (r) A x x x x F x x x x x x L x x x x x x C x x x x x x x x x x x K x x x
7 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 7
8 8 CAMPOS ESCALARES COMP. 1 = f(x; y) ; y = 0g = f(x; y) ; x 2 + y 2 = 1; x 0g [ f(0; y) ; 1 y 1g = f(1; y) ; y 0g [ f(2; y) ; y 0g [ f(x; 0) ; 1 x 2g = f(x; y) ; x 2 + y 2 = 1g [ f(x; y) ; x 2 + y 2 = 2g é constituída das retas x = 3; x = 2; x = 2 e x = 3 = f(0; y) ; 1 y 2g [ f(x; 1) ; x 0g [ f(x; 2) ; x 0g = f(x; y) ; x = yg = f(1; y) ; y 1g [ f(x; 1) ; 1 x 1g = f(x; y) ; 4x 2 + y 2 = 9g = f(0; y) ; 0 y 1g [ f(x; sin x) ; 0 x =2g [ f(x; cos x) ; 0 x =2g é o quadrado de vértices (0; 1) ; (0; 2) ; (1; 2) e (1; 1) o quadrado de vértices (0; 1) e (1; 0) = f(1; y) ; y 0g [ f(2; y) ; y 0g [ f(x; 0) ; 1 x 2g = f(x; y) ; x 2 y 2 = 1g = f(x; y) ; x 2 + y 2 = 1g [ f(x; 0) ; 1 < x < 1g = f(x; y) ; y = x 3 g = f(x; y) ; jxj = jyjg: 1.1B (a) y x 2 e 2x y (b) jxj < y < jxj (c) 4x 2 + y 2 1 (d) 4x 2 + y 2 =9 < 1 (e) x 2 + y 2 4 (f) x > 0 (g) x 1 y x + 1 (h) [x 3; y 2] ou [x 3 e y 2] (i) 1 x x y 1 (j) 1 < x2 + y 2 < 4 (k) y 6= ( 1) n x + n (l) x 2 1 y : Eis os grá cos:
9 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 9 1.1C Observe que a desigualdade (x 2 + y 2 1)[(x 1) 2 + y 2 1] < 0 é equivalente ao sistema: x 2 + y 2 < 1 e (x 1) 2 + y 2 > 1 ou x 2 + y 2 > 1 e (x 1) 2 + y 2 < 1 1.1D Em cada caso fazemos z =, constante, e obtemos as curvas de nível.
10 10 CAMPOS ESCALARES COMP. 1 (a) x 2 + y 2 = ; 0 (b) x 2 + y 2 = p ; > 0 (c) x 2 + y 2 = 1=; > 0 (d) x 2 + y 2 = e 1; 0 (e) x + y = (f) x y = arcsen (g) jxj jyj = (h) x 2 + 2y = 8 (i) 2x = c x 2 + y 2
11 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 11 (j) xy = (k) x 2 + y 2 = 9 2 ; jj < 3 (l) x2 4 + y2 9 = 1 2 ; jj < 1 (m) jx yj = (n) x + y 2 = (o) x y 2 = 1.1E No ponto P 0 (1; 2) tem-se z = 0 e acurva de nível por P 0 é y = 2x 3. A reta tangente tem equação y = 6x 4 e sobre essa reta f = 4x x 8. Assim, quando x! 1, a função f tende para 1: 1.1F A origem, a esfera x 2 + y 2 + z 2 = 1 e a esfera x 2 + y 2 + z 2 = 2, respectivamente. 1.1G O hiperbolóide de uma folha x 2 + y 2 z 2 = 1: 1.1H
12 12 CAMPOS ESCALARES COMP. 1 (d) z = 3 (e) z = x (f) x + y + z = 1 (d) z = sen y z = exp p x 2 + y 2 (f) z = 3 x 2 y 2 (g) z = p x 2 y 2 (h) z = p 16 x 2 y 2 (i) z = x 2 + y 2 1=2
13 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 13 (j) z = 1 x 2 (k) z = ln p x 2 + y 2 (l) z = sen x 2 + y 2 1.1I (a) planos (b) elipsóides (c) hiperbolóides (d) cilindros. 1.2B Além dos caminhos canônicos como as retas, considere: y = p x em (e), y = x 2 e x em (i), y 2 = x 3 em (g) y = x 2 em (h) e y = xe x em (j). Exercícios D (a) 0 (b) 1 (c) 1 (d) 1=2 (e) =4 (f) 2 (g) 0 (h) 0 (i) p 2 2=3 : 1.2E Como ilustração, faremos o ítem (b). De fato: Se 3x 2 + y 5 = 3 x (y 2) 3 jx 1j jx + 1j + jy 2j : q (x 1) 2 + (y 2) 2 <, então jx 1j < e jy 2j < e teremos 3x 2 + y 5 < 3 jx + 1j+. Para evitar uma equação do 2 o grau em, admitamos que o procurado seja menor do que 1. Assim: jx + 1j = jx 1 + 2j jx 1j + 2 < + 2 < 3 e, portanto, 3x 2 + y 5 < 10. Para concluir, imaginemos " > 0 dado e escolhamos = "=10. Dessa forma teremos: 0 < q (x 1) 2 + (y 2) 2 < =) 3x 2 + y 5 < ": 1.2G (a) Considere os caminhos y = 0 e y = x k e x, escolhendo k adequado (b) Idem. 1.2H (a) 0 (b) 0 (c) 3=8. A função não tem limite em (0; 0) : 1.2I (a) sim (b) sim (c) não (d) não.
14 14 CAMPOS ESCALARES COMP J A função f (x; y) é combinação de funções elementares sendo, portanto, contínua em seu domínio. (a) D (f) = f(x; y) ; x 0 e y 0 ou x 0 e y 0g (b) D (f) = f(x; y) ; y 6= 2xg (c) D (f) = f(x; y) ; y 6= 1g (d) D (f) = f(x; y) ; (x; y) 6= (0; 0)g 1.2K Note que a função está de nida em todo plano R 2 : (a) f é descontínua nos pontos da reta y = x, exceto no ponto (1=2; 1=2) ; (b) f é contínua em todos os pontos do R 2 ; (c) f é descontínua na origem; (d) f não tem ponto de descontinuidade, isto é, ela é contínua em todo R 2 ; (e) f é descontínua na origem; (f) f é descontínua nos pontos da elipse 4x 2 + 9y 2 = 1; (g) f é descontínua nos pontos da esfera x 2 + y 2 + z 2 = 1: 1.2L A função g é descontínua em (0; 0) porque o limite de g (x; y) na origem é 0 e g (0; 0) = 1. Para remover essa descontinuidade basta rede nir g na origem pondo g (0; 0) = 0: A função h (x; y) é descontínua em (0; 0) porque não tem limite nesse ponto. Esse é o caso de uma dsecontinuidade que não pode ser removida. 1.2M Usando coordenadas polares, obtém-se: sen r 2 lim f (x; y) = lim (x;y)!(0;0) r!0 1 cos r = 2: Note que, sendo f (0; 0) = 0, a função f é descontínua na origem. Essa descontinuidade pode ser removida rede nindo f na origem por f (0; 0) = 2: 1.2N Em cada caso aplique-se o Teorema do confronto. (a) 1 (b) 2 x 2 y 2 arctan (xy) 1 =) 3 xy jxyj cos p jxyj 2 =) jxyj arctan (xy) lim (x;y)!(0;0) xy lim (x;y)!(0;0) = cos p jxyj jxyj = 2: 1.2O Vejamos a continuidade de f (x; y). Fora da origem a função f é uma combinação de funções elementares sendo, portanto, contínua. Na origem, temos: 1 lim f (x; y) = lim (x;y)!(0;0) r!0 exp (1=r 2 = 0 = f (0; 0) : )
15 CÁLCULO DE VÁRIAS VARIÁVEIS MPMATOS 15 Logo, f é contínua em todo plano R 2. Veri que que lim f (x; 0) x = lim f (0; y) y = 0: 1.2P kx 3 (a) Ao longo da reta y = kx, temos lim f (x; kx) = lim x 2 + k 3 x 3 = 0; (b) Ao longo da curva y = x 2=3 e x ; aplique a regra de l Hôpital e mostre que o limite não é 0: 1.2Q Segue diretamente do Exercício 1.2F(c). 1.2R Usando coordenadas polares e a Regra de L Hôpital, obtemos: lim (x;y)!(0;0) x 2 + y 2 log p x 2 + y 2 = lim r 2 log r log r = lim r!0 r!0 1=r 2 = 0: Em que momento no cálculo do limite acima foi utilizada a Regra de L Hôpital?
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1.1 Domínios e Regiões 1.1A Esboce o conjunto R do plano R 2 dada abaixo e determine sua fronteira. Classi que R em: aberto, fechado, itado, compacto, ou conexo. (a) R = (x; y) 2 R 2 ; jxj 1; 0 y (b) R
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Exercícios Complementares 5.2 5.2A Veri que se a função dada é ou não solução da edo indicada: (a) y = 2e x + xe x ; y 00 + 2y 0 + y = 0: (b) x = C e 2t + C 2 e 3t ; :: x 0 : x + 6x = 0: (c) y = ln x;
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