Universidade de Mogi das Cruzes UMC. Cálculo Diferencial e Integral II Parte IV
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1 Cálculo Diferencial e Integral II Página 1 Universidade de Mogi das Cruzes UMC Campos Villa Lobos Cálculo Diferencial e Integral II Parte IV Engenharia Civil Engenharia Mecânica marilia@umc.br º semestre de 015
2 Cálculo Diferencial e Integral II Página ÍNDICE 1. Cálculo de Áreas º Caso Exemplo Exercícios º Caso Exemplo Exercícios º Caso Exemplo Exercícios Sólidos de Revolução Definição Exemplos Cálculo de Volume º Caso º Caso º Caso º Caso Cálculo de Área º Caso º Caso Bibliografia... 58
3 Cálculo Diferencial e Integral II Página 3 1. Cálculo de Áreas º Caso A função f é contínua no intervalo e f( x) 0, para todo x [ a, b]. b A a f ( x). dx Exemplo Calcule a área limitada pela curva Gráfico: Raízes: 4x 0 x 4 x Pontos de Intersecção com o eixo dos x: P(,0) e Q (,0) y 4 x e o eixo dos x. Vértice: b ac V b ( ; ) a 4 a V (0;4) Ponto de Intersecção com o eixo dos y: y 4 x y 40 y 4 R (0,4) Note que f( x) 0 no intervalo [,] (1o caso) b a 3 x f ( x) dx (4 x ) dx 4x ( ) ( ) ua
4 Cálculo Diferencial e Integral II Página Exercícios 1. Calcule a área sob o gráfico da função y x x 5 9, 1x 4 e represente graficamente. zss
5 Cálculo Diferencial e Integral II Página 5. Calcule a área sob o gráfico da função y x 7, 0 x 3 e represente graficamente.
6 Cálculo Diferencial e Integral II Página 6 Respostas 1..
7 Cálculo Diferencial e Integral II Página º Caso A função f é contínua no intervalo e f( x) 0, para todo x [ a, b]. Neste caso toma-se o módulo da integral b A a f ( x). dx Exemplo Calcule a área limitada pela curva y 4 x e o eixo dos x. Raízes: x 4 x 0 4 x Gráfico: Pontos de Intersecção com o eixo dos x: P(,0) e Q (,0) Note que f( x) 0 no intervalo [,] (o caso) Vértice: b ac V b ( ; ) a 4 a V (0; 4) ( 4) 16 Ponto de Intersecção com o eixo dos y: y 4 x y 4 0 y 4 R(0, 4) b a 3 x f ( x) dx ( 4 x ) dx 4x ( ) ( ) ua
8 Cálculo Diferencial e Integral II Página Exercícios 1.Calcule a área limitada pelo gráfico da função represente graficamente. y x x 5 9 e o eixo dos x, de 1x 4, e çç
9 Cálculo Diferencial e Integral II Página 9. Calcule a área sob o gráfico da função yx 9 e o eixo dos x e represente graficamente. Jj
10 Cálculo Diferencial e Integral II Página Calcule a área sob o gráfico da função y senx e pelo eixo dos x, de 0x e represente graficamente. çç
11 Cálculo Diferencial e Integral II Página 11 Respostas:
12 Cálculo Diferencial e Integral II Página º Caso As funções f e g são contínuas no intervalo e a área é limitada por f( x ) e gx ( ) para todo x [ a, b]. b A f ( x). dx g( x). dx a b A [ f ( x) g( x)]. dx a b a No caso geral, deslocar o eixo dos x de maneira que os gráficos das funções permaneçam acima dele (funções não negativas), no intervalo considerado. Para Raízes: x 0 x 0 P (0,0) y x Exemplo Calcule a área limitada por y x e y x Gráfico:. Para yx Q(0,) e Q (0, ) yx e y Note que a área está compreendida entre as curvas dos gráficos de x, no intervalo [ 1,] (3o caso). Determinação do intervalo: x x x x 0 9 ' x '' ; x 1 Intervalo: [ 1, ] b a 3 x x [ f ( x) g( x)] dx [( x ) x ] dx ( x x ) dx x ( 1) ( 1) ( 1) ua.. 3 3
13 Cálculo Diferencial e Integral II Página Exercícios 1.Calcule a área da região compreendida entre as curvas graficamente. y x e y x 4x e represente Çç
14 Cálculo Diferencial e Integral II Página 14.Calcule a área da região compreendida entre as curvas y x graficamente. e y x e represente çç
15 Cálculo Diferencial e Integral II Página Calcule a área da região compreendida entre as curvas graficamente. y x 1 e y 1 x e represente çç
16 Cálculo Diferencial e Integral II Página 16 4.Calcule a área da região compreendida entre as curvas graficamente. y x e yx 8 e represente çç
17 Cálculo Diferencial e Integral II Página 17 5.Calcule a área da região compreendida entre as curvas graficamente. y x e y x e represente çç
18 Cálculo Diferencial e Integral II Página 18 Respostas:
19 Cálculo Diferencial e Integral II Página 19. Sólidos de Revolução.1. Definição Um sólido de revolução e um sólido gerado a partir do giro de uma região plana em torno de uma reta no plano, denominada de eixo de revolução Exemplos 1. Ao girar a região limitada pelas retas y 0, y x e x 4 um sólido de revolução denominado cone. em torno do eixo dos x, obtemos. Ao girar a região limitada pelas retas x 0, x 4, y 0 e y eixo dos x, obtemos um sólido de revolução denominado cilindro. (retângulo) em torno do 3. Ao girar a região limitada pelas retas x 1, x 3 e y f ( x) um sólido de revolução. em torno de um eixo, obtemos OBS: o eixo de revolução pode ser o eixo dos x, o eixo dos y, uma reta paralela ao eixo dos x ou uma reta paralela ao eixo dos y.
20 Cálculo Diferencial e Integral II Página 0.. Cálculo de Volume..1. 1º Caso x [ a, b]. 1ª Situação: A função f é contínua no intervalo e f( x) 0, para todo Seja S a região sob o gráfico de f de a até b. O volume do sólido, gerado pela revolução de S em torno do eixo dos x é definido por: b V f ( x). dx a Exemplo: A região S, limitada pela curva y 1 4 x, o eixo dos x e as retas 1 em torno do eixo dos x. Calcule o volume desse sólido de revolução. x e x 4, gira b x V f ( x). dx x. dx x. dx..(4 1 ) u. v a 1 1
21 Cálculo Diferencial e Integral II Página 1 Exercícios: 1. A curva 1 y, x [1,4] x, ao ser girada em torno do eixo dos x determina um sólido de revolução. Calcule o volume desse sólido e represente graficamente.
22 Cálculo Diferencial e Integral II Página. A reta yx 1, x [0,], ao ser girada em torno do eixo dos x determina um sólido de revolução. Calcule o volume desse sólido e represente graficamente. ff
23 Cálculo Diferencial e Integral II Página 3 3. A curva y x, x [1,3], ao ser girada em torno do eixo dos x determina um sólido de revolução. Calcule o volume desse sólido e represente graficamente.
24 Cálculo Diferencial e Integral II Página 4 ª Situação: A função f é contínua no intervalo e f( x) 0 em alguns pontos de [ ab., ] Seja S a região sob o gráfico de f de a até b. O volume do sólido, gerado pela revolução de S em torno do eixo dos x é definido por: b V f ( x). dx a Observe que, sendo o sólido gerado por rotação, o volume do sólido gerado pela parte do gráfico situado abaixo do eixo dos x equivale ao gerado por uma curva simétrica a ele, em relação ao eixo dos x, no mesmo intervalo. Sendo assim, a mesma fórmula do 1º caso, revolve o problema. Exemplo: A região S, limitada pela curva y senx e o eixo dos x, gira em torno dos eixo dos x. Calcule o volume desse sólido de revolução, considerando Calculando, por substituição, cos( x). dx u x du dx, temos: cos u du cos u. du. senu c. sen x c 3 x. Calculando sen x. dx e, lembrando as seguintes relações trigonométricas: senx senx cos x, temos: 1 cos x sen x e 1 cos( x) sen x. dx. dx dx cos( x). dx. x. sen x x. senx x. senx.cos x x. senx.cos x c 4 Calculando o volume:
25 Cálculo Diferencial e Integral II Página b 1 1 V f ( x). dx ( senx). dx. x. senx.cos x a sen3.cos3.( ). sen( ).cos( ). 4 ( ) uv..
26 Cálculo Diferencial e Integral II Página 6 4. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região S delimitada pelos gráficos das equações dadas: yx 1, x 0, x 4 e y 0 e represente graficamente.
27 Cálculo Diferencial e Integral II Página 7 5. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região S delimitada pelos gráficos das equações dadas: graficamente. y 3 x, 1 x, x 1 e y 0, e represente
28 Cálculo Diferencial e Integral II Página 8 Respostas:
29 Cálculo Diferencial e Integral II Página 9... º Caso As funções f e g são contínuas no intervalo [ ab, ] e o sólido de revolução é gerado a partir do giro da região S compreendida entre os gráficos destas funções em torno do eixo dos x. Seja S a região e supondo f ( x) g( x) todo x [ a, b] por: para, o volume do sólido é dado b V f ( x) g( x). dx a Exemplo: A região S, limitada pelas curvas dos x. Calcule o volume desse sólido de revolução. 1 (13 x ) y, 4 1 y ( x 5), gira em torno do eixo b 13 x x x x x 10x 5 V f ( x) g( x). dx ( ) ( ). dx ( ) ( ). dx a x x x 5x x x x 5x dx dx x x 5x x 1 x 5 x dx x x x x x ( 3).( 3).( 3).( 3) uv
30 Cálculo Diferencial e Integral II Página 30 Exercícios: 1. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região S 3 delimitada pelos gráficos das equações dadas: y x e y x e represente graficamente.
31 Cálculo Diferencial e Integral II Página 31. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região S delimitada pelos gráficos das equações dadas: y x e yx e represente graficamente.
32 Cálculo Diferencial e Integral II Página 3 3. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região S 3 delimitada pelos gráficos das equações dadas: y x e y x e represente graficamente.
33 Cálculo Diferencial e Integral II Página 33 Respostas:
34 Cálculo Diferencial e Integral II Página º Caso A função g( y ) é contínua no intervalo [ cd, ] e S gira em torno do eixo dos y. Seja S a região, o volume do sólido é dado por: d V g( y). dy c Exemplo: A região S, limitada pela curva torno do eixo dos y. Calcule o volume desse sólido de revolução. y 3 x, pelo eixo dos y e pela reta y 8, gira em Calculando g( y ): y x y3 x y 1 3 x g( y) y 1 3 Calculando o volume: d y V 3 g( y). dy ( y). dx y. dx y. dx ( ).. y..(8 0 ). u. v c
35 Cálculo Diferencial e Integral II Página 35 Outra maneira de resolução é calcular o volume do cilindro, gerado pela rotação no intervalo 0 a [a,b], em torno do eixo dos y e subtrair o volume do sólido de revolução gerado pela rotação, no mesmo intervalo, da curva dada por: V x. f ( x). dx. b a y x 3, ao redor do eixo dos y. Nesse caso, a fórmula é No exemplo dado, temos: Volume do cilindro: Vcilindro r h 8 3. Volume do sólido de revolução: b x 5 64 Vsólido x. f ( x). dx x. x. dx x. dx do gráfico da curva, que é o volume abaixo a y x. Volume Total: Vtotal Vcilindro Vsólido Vtotal u. v
36 Cálculo Diferencial e Integral II Página 36 Exercícios: 1. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos y, da região S 3 delimitada pelos gráficos das equações y x e o eixo dos x, sendo x [0,8] e represente graficamente.
37 Cálculo Diferencial e Integral II Página 37. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos y, da região S delimitada pelo gráfico da equação y x 1 e pelo eixo dos x, sendo x [1,] e represente graficamente.
38 Cálculo Diferencial e Integral II Página Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos y, da região S y, sendo x [1,4] e represente delimitada pelos gráficos das equações y x e 1 graficamente.
39 Cálculo Diferencial e Integral II Página 39 Respostas:
40 Cálculo Diferencial e Integral II Página º Caso A função f é contínua no intervalo de [ ab, ] e o gráfico da função y f ( x) gira ao redor de uma reta paralela a um dos eixos cartesianos. a. O eixo de revolução é paralelo ao eixo dos x (reta y L) Seja S a região o volume do sólido é dado por b V f ( x) L. dx a 1 Exemplo: A região S, limitada pelos gráficos de y, y 4 e x 4, gira em torno do da reta x y 4. Calcule o volume desse sólido de revolução. Ponto de intersecção com a reta L: x x b V f ( x) L. dx 4. dx 16. dx a 1 x 1 x x x 1 x 8x 16. dx 8.ln x 16. x 1 8.ln x 16. x 1 1 x ln ln ln ln ln 4 8.ln 8.ln 4 8.ln ln (ln 4 ln ) 8.( ) 8.ln16 uv ln 1 4 4
41 Cálculo Diferencial e Integral II Página 41 Exercícios: 1. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo y, da região S delimitada pelos gráficos das equações dadas: graficamente. y x, y, x e x 1 e represente
42 Cálculo Diferencial e Integral II Página 4. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo y, da região S delimitada pelos gráficos das equações dadas: graficamente. y 3 x, y, x e x e represente
43 Cálculo Diferencial e Integral II Página 43 Respostas: 1..
44 Cálculo Diferencial e Integral II Página 44 b. O eixo de revolução é paralelo ao eixo dos y (reta x M ) Seja S a região o volume do sólido é dado por d V g( y) M. dy c Exemplo: A região S, limitada pelos gráficos de y x, x 1, y e y 0 torno do da reta x 1. Calcule o volume desse sólido de revolução., gira em Calculando g( y ): y x y x y x y x y g( y) 1 d V g( x) M. dy y 1 ( 1). dy y. dx y y 4. dx 4 c y y y. y. y 4. y uv
45 Cálculo Diferencial e Integral II Página 45 Exercícios: 1. Determinar o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo 9 delimitada pelos gráficos das equações dadas: graficamente. y x 3, x 9, y 0 e y 4 x, da região S, e represente
46 Cálculo Diferencial e Integral II Página 46 Respostas: 1.
47 Cálculo Diferencial e Integral II Página Cálculo de Área º Caso Seja C uma curva de equação y f ( x), em que f e f ' são funções contínuas no intervalo [ ab, ] e f( x) 0 para todo x [ a, b]. A área da superfície de revolução S, gerada pela rotação da curva C ao redor do eixo dos x, é definida por: b A f ( x) 1 f '( x). dx a Exemplo: Calcular a área da superfície de revolução obtida pela rotação, em torno do eixo dos x, da curva dada por y 4 f ( x) 4 x f ( x) 4x x, 1 x f '( x) 4.. x x x b 4 A f ( x) 1 f '( x). dx 4 x. 1. dx 4 x. 1. dx 1 a 1 1 x 4 x x 4 x 4 ( x 4) 4 8 x.. dx 8 x.. dx 8 ( x 4). dx 8 x x ( x 4) (4 4) ( 4) (8) ( ) (8) ( ) ua.. 3 3
48 Cálculo Diferencial e Integral II Página 48 Exercícios: 1. Determinar a área da superfície gerada pela rotação da curva dada por do eixo x, no intervalo 0x. y x 3, em torno
49 Cálculo Diferencial e Integral II Página 49. Determinar a área da superfície gerada pela rotação da curva dada por torno do eixo x, no intervalo 0x. y 4 x, em
50 Cálculo Diferencial e Integral II Página Determinar a área da superfície gerada pela rotação da curva dada por do eixo x, no intervalo 0x 4. y 1 x, em torno
51 Cálculo Diferencial e Integral II Página 51 Respostas:
52 Cálculo Diferencial e Integral II Página º Caso Seja C uma curva de equação y f ( x), em que f e f ' são funções contínuas no intervalo [ ab, ] e f( x) 0 para todo x [ a, b]. A área da superfície de revolução S, gerada pela rotação da curva C ao redor do eixo dos y, é definida por: d A g( y) 1 g '( y). dy c Exemplo: Calcular a área da superfície de revolução obtida pela rotação, em torno do eixo dos y, da curva dada por 1 y x 3, 0x 1. Calculando g( y ): y x y y x x g( y) y g( y) y 3 g '( y) 3y d A g( y) 1 g '( y). dy y. 1 (3 y ). dy y. 1 9 y. dy c 0 0 Calculando a integral u1 9y y. 1 9 y. dy, por substituição: du 36 3 y dy u y. 1 9 y. dy du u du.. u c u c (1 9 y ) c Substituindo a integral, temos:
53 Cálculo Diferencial e Integral II Página A y. 1 9 y. dy (1 9 y ) (1 9.1 ) (1 9.0 ) (10) (1) ua Outra maneira de resolução é empregar a fórmula: b A x. 1 f '( x). dx a
54 Cálculo Diferencial e Integral II Página 54 Exercícios: 1. Determinar a área da superfície gerada pela rotação da curva dada por eixo y, no intervalo 1 y 4. y x, em torno do
55 Cálculo Diferencial e Integral II Página 55. Determinar a área da superfície gerada pela rotação da curva dada por y 4x, em torno do eixo y, no intervalo 0x.
56 Cálculo Diferencial e Integral II Página 56 Respostas: 1..
57 Cálculo Diferencial e Integral II Página 57 1º Caso: f( x) 0 x [ a, b] b, para todo ÁREA º Caso: f( x) 0 x [ a, b], para todo 3º Caso: área é limitada por f( x ) e gx ( ) para todo x [ a, b] A f ( x) dx A f ( x) dx A [ f ( x) g( x)] dx a 1º Caso: f( x) 0 ou f( x) 0 x [ a, b]. º Caso: a região S é gerada pela rotação de duas curvas f( x ) e gx ( ). 3º Caso: A função g( y ) é contínua no intervalo [ cd, ]. 4º Caso: f( x ) gira ao redor de uma reta paralela a um dos eixos cartesianos. Sqq 1º Caso: f( x) 0 para todo x [, ] º Caso: f( x) 0 para todo x [ a, b] Llç pp DERIVADAS 01 y c y' 0 03 y c. u y' c. u' y u y '. u. u ', u u y a y ' a.ln a. u ', 0 e 1 09 u u y e y' e. u ' 11 u ' y ln u y ' u 13 y senu y' cos u. u' 14 y cos u y' senu. u' b a SÓLIDOS DE REVOLUÇÃO VOLUME Eixo de Rotação, para todo Eixo dos x Eixo dos x Eixo dos y Eixo paralelo ao eixo dos x (reta y L Eixo paralelo ao eixo dos y (reta x M ÁREA Eixo de Rotação a b. Eixo dos x. Eixo dos y Q b b a V f ( x). dx a b V f ( x) g( x). dx a d V g( y). dy ) c b V f ( x) L. dx ) 01 du u c a d V g( y) M. dy c b A f ( x) 1 f '( x). dx a d A g( y) 1 g '( y). dy c INTEGRAIS du ln u c u u u du c, constante e 1 1 u u a a du c ln a e du e c 05 u u 06 senudu cos u c 07 cosudu senu c ccccccc
58 Cálculo Diferencial e Integral II Página Bibliografia DEMANA et al. Pré-Cálculo. Tradução de Aldy Fernandes da Silva e Eliana Crepaldi Uazawa. São Paulo: Pearson, 009. IEZZI, G. Complexos, Polinômios e Equações. 6 e. São Paulo: Atual, v.6. Fundamentos de Matemática Elementar. IEZZI, G. Trigonometria. 7 e. São Paulo: Atual, v.3. Fundamentos de Matemática Elementar. IEZZI, G; DOLCE, O; MURAKAMI, C. Logaritmos. 8 e. São Paulo: Atual, v.. Fundamentos de Matemática Elementar. POOLE, DAVID. Álgebra Linear I. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 004. SAFIR, F. Pré-Cálculo. 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 003.
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