No problema 13, determine o volume do sólido gerado pela rotação da região limitada pelas curvas dadas em torno do eixo indicado. Use o método dos discos circulares ou o método dos anéis circulares.

y = x^2, y = 2 * x * e ^ (i * x)

Passo 1

Eaew, como vai?

Esta questão nos pede para calcular o volume de um sólido de revolução em torno de um eixo específico. Aqui, nós temos uma região entre duas funções dadas e ao rotacionar isso forma-se um objeto com uma simetria que nos permite calcular o volume através de 2 métodos, que podem ser mais ou menos convenientes dependendo do que está querendo fazer. Sendo estes, o método dos discos circulares e o método dos anéis circulares. A região que o enunciado nos dá é a seguinte:

Para esta questão é conveniente utilizar o método dos anéis circulares, belezinha? Vou explicar o método agora!

Passo 2

O método de anéis circulares se baseia na perspectiva de calcular o volume de anéis infinitesimais formados ao fatiar este sólido. Esses anéis tem um raio externo dado pela função mais externa durante a rotação (em nosso caso y   = 2 x ), e o raio interno, dado pela função mais interna durante a rotação (em nosso caso y   =   x 2 ) .

Para construir as expressão que vamos utilizar vamos identificar que r e x t = f ( x ) , e o raio interno como r i n t = g ( x ) . Ao fatiar o nosso sólido de revolução obtemos anéis de espessura d x . O volume deste anel infinitesimal é então dado por:

d V   =   A b a s e × d x

A área da base é obtida calculando a área de um disco formado pelo giro da função externa f ( x ) , e subtraindo-se a “área do buraco” formado ao girar a função interna g ( x ) , isso é dado da seguinte maneira:

A b a s e = π r e x t 2 - π r i n t 2 = π ( [ f ( x ) ] 2 - [ g ( x ) ] 2 )

Nosso volume é então a soma de todos estes infinitesimais de volume em um intervalo bem estabelecido, ou seja:

V   =   π ∫ a b { [ f ( x ) ] 2 - [ g ( x ) ] 2 } d x           ( 1 )

Utilizando essa equação, podemos finalmente começar a fazer as continhas com os dados que o enunciado passou! Bora lá!

Passo 3

Primeira coisa, precisamos ver quais são os nossos limites de integração. Para isso, vamos ver quando estas duas funções são iguais, olhando a figura no Passo 1 fica bastante claro, mas você pode encontrar isso igualando ambas as funções dada, olha só:

x 2 = 2 x →   x 2 - 2 x = 0 →   B h a s k a r a → x = 0   e   x = 2

Utilizando as funções na equação (1), temos que:

V   =   π ∫ 0 2 { [ 2 x ] 2 - [ x 2 ] 2 } d x = π ∫ 0 2 { 4 x 2 - x 4 } d x

Podemos utilizar que:

∫ ( f ( x ) + g ( x ) ) d x = ∫ f ( x ) d x + ∫ g ( x ) d x

e também que:

∫ x n = x n + 1 n + 1 + C

Portanto (lembrando de avaliar nos limites de integração, final menos inicial) temos:

V   = 4 π ∫ 0 2 x 2 d x - π ∫ 0 2 x 4 d x = 4 π [ x 3 3 ] | 2 0 - π [ x 5 5 ] | 2 0 =

=   4 π [ 2 3 3 - 0 3 3 ] - π [ 2 5 5 - 0 5 5 ] = 4 π 8 3 - π 32 5 = 160 π - 96 π 15 = 64 π 15

Resposta

O volume é dado por:

V   = 64 π 15     u n i d a d e s   c ú b i c a s