Exercícios Resolvidos de Campos Singulares

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Enunciado

Calcule a integral de linha ∫ C   F → . d r → do campo

F → = - ( y - 1 ) x - 1 2 + y - 1 2 , x - 1 x - 1 2 + y - 1 2 + 3 x

Ao longo de uma curva C fechada simples orientada positivamente e satisfazendo as duas seguintes propriedades:

  1. O círculo de centro em ( 0,0 ) e raio 4 está no interior da região limitada pela curva C ;
  2. A área da região delimitada por C é 25 π .

Passo 1

Bom, se a questão relaciona uma integral de linha com uma área (integral dupla), já sabemos que estamos falando de Green. Ainda mais porque ela não nos dá essa curva C .

Certo, se estamos falando de Green, vamos começar calculando o termo ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y :

∂ F 2 ∂ x = 1 x - 1 2 + y - 1 2 - ( x - 1 ) ( 2 x ) x - 1 2 + y - 1 2 2 + 3 = x 2 + y 2 - 2 x - 2 y + 2 - 2 x 2 + 2 x x - 1 2 + y - 1 2 2 + 3

∂ F 1 ∂ y = - x - 1 2 + y - 1 2 + 2 y 2 - 2 y x - 1 2 + y - 1 2 2 = - x 2 + y 2 - 2 x - 2 y + 2 + 2 y 2 - 2 y x - 1 2 + y - 1 2 2

∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y = 3

Passo 2

Agora vamos aplicar Green, mas com calma. Repare que temos uma singularidade no ponto x = y = 1 (o denominador do campo dá zero), portanto, precisamos excluir ese ponto da região.

Bom como a questão fala que O círculo de centro em ( 0,0 ) e raio 4 está no interior da região limitada pela curva C , vamos usar esse círculo para isolar o ponto (repare que o ponto está dentro dele). Bom, isso pode não ser uma boa ideia por causa do denominador do campo: x - 1 2 + y - 1 2 .

Seria muito melhor se a gente isolasse esse ponto com a circunferência x - 1 2 + y - 1 2 = 1 .

E nós podemos fazer isso, porque essa circunferência está dentro da cicunferência de raio 4 centrada na origem, que o problema afirma estar dentro de C . Portanto, a circunferência de raio 1 deslocada também está dentro de C !

Então, vamos isolar o ponto com essa nova circunferência.

Sendo, então, D a região entre C e essa circunferência deslocada e sendo C orientada no sentido anti-horário e a circunferência horário, temos:

∫ C   F → . d r → + ∫ c i r c u n f   F → . d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y = ∬ D   3 d x d y = 3 Á r e a ( D )

A questão também fala que a área da região delimitada por C é 25 π . Podemos escrever então:

∫ C   F → . d r → + ∫ c i r c u n f   F → . d r → = 3 Á r e a D = 3 Á r e a C - Á r e a ( c i r c u n f )

Como a circunferência tem raio 1 , sua área é dada por π :

∫ C   F → . d r → + ∫ c i r c u n f   F → . d r → = 3 25 π - π = 72 π

Passo 3

Agora falta a integral na circunferência. Vamos parametrizá-la em coordenadas polares deslocadas com r = 1 :

x - 1 2 + y - 1 2 = 1

σ θ = cos ⁡ θ + 1 ,   s e n   θ + 1

Como ela gira no sentido horário, θ vai de 2 π a 0 . Agora derivamos isso aí: σ ' θ = - s e n   θ ,   cos ⁡ θ

Aplicamos a fórmula:

∫ c i r c u n f   F x , y ⋅ d r = ∫ a b F x θ ,   y θ ⋅ σ → ' θ d θ

F x θ ,   y θ = ( - s e n   θ , cos ⁡ θ + 3 cos ⁡ θ + 3 )

F x θ ,   y θ = ( - s e n   θ , 4 cos ⁡ θ + 3 )

∫ c i r c u n f   F x , y ⋅ d r = ∫ 2 π 0 ( - s e n   θ , 4 cos ⁡ θ + 3 ) ⋅ - s e n   θ ,   cos ⁡ θ d θ

= ∫ 2 π 0 s e n 2 θ + 4 cos 2 ⁡ θ + 3 cos ⁡ θ d θ =

= ∫ 2 π 0 ( s e n 2 θ + cos 2 ⁡ θ ) + 3 cos 2 ⁡ θ + 3 cos ⁡ θ d θ =

= ∫ 2 π 0 1 + 3 cos 2 ⁡ θ + 3 cos ⁡ θ d θ =

Lembrando que

cos 2 ⁡ θ = 1 + c o s ⁡ ( 2 θ ) 2

= ∫ 2 π 0 1 + 3 2 1 + cos ⁡ 2 θ + 3 cos ⁡ θ d θ =

= 5 θ 2 + 3 4 s e n 2 θ + 3 s e n   θ 2 π 0 =

= - 5 π =

Passo 4

Temos, então:

∫ C   F → . d r → = 72 π - ∫ c i r c u n f   F → . d r → = 72 π + 5 π = 77 π

Resposta

77 π

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