Exercícios Resolvidos de Curvas Abertas

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Enunciado

17) Calcule as seguintes integrais:

a)

∫ C   e x 3 + y 2 d x + x + y 5 d y

Onde C é formada por y = x e y = 0 , 0 ≤ x ≤ 1 , que vai do ponto 1 ,   1 ao ponto 1 ,   0 .

Passo 1

Bem, perceba que nesse problema o enunciado não nos disse como essa integral de linha deve ser feita, porém... Repare que o campo que estamos trabalhando

F → x ,   y = e x 3 + y 2 ,   x + y 5

é muito complicado.

Isso é uma sugestão que devemos utilizar o teorema de Green para matar o problema, mas para você ter certeza se é Green ou não, calculemos

∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y

As derivadas parciais são...

∂ F 2 ∂ x = ∂ x + y 5 ∂ x = 1

∂ F 1 ∂ y = ∂ e x 3 + y 2 ∂ y = 2 y

logo

∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y = 1 - 2 y

De fato é muito simples essa subtração nos indicando que de fato estamos lidando com Green

Passo 2

O teorema de Green nada mais é do que essa igualdade mara entre a integral de linha com uma integral dupla:

∮ ∂ D   F → d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A

Mas antes de aplicarmos essa igualdade maravilhosa do Teorema, temos que avalizar as condições de Green, que sempre nos exige:

1º - Uma região fechada D que tem com borda, a curva fechada ∂ D .

2º - Orientadas positivamente.

3º - Um campo F → sem singularidades onde estamos trabalhando.

Vamos averiguar?

Passo 3

O primeiro, como vimos, nos diz que precisamos de uma curva fechada e delimitando uma região D .

Ora, a curva C , pelo próprio enunciado, é a composição desses dois pedacinhos de retas ( y = x e y = 0 ) saindo necessariamente do ponto lá em cima e chegando aqui em baixo...

Observe que infelizmente essa curva é aberta é não poderíamos aplicar o teorema. Por isso, nos devemos fecha-la com a curva mais simples que conseguirmos o que no caso é essa retinha verde aqui:

Repare que ela tem que ela tem que está seguindo o fluxo e, além disso, ela delimita essa região fechada D :

Passo 4

Quanto ao orientada positivamente, está ok, pois a curva gira no sentido anti-horário e em relação ao campo sem singularidades também ok, afinal o nosso campo é:

F → x ,   y = e x 3 + y 2 ,   x + y 5

e ele não tem nenhum “bug” em nenhum lugar ;)

Passo 5

Condições do Teorema sendo satisfeitas, podemos aplicar a igualdade numa boa:

∮ ∂ D   F → d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A

Bem, cuidado que aqui tem um detalhe muito importante! Se você reparar a região D com mais cuidado,

verá que a fronteira dele é a curva C em vermelho e a curva verde que vamos chamar de C 1 , logo...

∮ ∂ D   F → d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A       →           ∫ C   F → d r → + ∫ C 1   F → d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A   →

∫ C   F → d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A - ∫ C 1   F → d r →

Se queremos a integral de linha em C , calculemos essas integrais do lado direito e tá tudo certo (hehe ). Bora?

Passo 6

Primeiro, vamos resolver a integral dupla:

∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A = ∬ D   1 - 2 y   d A

A região D

pode ser descrita como do tipo 1 ...

0 ≤ x ≤ 1

e o y ...

0 ≤ y ≤ x

Logo a integral ficará sendo...

∬ D   1 - 2 y   d A = ∫ 0 1 ∫ 0 x 1 - 2 y   d y d x   →

∫ 0 1 ∫ 0 x 1 - 2 y   d y d x = ∫ 0 1 y - y 2 0 x d x   →

  ∫ 0 1 x - x 2 d x = x 2 2 - x 3 3 0 1 = 1 2 - 1 3 =

1 6

Passo 7

Fazendo agora a integral de linha

∫ C 1   F → d r →

em cima da reta C 1 que adicionemos...

  • Precisamos de C 1 parametrizada:
  • y = t

    x = 1

    ou

    γ t = 1 ,   t

    como estamos sando de 1 ,   0 e indo para 1 ,   1 , y varia de 0 a 1 , logo...

    0 ≤ t ≤ 1

  • O termo d r → é...
  • d r → = γ ' t d t

    d r → = 0 ,   1 d t

  • Não se esqueça de trocar os termos da função F → ...

F → = e x 3 + y 2 ,   x + y 5   →       F → = e + t 2 ,   1 + t 5

Substituindo na integral de linha...

∫ C 1   F → d r → = ∫ 0 1 e + t 2 ,   1 + t 5 ⋅ 0 ,   1 d t →

∫ 0 1 1 + t 5 d t = t + t 6 6 0 1 =

1 + 1 6

Passo 8

Voltando ao teorema de Green...

∫ C   F → d r → = ∬ D   ∂ F 2 ∂ x - ∂ F 1 ∂ y d A - ∫ C 1   F → d r →

e substituindo esses resultados paralelos...

∫ C   F → d r → = 1 6 - 1 + 1 6 =

- 1

Resposta

a )   - 1

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Use o teorema de Green para calcular ∫ C F ⋅ d r . (Verifique a orientação da curva antes de aplicar o teorema.) F x , y = x + y 3 , x 2 + y C consiste no arco da curva y = sen ⁡ x de ( 0,0 ) a ( 0 ,
f ( x , y ) = x 3 / y ,C : y = x 2 / 2 ,0 ≤ x ≤ 2
f ( x , y ) = x + y 2 / 1 + x 2 , C : y = x 2 / 2 entre ( 1,1 / 2 ) e ( 0,0 )