| Fatias com x fixo | |
|---|---|
| A outra ordem (Fubini), quando ∬|f| dA é finita |
Lição
A teoria — Integrais duplas
A integral dupla ∬D f(x, y) dA é o volume entre uma região D do plano xy e a superfície z = f(x, y), contando como negativa qualquer parte abaixo do plano. Calcula-se como integral iterada: integra-se numa variável mantendo a outra fixa e depois integra-se o que resulta.
O que significa cada símbolo
A(x)- a área da fatia num x fixo, ela própria uma integral em y
g₁(x), g₂(x)- as fronteiras inferior e superior de D quando D é lida ao longo de x
h₁(y), h₂(y)- as fronteiras esquerda e direita de D quando D é lida ao longo de y
De onde vem a fórmula
- Fixe x. O plano nesse x corta o sólido numa fatia cujo bordo superior é a curva y ↦ f(x, y), desde a fronteira inferior da região até à superior. A sua área é uma integral em y com x tratado como constante, o mesmo gesto de uma derivada parcial.
- Some as fatias. O volume é a integral de A(x) ao longo de x: volume por fatiamento, com uma fatia que precisou de uma integral própria.
- Ou fatie no outro sentido. Leia D ao longo de y, com x entre uma fronteira esquerda e uma direita, e integre primeiro em x. O teorema de Fubini diz que as duas ordens dão o mesmo número sempre que ∬|f| dA é finita, o que se verifica para qualquer f contínua numa região fechada e limitada.
- Pressupõe
- f é contínua em D, ou pelo menos ∬|f| dA é finita. Onde uma fronteira de D muda de fórmula, como a aresta superior do triângulo em x = 1, a integral divide-se nesse ponto.
Problemas resolvidos na íntegra
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Sobre um retângulo, nas duas ordens 3 passos
Calcule ∬ xy² dA sobre o retângulo 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, nas duas ordens.
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Com x fixo, integre em y tratando x como constante:
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Depois, ao longo de x:
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A outra ordem, fatias com y fixo:
Resposta
2/3 ≈ 0,6667 de qualquer das maneiras. Sobre um retângulo os limites são números nas duas ordens, e um produto separa-se: (∫₀² x dx)(∫₀¹ y² dy) = 2 · 1/3.
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Uma região entre duas curvas 2 passos
Calcule ∬ (x + y) dA sobre a região entre y = x² e y = x.
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As curvas encontram-se em x = 0 e x = 1, e entre elas x² ≤ x, pelo que com x fixo a fatia vai de y = x² até y = x:
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Integre de 0 a 1:
Resposta
3/20 = 0,15.
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Inverter a ordem 3 passos
Escreva a integral do problema 2 com a ordem de integração invertida e calcule-a.
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Leia a região ao longo de y: vai de y = 0 a y = 1, e à altura y a sua fronteira esquerda é a reta, x = y, e a direita é a parábola, x = √y:
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A integral interior, com y fixo:
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Depois, ao longo de y:
Resposta
3/20 outra vez. A parábola que era a fronteira inferior na leitura ao longo de x é a fronteira direita na leitura ao longo de y, escrita x = √y.
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Escolher a ordem que pede uma só integral 3 passos
Calcule ∬ xy dA sobre o triângulo de vértices (0, 0), (2, 0) e (1, 1).
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Lendo ao longo de x, a aresta superior é y = x até x = 1 e y = 2 − x a partir daí, o que obriga a duas integrais. Lendo ao longo de y, o triângulo vai da fronteira esquerda x = y à fronteira direita x = 2 − y para todo o y, por isso fatie com y fixo:
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A integral interior:
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Depois, ao longo de y:
Resposta
1/3 ≈ 0,3333. A outra ordem dá 1/8 + 5/24 a partir das suas duas partes, o mesmo 1/3.
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Inverter a ordem para obter uma fórmula 3 passos
Calcule ∫₀¹ ∫ₓ¹ e^(y²) dy dx.
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A integral interior não tem primitiva elementar, por isso inverta a ordem. A região é 0 ≤ x ≤ y ≤ 1; lida ao longo de y, é 0 ≤ y ≤ 1 com 0 ≤ x ≤ y:
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A função integranda não depende de x:
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Substitua u = y²:
Resposta
(e − 1)/2 ≈ 0,8591.
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Um sólido descrito pelas suas faces 3 passos
Determine o volume do tetraedro limitado pelos três planos coordenados e pelo plano x + y + z = 1.
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O sólido fica sob z = 1 − x − y e sobre a parte do plano xy onde essa altura não é negativa: x ≥ 0, y ≥ 0, x + y ≤ 1. Leia esse triângulo ao longo de x:
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A integral interior, com x fixo:
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Depois, ao longo de x:
Resposta
1/6, o que concorda com um terço da área da base vezes a altura: (1/3)(1/2)(1).
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A altura média sobre uma região 3 passos
Determine o valor médio de f(x, y) = x + y sobre a região do problema 2.
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O valor médio é o volume dividido pela área |D| da região, ou seja, a altura de uma laje plana sobre D com o mesmo volume:
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A área é a integral dupla de 1:
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Com o volume 3/20 do problema 2:
Resposta
9/10 = 0,9.
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Quando as duas ordens não concordam 4 passos
Mostre que as duas integrais iteradas de f(x, y) = (x² − y²)/(x² + y²)² sobre o quadrado unitário são diferentes e indique que hipótese do teorema de Fubini falha.
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A derivada de y/(x² + y²) em ordem a y é f, pelo que, com x > 0 fixo:
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Nesta ordem, portanto:
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Trocar x e y muda o sinal de f, pelo que a outra ordem é o mesmo cálculo com o sinal trocado:
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Em coordenadas polares, f = cos 2θ/r². Sobre o quarto de disco de raio 1, que está contido no quadrado,
Resposta
π/4 ≈ 0,7854 numa ordem e −π/4 na outra. ∬|f| dA é infinita, e a finitude é exatamente o que o teorema de Fubini pressupõe.
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Percurso de aprendizagem
Aplicações da integração
Referências (4)
- The method and the two descriptions of a region the page uses: Type I (“between two vertical lines and the graphs of two continuous functions”) and Type II (between two horizontal lines), and Theorem 5.4, Fubini's theorem (strong form), for a function continuous on such a region: G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 3, OpenStax (2016), section 5.2, “Double Integrals over General Regions”.
- Insight block 2: Fubini's theorem on successive integration, for f in L¹, that is, with ∬|f| finite; published 1907: G. Fubini, “Sugli integrali multipli”, Atti della Reale Accademia dei Lincei, Rendiconti, Classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali (5) 16 (1907), no. 1, 608–614.
- Insight block 3: Euler showed in 1735 that 1 + 1/4 + 1/9 + … = π²/6: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Leonhard Euler”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated September 1998).
- Insight block 3: integrals over the unit square with 1 − xy in the denominator, used to prove ζ(2) and ζ(3) irrational: F. Beukers, “A Note on the Irrationality of ζ(2) and ζ(3)”, Bulletin of the London Mathematical Society 11 (1979), no. 3, 268–272.