| Cascas, em torno do eixo y | |
|---|---|
| Pappus |
Lição
A teoria — O Método das Cascas Cilíndricas
A rotação da região sob y = h(x), para a ≤ x ≤ b, em torno do eixo y gera um sólido com volume V = 2π∫ₐᵇ x h(x) dx por cascas cilíndricas: cada faixa em x gera um cilindro fino de raio x, altura h(x) e espessura dx.
O que significa cada símbolo
h(x)- a altura da região em x, borda superior menos borda inferior
x- o raio da casca: sua distância ao eixo de rotação
De onde vem a fórmula
- Uma casca. Desenrolado, um cilindro fino de raio x, altura h e espessura Δx aproxima-se de uma placa plana, com comprimento 2πx e altura h; o seu volume é quase 2πx·h·Δx.
- Somar as cascas. Some as faixas e faça Δx tender a zero.
Problemas resolvidos na íntegra
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O mesmo sólido, pelos dois métodos 2 passos
A região sob y = x² em [0, 1] é girada em torno do eixo y. Calcule o volume por cascas e por anéis.
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Cascas: raio x, altura x².
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Anéis: ao longo de y, a região estende-se de x = √y até x = 1.
Resposta
π/2 ≈ 1,5708, por ambos os métodos.
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Quando as cascas são o caminho mais simples 2 passos
Gire em torno do eixo y a região sob y = sen x em [0, π]. Calcule o volume.
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Cascas: raio x, altura sen x.
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∫x sen x dx por partes, com u = x e dv = sen x dx:
Resposta
2π² ≈ 19,7392. Por anéis, o cálculo exigiria arcsen y, razão pela qual ninguém o faz assim.
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Região entre duas curvas 1 passos
A região entre y = x e y = x² em [0, 1] é girada em torno do eixo y. Calcule o volume.
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Cascas: raio x, altura x − x².
Resposta
π/6 ≈ 0,5236.
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Um toro 2 passos
O disco (x − 2)² + y² ≤ 1 é girado em torno do eixo y. Calcule o volume.
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Por Pappus: a área multiplicada pela distância que o centro percorre.
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Por cascas, a altura em x é 2√(1 − (x − 2)²):
Resposta
4π² ≈ 39,4784. A integral das cascas exige uma substituição e a área de um semidisco; Pappus resolve em uma linha.
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Uma raiz, por cascas 1 passos
A região sob y = √x em [0, 4] é girada em torno do eixo y. Calcule o volume.
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Cascas: raio x, altura √x; o integrando torna-se uma simples potência de x.
Resposta
128π/5 ≈ 80,4248.
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Cascas em torno do eixo x 2 passos
Use cascas para calcular o volume quando a região sob y = x² em [0, 1] é girada em torno do eixo x.
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Em torno do eixo x, as cascas estendem-se ao longo de x: raio y e comprimento de x = √y a x = 1.
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Verificação pelo método dos discos:
Resposta
π/5 ≈ 0,6283, por ambos os métodos. As cascas estendem-se sempre em paralelo ao eixo de rotação; seu raio é a distância até ele.
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Percurso de aprendizagem
Aplicações da integração
Referências (3)
- The method of cylindrical shells as the page uses it (equation 6.6, V = ∫ₐᵇ 2πx f(x) dx about the y-axis), and the section's own comparison of shells with discs and washers, the choice depending on which integral is easier: G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.3, “Volumes of Revolution: Cylindrical Shells”.
- Insight block 3: Theorem 6.14, Theorem of Pappus for Volume (a region turned about a line that does not meet it has volume equal to its area times the distance its centroid travels): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.6, “Moments and Centers of Mass”.
- Insight block 3: the attribution, “what is now known as Guldin's theorem was proved by Pappus in Book VII of the Mathematical Collection”, the Collection “thought to have been written in around 340”, and Guldin's publication in 1640: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Pappus of Alexandria”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated April 1999).