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CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL 2 – LISTA DE EXERCÍCIOS 1 1. Dadas as funções vetoriais f⃗ (t) = 2i⃗ + t 3 j⃗ + 3t 2 k⃗ e g⃗ (t) = ti⃗ + k⃗ , e a escalar h(t) = t – 2, determine: a) f⃗ (t) + g⃗ (t) f⃗ (t) + g⃗ (t) = 2i⃗ + t 3 j⃗ + 3t 2 k⃗ + ti⃗ + k⃗ f⃗ (t) + g⃗ (t) = (2 + t)i⃗ + t 3 j⃗ + (3t 2 + 1)k⃗ b) f⃗ (t) – 2g⃗ (t) f⃗ (t) – 2g⃗ (t) = 2i⃗ + t 3 j⃗ + 3t 2 k⃗ – 2 . (ti⃗ + k⃗ ) f⃗ (t) – 2g⃗ (t) = 2i⃗ + t 3 j⃗ + 3t 2 k⃗ – 2ti⃗ – 2k⃗ f⃗ (t) – 2g⃗ (t) = (2 – 2t)i⃗ + t 3 j⃗ + (3t 2 – 2)k⃗ c) f⃗ (t) × g⃗ (t) f⃗ (t) × g⃗ (t) = (2i⃗ + t 3 j⃗ + 3t 2 k⃗ ) × (ti⃗ + k⃗ ) f⃗ (t) × g⃗ (t) = 0 + 2(– j⃗ ) + t 4 (– k⃗ ) + t 3 i⃗ + 3t 3 j⃗ + 0 f⃗ (t) × g⃗ (t) = – 2j⃗ – t 4 k⃗ + t 3 i⃗ + 3t 3 j⃗ f⃗ (t) × g⃗ (t) = t 3 i⃗ + (– 2 + 3t 3 )j⃗ – t 4 k⃗ d) [h(t)f⃗ (t)] . g⃗ (t) [h(t)f⃗ (t)] . g⃗ (t) = [(t – 2) . (2i⃗ + t 3 j⃗ + 3t 2 k⃗ )] . (ti⃗ + k⃗ ) [h(t)f⃗ (t)] . g⃗ (t) = [(2t – 4)i⃗ + (t 4 – 2t 3 )j⃗ + (3t 3 – 6t 2 )k⃗ ] . (ti⃗ + k⃗ ) [h(t)f⃗ (t)] . g⃗ (t) = (2t – 4) . t + (3t 3 – 6t 2 ) . 1 [h(t)f⃗ (t)] . g⃗ (t) = 2t 2 – 4t + 3t 3 – 6t 2 [h(t)f⃗ (t)] . g⃗ (t) = 3t 3 – 4t 2 – 4t 2. O limite de uma função vetorial r⃗ (t) = (1 + t 3 )i⃗ + e – t j⃗ + cos(t)k⃗ é definido tomando-se os limites de suas funções componentes. Assim, calcule o limite da função: limt 0 r⃗ (t). limt 0 r⃗ (t) = limt 0 [(1 + t 3 )i⃗ + e – t j⃗ + cos(t)k⃗ ] limt 0 r⃗ (t) = (1 + 0 3 )i⃗ + e – 0 j⃗ + cos(0)k⃗ = (1 + 0)i⃗ + 1j⃗ + 1k⃗ limt 0 r⃗ (t) = i⃗ + j⃗ + k⃗ 3. Encontre limt 3 [3t 2 i⃗ ̶ (2e 2t ̶ 1)j⃗ ̶ cos(πt)k⃗ ] limt 3 [3t 2 i⃗ ̶ (2e 2t ̶ 1)j⃗ ̶ cos(πt)k⃗ ] = 3 . 3 2 i⃗ – (2e 2 . 3 – 1)j⃗ – cos(π . 3)k⃗ = 3 . 9i⃗ – (2e 6 – 1)j⃗ – cos(3π)k⃗ limt 3 [3t 2 i⃗ ̶ (2e 2t ̶ 1)j⃗ ̶ cos(πt)k⃗ ] = 27i⃗ – (2 . 403,43 – 1)j⃗ – (– 1)k⃗ = 27i⃗ – (806,86 – 1)j⃗ + 1k⃗ limt 3 [3t 2 i⃗ ̶ (2e 2t ̶ 1)j⃗ ̶ cos(πt)k⃗ ] = 27i⃗ – 805,86j⃗ + k⃗ 4. Se r⃗ (t) = 2cos(t)i⃗ + sen(t)j⃗ + 2tk⃗ , encontre ∫ r⃗ π 4 0 (t)d(t). ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = ∫ [2cos(t)i⃗ + sen(t)j⃗ + 2tk⃗ ] π 4 0 d(t) ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = [2sen(t)i⃗ ̶ cos(t)j⃗ + 2t2 2 k⃗ ]| π 4 0 ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = [2sen ( π 4 ) i⃗ ̶ cos ( π 4 ) j⃗ + ( π 4 ) 2 k⃗ ] – [2sen(0)i⃗ – cos(0)j⃗ + 0k⃗ ] ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = [2 . √2 2 i⃗ ̶ √2 2 j⃗ + π2 4 k⃗ ] – [2 . 0i⃗ – 1j⃗ ] ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = [√2 i⃗ ̶ √2 2 j⃗ + π2 4 k⃗ ] – [0i⃗ – j⃗ ] ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = √2 i⃗ – √2 2 j⃗ + π2 4 k⃗ – [– j⃗ ] = √2 i⃗ – √2 2 j⃗ + π2 4 k⃗ + j⃗ ∫ r⃗ π 4 0 (t)dt = √2 i⃗ + (1 – √2 2 ) j⃗ + π2 4 k⃗ 5. Considerando que a equação abaixo define y como uma função diferenciável de x, use a diferenciação implícita para encontrar o valor de dy dx no ponto dado. x 3 – 2y 2 + xy = 0, ponto (1,1). x 3 – 2y 2 + xy = 0 3x 2 – 4y dy dx + x dy dx = 0 – 4y dy dx + x dy dx = – 3x 2 . (– 1) 4y dy dx – x dy dx = 3x 2 (4y – x) dy dx = 3x 2 dy dx = 3x2 4y ̶ x dy dx = 3 . 12 4 . 1 ̶ 1 dy dx = 3 . 1 4 ̶ 1 = 3 3 dy dx = 1 6. Calcule a derivada das funções vetoriais abaixo: a) r⃗ (t) = (t 3 – t 2 )i⃗ + sen(1 – t)j⃗ + √t k⃗ dr⃗⃗⃗ (t) dt = (3t 2 – 2t)i⃗ + (0 – 1)cos(1 – t)j⃗ + 1 2 t ̶ 1 2 k⃗ dr⃗⃗⃗ (t) dt = (3t 2 – 2t)i⃗ – cos(1 – t)j⃗ + 1 2√t k⃗ b) r⃗ (t) = cos(3t)i⃗ + tj⃗ + sen(3t)k⃗ dr⃗⃗⃗ (t) dt = – 3sen(3t)i⃗ + j⃗ + 3cos(3t)k⃗ c) r⃗ (t) = (1 + t 2 , te – t , cos(2t)) dr⃗⃗⃗ (t) dt = (0 + 2t, te – t . (– 1), – 2sen(2t)) dr⃗⃗⃗ (t) dt = (2t, – te – t , – 2sen(2t)) 7. Verifique se a função vetorial r⃗ (t) = ( t 2 , cos(2t) t , 4 ̶ t2 2 ̶ t ) é contínua no ponto t = 1. limt 1 r⃗ (t) = limt 1 [( t 2 , cos(2t) t , 4 ̶ t2 2 ̶ t )] limt 1 r⃗ (t) = ( 1 2 , cos(2 . 1) t , 4 ̶ 12 2 ̶ 1 ) limt 1 r⃗ (t) = ( 1 2 , cos(2) 1 , 4 ̶ 1 1 ) = ( 1 2 , cos(2), 3 1 ) limt 1 r⃗ (t) = ( 1 2 , cos(2), 3) 8. Encontre a equação paramétrica da reta que passa pelo ponto P(1, 1, 1) e é paralela ao eixo x. xp = 1, yp = 1, zp = 1 e v⃗ = (1, 0, 0) é paralelo ao eixo x: x = xp + t . v1 x = 1 + t . 1 x = 1 + t y = yp + t . v2 y = 1 + t . 0 y = 1 z = zp + t . v3 z = 1 + t . 0 z = 1 { x = 1 + t y = 1 z = 1 9. Encontre um vetor normal à curva r⃗ (t) = (e t cos t)i⃗ + (e t sen t)j⃗ + 2k⃗ . dr⃗⃗⃗ (t) dt = (e t cos t – e t sen t)i⃗ + (e t sen t + e t cos t)j⃗ + 0k⃗ dr⃗⃗⃗ (t) dt = e t (cos t – sen t)i⃗ + e t (sen t + cos t)j⃗ 10. Encontre um vetor normal à curva r⃗ (t) = (sen t – cos t)i⃗ + (cos t + sen t)j⃗ + 6k⃗ . dr⃗⃗⃗ (t) dt = [cos t – (– sen t)]i⃗ + [cos t + (– sen t)]j⃗ + 0k⃗ dr⃗⃗⃗ (t) dt = (cos t + sen t)i⃗ + e t (cos t – sen t)j⃗ 11. Determine o comprimento de arco da ciclóide r⃗ (t) = (5sen(t), – 5cos(t)) entre t = 0 e t = 2π. x = 5sen(t) e y = – 5cos(t): dx dt = 5cos(t) dy dt = – 5[– cos(t)] = 5sen(t) L = ∫ √( dx dt ) 2 + ( dy dt ) 2 2π 0 dt = ∫ √[5cos (t)]2 + [5sen (t)]2 2π 0 dt L = ∫ √25cos2(t) + 25sen2(t) 2π 0 dt = ∫ √25[cos 2(t) + sen2(t)] 2π 0 dt L = ∫ √25 . 1 2π 0 dt = ∫ √25 2π 0 dt = ∫ 5 2π 0 dt = 5t| 2π 0 = 5 . (2π – 0) L = 5 . 2π L = 10π 12. Encontre a curvatura e o vetor normal unitário para o movimento circular: r⃗ (t) = (cos 2t)i⃗ + (sen 2t)j⃗ . Curvatura (κ): v⃗ = dr⃗⃗⃗ dt = (– 2sen 2t)i⃗ + (2cos 2t)j⃗ |v⃗ | = √(2sen 2t)2 + (2cos 2t)2 = √4sen2 2t + 4cos2 2t |v⃗ | = √4 . (sen2 2t + cos2 2t) = √4 . 1 = √4 = 2 T⃗ = v⃗⃗⃗ |v⃗⃗⃗ | = ( ̶ 2sen 2t)i⃗⃗⃗ + (2cos 2t)j⃗⃗⃗ 2 = (– sen 2t)i⃗ + (cos 2t)j⃗ dT⃗⃗⃗ dt = (– 2cos 2t)i⃗ + (– 2sen 2t)j⃗ | dT⃗⃗⃗ dt | = √(2cos 2t)2 + (2sen 2t)2 = √4cos2 2t + 4sen2 2t | dT⃗⃗⃗ dt | = √4 . (cos2 2t + sen2 2t) = √4 . 1 = √4 = 2 κ = 1 |v⃗⃗⃗ | . | dT⃗⃗⃗ dt | = 1 2 . 2 = 2 2 κ = 1 Vetor normal (N⃗ ): N⃗ = dT⃗⃗⃗⃗ dt | dT⃗⃗⃗⃗ dt | = ( ̶ 2cos 2t)i⃗⃗⃗ + ( ̶ 2sen 2t)j⃗⃗⃗ 2 N⃗ = (– cos 2t)i⃗ + (– sen 2t)j⃗ 13. Seja r⃗ (t) = (2ln(t + 1))i⃗ + t 2 j⃗ + t2 2 k⃗ o vetor posição de uma partícula no espaço no instante t, pede-se: a) Os vetores velocidade e aceleração da partícula; Vetor velocidade (v⃗ ): v⃗ = dr⃗⃗⃗ dt = 2 . 1 + 0 t + 1 i⃗ + 2tj⃗ + 2t 2 k⃗ = 2 . 1 t + 1 i⃗ + 2tj⃗ + tk⃗ v⃗ = 2 t + 1 i⃗ + 2tj⃗ + tk⃗ Vetor aceleração (a⃗ ): a⃗ = dv⃗⃗⃗ dt = – 2 . (t + 1) – 2 . (1 + 0)i⃗ + 2j⃗ + 1k⃗ a⃗ = – 2 . 1 (t + 1) 2 . 1i⃗ + 2j⃗ + k⃗ b) O módulo da velocidade da partícula; |v⃗ | = √( 2 t + 1 ) 2 + (2t)2 + (t)2 = √ 4 (t + 1) 2 + 4t2 + t2 |v⃗ | = √ 4 (t +1) 2 + 5t2 a⃗ = – 2 (t + 1) 2 i⃗ + 2j⃗ + k⃗ c) A direção do movimento da partícula em t = 1; A direção do movimento da partícula é definida pelos ângulos θ e φ: v⃗ = 2 t + 1 i⃗ + 2tj⃗ + tk⃗ = 2 1 + 1 i⃗ + 2 . 1j⃗ + 1k⃗ = 2 2 i⃗ + 2j⃗ + 1k⃗ v⃗ = i⃗ + 2j⃗ + 1k⃗ v⃗ x = 1; v⃗ y = 2 e v⃗ z = 1: θ = tg – 1 v⃗⃗⃗ y v⃗⃗⃗ x = tg – 1 2 1 = tg – 1 2 θ = 63,43° |v⃗ | = √v⃗ x 2 + v⃗ y 2 + v⃗ z 2 = √12 + 22 + 12 = √1 + 2 + 1 = √6 φ = cos – 1 v⃗⃗⃗ z |v⃗⃗⃗ | = cos – 1 1 √6 = cos – 1 0,4082 φ = 65,91° d) A velocidade da partícula em t = 1; v⃗ = 2 t + 1 i⃗ + 2tj⃗ + tk⃗ = 2 1 + 1 i⃗ + 2 . 1j⃗ + 1k⃗ = 2 2 i⃗ + 2j⃗ + 1k⃗ v⃗ = i⃗ + 2j⃗ + k⃗ e) O vetor tangente unitário em t = 1. T⃗ = v⃗⃗⃗ |v⃗⃗⃗ | T⃗ = i⃗⃗⃗ + 2i⃗⃗⃗ + k⃗⃗⃗ √6 14. No instante t, a posição de uma partícula no espaço é dada por: x(t) = 3t 2 ; y(t) = 3t 3 2 ; z(t) = t 1 2 . a) Escreva a função vetorial que nos dá a trajetória da partícula; r⃗ (t) = x(t)i⃗ + y(t)j⃗ + z(t)k⃗ r⃗ (t) = 3t 2 i⃗ + 3t 3 2 j⃗ + t 1 2 k⃗ b) Determine a posição e a velocidade quando t = 4 s. Posição (r⃗ ): r⃗ = 3t 2 i⃗ + 3t 3 2 j⃗ + t 1 2 k⃗ = 3 . 4 2 i⃗ + 3 . 4 3 2 j⃗ + 4 1 2 k⃗ r⃗ = 3 . 16i⃗ + 3 . 8j⃗ + 2k⃗ r⃗ = (48i⃗ + 24j⃗ + 2k⃗ ) m Velocidade (v⃗ ): v⃗ = dr⃗⃗⃗ dt = 6ti⃗ + 9 2 t 1 2 j⃗ + 1 2 t ̶ 1 2 k⃗ v⃗ = 6 . 4i⃗ + 9 2 . 4 1 2 j⃗ + 1 2 . 4 ̶ 1 2 k⃗ = 24i⃗ + 9 2 . 2j⃗ + 1 2 . 1 2 k⃗ v⃗ = (24i⃗ + 9j⃗ + 1 4 k⃗ ) m/s 15. Determine as equações paramétricas da reta r que passa pelos pontos A(1, – 1, 4) e B(2, 3, 2). v⃗ = B – A = (2, 3, 2) – (1, – 1, 4) = (2 – 1, 3 + 1, 2 – 4) v⃗ = (1, 4, – 2) x = xA + t . v1 x = 1 + t . 1 x = 1 + t y = yA + t . v2 y = – 1 + t . 4 y = – 1 + 4t z = zA + t . v3 z = 4 + t . (– 2) z = 4 – 2t { x = 1 + t y = ̶ 1 + 4t z = 4 ̶ 2t 16. Elimine o parâmetro t para encontrar uma equação cartesiana da curva: x = 3t – 5 e y = 2t + 1. Isolando o parâmetro t da 1ª equação, temos: x = 3t – 5 3t – 5 = x 3t = x + 5 t = x + 5 3 Substituindo o parâmetro t na 2ª equação, temos: y = 2t + 1 = 2 . x + 5 3 + 1 = 2x + 10 3 + 1 y = 2x + 10 + 3 3 = 2x + 13 3 A equação cartesiana é: y = 2 3 x + 13 3 17. Encontre uma equação paramétrica para a reta y + 3 = 2 – x. y + 3 = 2 – x y + 3 = – (x – 2) y + 3 1 = x ̶ 2 ̶ 1 x ̶ 2 ̶ 1 = t x – 2 = t . (– 1) x – 2 = – t x = 2 – t y + 3 1 = t y + 3 = t . 1 y + 3 = t y = – 3 + t { x = 2 ̶ t y = ̶ 3 + t 18. Substitua as equações polares a seguir por equações cartesianas e identifique os gráficos correspondentes. a) rcos θ = – 4 Equação cartesiana: x = rcos θ: rcos θ = – 4 Gráfico: x = – 4 b) r 2 = 4rcos θ Equação cartesiana: x = rcos θ e r 2 = x 2 + y 2 : r 2 = 4rcos θ x 2 + y 2 = 4x Centro C e raio r da circunferência: m = – 4, n = 0 e k = 0: a = – m 2 = – ( ̶ 4) 2 = 2 b = – n 2 = – 0 2 = 0 C(2, 0) r = √a2 + b2 ̶ k = √22 + 02 ̶ 0 r = √4 + 0 ̶ 0 = √4 = 2 x 2 + y 2 – 4x = 0 y – 4 x 0 – 3 – 2 – 1 Gráfico: c) r = 4 2cos θ ̶ sen θ Equação cartesiana: x = rcos θ e y = rsen θ: r = 4 2cos θ ̶ sen θ r(2cos θ – sen θ) = 4 2rcos θ – rsen θ = 4 2x – y = 4 2x – 4 = y Gráfico: y = 2x – 4 19. Quais pares de coordenadas polares representam o mesmo ponto? Justifique as suas respostas. a) (3, 0); b) (− 3, 0); c) (2, 2π 3 ); d) (2, 7π 3 ); e) (− 3, π); f) (2, π 3 ); g) (− 3, 2π); h) ( ̶ 2, ̶ π 3 ). y x 0 1 – 4 – 3 – 2 – 1 y 1 x 0 C 2 r = 2 a) (3, 0) r = 3 e θ = 0: x = rcos θ = 3cos 0 = 3 . 1 x = 3 y = rsen θ = 3sen 0 = 3 . 0 y = 0 (3, 0) b) (– 3, 0) = (3, 0 + π) = (3, π) r = 3 e θ = π: x = rcos θ = 3cos π x = 3 . (– 1) x = – 3 y = rsen θ = 3sen π = 3 . 0 y = 0 (– 3, 0) c) (2, 2π 3 ) r = 2 e θ = 2π 3 : x = rcos θ = 2cos 2π 3 x = 2 . (– 0,5) x = – 1 y = rsen θ = 2sen 2π 3 y = 2 . √3 2 y = √3 (– 1, √3) d) (2, 7π 3 ) r = 2 e θ = 7π 3 : x = rcos θ = 2cos 7π 3 x = 2 . 0,5 x = 1 y = rsen θ = 2sen 7π 3 y = 2 . √3 2 y = √3 (1, √3) e) (– 3, π) = (3, π + π) = (3, 2π) r = 3 e θ = 2π: x = rcos θ = 3cos 2π = 3 . 1 x = 3 y = rsen θ = 3sen 2π = 3 . 0 y = 0 (3, 0) f) (2, π 3 ) r = 2 e θ = π 3 : x = rcos θ = 2cos π 3 x = 2 . 0,5 x = 1 y = rsen θ = 2sen π 3 y = 2 . √3 2 y = √3 (1, √3) g) (– 3, 2π) = (3, 2π + π) = (3, 3π) r = 3 e θ = 3π: x = rcos θ = 3cos 3π x = 3 . (– 1) x = – 3 y = rsen θ = 3sen 3π = 3 . 0 y = 0 (– 3, 0) h) ( ̶ 2, ̶ π 3 ) = (2, ̶ π 3 + π) = (2, 2π 3 ) r = 2 e θ = 2π 3 : x = rcos θ = 2cos 2π 3 x = 2 . (– 0,5) x = – 1 y = rsen θ = 2sen 2π 3 y = 2 . √3 2 y = √3 (– 1, √3) Os pares de coordenadas polares (3, 0) e (– 3, π) representam o mesmo ponto (3, 0). Os pares de coordenadas polares (– 3, 0) e (– 3, 2π) representam o mesmo ponto (– 3, 0). Os pares de coordenadas polares (2, 2π 3 ) e ( ̶ 2, ̶ π 3 ) representam o mesmo ponto (– 1, √3). Os pares de coordenadas polares (2, 7π 3 ) e (2, π 3 ) representam o mesmo ponto (1, √3). 20. Encontre as coordenadas cartesianas do ponto cujas coordenadas polares são ( ̶ 4, 7π 6 ). ( ̶ 4, 7π 6 ) = (4, 7π 6 + π) = (4, 13π 6 ) r = 4 e θ = 13π 6 : x = rcos θ = 4cos 13π 6 x = 4 . √3 2 x = 2√3 y = rsen θ = 4sen 13π 6 y = 4 . 0,5 y = 2 As coordenadas cartesianas são x = 2√3 e y = 2.
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