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Universidade de Bras´ılia Departamento de Matema´tica Ca´lculo III Mo´dulo 2 Lista 3 2.o/2017 Atenc¸a˜o: na questa˜o 1, decida se cada item e´ certo (C) ou errado (E), assinalando sua resposta no espac¸o ao lado do item e justificando a sua resposta. 1) Seja Q o so´lido limitado pelo plano 2x+ 2y + z = 1 e pelo paraboloide z = 3 − x2 − y2, conforme ilustra a figura, e indique por M a massa de Q com densidade constante δ0 = 1. De acordo com a figura, o so´lido e´ a regia˜o entre os gra´ficos de duas func¸o˜es f, g : D → R, definidas em algum domı´nio D ⊂ R2. C E a) O domı´nio D e´ um disco. C E b) Q e´ o conjunto dos pontos (x, y, z) em que (x, y) ∈ D e 3− x2 − y2 ≤ z ≤ 1− 2x− 2y . C E c) A mudanc¸a g(u, v) = (u + 1, v + 1) simplifica o ca´lculo da massa M . C E d) Calculando obte´m-se que M < 10pi. C E e) A coordenada x do centro de massa e´ tal que x < 1/2. 2) Indique porD a calota circular ilustrada na figura e por A(x0) a sua a´rea, onde 0 ≤ x0 ≤ 2. Feito o ca´lculo, os valores de A(0) e A(2) podem ser comparados com as expresso˜es das a´reas nos casos em que x0=0 e x0=2, expresso˜es que podem ser deduzidos diretamente da figura. x0 2 D a) Descreva D em coordenadas cartesianas. Resposta: b) Descreva a reta x = x0 em coordenadas polares. Resposta: c) Descreva D em coordenadas polares. Resposta: d) Calcule a a´rea A(x0). Resposta: e) Verifique o resultado do item anterior comparando os valores de A(0) e A(2) com aqueles deduzidos diretamente da figura. Resposta: Ca´lculo III Mo´dulo 2 Lista 3 2.o/2017 – 1/2 3) Apesar da func¸a˜o e−x 2 na˜o ter uma primitiva elementar, a integral ∫∞ 0 e−x 2 dx pode ser calculada usando coordenadas polares e que e−x 2 e−y 2 = e−(x 2+y2). De fato, tem-se que∫ ∞ 0 e−x 2 dx ∫ ∞ 0 e−y 2 dy = ∫ ∞ 0 ∫ ∞ 0 e−(x 2+y2) dxdy = lim a→∞ ∫ a 0 ∫ a 0 e−(x 2+y2) dxdy onde o integrando sugere o uso de coordenadas polares. Nesse sentido, sejam R1 e R2 as regio˜es no primeiro quadrante limitadas pelos c´ırculos de raios a e √ 2 a, conforme a figura. a) Use coordenadas polares para calcular a integral de e−(x 2+y2) sobre a regia˜o R1. b) Repita o mesmo ca´lculo para a regia˜o R2. c) Determine func¸o˜es g1(a) e g2(a) tais que g1(a) < ∫ a 0 ∫ a 0 e−(x 2+y2) dxdy < g2(a). a √ 2a R1 R2 d) Use o item anterior para calcular o limite lima→∞ ∫ a 0 ∫ a 0 e−(x 2+y2) dxdy. e) Calcule finalmente o valor da integral ∫∞ 0 e−x 2 dx. 4) Considere uma chapa CR limitada pela circunfereˆncia x 2 + y2 = R2, com densidade cons- tante δ0, uma part´ıcula de massa m0 situada no ponto (0, 0, b) e o problema de determinar a forc¸a de atrac¸a˜o gravitacional entre esses corpos. Denote por G a constante gravitacional e por dF (x, y) a forc¸a de atrac¸a˜o entre a part´ıcula e o elemento de massa dm(x, y) = δ0 dxdy do ponto (x, y). Observe que, por simetria, as componentes horizontais de dF (x, y) e dF (−x,−y) se cancelam, restando apenas as componentes verticais dessas forc¸as. b R a) Use a lei de Newton para calcular ‖dF (x, y)‖. b) Determine o vetor unita´rio U(x, y) na mesma direc¸a˜o do vetor de ponto inicial(0, 0, b) e ponto final (x, y, 0). c) Usando que dF (x, y) = ‖dF (x, y)‖ U(x, y), determine a componente vertical dFv(x, y) de dF (x, y). d) Calcule a forc¸a de atrac¸a˜o entre CR e a part´ıcula usando um argumento infinitesimal. e) Passando o limite com R → ∞, verifique que a forc¸a de atrac¸a˜o entre a part´ıcula e todo o plano Oxy, com densidade δ0, na˜o depende da distaˆncia b da part´ıcula ao plano. Ca´lculo III Mo´dulo 2 Lista 3 2.o/2017 – 2/2
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