Mudança de Variáveis de Integração
Se quisermos efetuar uma mudança de variável num integral em Rn,
precisamos de compensar a nossa alteração,
tal como fazíamos em R.
DEFINIÇÃO
Sendo:
- g:U⊂Rn→V⊂Rn, com U,V abertos
- g é injetiva
- g é de classe C1
- detDg=0
- (x1,…,xn)=g(y1,…,yn)
Temos que:
∫Vf(x1,…,xn)dx1…dxn=∫Uf(g(y1,…,yn))∣detDg∣dy1…dyn
Para isso, multiplicamos o nosso integral pelo determinante da derivada da função que representa a nossa mudança de variável.
dxdy=∣detDφ(x′,y′)∣dx′dy′
Por exemplo, considerando φ(r,θ)=(rcosθ,rsinθ), temos que
Dφ(r,θ)=[cosθsinθ−rsinθrcosθ]
∣detDφ(x′,y′)∣=∣rcos2θ+rsin2θ∣=r
dxdy=∣detDφ(r,θ)∣drdθ=rdrdθ
Coordenadas Polares
Coordenadas polares (em R2) são representadas através de um raio e um ângulo, em vez de x e y.
Isto permite-nos facilmente trabalhar com áreas curvas.
Tomando como exemplo:
A={(x,y)∈R2:1≤x2+y2≤4,x>0,y>0}
Podemos converter esta figura para coordenadas polares, o que nos dá um quadrado.
{x=rcosθy=rsinθ
A={1≤r≤2,0<θ<2π}
Nas variáveis (r,θ),
A=[1,2]×]0,2π[
No entanto, temos de ter atenção para não nos esquecermos de compensar esta mudança com o determinante da derivada,
que já foi calculado acima.
∣detDφ(r,θ)∣=r
E finalmente, calculamos a área da figura.
∫A1dxdy=∫02π∫121⋅rdrdθ=∫02π[2r2]12dθ=∫02π(2−21)dθ=23⋅2π=43π
Exemplo - Calcular Área de um Círculo
Podemos usar as coordenadas polares para calcular a área de um círculo de raio R.
{x=rcosθy=rsinθ ∣detDg∣=r
Temos de verificar as várias condições para efetuar a mudança de variável.
- Inicialmente temos 0≤r≤R, 0≤θ≤2π
- r=0⟹detDg=0, então tomamos 0<r≤R
- Tomamos 0<θ<2π para não ter problemas com a injetividade
Aˊrea=∫circulo1dxdy=∫]0,R]×]0,2π[1×rdrdθ=∫0R(∫02πrdθ)dr=∫0R2πrdr=[2π2r2]0R=πR2
Coordenadas Cilíndricas
Em R3, podemos querer representar regiões de revolução por coordenadas cilíndricas,
em vez de x, y e z.
A esta mudança de variável, estão associadas:
(x,y,z)→(r,θ,z)
⎩⎨⎧x=rcosθy=rsinθz=z0<θ<2πr>0
detDg=detcosθsinθ0−rsinθrcosθ0001=1×cosθsinθ−rsinθrcosθ=rcos2θ+rsin2θ=r
Exemplo - Determinar Volume de um Cone
Tomando o cone definido por
C={(x,y,z)∈R3:x2+y2<z<h} Vamos determinar o seu volume:
Volume=∫C1dxdydz Convertendo para coordenadas cilíndricas:
⎩⎨⎧x=rcosθy=rsinθz=zx2+y2=r2r<z<h 0<z<h,0<θ<2π,0<r<z Então temos:
Volume=∫0h(∫02π(∫0z1⋅rdr)dθ)dz=∫0h(∫02π[2r2]0zdθ)dz=∫0h(∫02π2z2dθ)dz=∫0h2π×2z2dz=∫0hπz2dz=[π3z3]0h=3πh3
Coordenadas Esféricas
Em R3, podemos querer representar esferas por coordenadas esféricas,
em vez de x, y e z.
- r é a distância à origem
- φ é o ângulo que o vetor faz com o eixo dos zz
- θ é o ângulo entre o semi-eixo positivo dos xx e a projeção do vetor no plano Oxy
Podemos então definir a transformação:
⎩⎨⎧x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφ
r>0,0<φ<π,0<θ<2π,g=g(r,θ,φ)
∣detDg∣=r2sinφ
Demonstração
detDg=detsinφcosθsinφsinθcosφ−rsinφsinθrsinφcosθ0rcosφcosθrcosφsinθ−rsinφ=cosφ−rsinφsinθrsinφcosθrcosφcosθrcosφsinθ+(−rsinφ)sinφcosθsinφsinθ−rsinφsinθrsinφcosθ=cosφ(−r2sinφcosφsin2θ−r2sinφcosφcos2θ)+(−rsinφ)(rsin2φcos2θ+rsin2φsin2θ)=−r2sinφcos2φ−r2sinφsin2φ=−r2sinφ=0
Exemplo - Volume de uma Bola
Seja C uma bola em R3 de raio R:
C={(x,y,z)∈R3:x2+y2+z2<R2} Vamos então calcular o seu volume:
Volume=∫C1dxdydz
Convertendo para coordenadas esféricas, com r2<R2:
0<θ<2π,0<φ<π,0<r<R E, finalmente, calculando o volume:
Volume=∫02π(∫0π(∫0R1⋅r2sinφdr)dφ)dθ=∫02π(∫0π[3r3sinφ]r=0r=Rdφ)dθ=∫02π(∫0π3R3sinφdφ)dθ=∫02π[−3R3cosφ]φ=0φ=πdθ=∫02π3R3−(−3R3)dθ=∫02π32R3dθ=32R3×2π=34πR3
Slides: