Integrais triplos
Projeções, sólidos, coordenadas cilíndricas e esféricas, massa e centro de massa.
No tetraedro , , a altura disponível sobre é . Só há altura não negativa no triângulo , .
Um integral triplo soma sobre o sólido. Começamos por integrar na altura de cada coluna, depois somamos as colunas na projeção. Com integrando 1 obtemos volume; com densidade obtemos massa.
Iteração em cartesianas
No tetraedro , , a projeção no plano é , . Para cada ponto dessa projeção, . Portanto,
O intervalo exterior tem limites constantes. O intermédio pode depender da variável exterior, e o interior pode depender das duas exteriores. Reorganiza limites que dependam de uma variável ainda por integrar.
Para massa, substitui 1 pela densidade . Os momentos para , e usam , e , divididos pela massa. Não confundas a densidade com o raio esférico, que também usa essa letra.
Coordenadas cilíndricas
As coordenadas usam
O fator é o jacobiano polar; a coordenada vertical não muda. Usa cilíndricas quando surgem , cilindros ou simetria em torno do eixo .
O sólido entre e tem . As superfícies cruzam-se em , logo
Com densidade constante, a simetria dá . O momento vertical é
por isso . Está entre 0 e 4 e acima da metade, porque as secções horizontais aumentam de área com .
Coordenadas esféricas
Fixamos como ângulo no plano e como ângulo a partir do eixo positivo:
Outros textos trocam os nomes dos ângulos. Decide pela definição, não pela letra.
Na bola de raio , , , . O volume é .
Para o hemisfério superior, reduz a . Se a bola unitária está ainda acima do cone , temos , logo . O volume é
Não é a quarta parte da bola: um ângulo polar de não representa uma fração linear do volume, por causa de .
Reconstruir cartesianas e trocar a ordem
Um integral cilíndrico também se lê em cartesianas. O volume entre e , com , é o conjunto com . Por isso
O disco sai da interseção . Nas provas pedem este caminho inverso: dado o integral cilíndrico, desenhar o sólido e escrever os limites cartesianos.
A ordem também pode mudar dentro de cartesianas. No tetraedro , a ordem usa , , . Na ordem , fixa e ; depois . O volume continua .
Quando a altura é o mínimo de duas superfícies, ou a secção muda de forma, divide o sólido. Um tubo cilíndrico oco , precisa de duas descrições em porque o buraco interior parte cada faixa horizontal em dois intervalos.
Recuperar o integrando cartesiano
Um integral cilíndrico escrito já contém o fator de . Esse fator não faz parte da função cartesiana. Por exemplo, em
o integrando escrito fatoriza-se como . Como , a função cartesiana é . O domínio é o cilindro , , e o integral torna-se
O resultado é , somando o momento no disco e . Integrar 1 nesse mesmo domínio daria o volume , uma quantidade diferente.
Em , a fatorização interpreta-se por continuidade; o eixo tem volume zero.
Escolher coordenadas e conferir limites
Cartesiana é boa para planos e caixas; cilíndrica para distâncias ao eixo; esférica para distâncias à origem e cones com vértice na origem. Uma bola deslocada pode justificar uma translação antes das esféricas.
Transforma o integrando, o elemento de volume e todas as fronteiras. Por exemplo, na bola unitária,
O valor médio é , dividindo pelo volume , e está entre o mínimo 0 e o máximo 1 do integrando. Esta conferência não prova a conta, mas deteta vários erros de jacobiano ou de limites.
Exercícios
Projetar antes de integrar
Calcula o volume de , .
Pista
Mais uma pista
Usa , , .
Solução
A integração dá . É oito vezes o volume do tetraedro de lado interceptado 1, como prevê a escala cúbica.
Confere a tua resposta:
- Escrevi a projeção triangular.
- Dei os limites de z.
- Integrei na ordem indicada.
Erros frequentes
Não uses uma caixa de 0 a 2 em cada coordenada: incluirias pontos fora do sólido.
Ler cilíndricas em cartesianas
Converte
para cartesianas e confirma o valor.
Pista
Mais uma pista
Solução
O integral é
A altura em cada vai do paraboloide ao plano.
Confere a tua resposta:
- Identifiquei o sólido pela interseção.
- Escrevi a projeção cartesiana.
- Confirmei os limites da altura.
Erros frequentes
Um tubo oco obriga a partir
Descreve , em cartesianas por faixas em .
Pista
Mais uma pista
Para , cada faixa só vê o anel exterior.
Solução
Para , as duas partes são
Para , há um só intervalo:
Em todos os casos, . O volume confirma-se por vezes a área do anel. Quando , as duas partes encontram-se em , que pertence à fronteira interior; a sua união é um só intervalo.
Confere a tua resposta:
- Desenhei o anel da secção.
- Separei as faixas que atravessam o buraco.
- Escrevi os intervalos de y em cada parte.
Erros frequentes
Um só intervalo em y por cada x inclui o buraco vazio ou exclui parte do tubo.
Ler um cone como ângulo
Monta e calcula o volume dentro da bola unitária e acima do cone .
Pista
Mais uma pista
Solução
Confere a tua resposta:
- Identifiquei a convenção angular.
- Traduzi a desigualdade do cone.
- Incluí o jacobiano esférico.
Erros frequentes
Converter o domínio e a função
Considera
Descreve o sólido e a projeção, reescreve em cartesianas na ordem e calcula-o. Este integral mede o volume do sólido?
Pista
O fator pertence a . A restante função é . O setor ocupa o semidisco superior, exceto a parte onde .
Solução
O sólido tem alturas . A projeção é
As fronteiras são o arco de raio 2, o segmento de no primeiro quadrante e o segmento do eixo negativo. O segmento de encontra o círculo em , por isso o limite direito muda quando . Escreve , com
O fator cilíndrico é , logo a função cartesiana é . Integrar em e dá
Usa a primitiva para conferir as duas parcelas. Assim, .
Diretamente em cilíndricas, a altura 3 multiplica e , dando o mesmo valor. O volume seria altura vezes área do setor, . O integral pedido pesa cada ponto pela coordenada , por isso mede outra quantidade.
Confere a tua resposta:
- Separei o jacobiano da função integrada.
- Traduzi o setor angular em desigualdades cartesianas.
- Parti a projeção no ponto onde muda o limite de x.
- Calculei e distingui o integral do volume do sólido.