Matéria do exame: a partir da Ficha 7 das aulas práticas. Cobre integração múltipla, mudança de variáveis, integrais de linha e teoremas integrais (Green). A matéria da Ficha 6 (extremos livres e condicionados) ficou fora do exame — está no Resumo do MAP2.
Cada secção tem: teoria explicada → passos do método → exercício resolvido (dobrável) → erros comuns. Tenta resolver cada exercício antes de abrir a resolução.
🗺️ Mapa da Matéria
Ficha
Tema
Ferramenta central
7
Integrais múltiplos
Teorema de Fubini, troca de ordem
8
Mudança de variáveis
Jacobiano, polares/cilíndricas/esféricas, Regra de Leibniz
9
Integrais de linha
Campos escalares e vetoriais (trabalho)
10
Campos conservativos
Campos fechados, potencial, TFC para integrais de linha
11
Teoremas integrais no plano
Teorema de Green, homotopia
Fio condutor de toda a matéria
As Fichas 7–8 são integrar regiões (medir volumes/massas). As Fichas 9–11 são integrar ao longo de curvas (trabalho), culminando no Teorema de Green, que liga um integral de linha (fronteira) a um integral duplo (interior) — é a ponte entre as duas metades. (A diferenciação/otimização da Ficha 6 entrou no MAP2, não no exame.)
∬ Ficha 7 — Teorema de Fubini
Ideia
Um integral em 2D/3D calcula-se iterando integrais de 1 variável: integra-se primeiro numa variável (tratando as outras como constantes) e depois na seguinte. Fubini garante que, em condições razoáveis, a ordem é livre — e escolher bem a ordem pode tornar um integral impossível em trivial.
Porquê funciona — "somar por fatias"
Pensa no integral ∬Rf como somar todos os valores de f sobre o retângulo. Fubini é apenas a associatividade da soma: em vez de somar tudo de uma vez, somas primeiro ao longo de cada fatia vertical (com x fixo, varrendo y) — obténs uma área A(x) que depende de x — e depois somas essas áreas ao varrer x. Geometricamente, A(x)=∫cdf(x,y)dy é a área da secção do sólido sob o gráfico cortada pelo plano vertical de abcissa x, e ∫abA(x)dx acumula essas secções → o volume total. Trocar a ordem é somar por fatias horizontais em vez de verticais; o total é o mesmo.
Em regiões gerais, os limites internos dependem da variável externa
Numa região não-retangular, ao fixar a variável externa a “fatia” tem extremos que são funções dela. Regra prática: o integral externo tem sempre limites constantes (números); o interno pode ter limites que dependem da variável de fora. Se aparecer a variável interna nos limites de fora, trocaste a ordem por engano.
Teorema de Fubini (retângulo)
∬RfdA=∫ab(∫cdfdy)dx=∫cd(∫abfdx)dy
Em regiões gerais, os limites internos passam a ser funções da variável externa:
Tipo I (fatias verticais): a≤x≤b,g1(x)≤y≤g2(x)
Tipo II (fatias horizontais): c≤y≤d,h1(y)≤x≤h2(y)
Passos para trocar a ordem de integração
Desenhar a região a partir dos limites dados (é o passo que mais evita erros).
Reler a região na outra direção (se estava por fatias verticais, descrever por fatias horizontais).
Reescrever os limites; o integrando não muda.
Integrar na nova ordem.
Quando trocar a ordem?
Quando a primitiva interna não existe em termos elementares na ordem dada — sinais típicos: cos(x2), ex2, xsinx, exy. Trocar costuma fazer aparecer um fator que torna a primitiva imediata.
Exercício resolvido (Ficha 7, ex. 2a)
Invertendo a ordem, calcule ∫01∫2y2cos(x2)dxdy.
Resolução passo-a-passo
1. Porquê inverter?∫cos(x2)dx não tem primitiva elementar. Inverter põe o dy por dentro, onde o integrando é constante em y.
2. Descrever a região. Limites dados: 0≤y≤1 e 2y≤x≤2. Logo x varia de 0 a 2, e para cada x: de 2y≤x obtém-se y≤x/2, com y≥0. Região:
0≤x≤2,0≤y≤2x3. Reescrever e integrar.∫02∫0x/2cos(x2)dydx=∫022xcos(x2)dx
Substituição u=x2,du=2xdx:
=41∫04cosudu=41[sinu]04=41sin4
Exercício resolvido (região geral nas duas ordens)
Calcule ∬SxdA com S={(x,y):x≥0,2x2≤y≤1+x2}.
Resolução passo-a-passo
1. Desenhar e localizar interseções. As parábolas y=2x2 (mais fechada) e y=1+x2 cruzam-se quando 2x2=1+x2⇒x2=1⇒x=1 (com x≥0). No intervalo 0≤x≤1 tem-se 2x2≤1+x2, logo S é a faixa entre as duas parábolas.
2. Ordem fácil — fatias verticais (dydx). Para cada x∈[0,1], y vai de 2x2 a 1+x2:
∬SxdA=∫01∫2x21+x2xdydx=∫01x[(1+x2)−2x2]dx=∫01(x−x3)dx=21−41=41.
3. Ordem difícil — fatias horizontais (dxdy): aqui é preciso PARTIR. Olhando na direção de y (de 0 a 2), a fatia horizontal muda de fórmula em y=1:
0≤y≤1: a fatia vai do eixo x=0 até y=2x2⇒x=y/2.
1≤y≤2: a fatia vai da parábola y=1+x2⇒x=y−1 até y=2x2⇒x=y/2.
∬SxdA=∫01∫0y/2xdxdy+∫12∫y−1y/2xdxdy=41.
Lição: o resultado é o mesmo (Fubini), mas numa ordem foi um integral e na outra dois somados. Quando a fronteira "muda de curva", a ordem perpendicular a essa mudança obriga a partir o domínio — escolhe a ordem que evita isso.
Integrais triplos & centróides
Volume:V=∭V1dV. Escolher a ordem que dá limites simples; projetar o sólido sobre o plano conveniente.
Centróide:xˉ=V1∭VxdV (idem yˉ,zˉ).
Com densidade σ: trocar V por massa M=∭σdV e x por xσ no numerador.
🔄 Ficha 8 — Mudança de Variáveis + Regra de Leibniz
Porquê mudar de variáveis?
Uma região circular descrita em x,y tem limites com raízes (±1−x2); em coordenadas polares vira um retângulo [0,1]×[0,2π]. Mudar de variáveis endireita a geometria — ao custo de multiplicar pelo Jacobiano, que corrige a distorção de área/volume.
Porquê aparece o Jacobiano (a ideia certa)
É a versão em várias variáveis da substituição de Cálculo 1: lá, x=g(t) obriga a dx=g′(t)dt — o fator g′(t) converte “comprimento em t” para “comprimento em x”. Em 2D/3D, a transformação deforma um pequeno retângulo dudv num pequeno paralelogramo em (x,y), cuja área é ∣detJ∣dudv. O Jacobiano é exatamente o fator de conversão de área/volume local. Por isso vai sempre em módulo: área é positiva. Vê a mudança como um dicionário(u,v)↔(x,y) que traduz três coisas: o integrandof(x(u,v),y(u,v)), a região (reescrever cada desigualdade) e o elemento de áreadxdy=∣detJ∣dudv.
Fórmula geral
∬Sf(x,y)dxdy=∬Tf(x(u,v),y(u,v))detJdudvdetJ=det∂(u,v)∂(x,y)=xuyuxvyv
Usar sempre o módulo∣detJ∣.
Jacobianos a decorar
Sistema
Substituição
∣detJ∣
Polares
x=rcosθ,y=rsinθ
r
Polares elípticas
x=arcosθ,y=brsinθ
abr
Cilíndricas
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z
r
Esféricas
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
ρ2sinϕ
Como escolher a mudança
Região com x2+y2 (círculo/disco/setor) → polares; se for elipse a2x2+b2y2 → polares elípticas.
Centro deslocado (x−x0)2+(y−y0)2 → transladar primeiro.
Sólido com simetria axial → cilíndricas; com simetria esférica/cones → esféricas.
Região definida por combinações como u=xy, v=y/x → mudança “à medida”: calcula-se det∂(x,y)∂(u,v) e usa-se ∣detJ∣=1/∣det∂(x,y)∂(u,v)∣.
Quando se usa o Jacobiano — e quando NÃO
O Jacobiano é o fator que converte o elemento de área/volume ao mudar as variáveis de integração de uma região. Só aparece nesse contexto. A confusão típica é querer usá-lo (ou esquecê-lo) onde não pertence — a regra é olhar para o tipo de integral:
Situação
Fator a usar
Jacobiano?
Integral múltiplo com mudança de coordenadas (polares, cilíndricas, esféricas, “à medida”)
∣detJ∣dudv (r, ρ2sinϕ, …)
✅ Sim
Integral múltiplo que fica em cartesianas (não mudas de variável)
dxdydz direto
❌ Não
Integral de linha escalar∫Cσds
∥γ′(t)∥dt
❌ Não
Integral de linha vetorial (trabalho) ∫CF⋅dr
F(γ)⋅γ′(t)dt
❌ Não
Regra de Leibniz (derivar sob o integral)
∂tf (+ termos das pontas)
❌ Não
Ideia-chave: o Jacobiano é para trocar as coordenadas de um domínion-dimensional (R2→R2, R3→R3). Num integral de linha não há mudança de variáveis: há uma parametrização de uma curva (objeto 1D), e o “fator de conversão” certo é ∥γ′(t)∥ (escalar) ou o produto interno com γ′(t) (vetorial) — nunca ∣detJ∣. O ∥γ′∥ é, de facto, o análogo 1D do Jacobiano (tal como dx=g′(t)dt na substituição de Cálculo 1).
Regra prática: se vês dudv ou dudvdw (integral de área/volume) → mete ∣detJ∣; se vês ds ou dr (integral ao longo de uma curva) → mete ∥γ′∥ ou γ′, sem Jacobiano.
Como traduzir a REGIÃO (o passo que mais se erra)
Cada desigualdade em x,y reescreve-se nas novas variáveis substituindo x=rcosθ,y=rsinθ e simplificando. Ex.: S={1≤x2+y2<4,0<y≤x}.
1≤x2+y2<4: como x2+y2=r2, fica 1≤r2<4⇒1≤r<2.
0<y≤x: dividir por cosθ>0 dá 0<tanθ≤1⇒0<θ≤4π.
Resultado: o setor curvo S vira o retângulo[1,2[×]0,4π] no plano (r,θ). É esta transformação de “geometria torta → retângulo” que torna o integral fácil. Confirma sempre os limites de θ olhando para o desenho, não só pelas contas.
Exercício resolvido (Ficha 8, ex. 2a)
Calcule ∫01∫01−x2e−x2−y2dydx.
Resolução passo-a-passo
1. Identificar a região.0≤x≤1 e 0≤y≤1−x2 ⇒ é o quarto de disco de raio 1 no 1.º quadrante. O integrando e−x2−y2=e−r2 pede polares.
2. Passar a polares.x=rcosθ,y=rsinθ, com ∣detJ∣=r. No 1.º quadrante: 0≤θ≤2π, 0≤r≤1.
∬e−r2rdrdθ=∫0π/2∫01e−r2rdrdθ
Porquê esta ordem ( drdθ, com r por dentro)
Em polares a região virou o retângulo[0,1]×[0,2π] em (r,θ) — ambos os limites são constantes. Por Fubini, com limites constantes a ordem é livre: drdθ ou dθdr dão o mesmo. Escolhe-se rmais interno por dois motivos práticos:
Toda a dificuldade está em r: o integrando e−r2r só depende de r. Integrando r primeiro, resolve-se a única parte não-trivial e obtém-se uma constante21(1−e−1) que já não depende de θ.
θ não aparece no integrando: o integral externo em θ fica só ∫0π/2(const)dθ, ou seja, multiplicar pelo comprimento do intervalo de θ (2π).
Assim o duplo separa-se num produto (parte em r × parte em θ). A ordem inversa também funcionaria, mas obrigaria a arrastar o fator r por um integral em θ que nada lhe faz — sem vantagem.
3. Integrar. Em r, com u=r2: ∫01e−r2rdr=21(1−e−1).
=∫0π/221(1−e−1)dθ=2π⋅21−e−1=4π(1−e1)
Lição: o fator r do Jacobiano é exatamente o que falta para a primitiva de e−r2r existir. Sem ele, o integral cartesiano é impossível.
Momento de inércia
Relativo ao eixo Ox: Ix=∭(y2+z2)σdV (distância ao quadrado ao eixo, vezes a densidade).
Regra de Leibniz
O problema que resolve
Aparece quando uma função é definida por um integral que depende de um parâmetrot: F(t)=∫f(x,t)dx. Queremos F′(t)sem calcular o integral primeiro (muitas vezes nem tem primitiva elementar). A ideia: F pode variar com t por duas razões — porque o integrando muda com t, e porque os limitesa(t),b(t) se mexem. Leibniz soma essas contribuições.
Regra de Leibniz (derivar sob o sinal de integral)
dtd∫a(t)b(t)f(x,t)dx=topo a mexerf(b(t),t)b′(t)−base a mexerf(a(t),t)a′(t)+integrando a mudar∫a(t)b(t)∂t∂fdx
Os dois primeiros termos vêm dos limites variáveis (regra da cadeia nas pontas — é o TFC: a taxa a que se ganha/perde área ao mover cada extremo é “valor da função na ponta × velocidade da ponta”).
O integral final é da derivada parcial do integrando em ordem ao parâmetro.
Caso simples (limites constantes):a′=b′=0, sobra só ∫∂tfdx — “derivar para dentro do integral”.
Exercício resolvido (Ficha 8, ex. 10)
Calcule F′(0) para F(t)=∫01sin(tx2+x3)dx.
Limites constantes ⇒ só sobra o termo da derivada parcial:
F′(t)=∫01∂t∂sin(tx2+x3)dx=∫01x2cos(tx2+x3)dx
Em t=0:
F′(0)=∫01x2cos(x3)dx=[31sin(x3)]01=31sin1
Aqui mexem as duas pontas (a(t)=t,b(t)=t2) e o integrando (f=etx depende de t). Usa-se a fórmula completa.
1. Termo do topo:f(b,t)b′=et⋅t2⋅(t2)′=et3⋅2t.
2. Termo da base:f(a,t)a′=et⋅t⋅(t)′=et2⋅1.
3. Termo do integrando:∂t∂etx=xetx, logo ∫tt2xetxdx.
Juntando:F′(t)=2tet3−et2+∫tt2xetxdx.(O integral final ainda se podia primitivar por partes, mas a regra já dá F′ sem calcular F — que é o objetivo.)
Quando o parâmetro está também na REGIÃO (integral duplo)
Se t aparece no integrando e nos limites de uma região 2D, não dá para aplicar Leibniz diretamente. Truque: definir Φ(u,v) separando as duas dependências (um u para a região, um v para o integrando), notar que F(t)=Φ(t,t) e usar a regra da cadeia: F′(t)=Φu(t,t)+Φv(t,t), onde Φu sai do TFC e Φv da Leibniz.
〰️ Ficha 9 — Integrais de Linha
Dois tipos de integral de linha
Campo escalar (∫Cσds): “soma” uma grandeza ao longo do fio — dá comprimento, massa, centro de massa. Não depende do sentido.
Campo vetorial (∫CF⋅dr): dá o trabalho de uma força ao longo do caminho. Depende do sentido (orientação).
O significado: a imagem do "fio"
Em vez de integrar sobre uma região plana, integra-se ao longo de uma curvaC — pensa nela como um fio físico no espaço, e na parametrização g(t) como a maneira de o percorrer (a “posição no instante t”, com t∈[a,b]).
ds = pedacinho de fio.g′(t) é a velocidade (vetor tangente) e ∥g′(t)∥ é a rapidez; logo ds=∥g′(t)∥dt é o comprimento real do bocadinho de fio percorrido enquanto o parâmetro avança dt. É a conversão de “tempo de parâmetro t” → “comprimento no fio”. (É também o motivo de não haver Jacobiano aqui — ver o aviso na Ficha 8: numa curva o fator de conversão é ∥g′∥, não ∣detJ∣.)
Campo escalar ∫Cσds = somar ao longo do fio. Se σ é a densidade do fio (massa por unidade de comprimento), então σds é a massa de um pedacinho e o integral soma tudo → massa total. Casos: σ=1 dá o comprimento do fio; M1∫Cxσds dá a abcissa do centro de massa; ∫C(dist2)σds dá o momento de inércia. Como estás só a somar bocados do fio físico, o sentido em que o percorres é indiferente.
Campo vetorial ∫CF⋅dr = trabalho. Agora F é uma força (um vetor em cada ponto) e dr=g′(t)dt é o deslocamento (vetorial) do pedacinho. O produto interno F⋅dr mede só a parte da força alinhada com o movimento — a componente perpendicular não realiza trabalho. Somando ao longo do fio → trabalho total. Inverter o sentido inverte dr, logo troca o sinal: é por isso que o trabalho depende da orientação.
Fórmulas
Comprimento: L=∫ab∥g′(t)∥dt
Campo escalar (massa, centro de massa, inércia):
∫Cσds=∫abσ(g(t))∥g′(t)∥dtM=∫Cσds,xˉ=M1∫Cxσds,I=∫C(dist2)σds
Campo vetorial (trabalho):
W=∫CF⋅dr=∫abF(g(t))⋅g′(t)dt
Passos (trabalho)
Parametrizar a curva g(t), t∈[a,b] (atenção ao sentido pedido).
Calcular g′(t).
Compor o campo: F(g(t)).
Produto interno F(g(t))⋅g′(t) e integrar em t.
Parametrizar interseções de superfícies
x2+y2=1⇒(cost,sint); depois obter z da outra equação. Para orientação “anti-horária vista de cima”, confirmar que t crescente roda no sentido certo.
Caminho por troços (aditividade) — poupa trabalho
Se a curva é uma poligonal/fronteira de várias arestas, não parametrizes tudo de uma vez: parte em troços C=C1∪C2∪… e soma ∫C=∑i∫Ci. Dois atalhos:
num troço onde F é perpendicular ao caminho (F⋅g′=0), o integral é 0 — nem o calcules;
segmentos de reta parametrizam-se por g(t)=A+t(B−A), t∈[0,1], logo g′=B−A (constante).
Exercício resolvido (Ficha 9, ex. 4a)
Trabalho do campo F(x,y)=(−y,x) ao longo de g(t)=(tcost,tsint), t∈[0,2π].
Resolução passo-a-passo
0. Reconhecer a curva e o campo (intuição). A distância à origem é ∥g(t)∥=(tcost)2+(tsint)2=t, que cresce com o ângulo t → é uma espiral (de Arquimedes) que arranca na origem (t=0) e dá uma volta até t=2π. O campo F=(−y,x) é o campo de rotação (em cada ponto aponta na perpendicular ao raio, no sentido anti-horário). Como o fio também avança no sentido anti-horário, a força está a favor do movimento → esperamos trabalho positivo. Seguimos os 4 passos do método (parametrizar → derivar → compor → produto interno → integrar; aqui a curva já vem parametrizada).
1. Derivada do caminho g′(t) (= deslocamento infinitesimal; cada componente pela regra do produto):
g′(t)=(dtd(tcost)cost−tsint,dtd(tsint)sint+tcost)
2. Avaliar o campo SOBRE a curva.F está dado em (x,y); tens de o pôr em função de tsubstituindo a parametrizaçãox=tcost,y=tsint (é o passo que mais se erra — nunca uses F(x,y) sem substituir):
F(g(t))=(−y,x)=(−tsint,tcost)
3. Produto interno F(g(t))⋅g′(t) — projeta a força no deslocamento (só conta a parte alinhada):
F⋅g′=F1(−tsint)g1′(cost−tsint)+F2(tcost)g2′(sint+tcost)
Expandindo os dois produtos:
=−tsintcost+t2sin2t+tsintcost+t2cos2t
Os termos cruzados −tsintcost e +tsintcostcancelam-se; nos restantes põe-se t2 em evidência e usa-se sin2t+cos2t=1:
F⋅g′=t2(sin2t+cos2t)=t2
4. Integrar em t no intervalo do parâmetro [0,2π] (o integral de linha vira um integral simples em t):
W=∫02πt2dt=[3t3]02π=3(2π)3=38π3
Lição: o trabalho deu positivo, tal como a intuição previa (campo de rotação a empurrar no sentido da espiral). Memoriza o esqueleto derivar g′ → compor F(g(t)) → produto interno → integrar em t; e que o produto interno costuma simplificar muito (cá deu só t2) — se ficar monstruoso, revê o passo 2.
♻️ Ficha 10 — Campos Conservativos e TFC para Integrais de Linha
A grande simplificação
Se um campo é gradiente de um potencial ϕ, o trabalho deixa de depender do caminho — só dos extremos. Calcular um integral de linha complicado reduz-se a avaliar ϕ em 2 pontos. Por isso, antes de parametrizar, testa se o campo é conservativo.
Fechado vs. Conservativo
Fechado (condição necessária): as derivadas cruzadas coincidem.
2D: ∂y∂P=∂x∂Q.
3D: rotF=0.
Conservativo (gradiente): existe ϕ com F=∇ϕ.
Conservativo ⇒ fechado. O recíproco só vale se o domínio for simplesmente conexo (sem buracos).
Teorema Fundamental do Cálculo para integrais de linha
Campos com singularidade — o caso x2+y2(−y,x) ("ralo da banheira")
Este campo é fechado mas NÃO conservativo em R2∖{0} (o domínio tem um buraco na origem).
Trabalho numa circunferência que envolve a origem =2π (×nº de voltas, com sinal).
Numa curva fechada que não envolve a origem =0.
Não apliques o TFC aqui — não há potencial global.
Porquê: as 3 contas que explicam tudo (o caso x2+y2(−y,x))
Com P=x2+y2−y, Q=x2+y2x:
1. É fechado. Derivando (regra do quociente):
∂y∂P=(x2+y2)2y2−x2=∂x∂Q✓
Logo passa no teste das derivadas cruzadas — em todo o ponto exceto a origem.
2. Mas o trabalho numa volta não é zero. Na circunferência g(θ)=(cosθ,sinθ), θ∈[0,2π], tem-se x2+y2=1 e g′=(−sinθ,cosθ):
∮CF⋅dr=∫02π(−sinθ,cosθ)⋅(−sinθ,cosθ)dθ=∫02π1dθ=2π=0.
Se fosse gradiente, este integral (caminho fechado) teria de ser 0. Como não é, não pode ser gradiente — apesar de ser fechado.
3. Porque falha o potencial. Tentando ϕ com ϕx=P,ϕy=Q chega-se a ϕ=arctanxy+C — ou seja, ϕ é o ângulo polarθ. Mas o ângulo salta2π ao dar uma volta completa: não existe função contínua de ângulo em todo o R2∖{0}. Esse salto de 2π é exatamente o trabalho da conta 2.
Moral: "fechado" é local (testa-se ponto a ponto); "conservativo" é global (precisa de potencial em todo o domínio). O buraco na origem é o que separa os dois. Num domínio simplesmente conexo (sem buracos) os dois coincidem.
🟢 Ficha 11 — Homotopia e Teorema de Green
O que faz o Teorema de Green
Converte um integral de linha sobre a fronteira num integral duplo sobre o interior (e vice-versa). Útil em ambos os sentidos: ou a fronteira é difícil e calcula-se o interior, ou o interior é difícil e usa-se a fronteira (ex.: áreas).
É um Teorema Fundamental do Cálculo
Tal como ∫abf′=f(b)−f(a) troca uma derivada no interior por valores na fronteira, Green troca a “derivada” ∂xQ−∂yPintegrada na região pelo campo somado ao longo da fronteira. A quantidade ∂xQ−∂yP é a rotação (vorticidade) do campo: mede o quanto ele “roda” localmente. Green diz que toda a rotação acumulada no interior se “lê” na circulação em torno da fronteira. É por isso que um campo fechado (∂xQ−∂yP=0) dá circulação nula em qualquer fronteira que não encerre buracos.
Teorema de Green
Para D com fronteira ∂D orientada positivamente (anti-horário, região à esquerda):
∮∂DPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dA
Áreas via Green
Aˊrea(D)=∮∂Dxdy=−∮∂Dydx=21∮∂D(xdy−ydx)
Passos
Verificar que F é C1em todoD (sem singularidades lá dentro).
Calcular ∂x∂Q−∂y∂P.
Integrar essa quantidade sobre D (muitas vezes mais fácil que a linha).
Conferir a orientação; se a curva for horária, trocar o sinal.
Exercício resolvido (Ficha 11, ex. 1)
F(x,y)=(−2y,x) e D={x2+y2<1,y>∣x∣}. Trabalho ao longo de ∂D no sentido anti-horário.
Resolução passo-a-passo
1. Green.P=−2y,Q=x:
∂x∂Q−∂y∂P=1−(−2)=3W=∮∂DF⋅dr=∬D3dA=3⋅Aˊrea(D)2. Área de D. A condição y>∣x∣ dentro do disco unitário é o setor entre as retas y=x e y=−x acima — ângulos de 4π a 43π, ou seja abertura θ=2π. Área do setor de raio 1:
Aˊrea=21r2θ=21⋅1⋅2π=4π3. Resultado:W=3⋅4π=43π
Exercício resolvido (Green com singularidade — "recortar o buraco")
Calcule o trabalho de F=x2+y2(−y,x) ao longo da elipse 4x2+9y2=1, no sentido direto.
Resolução passo-a-passo
Problema: parametrizar a elipse e integrar diretamente é horrível. E não se pode aplicar Green à elipse cheia: o campo tem singularidade em (0,0), que está dentro — Green exige F de classe C1 em todo o interior.
Truque — anel entre a elipse e uma circunferência pequena. Seja S uma circunferência x2+y2=1 (qualquer raio serve) à volta da origem, e A a região-anel entre S e a elipse C. Nesse anel o campo já é C1 (a origem ficou de fora). A fronteira de A é C∪S, com C no sentido direto e S no sentido oposto (regra “região à esquerda” → o buraco percorre-se ao contrário).
1. Aplicar Green ao anel. O campo é fechado, ∂xQ−∂yP=0:
∬A0dA=∮CF⋅dr+∮S−F⋅dr=0.2. Logo∮CF⋅dr=−∮S−F⋅dr=∮S+F⋅dr (a circunferência no sentido direto).
3. E o integral na circunferência já o conhecemos (conta do “ralo da banheira”): ∮S+F⋅dr=2π.
∮CF⋅dr=2π
Ideia central (vale para Q4 do exame): com uma singularidade dentro, substitui a curva complicada por uma circunferência simples à volta do buraco — Green garante que dão o mesmo (campo fechado no anel). É a ponte para a homotopia, abaixo.
O que é "deformar um caminho" (homotopia)
Duas curvas (com os mesmos extremos, ou ambas fechadas) são homotópicas num domínio D se uma se pode deformar continuamente na outra sem sair de D. Formalmente há uma “animação” H(t,s) onde s∈[0,1] é o “tempo”: em s=0 vê-se a primeira curva, em s=1 a segunda, e todos os fotogramas intermédios ficam dentro de D. A chave é sem sair de D: num domínio com buraco, uma curva que envolve o buraco não se pode deformar numa que não o envolve — a deformação teria de “passar por cima” do buraco.
Teorema da invariância por homotopia
Se F é fechado e C1, C2 são homotópicas em D, então
∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr.Porquê: a homotopia desenha um “retângulo” no plano (t,s); aplicar Green a esse retângulo, usando que F é fechado, dá 0 na diferença dos dois integrais. É a versão “deformável” do recorte do buraco que fizemos acima com Green.
Consequência prática: podes substituir qualquer curva por outra mais simples homotópica a ela (tipicamente uma circunferência à volta do buraco) sem mudar o integral.
Em Rn inteiro (sem buracos) quaisquer duas curvas com os mesmos extremos são homotópicas → por isso aí fechado = conservativo.
Estratégia "soma de cargas" (várias singularidades)
Cada singularidade tem uma carga = trabalho do campo numa pequena circunferência à volta dela, no sentido direto (para x2+y2(−y,x) transladado, a carga é 2π).
O trabalho numa curva fechada =soma das cargas das singularidades que ela encerra, cada uma com sinal + se a curva a rodeia no sentido direto e − se no inverso (e ×nº de voltas).
Singularidades fora da curva não contam (contribuem 0, por homotopia a um ponto).
Curvas 3D que vivem num plano
Quando a curva está num plano (z=0, y+z=1, …), projeta/parametriza e reduz a um problema plano. Separa a parte conservativa (gradiente → 0 em curva fechada) da parte com singularidade (que dá o 2π).
🧭 Checklist de Estratégia — que ferramenta usar?
Sintoma do enunciado
Ferramenta
Integral duplo/triplo, primitiva impossível na ordem dada
F7 — trocar ordem (Fubini)
Região circular/elíptica/esférica, x2+y2 no integrando ou região
F8 — polares/cilíndricas/esféricas
Derivar F(t)=∫…dx
F8 — Regra de Leibniz
”trabalho ao longo de”, “massa do fio”, “comprimento”
F9 — integrais de linha
”é conservativo?”, trabalho entre 2 pontos, caminho feio
F10 — testar fechado + potencial + TFC
Curva fechada no plano
F11 — Green
Campo fechado com singularidade / domínio com buraco
F10–11 — homotopia, isolar 2π
Erros a evitar (lê antes do exame)
Esquecer o módulo do Jacobiano.
Esquecer o fator r (polares) ou ρ2sinϕ (esféricas).
Aplicar o TFC a um campo fechado mas não conservativo (domínio não simplesmente conexo) → resultado errado.
Trocar o sinal por orientação errada (horário vs. anti-horário).
Em Green: usar a fórmula com uma singularidade dentro de D (o campo tem de ser C1 em todo D — caso contrário, recortar à volta do buraco).
Esquecer de desenhar a região antes de trocar a ordem de integração.
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