🎯 Guia de Estudo — CDI-II Exame de 1ª Época
Parent project: Cálculo Diferencial e Integral II Resumo teórico: Resumo CDI-II Exame (Fichas 6–11)
De onde vem este guia
Análise dos exames de 1ª época de 2023, 2024 (+ repescagem) e 2025 (todas as horas/versões disponíveis em
Exames_Anos_Anteriores/). O exame tem 5 questões, 1 hora, 20 valores. O padrão repete-se quase à letra todos os anos — abaixo está o molde, questão a questão, com a lógica de resolução.
🗺️ Estrutura do Exame (o molde que se repete)
| Q | Tema dominante | Valores | Ficha | Probabilidade |
|---|---|---|---|---|
| Q1 | Volume de sólido como integrais iterados numa ordem dada (só escrever, não calcular) | ~5 val | F7 | Quase certo |
| Q2 | Mudança de coordenadas (cilíndricas / esféricas): massa, volume ou integral | ~4 val | F8 | Quase certo |
| Q3 | Integral de linha de campo escalar (massa/integral de fio) | ~3 val | F9 | Muito provável |
| Q4 | Campo vetorial: é gradiente? + trabalho (TFC / Green / homotopia) | ~5 val (a,b,c) | F10–F11 | Quase certo |
| Q5 | Questão teórica / demonstração (Green, Fubini, gradientes) | ~3 val | F7–F11 | Quase certo |
Estratégia global de tempo (60 min)
Q1 e Q2 valem ~9/20 e são mecânicas → garante-as primeiro (≈25 min). Q4 é onde se perdem pontos por sinais/orientação → ≈20 min. Q3 é rápida (≈8 min). Q5 (teórica) ao fim, com o tempo que sobrar.
1️⃣ Q1 — Volume por Integrais Iterados (Ficha 7)
O que pedem (e o que NÃO pedem)
Dão um sólido definido por planos/desigualdades e pedem uma expressão do volume como integral iterado numa ordem fixa (ex.: ). Não é preciso calcular — a cotação está toda em acertar nos limites e em partir o domínio corretamente.
A lógica: integrar "de dentro para fora"
A ordem lê-se assim:
- (interno): fixa → varia entre as duas superfícies que limitam .
- (médio): fixa → varia na “sombra” do corte a constante.
- (externo): varia entre os valores extremos globais.
Ou seja: corta o sólido com planos perpendiculares à variável externa e descreve cada fatia.
Passos
- Identificar todas as desigualdades e que superfície cada uma representa.
- Escolher a variável externa (a última, ex. ) e ver o seu intervalo global.
- Para cada valor dessa variável, desenhar a secção (corte) e descrevê-la nas outras duas.
- Detetar onde a geometria do corte muda → é aí que se parte o integral numa soma.
O truque que distingue 5 val. de 2 val.
Quase sempre o sólido obriga a partir em 2 (ou 3) integrais somados, porque a fórmula da fatia muda a meio (ex.: a fatia deixa de ser limitada pela reta e passa a ser limitada pela curva/circunferência). Treina precisamente isto — é o erro mais penalizado.
Exemplo real (Exame 23/06/2025 - 8h)
, na ordem .
Resolução passo-a-passo
Ordem pedida : externa , média , interna . Vamos isolar , depois , depois . Abrevia-se .
1. Isolar (interna), com fixos. Das três condições:
- ;
- ;
- .
Logo .
2. Onde está o “min”? . Há duas situações conforme (i.e. conforme ):
- Se (ou seja ): sempre , por isso o topo é sempre . A fatia em é e . → um só integral.
- Se (ou seja ): o topo muda em :
- para : topo , logo ;
- para : topo , logo (o vem de exigir ). → dois integrais.
3. É por isso que se parte em (o onde ). Juntando tudo: Lição: não tentes uma só expressão. Isola a variável interna, vê de que outras depende o seu topo/base, e procura o valor onde o “min” (ou “max”) troca — é aí que partes. (Q1 não pede para calcular: a cotação está em acertar limites e na partição.)
2️⃣ Q2 — Mudança de Coordenadas (Ficha 8)
O que pedem
Um sólido com simetria circular/axial/esférica e uma densidade . Pedem massa (), volume ou um integral . A escolha das coordenadas certas resolve 80% do problema.
Qual sistema escolher (decisão rápida)
- Aparece e há um eixo privilegiado → cilíndricas, .
- Aparece (esferas) ou cones → esféricas, .
- Simetria em (eixo ) → cilíndricas adaptadas ao eixo : , .
- (toro/donut) → cilíndricas e depois trasladar .
Passos
- Ler a simetria das condições → escolher o sistema.
- Reescrever cada desigualdade nas novas variáveis (define os novos limites).
- Substituir o integrando e multiplicar pelo Jacobiano.
- Integrar (muitas vezes os integrais em e separam-se e dão constantes).
Exemplo real (Exame 23/06/2025 - 11h, esféricas)
, densidade . Massa?
Resolução passo-a-passo
1. Escolher o sistema. Há esferas concêntricas () e um cone () ⇒ esféricas: , com .
2. Traduzir CADA condição.
- : como , fica .
- : em esféricas e , logo . Como vai até : .
- Sem restrição em (simetria total de rotação): .
3. Montar o integral (integrando , vezes o Jacobiano ):
Como ler a ordem dos integrais. A regra é que os sinais (lidos da esquerda para a direita) emparelham com os diferenciais lidos da direita para a esquerda — o sinal mais à esquerda casa com o diferencial mais à direita. Aqui:
- é o diferencial mais interno (encostado ao integrando) → casa com o sinal mais interno → integra-se primeiro, em ;
- é o do meio → casa com → integra-se a seguir, em ;
- é o mais externo → casa com → integra-se por último, em .
Ou seja, calcula-se sempre de dentro para fora: , depois , depois (a ordem dos
ddefine a ordem de cálculo).Porque é que aqui a ordem é livre. Todos os limites são constantes — a região é uma “caixa” em . Por Fubini, com limites constantes a ordem não altera o resultado, e como cada fator do integrando depende de uma só variável ( só de , só de , e nada de ), o integral triplo separa-se no produto dos três integrais simples da direita. (Se algum limite dependesse de outra variável — p. ex. a depender de — a variável dependente teria de ficar mais interna e os integrais já não separariam.)
4. Calcular cada um.
- .
- .
- .
5. Multiplicar: Passo-chave: traduzir a condição geométrica () num limite de .
Exemplo real (Exame 17/06/2024 - 13h, cilíndricas no eixo Ox)
. Calcule .
Resolução passo-a-passo
1. Escolher o sistema. A simetria é em (não ) ⇒ o eixo de simetria é o . Usam-se cilíndricas adaptadas a : deixa-se quieto e poem-se em polares: Aqui é a distância ao eixo .
2. Traduzir cada condição.
- : é .
- : é . Com : .
- sem restrição: .
3. Integrando em novas variáveis: . Com o Jacobiano , o integrando total é .
4. Montar e integrar de dentro para fora (a ordem importa: depende de , por isso é o mais interno):
- Interno (): , logo o integrando fica .
- Médio (): .
- Externo (): .
Lição recorrente: quando a simetria é em (não ), adapta as cilíndricas ao eixo certo, e põe a variável com limite dependente () como a mais interna.
Momento de inércia (sai com frequência)
, onde é a distância ao eixo. Para o eixo deslocado: (Exame 2025 9h30 Q5).
3️⃣ Q3 — Integral de Linha de Campo Escalar (Ficha 9)
O que pedem
Uma curva (muitas vezes interseção de duas superfícies) com densidade . Pedem a massa ou o integral . É a questão mais curta e segura.
Fórmula única
Passos
- Parametrizar a curva — quase sempre uma circunferência via cilíndricas.
- Calcular e .
- Substituir na densidade e integrar em .
Exemplo real (Exame 23/06/2025 - 9h30)
, densidade . Massa?
Resolução passo-a-passo
1. Identificar a curva. Substituir uma equação na outra: de e vem . Isto, no plano , é uma circunferência de raio 2 centrada em , no plano horizontal .
2. Parametrizar. Como vive no plano e tem raio 2 nas variáveis : 3. Calcular . , logo 4. Avaliar a densidade na curva. ; sobre a curva e , logo (constante ao longo da curva).
5. Integrar : Truque: substitui as equações da curva uma na outra para reconhecer a circunferência antes de parametrizar. Repara que e deram constantes — é o caso mais comum nestas curvas, e torna o integral trivial.
Caso "gráfico" (repescagem 2024)
Se a curva é , parametriza por : e . Mesma fórmula.
4️⃣ Q4 — Campo Vetorial: Conservativo? + Trabalho (Fichas 10–11)
O coração do exame (e onde mais se erra)
Tipicamente 3 alíneas: (a) testar se um campo é gradiente / achar potencial; (b) e (c) calcular trabalhos ao longo de curvas, escolhendo a ferramenta certa (TFC, Green ou homotopia). Os pontos perdem-se em sinais e orientação.
Árvore de decisão para calcular um trabalho
- O campo é gradiente (fechado + domínio simplesmente conexo)?
- Sim + curva fechada → trabalho .
- Sim + curva aberta → TFC: .
- Há singularidade (denominador , etc.)?
- Decompor .
- A parte singular dá se a curva envolver a singularidade, senão (homotopia).
- Curva fechada sem singularidade dentro → Green: .
Regras de sinal (decorar)
- em torno da origem, anti-horário ; horário .
- Singularidade centrada noutro ponto : mesma regra, conta se a curva a envolve.
- Green com curva horária: trocar o sinal (a fórmula é para anti-horário).
Exemplo real (Exame 23/06/2025 - 8h, alíneas b e c)
, com . Trabalho ao longo de curvas fechadas.
Resolução comentada (a lógica de decomposição)
Parte : com , é fechado em (simplesmente conexo) ⇒ gradiente ⇒ trabalho em qualquer curva fechada. Com , ⇒ usa Green: .
Parte singular : tem singularidade em . Está centrada nesse ponto; pela homotopia, vale (orientação anti-horária dá o sinal) se a curva envolver , senão .
Alínea b (elipse à volta de , anti-horário, ): . Alínea c (quadrado lado 5 centrado na origem, horário, ): por Green ; envolve ⇒ . Total .
Lição central do exame: separa sempre o campo em “parte certinha” (gradiente/Green) + “parte singular” ( por homotopia). É o esqueleto de quase todas as Q4.
Exemplo real (Exame 17/06/2024 - 8h, decomposição em 3D)
, , sobre .
Resolução comentada
(a) ⇒ não fechado ⇒ não conservativo. (b) Decompor . A parte gradiente dá (curva fechada); parametrizar a elipse e integrar a outra parte → . (c) : a parte dá ; a parte é fechada ⇒ homotópica à circunferência unitária ⇒ vale (horário). Total .
Cálculo do potencial (alínea típica "mostre que é gradiente")
Integra em → ; depois impõe para achar . Ex. (2024): .
5️⃣ Q5 — Questão Teórica / Demonstração (Fichas 7–11)
O que pedem
Uma demonstração curta usando um teorema central. Não é cálculo — é justificar com rigor. Vale ~3 val. e costuma ser acessível se reconheceres o teorema.
Os clássicos que já saíram
- Green disfarçado: mostrar que calculando e invocando Green (2025 11h: identidade de Green ).
- Igualdade das derivadas cruzadas via Fubini (2023): supor que diferem num ponto, integrar num retângulo, chegar a contradição.
- Caminho gradiente não é fechado (2024): .
- Campo determinado pelo trabalho: se para todo , então .
Como atacar
Identifica qual teorema está escondido (Green, Fubini, TFC para integrais de linha). Quase todas reduzem-se a calcular ou a aplicar o TFC e usar uma desigualdade estrita.
🔁 Padrões Recorrentes (o que decorar mesmo)
Lista de "aparece quase sempre"
- Q1 é sempre “escrever volume, não calcular” → treina partir o domínio em somas de integrais.
- Q2 é sempre mudança de coordenadas → memoriza Jacobianos e cilíndricas adaptadas ao eixo (simetria ).
- O campo (e transladado para ) → trabalho . Aparece todos os anos.
- Decomposição campo = gradiente + parte singular é a técnica-mestra da Q4.
- Green para curvas fechadas planas; cuidado com orientação (horário → sinal ).
- Curvas da Q3/Q4 são interseções de superfícies → reconhece a circunferência e parametriza.
- Simplesmente conexo é a palavra-passe: fechado + simplesmente conexo ⇒ gradiente.
Checklist anti-erro (lê 2 min antes de entregar)
- Jacobiano em módulo e correto (, )?
- Limites de / traduzidos das condições geométricas?
- Orientação da curva conferida (sinal do trabalho)?
- Campo testado para fechado antes de assumir gradiente?
- Domínio simplesmente conexo (sem buracos) antes de aplicar TFC?
- Q1: o domínio precisa de ser partido em vários integrais?
- Singularidade dentro da curva de Green? Se sim, recortar.
📅 Plano de Estudo Sugerido
Roteiro
- Refaz a Q1 de cada exame (2023→2025): é mecânica e vale 5 val. Foco em partir o domínio.
- Refaz todas as Q2: alterna cilíndricas/esféricas/eixo- até automatizar a escolha.
- Lista as Q4 lado a lado: vais ver a mesma decomposição (gradiente + ) repetir-se.
- Faz 1 exame completo cronometrado (1h) por dia nos últimos dias.
- Revê o Resumo para a teoria de suporte de cada questão.
Exames disponíveis para treino
Estudo EXAME/Exames_Anos_Anteriores/:
- 2025: 23 Junho (8h, 9h30, 11h × v1/v2)
- 2024: 17 Junho (8h, 10h30, 13h × v1/v2) + Repescagem 1 Julho (9h, 11h30)
- 2023: 26 Junho (13h v1/v2) — com soluções detalhadas