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Integrais multiplas
1.
Integrais Múltiplas © 2010
Cengage Learning. Todos os direitos reservados. Capítulo 15
2.
INTEGRAIS MÚLTIPLAS Lembremos que
geralmente é difícil calcular as integrais de funções de uma variável real diretamente da definição de integral. Mas o Teorema Fundamental do Cálculo fornece um método mais fácil para calculá- las. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
3.
INTEGRAIS MÚLTIPLAS O cálculo
de integrais duplas pela definição é ainda mais complicado. Porém, nesta seção, veremos como expressar uma integral dupla como uma integral iterada, cujo valor pode ser obtido calculando-se duas integrais unidimensionais. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
4.
INTEGRAIS MÚLTIPLAS 15.2 Integrais Iteradas Nesta
seção, aprenderemos como: Expressar integrais duplas como integrais iteradas. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
5.
INTRODUÇÃO Suponha que f
seja uma função de duas variáveis contínua no retângulo R = [a, b] x [c, d]. Usaremos a notação d c f ( x, y) dy significando que x é mantido fixo e f (x, y) é integrada em relação a y de y = c até y = d. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
6.
INTEGRAÇÃO PARCIAL Esse procedimento
é chamado integração parcial em relação a y. Observe a semelhança com a derivada parcial. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
7.
INTEGRAÇÃO PARCIAL Como, d c f (
x, y) dy é um número que depende do valor de x, ele define uma função de x: A( x) f ( x, y ) dy d c © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
8.
INTEGRAÇÃO PARCIAL Equação 1 Se
agora integrarmos a função A com relação à variável x de x = a a x = b, obteremos: b a f ( x, y ) dy dx A( x) dx a c b d A integral do lado direito da Equação 1 é chamada integral iterada. Em geral, os colchetes são omitidos © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
9.
INTEGRAL ITERADA Equação 2 Então, b d a c
d f ( x, y ) dy dx f ( x, y ) dy dx a c b significa que primeiro integramos com relação a y de c a d e depois em relação a x de a até b. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
10.
INTEGRAL ITERADA Da mesma
forma, a integral iterada d b c a f ( x, y ) dy dx f ( x, y ) dx dy c a d b significa que: primeiro integramos com relação a x (fixando y) de x = a a x = b, e em seguida, integramos a função de y resultante com relação a y de y = c a y = d. Observe que em ambas as Equações, 2 e 3, trabalhamos de dentro para fora. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
11.
INTEGRAL ITERADA EXEMPLO 1 Calcule
o valor das integrais iteradas: a. 2 b. 3 3 0 1 2 1 0 2 x y dy dx 2 x y dx dy © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
12.
INTEGRAL ITERADA EXEMPLO 1a Olhando
x como constante, obtemos 2 1 y 2 2y x y dy x 2 y 1 2 2 22 2 12 2 x x 2 2 3 2 2x © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
13.
INTEGRAL ITERADA EXEMPLO 1a Portanto,
a função A da discussão precedente é dada por A( x) x 3 2 neste exemplo. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2
14.
INTEGRAL ITERADA EXEMPLO 1a Integramos
agora essa função de x de 0 até 3: 3 2 0 1 2 x 2 y dy dx x y dy dx 0 1 3 2 3 3 0 2 27 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 3 x x dx 2 0 3 2
15.
INTEGRAL ITERADA EXEMPLO 1b Aqui
integraremos primeiro em relação a x: 2 1 3 0 x y dx dy 2 2 1 2 1 2 1 x 2 y dx dy 0 3 x 3 3 x 3 y dy x 0 2 y 27 9 y dy 9 2 1 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2
16.
INTEGRAL ITERADA Observe que
no Exemplo 1 obtemos a mesma resposta se integramos primeiro em relação a y ou a x. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
17.
INTEGRAL ITERADA Em geral
acontece (ver o Teorema 4) de as duas integrais iteradas das Equações 2 e 3 serem sempre iguais, ou seja, a ordem da integração não é importante. Isso é semelhante ao Teorema de Clairaut sobre as igualdades das derivadas parciais mistas. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
18.
INTEGRAL ITERADA O seguinte
teorema fornece um método prático para calcular uma integral dupla, expressando-a como uma integral iterada (em qualquer ordem). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
19.
TEOREMA DE FUBINI Teorema
4 Se f for contínua no retângulo R = {(x, y) |a ≤ x ≤ b, c ≤ y ≤ d então f ( x, y) dA b R d a c d c © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. b a f ( x, y ) dy dx f ( x, y ) dx dy
20.
TEOREMA DE FUBINI Teorema
4 De modo mais geral, esse resultado vale se supusermos que: f seja limitada em R; f tenha descontinuidades apenas em um número finito de curvas lisas; que a integral iterada exista. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
21.
TEOREMA DE FUBINI O
Teorema 4 tem o nome do matemático italiano Guido Fubini (1879 -1943), que demonstrou uma versão geral desse teorema em 1907. Mas a versão para as funções contínuas era conhecida pelo menos um século antes pelo matemático francês Augustin-Louis Cauchy. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
22.
TEOREMA DE FUBINI A
demonstração do Teorema de Fubini foge ao escopo deste livro, mas podemos ao menos fornecer uma justificativa razoável de sua validade quando f(x, y) ≥ 0. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
23.
TEOREMA DE FUBINI Lembremos
que, se f é positiva, podemos interpretar a integral dupla f ( x, y) dA R como o volume V do sólido que está acima de R e abaixo da superfície z = f(x, y). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
24.
TEOREMA DE FUBINI Contudo,
temos outra fórmula usada para calcular volume, vista no Capítulo 6, no Volume I, que é V A( x) dx b a onde A(x) é a área da secção transversal de S no plano que passa por x perpendicularmente ao eixo x. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
25.
TEOREMA DE FUBINI Da
figura podemos ver que A(x) é a área debaixo da curva C cuja equação é z = f(x, y) onde x é mantido constante e c ≤ y ≤ d. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
26.
TEOREMA DE FUBINI Portanto, A(
x) f ( x, y ) dy d c e temos f ( x, y) dA V b b a R a © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. A( x) dx d c f ( x, y ) dy dx
27.
TEOREMA DE FUBINI Uma
argumentação semelhante, usando a secção transversal perpendicular ao eixo y d b f ( x, y) dA f ( x, y) dx dy mostra que R © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. c a
28.
TEOREMA DE FUBINI EXEMPLO
2 Calcule a integral dupla ( x 3 y ) dA 2 R onde R = {(x, y)| 0 ≤ x ≤ 2, 1 ≤ y ≤ 2} Compare com o Exemplo 3 da Seção 15.1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
29.
EX. 2 –
Sol. 1 TEOREMA DE FUBINI Pelo Teorema de Fubini, temos: ( x 3 y ) dA 2 2 0 R 2 0 2 1 ( x 3 y 2 ) dy dx y 2 xy y 3 dx y 1 2 x ( x 7) dx 7 x 0 2 0 2 12 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2
30.
EX. 2 –
Sol. 2 TEOREMA DE FUBINI Aplicando o Teorema de Fubini, mas dessa vez integrando com relação a x primeiro: ( x 3 y ) dA 2 2 1 2 0 ( x 3 y ) dx dy 2 R 2 1 x2 x 2 2 3xy dy x 0 2 2 (2 6 y 2 ) dy 2 y 2 y 3 1 1 12 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
31.
TEOREMA DE FUBINI Observe
a resposta negativa no Exemplo 2; não há nada errado com isso. A função f no exemplo não é positiva, e a integral não representa um volume. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
32.
TEOREMA DE FUBINI Da
figura vemos que, se f for sempre negativa em R, o valor da integral é menos o volume que está acima do gráfico de f e abaixo de R. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
33.
INTEGRAIS ITERADAS Calcule onde R =
[1, 2] x [0, ] © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EXEMPLO 3
34.
INTEGRAIS ITERADAS EX. 3
– Sol. 1 Se integrarmos primeiro em relação a x, obteremos © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
35.
INTEGRAIS ITERADAS EX. 3
– Sol. 2 Se invertermos a ordem de integração, obteremos © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
36.
INTEGRAIS ITERADAS EX. 3
– Sol. 2 Para calcular a integral interna, usamos a integração por partes com © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
37.
INTEGRAIS ITERADAS Então, © 2010
Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 3 – Sol. 2
38.
INTEGRAIS ITERADAS EX. 3
– Sol. 2 Se agora integrarmos o primeiro termo por partes com u = –1/x e dv = cos x dx, obteremos: du = dx/x2 v = sen x e © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
39.
INTEGRAIS ITERADAS Portanto, Assim, © 2010
Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 3 – Sol. 2
40.
INTEGRAIS ITERADAS No Exemplo
2, as soluções 1 e 2 são igualmente simples, mas no Exemplo 3 a primeira solução é muito mais simples que a segunda. Portanto, ao calcular uma integral dupla, é recomendável escolher a ordem de integração que forneça integrais mais simples. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
41.
INTEGRAIS ITERADAS EXEMPLO 4 Determine
o volume do sólido S que é delimitado : pelo paraboloide elíptico x2 + 2y2 + z = 16 pelos planos x = 2 e y = 2 pelos três planos coordenados. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
42.
INTEGRAIS ITERADAS EXEMPLO 4 Observemos
primeiro que S é o sólido que está abaixo da superfície z = 16 – x2 – 2y2 acima do quadrado R = [0, 2] x [0, 2]. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
43.
INTEGRAIS ITERADAS EXEMPLO 4 Esse
sólido foi considerado no Exemplo 1 da Seção 15.1, mas agora temos condições de calcular a integral dupla, usando o Teorema de Fubini. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
44.
INTEGRAIS ITERADAS Portanto, EXEMPLO 4 V
(16 x 2 y ) dA 2 2 R 2 0 2 0 (16 x 2 y ) dx d y 2 2 x2 16 x x 2 y x dy x 0 0 2 2 0 3 1 3 88 3 2 4 y dy 2 3 2 y y 0 48 88 3 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 4 3
45.
INTEGRAIS ITERADAS No caso
especial em que f (x, y) pode ser fatorado como o produto de uma função só de x por uma função só de y, a integral dupla de f pode ser escrita de forma particularmente simples. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
46.
INTEGRAIS ITERADAS Para sermos
específicos, suponha que: f(x, y) = g(x)h(y) R = [a, b] x [c, d] © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
47.
INTEGRAIS ITERADAS Então, o
Teorema de Fubini nos dá: f ( x, y) dA d b c a g ( x)h( y) dx dy R g ( x)h( y ) dx dy c a d © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. b
48.
INTEGRAIS ITERADAS Na integral
interna, y é uma constante, então h(y) é uma constante e podemos escrever: d c g ( x)h( y ) dx dy c a b d h( y ) b a g ( x) dx dy g ( x) dx h( y ) dy b a já que b a d c g ( x) dx é uma constante. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
49.
INTEGRAIS ITERADAS Equação 5 Portanto,
nesse caso, a integral dupla de f pode ser escrita como o produto de duas integrais unidimensionais: g ( x)h( y ) dA g ( x) dx h( y ) dy b d a c R onde R = [a, b] x [c, d] © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
50.
INTEGRAIS ITERADAS Equação 5 Se
R = [0, /2] x [0, /2], então, pela Equação 5, © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
51.
INTEGRAIS ITERADAS A função
f(x, y) = sen x cos y do Exemplo 5 é positiva em R; assim, a integral representa o volume do sólido que está entre o gráfico de f e R. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
52.
INTEGRAIS MÚLTIPLAS 15.3 Integrais Duplas sobre
Regiões Gerais Nesta seção, nós aprenderemos: Como usar integrais duplas para encontrar as áreas das regiões de formas diferentes. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
53.
INTEGRAIS DE UMA
VARIÁVEL Para as integrais de funções de uma variável real, a região sobre a qual integramos é sempre um intervalo. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
54.
INTEGRAIS DUPLAS Porém, para
integrais duplas, queremos integrar a função f não somente sobre retângulos, como também sobre uma região D de forma mais geral, como a ilustrada. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
55.
INTEGRAIS DUPLAS Vamos supor
que D seja uma região limitada. O que significa que D está contida em uma região retangular R como na figura. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
56.
INTEGRAIS DUPLAS Equação 1 Definimos
então uma nova função F, com domínio R, por © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
57.
INTEGRAIS DUPLAS Definição 2 Se
F for integrável em R, então definimos a integral dupla de f em D por f ( x, y) dA F ( x, y) dA D R onde F é dada pela Equação 1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
58.
INTEGRAIS DUPLAS A Definição
2 faz sentido porque R é um retângulo e, portanto, F ( x, y) dA R já foi definida na Seção 15.1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
59.
INTEGRAIS DUPLAS O procedimento
usado é razoável, pois os valores de F(x, y) são 0 quando (x, y) está fora da região D e dessa forma não contribuem para o valor da integral. Isso significa que não importa qual o retângulo R tomado, desde que contenha D. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
60.
INTEGRAIS DUPLAS No caso
em que f(x, y) ≥ 0, podemos ainda interpretar f ( x, y) dA D como o volume do sólido que está acima de D e abaixo da superfície z = f(x, y) (o gráfico de f ). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
61.
INTEGRAIS DUPLAS Você pode
constatar que isso é razoável comparando os gráficos de f e F nas figuras e lembrando que F ( x, y) dA é o volume R abaixo do gráfico de F. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
62.
INTEGRAIS DUPLAS Esta figura
mostra também que F provavelmente tem descontinuidades nos pontos de fronteira de D. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
63.
INTEGRAIS DUPLAS Apesar disso,
se f for contínua em D e se a curva fronteira de D for “comportada” (em um sentido que está fora do escopo deste livro), então pode ser mostrado que F ( x, y ) dA existe e, portanto, R f ( x, y) dA existe. D Em particular, esse é o caso para os tipos de regiões listados a seguir. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
64.
REGIÕES DO TIPO
1 Uma região plana D é dita do tipo I se for a região entre o gráfico de duas funções contínuas de x, ou seja, D = {(x, y) | a ≤ x ≤ b, g1(x) ≤ y ≤ g2(x)} onde g1 e g2 são contínuas em [a, b]. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
65.
REGIÕES DO TIPO
1 Alguns exemplos de regiões do tipo I estão mostrados. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
66.
REGIÕES DO TIPO
1 Para calcular f ( x, y) dA quando D é do D tipo I, escolhemos um retângulo R = [a, b] x [c, d] que contenha D e consideramos a função F definida na Equação 1; © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
67.
REGIÕES DO TIPO
1 Ou seja, F coincide com f em D e F é 0 fora da região D. Então, pelo Teorema de Fubini, f ( x, y) dA F ( x, y) dA D R b a © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. d c F ( x, y ) dy dx
68.
REGIÕES DO TIPO
1 Observe que F(x, y) = 0 se y < g1(x) ou y > g2(x) porque (x, y) nessas condições está fora da região D. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
69.
REGIÕES DO TIPO
1 Assim, c F ( x, y ) dy g2 ( x ) d g2 ( x ) g1 ( x ) g1 ( x ) F ( x, y ) dy f ( x, y ) dy porque F(x, y) = f(x, y) quando g1(x) ≤ y ≤ g2(x). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
70.
REGIÕES DO TIPO
1 Portanto, temos a seguinte fórmula, que nos permite calcular a integral dupla como uma integral iterada. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
71.
REGIÕES DO TIPO
1 Equação 3 Se f é contínua em uma região D do tipo I tal que D = {(x, y) | a ≤ x ≤ b, g1(x) ≤ y ≤ g2(x)} então D f ( x, y) dA © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. b a g2 ( x ) g1 ( x ) f ( x, y) dy dx
72.
REGIÕES DO TIPO
1 A integral do lado direito de (3) é uma integral iterada semelhante às consideradas na seção anterior, exceto que na integral de dentro consideramos x constante não só em f (x, y), mas também nos limites de integração g1(x) e g2(x). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
73.
REGIÕES DO TIPO
2 Equação 4 Consideraremos também regiões planas do tipo II, que podem ser expressas como D = {(x, y) | c ≤ y ≤ d, h1(y) ≤ x ≤ h2(y)} onde h1 e h2 são contínuas. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
74.
REGIÕES DO TIPO
2 Dois exemplos de região do tipo II estão ilustrados. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
75.
REGIÕES DO TIPO
2 Equação 5 Utilizando o mesmo método que usamos para estabelecer (3), podemos mostrar que f ( x, y) dA d h2 ( y ) c h1 ( y ) D f ( x, y ) dx dy onde D é uma região do tipo II dada pela Equação 4. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
76.
REGIÕES DO TIPO
2 EXEMPLO 1 Calcule ( x 2 y) dA D onde D é a região limitada pelas parábolas y = 2x2 e y = 1 + x2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
77.
REGIÕES DO TIPO
2 EXEMPLO 1 As parábolas se interceptam quando 2x2 = 1 + x2, ou seja, x2 = 1. Logo, x = ±1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
78.
REGIÕES DO TIPO
2 EXEMPLO 1 Observamos que a região D, ilustrada na figura, é uma região do tipo I, mas não do tipo II, e podemos escrever que: D = {(x, y) | –1 ≤ x ≤ 1, 2x2 ≤ y ≤ 1 + x2} © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
79.
REGIÕES DO TIPO
2 EXEMPLO 1 Como a fronteira de baixo é y = 2x2 e a de cima é y = 1 + x2, a Equação 3 leva ao resultado que segue. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
80.
REGIÕES DO TIPO
2 EXEMPLO 1 ( x 2 y) dA D 1 1 x 2 1 2 x 2 ( x 2 y ) dy dx [ xy y ] 1 2 y 1 x 2 y 2 x2 1 dx [ x(1 x 2 ) (1 x 2 ) 2 x(2 x 2 ) (2 x 2 ) 2 ] dx 1 1 (3 x 4 x3 2 x 2 x 1) dx 1 1 1 x x x x 32 3 2 x 5 4 3 2 1 15 5 4 3 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
81.
OBSERVAÇÃO Quando escrevemos uma
integral dupla como no Exemplo 1, é essencial desenhar um diagrama. Frequentemente é útil desenhar uma seta vertical. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
82.
OBSERVAÇÃO Assim, os limites
de integração da integral de dentro podem ser lidos do diagrama desta forma: a seta começa na fronteira de baixo y = g1(x), que fornece o extremo inferior da integral. a seta termina na fronteira de cima y = g2(x), que dá o extremo superior de integração. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
83.
OBSERVAÇÃO Para uma região
do tipo II, a seta é desenhada horizontalmente da fronteira esquerda para a fronteira direita. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
84.
REGIÕES DO TIPO
1 EXEMPLO 2 Determine o volume do sólido que está abaixo do paraboloide z = x2 + y2 e acima da região D do plano xy limitada pela reta y = 2x e pela parábola y = x2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
85.
REGIÕES DO TIPO
1 EX. 2 – Sol. 1 Da figura vemos que D é uma região do tipo I e D = {(x, y) | 0 ≤ x ≤ 2, x2 ≤ y ≤ 2x} Portanto, o volume abaixo de z = x2 + y2 e acima de D é calculado como a seguir. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
86.
EX. 2 –
Sol. 1 REGIÕES DO TIPO 1 V ( x y ) dA 2 2 D 2 0 2 0 2x x 2 ( x y ) dy dx 2 2 y 2 x y 2 x y 3 2 dx yx 3 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
87.
EX. 2 –
Sol. 1 REGIÕES DO TIPO 1 (2 x) (x ) 2 2 2 x (2 x) x x dx 0 3 3 6 3 2 x 14 x 4 x dx 0 3 3 3 2 2 x x 7x 21 5 6 0 216 35 7 5 4 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 3
88.
REGIÕES DO TIPO
2 EX. 2 – Sol. 2 Da figura, vemos que D pode ser descrita como uma região do tipo II: D = {(x, y) | 0 ≤ y ≤ 4, ½y ≤ x ≤ Logo, segue outra expressão para V. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. y
89.
EX. 2 –
Sol. 2 REGIÕES DO TIPO 2 V ( x y ) dA 2 4 2 0 D 4 0 y 1 2 ( x 2 y 2 ) dx dy x y x 2 3 y x 1 dy x 2 y 3 y y y 5/ 2 y dy 0 24 2 3 3/ 2 4 2 15 y © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 5/ 2 3 y 2 7 7/2 13 96 3 4 y 0 4 216 35
90.
INTEGRAIS DUPLAS Aqui mostramos
o sólido cujo volume é calculado no Exemplo 2. Ele está: acima do plano xy; abaixo do paraboloide z = x2 + y2; entre o plano y = 2x e o cilindro parabólico y = x2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
91.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 3 Calcule xy
dA D onde D é a região limitada pela reta y = x – 1 e pela parábola y2 = 2x + 6 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
92.
REGIÕES TIPO 1
& 2 EXEMPLO 3 A região D está representada. Novamente, D pode ser vista tanto como uma região do tipo I como uma região do tipo II. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
93.
REGIÕES TIPO 1
& 2 EXEMPLO 3 Mas, a descrição de D como região do tipo I é mais complicada, porque a fronteira inferior é constituída de duas partes. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
94.
REGIÕES TIPO 1
& 2 EXEMPLO 3 Portanto preferimos expressar D como uma região do tipo II: D = {(x, y) | –2 ≤ y ≤ 4, 1/2y2 – 3 ≤ x ≤ y + 1} Assim, (5) fornece o resultado a seguir. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
95.
REGIÕES TIPO 1
& 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EXEMPLO 3
96.
REGIÕES TIPO 1
& 2 EXEMPLO 3 Se tivéssemos expressado D como uma região do tipo I, obteríamos: 1 2 x6 3 2 x6 xydA D xy dy dx mas isso daria muito mais trabalho que o outro método. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 5 2 x6 1 x 1 xy dy dx
97.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 Determine
o volume do tetraedro limitado pelos planos x + 2y + z = 2 x = 2y x=0 z=0 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
98.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 Em
uma questão como essa, é prudente desenhar dois diagramas: um do sólido tridimensional; outro da região plana D sobre a qual o sólido se encontra. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
99.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 A
figura mostra o tetraedro T limitado pelos planos coordenados x = 0, z = 0, pelo plano vertical x = 2y, e pelo plano x + 2y + z = 2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
100.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 Como
x + 2y + z = 0 intercepta o plano xy (cuja equação é z = 0) na reta x + 2y = 2, vemos que: T está acima da região triangular D no plano xy limitado pelas retas x = 2y, x + 2y = 2 e x = 0. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
101.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 O
plano x + 2y + z = 2 pode ser escrito como z = 2 – x – 2y, de modo que o volume pedido está sob o gráfico da função z = 2 – x – 2y e acima de D = {(x, y) | 0 ≤ x ≤ 1, x/2 ≤ y ≤ 1 – x/2} © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
102.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 Portanto, V
(2 x y ) dA D 1 1 x / 2 0 x/2 (2 x 2 y ) dy dx y 1 x / 2 2 y xy y y x / 2 dx 0 1 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
103.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 4 x
x x2 x2 1 1 2 x x x dx 0 2 4 2 2 2 1 x 2 x 1 dx 1 2 0 1 x 2 x x 3 0 3 1 3 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
104.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 5 Calcule
a integral iterada Se tentarmos calcular a integral na forma pela qual ela se apresenta, teremos inicialmente de resolver o problema de calcular sen(y²)dy. Mas isso é impossível de fazer em termos finitos, uma vez que sen(y²)dy não é uma função elementar (veja o final da Seção 7.5, no Volume I). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
105.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 5 Precisamos
então mudar a ordem de integração, o que pode ser conseguido escrevendo-se inicialmente a integral iterada dada como uma integral dupla. Usando (3) na ordem inversa, temos onde D = {(x, y) | 0 ≤ x ≤ 1, x ≤ y ≤ 1} © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
106.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 5 Esboçamos
essa região D na figura. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
107.
INTEGRAIS DUPLAS EXEMPLO 5 Então,
desta figura, vemos que um modo alternativo de descrever D é D = {(x, y) | 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x ≤ y} Isso nos permite usar (5) para exprimir a integral dupla como uma integral iterada na ordem reversa, como segue. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
108.
INTEGRAIS DUPLAS © 2010
Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EXEMPLO 5
109.
PROPRIEDADES DE INTEGRAIS
DUPLAS Suponha que todas as seguintes integrais existam. As primeiras três propriedades das integrais duplas sobre uma região D seguem imediatamente da Definição 2 e das Propriedades 7, 8 e 9 da Seção 15.1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
110.
PROPRIEDADES 6 E
7 f x, y g x, y dA D f x, y dA g x, y dA D D cf x, y dA c f x, y dA D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. D
111.
PROPRIEDADE 8 Se f(x,
y) ≥ g(x, y) para todo (x, y) em D, então f ( x, y) dA g ( x, y) dA D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. D
112.
PROPRIEDADES A próxima propriedade
de integral dupla é semelhante à propriedade de integral de uma função de uma variável real, dada pela equação b a f ( x) dx f ( x) dx f ( x) dx c b a c © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
113.
PROPRIEDADE 9 Se D
= D1 D2, onde D1 e D2 não se sobrepõem exceto talvez nas fronteiras, então f x, y dA f x, y dA f x, y dA D D1 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. D2
114.
PROPRIEDADE 9 A Propriedade
9 pode ser usada para calcular integrais duplas sobre regiões D que não sejam nem do tipo I nem do tipo II. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
115.
PROPRIEDADE 10 Equação 10 A
próxima propriedade de integrais diz que, se integrarmos a função constante f(x, y) = 1 sobre uma região D, obteremos a área de D: 1dA A D D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
116.
PROPRIEDADE 10 A figura
ilustra por que a Equação 10 é verdadeira: um cilindro sólido, cuja base é D e altura 1, tem volume A(D) . 1 = A(D). Mas, sabemos que também podemos escrever seu volume como 1 dA . D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
117.
PROPRIEDADE 11 Finalmente, podemos
combinar as Propriedades 7, 8 e 10 para demonstrar a seguinte propriedade (veja o Exercício 57): Se m ≤ f(x, y) ≤ M para todo (x, y) em D, então mA( D) f x, y dA MA D D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
118.
PROPRIEDADE 11 EXEMPLO 6 Utilize
a Propriedade 11 para estimar a integral D e sen x cos y dA onde D é o disco com centro na origem e raio 2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
119.
PROPRIEDADE 11 EXEMPLO 6 Como
–1 ≤ sen x ≤ 1 e –1 ≤ cos y ≤ 1, we have –1 ≤ sin x cos y ≤ 1. Portanto, e–1 ≤ e sen x cos y ≤ e1 = e © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
120.
PROPRIEDADE 11 EXEMPLO 6 Assim,
usando m = e–1 = 1/e, M = e, e A(D) = (2)2 na Propriedade 11, obtemos: © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
121.
INTEGRAIS MÚLTIPLAS 15.6 Integrais Triplas Nesta
seção, aprenderemos sobre: Integrais triplas e suas aplicações. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
122.
INTEGRAIS TRIPLAS Assim como
definimos integrais unidimensionais para funções de uma única variável e duplas para funções de duas variáveis, vamos definir integrais triplas para funções de três variáveis. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
123.
INTEGRAIS TRIPLAS Equação 1 Inicialmente,
trataremos o caso mais simples, quando f é definida em uma caixa retangular: B x, y, z a x b, c y d , r z s © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
124.
INTEGRAIS TRIPLAS O primeiro
passo é dividir B em subcaixas. Fazemos isso dividindo: o intervalo [a, b] em l subintervalos [xi-1, xi] de comprimentos iguais Δx. [c, d] em m subintervalos de comprimentos Δy. [r, s] em n subintervalos de comprimento Δz. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
125.
INTEGRAIS TRIPLAS Os planos
que passam pelas extremidades desses subintervalos, paralelos aos planos coordenados, subdividem a caixa B em lmn subcaixas Bijk xi 1 , xi y j 1 , y j zk 1 , zk © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
126.
INTEGRAIS TRIPLAS Equação 2 Cada
subcaixa tem volume ΔV = Δx Δy Δz. Assim formamos a soma tripla de Riemann f x l m n i 1 j 1 k 1 * ijk * ijk * ijk , y ,z V * * * onde o ponto amostral xijk , yijk , zijk está em Bijk. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
127.
INTEGRAIS TRIPLAS Por analogia
com a definição da integral dupla (15.1.5), definimos a integral tripla como o limite das somas triplas de Riemann em (2). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
128.
INTEGRAIS TRIPLAS Definição 3 A
integral tripla de f na caixa B é f x, y, z dV B lim l , m , n f x l m n i 1 j 1 k 1 * ijk * ijk * ijk ,y ,z V se o limite existir. Novamente, a integral tripla sempre existe se f for contínua. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
129.
INTEGRAIS TRIPLAS Escolhemos o
ponto amostral como qualquer ponto de cada subcaixa, mas, se escolhermos o ponto (xi, yj, zk), obteremos uma expressão com aparência menos complicada para a integral tripla: f x, y, z dV B f x , y , z V l lim l , m , n © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. m n i 1 j 1 k 1 i j k
130.
INTEGRAIS TRIPLAS Assim como
para as integrais duplas, o método prático para calcular uma integral tripla consiste em expressá-la como uma integral iterada, como segue. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
131.
TEOREMA DE FUBINI
(INTEGRAIS TRIPLAS) Se f é contínua em uma caixa retangular B = [a, b] x [c, d] x [r, s], então f x, y, z dV B s r f x, y, z dx dy dz d b c a © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. T. 4
132.
TEOREMA DE FUBINI
(INTEGRAIS TRIPLAS) A integral iterada do lado direito do Teorema de Fubini indica que integramos na seguinte ordem: 1. em relação a x (mantendo y e z fixados); 2. em relação a y (mantendo z fixado); 3. em relação a z. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
133.
TEOREMA DE FUBINI
(INTEGRAIS TRIPLAS) Existem cinco outras ordens possíveis de integração, todas fornecendo o mesmo resultado. Por exemplo, se primeiro integrarmos em relação a y, então em relação a z e depois a x, teremos: f x, y, z dV B b a f x, y, z dy dz dx s d r c © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
134.
TEOREMA DE FUBINI
(INTEGRAIS TRIPLAS) Calcule a integral tripla EX. 1 xyz dV 2 B onde B é a caixa retangular dada por B x, y, z 0 x 1, 1 y 2, 0 z 3 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
135.
TEOREMA DE FUBINI
(INTEGRAIS TRIPLAS) EX. 1 Podemos usar qualquer uma das seis possíveis ordens de integração. Se escolhermos integrar primeiro em relação a x, depois em relação a y e então em relação a z, obteremos o seguinte resultado. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
136.
TEOREMA DE FUBINI
(INTEGRAIS TRIPLAS) xyz dV 2 B 3 0 2 1 1 0 EX. 1 xyz 2 dx dy dz x 1 x yz dy dz 0 1 2 x 0 2 3 2 yz dy dz 0 1 2 3 2 2 2 y 1 3 3 3z y z z 27 dz 0 4 dz 4 4 0 4 y 1 0 3 2 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 3
137.
INTEGRAL SOBRE UMA
REGIÃO LIMITADA Agora definiremos a integral tripla sobre uma região limitada geral E no espaço tridimensional (um sólido) pelo mesmo método usado para as integrais duplas (15.3.2). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
138.
INTEGRAL SOBRE UMA
REGIÃO LIMITADA Envolveremos E por uma caixa B do tipo dado pela Equação 1. Em seguida, definiremos uma função F de modo que ela coincida com f em E e seja 0 nos pontos de B fora de E. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
139.
INTEGRAL SOBRE UMA
REGIÃO LIMITADA Por definição, E f x, y, z dV F x, y, z dV B Essa integral existe se f for contínua e se a fronteira de E for “razoavelmente lisa”. A integral tripla tem essencialmente as mesmas propriedades da integral dupla (Propriedades 6-9 da Seção 15.3). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
140.
INTEGRAL SOBRE UMA
REGIÃO LIMITADA Vamos nos restringir às funções contínuas f e a certos tipos de regiões. Uma região sólida E é dita do tipo 1 se está contida entre os gráficos de duas funções contínuas de x e y. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
141.
REGIÃO TIPO 1 Equação
5 Ou seja, E x, y, z x, y D, u1 x, y z u2 x, y onde D é a projeção de E sobre o plano xy. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
142.
REGIÃO TIPO 1 Observe
que: a fronteira superior do sólido E é a superfície de equação z = u2(x, y). a fronteira inferior é a superfície z = u1(x, y). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
143.
REGIÃO TIPO 1 Fórmula
6 Pelos mesmos argumentos que nos levaram à Fórmula 15.3.3, podemos mostrar que, se E é uma região do tipo 1 dada pela Equação 5, então E u2 x , y f x, y, z dV f x, y, z dz dA u1 x , y D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
144.
REGIÃO TIPO 1 O
significado da integral de dentro do lado direito da Equação 6 é que x e y são mantidos fixos e, assim, u1(x, y) e u2(x, y) são vistas como constantes. f(x, y, z) é integrada em relação a z. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
145.
REGIÃO TIPO 1 Em
particular, se a projeção D de E sobre o plano xy é uma região plana do tipo I, então E x, y, z a x b, g ( x) y g ( x), u ( x, y) z u ( x, y) 1 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 1 2
146.
REGIÃO TIPO 1 Equação
7 A Equação 6 fica: f x, y, z dV E b a g2 ( x ) g1 ( x ) u2 ( x , y ) u1 ( x , y ) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. f x, y, z dz dy dx
147.
REGIÃO TIPO 1 Se,
por outro lado, D é uma região plana do tipo II, então E x, y, z c y d , h ( y) x h ( y), u ( x, y) z u ( x, y) 1 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 1 2
148.
REGIÃO TIPO 1 Equação
8 Então, a Equação 6 fica f x, y, z dV E d c h2 ( y ) h1 ( y ) u2 ( x , y ) u1 ( x , y ) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. f x, y, z dz dx dy
149.
REGIÃO TIPO 1 Calcule EXEMPLO
2 z dV E onde E é o tetraedro sólido delimitado pelos quatro planos x = 0, y = 0, z = 0, x + y + z = 1 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
150.
REGIÃO TIPO 1 EXEMPLO
2 Para escrevermos a integral tripla, é recomendável desenhar dois diagramas: um da região sólida E; outro de sua projeção D no plano xy. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
151.
REGIÃO TIPO 1 EXEMPLO
2 A fronteira inferior do tetraedro é o plano z = 0 e a superior é o plano x + y + z = 1 (ou z = 1 – x – y). Então, usamos u1(x, y) = 0 e u2(x, y) = 1 – x – y na Fórmula 7. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
152.
REGIÃO TIPO 1 EXEMPLO
2 Observe que os planos x + y + z = 1 e z = 0 se interceptam na reta x + y = 1 (ou y = 1 – x) no plano xy. Logo, a projeção de E é a região triangular da figura, e o temos como segue. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
153.
REGIÃO TIPO 1 EXEMPLO
2 – Eq. 9 E x, y, z 0 x 1,0 y 1 x,0 z 1 x y Essa descrição de E como região do tipo 1 nos permite calcular a integral como segue. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
154.
REGIÃO TIPO 1 1
1 x 1 x y 0 0 0 z dV E EXEMPLO 2 z dz dy dx 1 1 x 0 0 1 2 z 1 x y z 2 z 0 2 dy dx 2 1 1 x 1 x y dy dx 0 0 1 x y 1 2 0 3 1 1 6 1 x 1 3 0 1 1 x 6 4 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 3 y 1 x dx y 0 dx 4 1 1 0 24
155.
REGIÃO TIPO 2 Uma
região sólida E é do tipo 2 se for da forma E x, y, z y, z D, u1 ( y, z ) x u2 ( y, z ) onde D é a projeção de E sobre o plano yz. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
156.
REGIÃO TIPO 2 Equação
10 A superfície de trás é x = u1(y, z). A superfície da frente é x = u2(y, z). Assim, temos: f x, y, z dV E f x, y, z dx dA u1 ( y , z ) D u2 ( y , z ) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
157.
REGIÃO TIPO 3 Finalmente,
uma região do tipo 3 é da forma E x, y, z x, z D, u1 ( x, z ) y u2 x, z onde: D é a projeção de E sobre o plano xz; y = u1(x, z) é a superfície da esquerda; y = u2(x, z) é a superfície da direita. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
158.
REGIÃO TIPO 3 Equação
11 Para esse tipo de região, temos: E f x, y, z dV f x, y, z dy dA u1 ( x , z ) D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. u 2( x , z )
159.
REGIÕES TIPO 2
& 3 Em cada uma das Equações 10 e 11 podem existir duas possíveis expressões para a integral, dependendo de: D ser uma região plana do tipo I ou II (e correspondendo às Equações 7 e 8). © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
160.
REGIÕES LIMITADAS EXEMPLO 3 Calcule x
z dV 2 2 E onde E é a região limitada pelo paraboloide y = x2 + z2 e pelo plano y = 4. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
161.
REGIÕES TIPO 1 EXEMPLO
3 O sólido E está ilustrado. Se o olharmos como uma região do tipo 1, então precisaremos considerar sua projeção D1 sobre o plano xy. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
162.
REGIÕES TIPO 1 Essa
é a região parabólica aqui ilustrada. O corte de y = x2 + z2 no plano z = 0 is é a parábola y = x2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EXEMPLO 3
163.
REGIÕES TIPO 1 De
y = x2 + z2, EXEMPLO 3 obtemos: z yx Então, a superfície fronteira de baixo de E é z yx 2 A superfície de cima é: © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. z yx 2 2
164.
REGIÕES TIPO 1 EXEMPLO
3 Portanto, a descrição de E como região do tipo 1 é E x, y, z 2 x 2, x 2 y 4, y x 2 z y x 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
165.
REGIÕES TIPO 1 EXEMPLO
3 Assim, obtemos: x y dV 2 2 4 y x2 2 x yx E 2 2 x z dz dy dx 2 2 2 Apesar de essa expressão estar correta, é extremamente difícil calculá-la. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
166.
REGIÕES TIPO 3 EXEMPLO
3 Vamos, em vez disso, considerar E como região do tipo 3. Como tal, sua projeção D3 sobre o plano xz é o disco x2 + z2 ≤ 4. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
167.
REGIÕES TIPO 3 EXEMPLO
3 Então, a superfície lateral esquerda de E é o paraboloide y = x2 + z2. A superfície lateral direita é o plano y = 4. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
168.
REGIÕES TIPO 3 EXEMPLO
3 Assim, tomando u1(x, z) = x2 + z2 e u2(x, z) = 4 e a Equação 11, temos: E 2 2 x y dV 2 2 x z dy dA x z D 2 4 2 3 4 x z 2 D3 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 x z dA 2 2
169.
REGIÕES TIPO 3 EXEMPLO
3 Apesar de essa integral poder ser escrita como 2 4 x2 2 4 x 2 4 x 2 z 2 x z dz dx 2 2 fica mais simples convertê-la para coordenadas polares no plano xz: x = r cos θ, z = r sen θ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
170.
REGIÕES TIPO 3 EXEMPLO
3 Isso nos dá: E x z dV 4 x z 2 2 2 2 x z dA 2 D3 4 r r r dr d d 4r r dr 2 2 0 0 2 2 2 0 0 2 4 2 4r r 128 2 5 0 15 3 3 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 5 2
171.
APLICAÇÕES DE INTEGRAIS
TRIPLAS Lembre-se de que: Se f(x) ≥ 0, então a integral b a f ( x) dx representa a área abaixo da curva y = f(x) de a até b. Se f(x, y) ≥ 0, então a integral dupla f ( x, y) dA D representa o volume sob a superfície z = f(x, y) acima de D. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
172.
APLICAÇÕES DE INTEGRAIS
TRIPLAS A interpretação correspondente para a integral tripla f ( x, y, z ) dV, onde E f(x, y, z) ≥ 0, não é muito útil. Isso porque seria um “hipervolume” de um objeto de quatro dimensões e, é claro, de muito difícil visualização. Lembre-se de que E é somente o domínio da função f; o gráfico de f pertence ao espaço 4-D. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
173.
APLICAÇÕES DE INTEGRAIS
TRIPLAS Apesar disso, a integral tripla f ( x, y, z) dV E pode ser interpretada de forma diversa em diferentes situações físicas, dependendo das interpretações físicas de x, y, z e f(x, y, z). Vamos começar com o caso especial onde f(x, y, z) = 1 para todos os pontos em E. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
174.
APLICAÇÕES DE INTEGRAIS
TRIPLAS Eq. 12 Nesse caso, a integral tripla representa o volume de E: V E dV E © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
175.
APLICAÇÕES DE INTEGRAIS
TRIPLAS Por exemplo, você pode ver isso no caso de uma região do tipo 1 colocando f(x, y, z) = 1 na Fórmula 6: 1 dV dz dA u1 ( x , y ) E D u2 ( x , y ) u2 ( x, y ) u1 ( x, y ) dA D © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
176.
APLICAÇÕES DE INTEGRAIS
TRIPLAS Da Seção 15.3, sabemos que isso representa o volume que está entre as superfícies z = u1(x, y) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. e z = u2(x, y)
177.
APLICAÇÕES EXEMPLO 4 Utilize uma
integral tripla para determinar o volume do tetraedro T limitado pelos planos x + 2y + z = 2 x = 2y x=0 z=0 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
178.
APLICAÇÕES EXEMPLO 4 O tetraedro
T e sua projeção D sobre o plano xy estão ilustrados. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
179.
APLICAÇÕES EXEMPLO 4 A fronteira
inferior de T é o plano z = 0. A superior é o plano x + 2y + z = 2, ou seja, z = 2 – x – 2y. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
180.
APLICAÇÕES EXEMPLO 4 Portanto, temos: V
T dV 1 1 x / 2 1 1 x / 2 0 T x/2 0 x/2 2 x 2 y 0 dz dy dx 2 x 2 y dy dx 1 3 pelo mesmo cálculo usado no Exemplo 4 da Seção 15.3. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
181.
APLICAÇÕES EXEMPLO 4 Observe que
não é necessário usar as integrais triplas para calcular volumes. As integrais triplas simplesmente fornecem um método alternativo para descrever os cálculos. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
182.
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Learning. Todos os direitos reservados.
183.
INTEGRAIS MÚLTIPLAS 15.9 Mudança de
Variáveis em Integrais Múltiplas Nesta seção, aprenderemos sobre: As mudanças de variáveis e integrais duplas e triplas. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
184.
TRANSFORMAÇÃO Equação 3 De modo
mais geral, consideremos uma mudança de variável dada pela transformação T do plano uv no plano xy: T(u, v) = (x, y) onde x e y estão relacionados com u e v pelas equações: x = g(u, v) y = h(u, v) ou, como às vezes escrevemos: x = x(u, v), y = y(u, v) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
185.
TRANSFORMAÇÃO DE C1 Em
geral, consideramos T uma transformação C1, o que significa que g e h têm derivadas parciais de primeira ordem contínuas. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
186.
TRANSFORMAÇÃO Uma transformação T
é de fato somente uma função cujo domínio e imagem são ambos subconjuntos de R². © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
187.
TRANSFORMAÇÃO & IMAGEM Se
T(u1, v1) = (x1, y1), então o ponto (x1, y1) é denominado imagem do ponto (u1, v1). Se não existem dois pontos com a mesma imagem, T é injetora. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
188.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS A
figura mostra o efeito de uma transformação T em uma região S do plano uv. T transforma S em uma região R no plano xy denominada imagem de S, constituída das imagens de todos os pontos de S. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
189.
TRANSFORMAÇÃO DE INJETORAS Se
T é injetora, então existe uma transformação inversa T-1 do plano xy para o plano uv. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
190.
TRANSFORMAÇÃO DE INJETORAS Então,
pode ser possível inverter as Equações 3 para escrever u e v em termos de x e y: u = G(x, y) v = H(x, y) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
191.
JACOBIANO DE T Definição
7 O jacobiano da transformação T dada por x = g(u, v) e y = h(u, v) é: x ( x, y ) u (u, v) y u x v x y x y y u v v u v © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
192.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA T. 9 Suponha que: T seja uma transformação C1 cujo jacobiano seja não nulo e leve uma região S do plano uv para uma região R do plano xy. f seja contínua sobre R e que R e S sejam regiões planas do tipo I ou II. T seja injetora, exceto possivelmente nos pontos de fronteira de S. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
193.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA T. 9 Então, f ( x, y ) dA R S ( x, y ) f ( x(u, v), y (u, v)) du dv (u, v) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
194.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA O Teorema 9 diz que mudamos de uma integral em x e y para uma integral em u e v escrevendo x e y em termos de u e v e escrevendo: ( x, y ) dA du dv (u, v) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
195.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Como primeira ilustração do Teorema 9, vamos mostrar que a fórmula de integração em coordenadas polares é um caso especial deste. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
196.
INTEGRAIS DUPLAS EM
COORDENADAS POLARES Suponha que queiramos calcular a integral dupla f ( x, y) dA , onde R é uma das R regiões mostradas na figura. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
197.
INTEGRAIS DUPLAS EM
COORDENADAS POLARES Em qualquer dos casos, a descrição de R é complicada em coordenadas retangulares, mas a descrição de R fica mais fácil utilizando-se coordenadas polares. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
198.
INTEGRAIS DUPLAS EM
COORDENADAS POLARES Lembre-se, a partir desta figura, de que as coordenadas polares (r, θ) de um ponto estão relacionadas com as coordenadas retangulares (x, y) pelas equações r2 = x 2 + y 2 x = r cos θ y = r sen θ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
199.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Aqui, a transformação T do plano rθ para o plano xy é dada por x = g(r, θ) = r cos θ y = h(r, θ) = r sen θ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
200.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA A geometria da transformação é mostrada aqui. T transforma um retângulo comum do plano rθ em um retângulo polar do plano xy. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
201.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA O jacobiano de T é: © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
202.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Assim, o Teorema 9 nos leva a: que é o mesmo que a Fórmula 15.4.2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
203.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 2 Utilize a mudança de variáveis x = u2 – v2, y = 2uv para calcular a integral onde R é a região delimitada: y dA R pelo eixo x; pelas parábolas y2 = 4 – 4x e y2 = 4 + 4x, y ≥ 0. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
204.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Veja a figura com a região R. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 2
205.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Vamos calcular o jacobiano: x ( x, y ) u y (u, v) u x 2u 2v v y 2v 2u v 2 2 4u 4v 0 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 2
206.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 2 Portanto, pelo Teorema 9, ( x, y ) y dA 2uv (u, v) dA R S 8 (u v uv ) du dv 8 u v u v dv (2v 4v ) dv v v 1 1 0 0 (2uv)4(u 2 v 2 ) du dv 1 1 3 3 0 0 1 0 1 4 4 1 0 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 1 2 3 2 3 u 1 u 0 2 4 1 2 0
207.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR Calcule EXEMPLO 1 (3x 4 y ) dA 2 R onde R é a região no semiplano superior limitada pelos círculos x2 + y2 = 1 e x2 + y2 = 4. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
208.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR EXEMPLO 1 A região R pode ser descrita como R = {(x, y) | y ≥ 0, 1 ≤ x2 + y2 ≤ 4} © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
209.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR EXEMPLO 1 A região R pode ser descrita como R = {(x, y) | y ≥ 0, 1 ≤ x2 + y2 ≤ 4} É a metade do anel. Em coordenadas polares é dado por 1 ≤ r ≤ 2, 0 ≤ θ ≤ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
210.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR Portanto, da Fórmula 2, segue © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EXEMPLO 1
211.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR EXEMPLO 2 Determine o volume do sólido limitado pelo : plano z = 0 Paraboloide z = 1 – x2 – y2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
212.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR EXEMPLO 2 Se tomarmos z = 0 na equação do paraboloide, obteremos x2 + y2 = 1. Isso significa que o plano intercepta o paraboloide no círculo x2 + y2 = 1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
213.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR EXEMPLO 2 O sólido está abaixo do paraboloide e acima do disco circular D dado por x2 + y2 ≤ 1. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
214.
MUDANÇA PARA COORD.
POLAR EXEMPLO 2 Em coordenadas polares, D é dado por 0 ≤ r ≤ 1, 0 ≤ θ ≤ 2. Como 1 – x2 – y2 = 1 – r2, o volume é: V (1 x y ) dA 2 2 2 0 D (1 r 1 2 0 2 1 0 ) r dr d 0 d (r r ) dr 3 1 r r 2 2 4 0 2 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 4
215.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 3 Calcule a integral R e ( x y ) /( x y ) dA onde R é a região trapezoidal com vértices (1, 0), (2, 0), (0, –2), (0,–1) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
216.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 3 Eq.10 Como não é fácil integrar e(x+y)/(x–y, vamos fazer a mudança de variáveis sugerida pela forma da função: u=x+y v=x–y Essas equações definem a transformação T–1 do plano xy para o plano uv. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
217.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 3 Eq.11 O Teorema 9 diz respeito à transformação T do plano uv para o plano xy. Esta é obtida isolando-se x e y nas Equações 10: x = ½(u + v) y = ½(u – v) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
218.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 3 O jacobiano de T é x ( x, y ) u y (u, v) u x v y v © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
219.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 3 Para determinar a região S do plano uv correspondente a R, observamos que: os lados de R estão sobre as retas y=0 x–y=2 x=0 x–y=1 e, das Equações 10 ou 11, as retas imagem do plano uv são: u=v v=2 u = –v v=1 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
220.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Então, a região S é a região trapezoidal com vértices (1, 1), (2, 2), (–2, 2), (–1 ,1) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 3
221.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA Como S = {(u, v) | 1 ≤ v ≤ 2, –v ≤ u ≤ v} © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 3
222.
MUDANÇA DE VARIÁVEIS
DE UMA INT. DUPLA EX. 3 O Teorema 9 leva a e R ( x y ) /( x y ) dA e ( x, y ) du dv (u, v) u/v S 2 1 2 1 2 1 2 1 1 v v 2 e u/v ve du dv 1 2 u/v u v u v dv 1 1 (e e )v dv (e e ) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 3 4
223.
INTEGRAIS TRIPLAS Existe uma
fórmula de mudança de variáveis semelhante para as integrais triplas. Seja T a transformação que leva uma região S no espaco uvw para uma região R no espaço xyz por meio das equações x = g(u, v, w) y = h(u, v, w) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. z = k(u, v, w)
224.
INTEGRAIS TRIPLAS Equação 12 O
jacobiano de T é o seguinte determinante 3 X 3: x u ( x, y , z ) y (u, v, w) u z u © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. x v y v z v x w y w z w
225.
INTEGRAIS TRIPLAS Fórmula 13 Sob
hipóteses semelhantes àquelas do Teorema 9, temos a seguinte fórmula para integrais triplas: f ( x, y, z ) dV R f ( x(u, v, w), y (u, v, w), z (u, v, w)) S ( x, y , z ) du dv dw (u, v, w) © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
226.
COORDENADAS CILÍNDRICAS No sistema
de coordenadas cilíndricas, um ponto P no espaço tridimensional é representado pela tripla ordenada (r, θ, z), onde: r e θ são as coordenadas polares da projeção de P no plano xy; z é a distância orientada do plano xy a P. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
227.
COORDENADAS CILÍNDRICAS Eqs. 1
e 2 Para converter de coordenadas cilíndricas para retangulares, usamos as equações: x = r cos θ y = r sen θ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. z=z
228.
COORDENADAS CILÍNDRICAS © 2010
Cengage Learning. Todos os direitos reservados. Eqs. 1 e 2
229.
CÁLCULO DE INT.
TRIPLAS EM COORD. CILÍNDRICAS Suponha que E seja uma região do tipo 1, cuja projeção D no plano xy tenha uma representação conveniente em coordenadas polares. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
230.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS Em particular, suponha que f seja contínua e E = {(x, y, z) | (x, y) D, u1(x, y) ≤ z ≤ u2(x, y)} onde D é dado em coordenadas polares por D = {(r, θ) | α ≤ θ ≤ β, h1(θ) ≤ r ≤ h2(θ)} © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
231.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS Logo, Equação 3 f ( x, y, z ) dV E f x, y, z dz dA u1 ( x , y ) D u2 ( x , y ) Mais precisamente, a fórmula para a integração tripla em coordenadas cilíndricas é © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
232.
INTEGRAIS TRIPLAS EM
COORD. CILÍNDRICAS Ela nos diz que convertemos uma integral tripla em coordenadas retangulares para coordenadas cilíndricas: escrevendo x = r cos θ, y = r sen θ; deixando z como está; utilizando os limites apropriados de integração para z, r e θ. trocando dV por r dz dr dθ. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
233.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS EXEMPLO 4 Calcule 2 4 x2 2 4 x 2 2 x y 2 2 x © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 y dz dy dx 2
234.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS EXEMPLO 4 Essa integral iterada é uma integral tripla sobre a região sólida E { x, y, z | 2 x 2, 4 x 2 y 4 x 2 , x 2 y 2 z 2} e a projeção de E sobre o plano xy é o disco x2 + y2 ≤ 4. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
235.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS EXEMPLO 4 A superfície inferior de E é o cone z x y 2 A superfície superior é o plano z = 2. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2
236.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS EXEMPLO 4 Essa região tem uma descrição muito mais simples em coordenadas cilíndricas: E = {(r, θ, z) | 0 ≤ θ ≤ 2, 0 ≤ r ≤ 2, r ≤ z ≤ 2} Portanto, temos o resultado que segue. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
237.
CÁLCULO DE INTEGRAIS
TRIPLAS 2 4 x2 2 4 x 2 2 x y 2 2 x 2 y dz dy dx 2 x y dV 2 EXEMPLO 4 2 2 0 E 2 2 0 r 2 r r dz dr d 2 d r 2 r dr 0 0 2 3 2 r r 16 5 1 2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 4 1 5 5 2 0
238.
COORDENADAS ESFÉRICAS As coordenadas
esféricas (ρ, θ, Φ) de um ponto P no espaço são mostradas. ρ = |OP| é a distância da origem a P. θ é o mesmo ângulo que nas coordenadas cilíndricas. Φ é o ângulo entre o eixo z positivo e o segmento de reta OP. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
239.
COORDENADAS ESFÉRICAS Observe que: ρ≥0 0≤Φ≤ ©
2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
240.
SISTEMA DE COORDENADAS
ESFÉRICAS O sistema de coordenadas esféricas é especialmente útil em problemas nos quais exista simetria em torno de um ponto e a origem esteja colocada neste ponto. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
241.
ESFERA Por exemplo, a
esfera com centro na origem e raio c tem a equação simples ρ = c. Essa é a razão do nome “coordenadas esféricas”.. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
242.
COORDENADAS ESFÉRICAS &
RETANGULARES A relação entre coordenadas esféricas e retangulares pode ser vista nesta figura. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
243.
COORDENADAS ESFÉRICAS &
RETANGULARES Dos triângulos OPQ e OPP’, temos z = ρ cos Φ r = ρ sen Φ Mas, x = r cos θ y = r sen θ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
244.
COORDENADAS ESFÉRICAS &
RETANGULARES Eq.1 De modo que, para converter de coordenadas esféricas para retangulares, usamos as equações x = ρ sen Φ cos θ y = ρ sen Φ sen θ z = ρ cos Φ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
245.
INTEGRAIS TRIPLAS EXEMPLO 4 Calculamos
o jacobiano como segue: © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
246.
INTEGRAIS TRIPLAS EXEMPLO 4 Como
0 ≤ Φ ≤ , temos sen Φ ≥ 0. Portanto, Logo, © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
247.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS Calcule x y e 2 2 z dV 2 3/ 2 B onde B é a bola unitária: B x, y, z x y z 1 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. 2 2 2 EX. 3
248.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS EX. 3 Como a fronteira de B é uma esfera, utilizaremos coordenadas esféricas: B , , 0 1,0 2 ,0 Além disso, as coordenadas esféricas são convenientes, pois: x2 + y2 + z2 = ρ2 © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
249.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS Então, de (3) temos: © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 3
250.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS EX. 4 Utilize coordenadas esféricas para determinar o volume do sólido delimitado: pelo cone z x2 y 2 pela esfera x2 + y2 + z2 = z © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
251.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS EX. 4 Observe que a esfera passa pela origem e tem centro em (0, 0, ½). Escrevemos a equação da esfera em coordenadas esféricas como: ρ2 = ρ cos Φ ou ρ = cos Φ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
252.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS EX. 4 A equação do cone pode ser escrita como: Isto dá: senΦ = cosΦ © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. ou Φ = /4
253.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS EX. 4 Portanto, a descrição do sólido E em coordenadas esféricas é E , , 0 2 ,0 / 4,0 cos © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
254.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS EX. 4 A figura mostra como E é varrido se integramos primeiro em relação a ρ, depois em relação a Φ, e então em relação a θ. © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.
255.
INTEGRAÇÃO TRIPLA EM
COORD. ESFÉRICAS O volume de E é: © 2010 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. EX. 4
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