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Notas de Cálculo Diferencial e Integral III

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1 . Derivada

drdx=r˙(t)=limh0r(t+h)r(t)h\frac{d\vec{r}}{dx} = {\dot{\vec{r}}(t)} = \lim_{h \rightarrow 0} \frac{\textbf{r}(t+h) - \textbf{r}(t)}{h}

O vetor r˙(t)\dot{\vec{r}}(t) é chamado de vetor tangente a curva C definida por r no ponto P (ponta de r(t)), desde que r˙(t)\dot{\vec{r}}(t) exista e r˙(t)\dot{\vec{r}}(t) diferente de 0. A reta tangente\textbf{reta tangente} a C em P é definida como sendo a reta que passa por P na direção de r˙(t)\dot{\vec{r}}(t).

1.1 Teorema

Se

r(t)=<f(t),g(t),h(t)>\vec{r}(t) = \left<f(t), g(t), h(t)\right>

então

r˙(t)=<f(t),g(t),h(t)>\dot{\vec{r}}(t) = \left<f^{'}(t), g^{'}(t), h^{'}(t)\right>

1.2 Exemplo 1

(a) Determine a derivada de r(t)=(1+t3)i^+tetj^+sen2tk^r(t) = (1+t^3) \hat{i} + t e^{-t} \hat{j} + sen2t \hat{k}

r˙(t)=<3t2,(1t)et,2cos(2t)>\dot{\vec{r}}(t) = \left<3t^2, (1-t)e^{-t}, 2cos(2t)\right>

(b) Encontre a derivada tangente no ponto onde t=0.

r˙(t)=<0,1,2>\dot{\vec{r}}(t) = \left<0,1,2\right>

1.3 Exemplo 2

Determine as equações paramétricas para a reta tangente à hélice com equações paramétricas

{x=2costy=sentz=t\begin{cases} x = 2cost\\ y = sen t\\ z=t \end{cases}

no ponto (0,1,π\pi/2)

r(t)=<2cost,sent,t>r(t)=<2sent,cost,1>t=π/2:r(π/2)=<2,0,1>r(t) = \left<2cos t, sen t, t\right>\\ r'(t) = \left<-2sen t, cos t, 1\right>\\ t = \pi / 2: r'(\pi/2) = \left<-2,0,1\right>

As equações paramétricas da reta são:

(x,y,z)=(x0,y0,z0)+t(a,b,c)(x,y,z)=(0,1,π/2)+t(2,0,1)(x,y,z)=(2t,1,π2+t)(x,y,z) = (x_0, y_0, z_0) + t(a,b,c)\\ \\ (x,y,z) = (0,1,\pi/2) + t(-2,0,1)\\ \\ (x,y,z) = (-2t, 1, \frac{\pi}{2} + t)

2. Regras de derivação

ddt[u(t)+v(t)]=u(t)+v(t)\frac{d}{dt}[u(t)+v(t)] = u'(t)+v'(t)
ddt[cv(t)]=cv(t)\frac{d}{dt}[cv(t)] =cv'(t)
ddt[f(t)u(t)]=f(t)u(t)+f(t)u(t)\frac{d}{dt}[f(t)u(t)] =f'(t)u(t)+f(t)u'(t)
ddt[u(t)v(t)]=u(t)v(t)+u(t)v(t)\frac{d}{dt}[u(t) \cdot v(t)] =u'(t) \cdot v(t)+u(t) \cdot v'(t)
ddt[u(f(t))]=f(t)u(f(t))\frac{d}{dt}[u(f(t))]=f'(t)u'(f(t))
ddt[u(t)v(t)]=u(t)v(t)+u(t)v(t)\frac{d}{dt}[u(t) \cdot v(t)] =u'(t) \cdot v(t)+u(t) \cdot v'(t)

3. Integrais

Podemos definir a integral definida de uma função vetorial como é feito para funções reais, mas, nesse caso, a integral definida é um vetor. Mas precisamente,a integral definida no intervalo [a,b] da função vetorial r(t)i^+g(t)j^+h(t)k^r(t)\hat{i}+g(t)\hat{j}+h(t)\hat{k} é

abr(t)dt=limni=1nr(ti)Δt\int_{a}^b r(t) dt= \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^n \vec{r}(t_i) \Delta t
limn[(i=1nf(ti)Δt)i^+(i=1ng(ti)Δt)j^+(i=1nh(ti)Δt)k^]\lim_{n \rightarrow \infty} \left[\left( \sum_{i=1}^n f(t_i) \Delta t\right)\hat{\mathbf{i}} + \left( \sum_{i=1}^n g(t_i) \Delta t\right)\hat{\mathbf{j}} +\left( \sum_{i=1}^n h(t_i) \Delta t\right)\hat{\mathbf{k}} \right]

Assim, a integral de uma função vetorial é o vetor cujas componentes são as integrais definidas das funções componentes.

abr(t)dt=(abf(t)dt)i^+(abg(t)dt)j^+(abh(t)dt)k^\int_{a}^b r(t)dt = \left(\int_{a}^b f(t)dt\right)\hat{\mathbf{i}} + \left(\int_{a}^b g(t)dt\right)\hat{\mathbf{j}} +\left(\int_{a}^b h(t)dt\right)\hat{\mathbf{k}}

também podemos estender o torema fundamental do cálculo:

abr(t)dt=R(t)ab=R(b)R(a)\int_{a}^b r(t)dt =R(t)|_{a}^b =R(b)-R(a)

Em que R é uma primitiva de r, ou seja, R˙(t)=r(t).\dot{\vec{R}}(t)= r(t).

Escrito por Thays Simeia Rocha Barros

17 de Dezembro de 2020