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Sequências e séries

Paramétricas e polares: exercícios resolvidos com respostas

12 exercícios de curvas paramétricas e coordenadas polares com respostas: dy/dx, retas tangentes, comprimento de arco, conversões e área em polares.

Sequências e séries Atualizado 4 min de leitura

Visão geral

\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt}, \qquad A = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta} r^2\,d\theta
Exercícios
12, com respostas e resoluções completas
Nível
Cálculo 2 e AP Calculus BC, unidade 9
Pré-requisitos
A regra da cadeia, valores trigonométricos e integrais trigonométricas
Ideia principal
Paramétricas: divida as derivadas em t. Polares: use x = r\cos\theta, y = r\sin\theta
Pratique com novos números
Lição de área em coordenadas polares
Nesta página
  1. Exercícios
  2. Respostas
  3. Resoluções passo a passo
  4. Erros comuns nestes exercícios
  5. Continue praticando

Estes exercícios de equações paramétricas e coordenadas polares cobrem inclinações, retas tangentes, segundas derivadas e comprimento de arco de curvas paramétricas e, depois, conversões, inclinações e áreas em coordenadas polares. Tente resolver cada um primeiro. As respostas vêm antes, seguidas das resoluções completas.

As fórmulas principais:

\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt}, \qquad L = \int_a^b\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\,dt, \qquad A = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta}r^2\,d\theta

Exercícios

Curvas paramétricas

  1. Para x = t^2, y = t^3, encontre \frac{dy}{dx} e seu valor em t = 2.
  2. Encontre a reta tangente à curva do exercício 1 em t = 2.
  3. Elimine o parâmetro: x = 2\cos t, y = 3\sin t.
  4. Para x = t^2, y = t^3, encontre \frac{d^2y}{dx^2}.
  5. Encontre os pontos em que x = t^2 - 1, y = t^3 - 3t tem tangente horizontal.
  6. Encontre o comprimento de arco de x = t^2, y = \frac{2}{3}t^3 para 0 \le t \le 1.

Coordenadas polares

  1. Converta o ponto polar (r, \theta) = \left(4, \frac{\pi}{3}\right) para coordenadas cartesianas.
  2. Converta r = 4\sin\theta para uma equação cartesiana e descreva a curva.
  3. Encontre a inclinação \frac{dy}{dx} de r = 1 + \cos\theta em \theta = \frac{\pi}{2}.

Área em polares

  1. Encontre a área interna a r = 2\cos\theta.
  2. Encontre a área de uma pétala de r = \cos(2\theta).
  3. Encontre a área interna à cardioide r = 1 + \cos\theta.

Respostas

Exercício Resposta
1 \frac{dy}{dx} = \frac{3t}{2}; em t = 2, inclinação 3
2 y = 3x - 4
3 \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1
4 \frac{3}{4t}
5 (0, -2) e (0, 2)
6 \frac{2}{3}\left(2\sqrt{2} - 1\right) \approx 1.219
7 \left(2, 2\sqrt{3}\right)
8 x^2 + (y - 2)^2 = 4, uma circunferência
9 1
10 \pi
11 \frac{\pi}{8}
12 \frac{3\pi}{2}

Resoluções passo a passo

1. \frac{dx}{dt} = 2t e \frac{dy}{dt} = 3t^2:

\frac{dy}{dx} = \frac{3t^2}{2t} = \frac{3t}{2}, \qquad \text{em } t = 2: \ 3

2. Em t = 2 o ponto é (4, 8) e a inclinação é 3: y - 8 = 3(x - 4), então y = 3x - 4.

3. \cos t = \frac{x}{2} e \sin t = \frac{y}{3}. Use \cos^2 t + \sin^2 t = 1:

\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1

É uma elipse.

4. Derive \frac{dy}{dx} = \frac{3t}{2} em relação a t para obter \frac{3}{2} e divida por \frac{dx}{dt} = 2t:

\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{3/2}{2t} = \frac{3}{4t}

5. \frac{dy}{dt} = 3t^2 - 3 = 0 em t = \pm 1, e ali \frac{dx}{dt} = 2t \neq 0. Em t = 1: (0, -2). Em t = -1: (0, 2).

6. \frac{dx}{dt} = 2t e \frac{dy}{dt} = 2t^2, então a velocidade escalar é \sqrt{4t^2 + 4t^4} = 2t\sqrt{1 + t^2} para t \ge 0. Com u = 1 + t^2:

\int_0^1 2t\sqrt{1 + t^2}\,dt = \left[\frac{2}{3}(1 + t^2)^{3/2}\right]_0^1 = \frac{2}{3}\left(2\sqrt{2} - 1\right)

7. x = 4\cos\frac{\pi}{3} = 2 e y = 4\sin\frac{\pi}{3} = 2\sqrt{3}.

8. Multiplique os dois lados por r: r^2 = 4r\sin\theta, então x^2 + y^2 = 4y. Complete o quadrado:

x^2 + (y - 2)^2 = 4

Uma circunferência de raio 2 com centro em (0, 2).

9. Use x = r\cos\theta, y = r\sin\theta com r' = -\sin\theta. Em \theta = \frac{\pi}{2}: r = 1 e r' = -1.

\frac{dy}{d\theta} = r'\sin\theta + r\cos\theta = -1, \qquad \frac{dx}{d\theta} = r'\cos\theta - r\sin\theta = -1

Então \frac{dy}{dx} = \frac{-1}{-1} = 1.

10. A circunferência é percorrida uma vez para -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}:

\frac{1}{2}\int_{-\pi/2}^{\pi/2}4\cos^2\theta\,d\theta = 2\cdot\frac{\pi}{2} = \pi

Isso confere com uma circunferência de raio 1.

11. Uma pétala vai de \theta = -\frac{\pi}{4} até \frac{\pi}{4}, onde \cos 2\theta \ge 0. Use \cos^2 2\theta = \frac{1 + \cos 4\theta}{2}:

\frac{1}{2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\cos^2(2\theta)\,d\theta = \frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{8}

12. Desenvolva (1 + \cos\theta)^2 = 1 + 2\cos\theta + \cos^2\theta. Em [0, 2\pi], as integrais desses termos dão 2\pi, 0 e \pi:

\frac{1}{2}(2\pi + 0 + \pi) = \frac{3\pi}{2}

Erros comuns nestes exercícios

  • Dividir segundas derivadas. No exercício 4, \frac{d^2y/dt^2}{d^2x/dt^2} = \frac{6t}{2} = 3t está errado.
  • Usar \frac{dr}{d\theta} como inclinação. No exercício 9, r' = -1, mas a inclinação da curva é 1.
  • Limites que percorrem a curva duas vezes. r = 2\cos\theta em [0, 2\pi] dá duas voltas e resulta em 2\pi.
  • Esquecer o \frac{1}{2}. A área em polares é \frac{1}{2}\int r^2\,d\theta, e não \int r\,d\theta.

Continue praticando

Para exercícios ilimitados com correção na hora, faça a lição de curvas paramétricas, a lição de comprimento de arco paramétrico, a lição de inclinação em polares e a lição de área em polares.

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Área em coordenadas polares

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Perguntas frequentes

Como calcular a segunda derivada de uma curva paramétrica?

Derive \frac{dy}{dx} em relação a t e divida por \frac{dx}{dt}. Ela não é \frac{d^2y/dt^2}{d^2x/dt^2}. O exercício 4 mostra os passos.

Por que a área em polares tem um meio de r ao quadrado?

Uma fatia fina de uma região polar é quase um setor circular de raio r e ângulo d\theta. Um setor tem área \frac{1}{2}r^2\,d\theta, e a integral soma as fatias.

Onde uma curva paramétrica tem tangente horizontal?

Onde \frac{dy}{dt} = 0 e \frac{dx}{dt} \neq 0. A tangente é vertical onde \frac{dx}{dt} = 0 e \frac{dy}{dt} \neq 0. Se as duas forem zero, é preciso investigar mais.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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