Palavras chave: cálculo vetorial, cosenos diretores, integral de
linha, integral múltipla, integral de superfícies, produto escalar, produto
vetorial,vetor normal, vetor tangente, vetor unitário,

Cálculo Vetorial
Este assunto você deveria ter estudado em Geométria Analítica e
possivelmente estudou. Considere que é uma revisão, se for o caso. Vamos
seguir trabalhando com integrais também.
Com o "calculo vetorial" vamos ser capazes de rapidamente expressar algumas
relações, você já viu um pouco disto quando observei que
A(x-a) + B(y-b) + C(z-c) = 0
é a equação de um plano, no espaço 3D (preciso da dimensão do espaço
para interpretar a equação) posso "interpretar" esta
expressão como um produto escalar entre dois vetores:
- um vetor fixo, (A,B,C) do
R3;
- um vetor genêrico da região que desejo caracterizar
(x-a, y-b, z-c);
Ainda dizemos, "um vetor posição".
- a expressão satisfaz uma das definições de produto escalar;
- finalmente, o produto escalar serve para detectar quando dois vetores
são perpendiculares porque numa das definições do produto escalar usamos
a expressão
u·v = |u||v| cos(t)
o produto dos módulos dos vetores u,v e o ângulo,t, entre
eles.
Este exemplo mostra que se tivermos algumas ferramentas geométricas presentes
na nossa cultura, podemos entender melhor alguns elementos do Cálculo
multivariado, o que justifica eu seguir por este caminho.
Como é uma "revisão", espero que você lance mão de algum texto de
Geometria Analítica Vetorial (deve ser este o título do livro) e
algumas listas de exercícios sobre o assunto, e complete seus conhecimentos
para fazer os exercícios da lista.
Cosenos diretores
Este parágrafo estava um pouco confuso porque havia um erro que
foi agora corrigido. Se você tiver lido antes desta observação, releia agora
que o texto está corrigido.
Há vários métodos para identificar pontos no espaço ou construir
equações de objetos generalizando as fórmulas que determinam um ponto
sobre o círculo trigonométrico. Vou apresentar-lhe aqui os "cosenos diretores"
de uma reta.
O nome não ajuda muito a entender, mas relembre-se das coordenadas esféricas
que estudamos na lista 09 (e no seu texto de apoio). As coordenadas esféricas
generalizam o círculo trigonométrico que por sua vez representa a base para
as coordenadas polares.
As coordenadas de um ponto na esfera unitária são:
- cos(teta)cos(alfa);
- sin(teta)cos(alfa);
- sin(alfa);
Observe que foram obtidas pelo produto de cos(alfa) e sen(alfa)
pelas coordenadas de um ponto no círculo trigonométrico. As duas primeiras
equações são as coordenadas de um ponto no círculo trigonométrico
multiplicadas por cos(alfa).
Se você multiplicar pelo raio rho, vai obter as coordenadas
esféricas.
A coordenada "rho" expande ou contrai a esfera para que
você possa endereçar qualquer ponto do espaço.
Vou agora modificar um pouco as coordenadas da esfera para obter os "cosenos
diretores".
Primeiro observe: Se os ângulos teta, gama forem complementares,
então:
seno(teta) = cos(gama);
Isto nos permite escrever as coordenadas no círculo trigonométrico apenas
usando cosenos de ângulos
complementares.
As coordenadas esféricas algumas vezes são escritas usando coseno e seno
intercambiados, é preciso apenas ter cuidado com a variação do ângulo
alfa para obter exatamete o que se deseja. Fazendo esta troca temos:
Outra expressão (equivalente) da coordenadas de um ponto P na esfera
unitária são:
- cos(teta1)sen(alfa1);
- cos(gama1)sen(alfa1);
- cos(alfa1);
Os ângulos teta1, gama1, alfa1
são os ângulos da projeção
do vetor P com os eixos OX, OY, OZ respectivamente.
Como P
se encontra sobre a esfera de raio 1 então (já vimos isto na lista 09) a soma dos
quadrados destes números é 1 quer dizer que cada um deles é um número
menor do que 1 (portanto são cosenos de algum ângulo).
Chame de r a reta que
que P determina com a origem.
O ponto P define com cada um dos eixos um plano que corta a esfera segundo um círculo
de raio 1, porque dois segmentos de reta que se encontram num ponto determinam
um plano e este plano corta a esfera de raio 1 produzindo um círculo de raio 1.
Sobre cada um destes planos, a reta que contém P passa no círculo unitário
no ponto P, e portanto em cada um destes planos a projeção perpendicular de P sobre
o respectivo eixo é o coseno do angulo entre esta reta e o respectivo eixo.
Chame estes ângulos de
teta, gama, alfa"
Os cosenos destes ângulos são as coordenadas esféricas:
- cos(teta1)sen(alfa1);
- cos(gama1)sen(alfa1);
- cos(alfa1);
que vou escrever simplesmente
- cos(teta);
- cos(gama);
- cos(alfa);
Estes são os cosenos diretores da reta determinada pelo ponto P e pela origem.
Eu sugeri, erradamente, na versão anterior deste texto, que estes ângulos seriam
complementares. Não são, eles se encontram em planos diferentes:
- teta é o ângulo determinado pela reta OP com o eixo OX;
- gama é o ângulo determinado pela reta OP com o eixo OY;
- alfa é o ângulo determinado pela reta OP com o eixo OZ;
Como determinar os cosenos diretores
A forma de determinar o cosenos diretores é:
Algoritmo:
dividir as coordenadas
de P pelo comprimento de OP.
Ao fazer cada uma destas divisões, você se
encontra no plano determinado por OP e pelo eixo a que pertence a coordenada.
Isto mostra que apenas três números determinam uma reta. Os cosenos diretores
de uma reta são os três cosenos que aparecem na equação anterior.
Um ponto R qualquer no espaço, não precisa se encontrar sobre a
esfera unitária, determina com a origem um segmento de reta que
determina de forma única os cosenos diretores:
- cos(teta);
- cos(gama);
- cos(alfa);
calculados como indiquei acima, dividindo cada coordenada de R pelo comprimento
do segmento que R determina com a origem.
Podemos dizer também que determina, de forma única, os três ângulos:
teta, gama, alfa.
As coordenadas esféricas
são os cosenos diretores de um ponto se ele estiver
sobre a esfera unitária, representam assim uma generalização das coordenadas
polares.
Angulos diretores
Os ângulos teta, gama e alfa são chamados ângulos diretores da direção do vetor
R (ou da reta que o ponto R determina com a origem).
Vou mostrar-lhe outra generalização.
Coordenadas cilíndricas
Estas coordenadas são uma terceira forma de generalizar as coordenadas
polares, agora considerando o cílindro, de altura s, que fica em cima do
círculo de raio R no plano. A altura s pode ser positiva, negativa, ou
nula.
As coordenas cilíndricas de um ponto no espaço são:
- R cos(teta);
- R sin(teta);
- s ;
Eu poderia ter escrito cos(teta), cos(gama), mas não é este o hábito, e as minhas
fórmulas ficariam diferentes das fórmulas que você vai encontra na literatura, e como
já tenho dito muitas vezes, é melhor seguir com certos "defeitos" de notação e manter
a linguagem universal do que tentar melhorar a linguagem mas criando textos
difíceis de serem lidos.
Os vetores i,j,k dos físicos
Algumas vezes ajuda usar os vetores i,j,k que os fisicos
tem o hábito de usar e que os matemáticos raramente usam. O produto vetorial
de dois vetores se expressa facilmente usando estes vetores e um "determinante
formal". Usamos a denominação "determinante formal" para salientar que
é uma espécie de operador aplicado aos vetores para produzir um outro vetor
(determinantes são números e não vetores). E este "objeto" é realmente
extranho:
Mas
funciona!
Na primeira linha do "determinante" temos os três vetores i,j,k.
Na segunda linha as coordenadas do vetor u;
Na terceira linha as coordenadas do vetor v;
Se trocarmos a ordem, o sinal é trocado e assim o produto vetorial é
anti-comutativo, e o "determinante" define corretamente o resultado.
Determinantes formais aparecem com frequência no Cálculo Vetorial, nós já vimos
um antes quando calculamos a derivada exterior e outras fórmulas em que aparecem
determinantes formais ainda vão aparecer. A terminologia
determinantes formais não é padrão, estou usando uma vez que estes determinantes
aparecem apenas porque os cálculos se comportam com anti-comutativamente que
é uma característica dos determinantes:
- eles trocam de sinal quando permutamos duas linhas;
- os determinantes são zeros quando duas linhas (ou colunas forem iguais).
Comentários sobre os exercícios - lista 12
O cálculo da integral dupla no exercício 2.
Vou calcular no caso item 2-(c) porém vou alterar a equação
de $\latex P(x,y) $ para $\latex = -xy + \frac{y^{2}}{2}$
para que o Teorema de Green seja satisfeito.
Este é um exemplo interessante de uso do Teorema de Green.
A região D é o complemento do círculo unitário
relativamente ao retângulo de vértices
(0,-2), (2,-2), (2,2), (0,2)
tomados nesta ordem (definindo assim um sentido de percurso sobre a
fronteira e passando por um segmento do círculo unitário de modo a
manter esta orientação.
Na figura abaixo
você tem o gráfico da região ${\cal D}$ com a fronteira orientada no
sentido positivo.
Curvas tem orientação positiva ou negativa.
O sentido positivo de uma curva fechada se define considerando um vetor tangente
a curva num ponto qualquer e associando-lhe o vetor normal naquele ponto. o resultado
deve ser parte do "triedro positivo" - como ficam os vetores i,j,k da Física,
aqui i, j respectivamente paralelos ao vetor tangente e ao vetor normal.
Observe que o "triedro positivo" é móvel, fica colocado em cada ponto da curva, a
direção do vetor i sendo a do vetor tangente à curva (exatamente para
determinar se a curva está sendo traçada no sentido positivo ou negativo).
Ou ainda, se você fizer o produto vetorial destes dois vetores, o resultado deve ser
paralelo ao vetor k. Compare com o sentido positivo de rotação no círculo
trigonométrico que é o anti-horário (quer dizer, os relógios andam
no sentido negativo).
Ainda uma forma prática de determinar a orientação de uma curva fechada.
- selecione um vetor tangente, (há vários...) porém com derivada você
calcula exatemente um ;
- calcule um vetor perpendicular ao vetor tangente (há vários...) aquele que
você obtiver por rotação de 90° , porisso existe o conceito de vetor normal.
- Se o vetor perpendicular estiver apontando para o interior da região
que a curva delimita, ela está orientada positivamente.
- O próximo gráfico mostra como fazer. O vetor tangente foi obtido transladando
o vetor derivada para o ponto onde calculei a derivada.
A fronteira da região sobre a qual quero calcular a integral dupla (ou a integral
de linha) é uma curva orientada, mas definida por pedaços, vou definir as
parametrizações de cada um dos pedaços da fronteira de forma a obter uma
única curva (e vou calcular a integral usando estes pedaços). Para
isto vou orientar os intervalos de modo a obter a orientação da curva.
Por exemplo, o primeiro intervalo de parametrização é
[pi/2, -pi/2]
escrito desta maneira, indicando que a curva é
descrita a partir do ponto D(pi/2)
para o ponto D(-pi/2).
Outra maneira de fazer é trocando o sinal da curva e mantendo os
intervalos no formato habitual, mas desta forma eu também vou
indicar a orientação no cálculo das integrais.
O cálculo da integral de linha - exer 03-c
Já observei acima que modifiquei os dados do exer03-c (apenas para usar como exemplo
aqui na página - a correção será feita como se encontra na lista publicada).
calculei, errei, já corrigi!
Vou agora calcular a integral dupla que já sabemos que vale o mesmo que a integral
de linha (pelo Teorema de Green), apenas como um exercício de cálculo de integral
dupla. Vale a mesma observação já feita sobre alteração da equação no exer03-c
O cálculo da integral dupla - exer 03-c
Vou calcular esta integral como
porque acho que fica mais simples a especificação das curvas que delimitam a
fronteira da região. Vou dividir a região em três regiões
disjuntas, relativas à variação de y (as fronteiras são comuns o
que não altera o valor da integral).
Observe, quero calcular
Observe que na aula de quarta-feira, dia 12 de maio,
eu calculei errado esta integral, achando o valor 8, porque errei no cálculo
da integral de linha sobre o semi-círculo da fronteira de D. Os cálculos
agora está corretos.