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Matemática · Glossário

O que é Domínios elementares?

Também chamado de: área de um domínio plano

Definição 20.11 Matemática universitária — Graduação 2 · Capítulo 20 — Integrais de linha e integrais múltiplas

Um domínio D⊆R2D \subseteq \R^2 é elementar em yy se

D={(x,y):a≤x≤b, φ1(x)≤y≤φ2(x)}D = \{(x, y) : a \leq x \leq b,\ \varphi_1(x) \leq y \leq \varphi_2(x)\}

com φ1≤φ2\varphi_1 \leq \varphi_2 contínuas em [a,b][a,b] (elementar em xx: simetricamente). Para ff contínua num DD elementar em yy,

∬Df=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)  ⁣dy) ⁣dx,\iint_D f = \int_a^b\Bigl( \int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x,y)\,\dd y\Bigr)\dd x ,

e verifica-se (estendendo ff por um argumento de aproximação, ou subdividindo) que, quando DD é elementar nos dois sentidos, as duas integrais iteradas coincidem. Domínios recortados em finitos pedaços elementares são tratados por aditividade, e a área de DD é Area⁡(D)=∬D1\operatorname {Area}(D) = \iint_D 1.

Exemplos

Exemplo 20.12

No triângulo D={0≤x≤1, 0≤y≤x}D = \{0 \leq x \leq 1,\ 0 \leq y \leq x\}:

∬Dxy  ⁣dx  ⁣dy=∫01x(∫0xy  ⁣dy) ⁣dx=∫01x⋅x22  ⁣dx=18.\iint_D xy \,\dd x\,\dd y = \int_0^1 x\Bigl(\int_0^x y\,\dd y\Bigr)\dd x = \int_0^1 x\cdot\frac{x^2}{2}\,\dd x = \frac18 .

Trocando a ordem (xx de yy a 11): ∫01y(∫y1x  ⁣dx) ⁣dy=∫01y 1−y22  ⁣dy=18\int_0^1 y\bigl(\int_y^1 x\,\dd x\bigr)\dd y = \int_0^1 y\,\frac{1 - y^2}{2}\,\dd y = \frac18 — mesmo valor, cálculo diferente: escolher bem a ordem de integração é metade do ofício.

Exemplo 20.13 (Quando só uma ordem funciona)

Calcule I=∫01 ⁣ ⁣∫x1ey2  ⁣dy  ⁣dxI = \displaystyle\int_0^1\!\!\int_x^1 \eu^{y^2}\,\dd y\,\dd x. Como está escrita, a integral interna ∫ey2 ⁣dy\int\eu^{y^2}\dd y não tem primitiva elementar: o cálculo trava. Mas o domínio é o triângulo 0≤x≤y≤10 \leq x \leq y \leq 1, que é elementar nos dois sentidos; trocando a ordem,

I=∫01 ⁣ ⁣∫0yey2  ⁣dx  ⁣dy=∫01y ey2  ⁣dy=[12ey2]01=e−12.I = \int_0^1\!\!\int_0^y \eu^{y^2}\,\dd x\,\dd y = \int_0^1 y\,\eu^{y^2}\,\dd y = \Bigl[\tfrac12\eu^{y^2}\Bigr]_0^1 = \frac{\eu - 1}{2} .

A variável interna xx não aparecia em lugar algum do integrando, de modo que integrá-la primeiro produziu exatamente o fator yy que torna imediata a integral externa. Moral: Fubini não é apenas uma licença para iterar — é uma licença para escolher, e a ordem certa pode transformar uma integral impossível numa única linha. Esboce sempre o domínio e leia as duas descrições antes de começar.

Exemplo 20.18 (Mudanças de variáveis afins)

Para uma aplicação afim Φ(u,v)=M(u,v)T+C\Phi(u, v) = M(u, v)^{\mathsf T} + C com MM invertível, o jacobiano é a matriz constante MM: as áreas são multiplicadas pelo fator constante ∣det⁡M∣\abs{\det M} — a promessa feita no Capítulo 17 é agora um teorema. Dois usos imediatos. A elipse x2a2+y2b2≤1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} \leq 1 é a imagem do disco unitário por (u,v)↦(au,bv)(u, v) \mapsto (au, bv), de modo que sua área é ab⋅πab \cdot \pi — sem cálculo algum. E, para a integral de f(x+y)f(x + y) sobre o quadrado K=[0, 1]2K = \intcc01^2, o cisalhamento Φ(u,v)=(u−v,v)\Phi(u, v) = (u - v, v) (determinante 11) a transforma numa integral de f(u)f(u) sobre um paralelogramo, que Fubini fatia a uu constante: com f=exp⁡f = \exp,

∬Kex+y  ⁣dx  ⁣dy=(∫01ex  ⁣dx)2=(e−1)2,\iint_K \eu^{x+y}\,\dd x\,\dd y = \Bigl(\int_0^1 \eu^x\,\dd x\Bigr)^2 = (\eu - 1)^2,

como a estrutura de produto confirma. Escolher coordenadas adaptadas ao integrando — e não ao domínio — é a outra metade do ofício.

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