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Cálculo M V: notas de aula

Seção 1.2 Cálculo de Funções Vetoriais

Definição 1.2.1.

Considere \(F(t) = (x(t), y(t), z(t))\text{.}\)
  1. Escrevemos
    \begin{equation*} \lim_{t \rightarrow a} F(t) = (L, M, N) \end{equation*}
    se e só se
    \begin{equation*} \lim_{t \rightarrow a} x(t) = L,\quad \lim_{t \rightarrow a} y(t) = M \quad\text{ e }\quad \lim_{t \rightarrow a} z(t) = N\text{.} \end{equation*}
    Ou seja, o limite de uma função vetorial existe quando \(t \rightarrow a\) se e somente se os limites em cada função coordenada existe quando \(t \rightarrow a\text{.}\)
  2. Uma função \(F\) é contínua em \(t_0 \in D \subseteq \mathbb{R}\) quando as funções \(x(t)\text{,}\) \(y(t)\) e \(z(t)\) forem contínuas em \(t_0\text{.}\)
  3. Diremos que \(F\) é derivável em \(t_0 \in D \subseteq \mathbb{R}\) e escrevemos \(F'(t_0)\) quando o limite:
    \begin{equation*} F'(t_0) = \lim_{t \rightarrow t_0} \frac{F(t) - F(t_0)}{t - t_0} \end{equation*}
    existir. Logo,
    \begin{equation*} F'(t_0) = \left( \lim_{t \rightarrow t_0} \frac{x(t) - x(t_0)}{t - t_0}, \lim_{t \rightarrow t_0} \frac{y(t) - y(t_0)}{t - t_0}, \lim_{t \rightarrow t_0} \frac{z(t) - z(t_0)}{t - t_0} \right) \end{equation*}
    \begin{equation*} F'(t_0) = (x'(t_0), y'(t_0), z'(t_0))\text{.} \end{equation*}
  4. Uma função \(F: D \subseteq \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^3\) é dita regular ou suave quando existe \(F'(t)\) para todo \(t \in D \subseteq \mathbb{R}\) e \(F'(t)\) for contínua.

Nota 1.2.2.

A função \(F'(t)\) fornece à trajetória de \(F(t)\) um vetor tangente em cada \(t \in D \subseteq \mathbb{R}\text{.}\)
Uma curva 3D com um vetor posição F(t) apontando da origem até um ponto da curva, e um vetor tangente F'(t) apoiado na curva, indicando a direção do movimento.
Figura 1.2.3. Vetores Tangentes à trajetória em \(\mathbb{R}^3\)

Nota 1.2.4.

Lembre que o comprimento do vetor \(F'(t)\) é:
\begin{equation*} ||F'(t)|| = \sqrt{(x'(t))^2 + (y'(t))^2 + (z'(t))^2} \end{equation*}
Assim, para obter um vetor de norma 1 (vetor unitário), faremos:
\begin{equation*} T(t) = \frac{1}{||F'(t)||} \cdot F'(t) \end{equation*}

Exemplo 1.2.6.

Calcule o comprimento da curva: \(r(t) = (\cos t, \text{sen } t, t)\text{,}\) \(t \in [0, 2\pi]\text{,}\)
Solução.
\(r'(t) = (-\text{sen } t, \cos t, 1)\text{.}\) Daí,
\begin{equation*} ||r'(t)|| = \sqrt{(-\text{sen } t)^2 + (\cos t)^2 + 1^2} = \sqrt{1+1} = \sqrt{2} \end{equation*}
Assim,
\begin{equation*} L = \int_{0}^{2\pi} ||r'(t)|| dt = \int_{0}^{2\pi} \sqrt{2} dt = \left. \sqrt{2}t \right|_{0}^{2\pi} = 2\sqrt{2}\pi \end{equation*}

Exemplo 1.2.8.

No exemplo acima, temos:
\begin{equation*} S(t) = \int_{0}^{t} \sqrt{2} du = \left. \sqrt{2}u \right|_{0}^{t} = \sqrt{2}t \end{equation*}
\(S = \sqrt{2}t\text{.}\)
Para \(t = \frac{\pi}{4}\) temos o comprimento da curva de \(0\) até \(\frac{\pi}{4}\) igual a \(S = \sqrt{2}\frac{\pi}{4}\text{.}\)

Nota 1.2.9.

Em muitos casos podemos usar \(s\) como parâmetro. Neste caso, diremos que a curva está parametrizada pelo comprimento de arco. No exemplo acima podemos reescrever:
\begin{equation*} r(s) = \left( \cos\left(\frac{s}{\sqrt{2}}\right), \text{sen}\left(\frac{s}{\sqrt{2}}\right), \frac{s}{\sqrt{2}} \right) \end{equation*}
com \(s \in [0, 2\sqrt{2}\pi]\text{.}\)