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Lição 32 — Integrais Duplas em Coordenadas Polares

Mudança para coordenadas polares em integrais duplas: jacobiano r, regiões polares, aplicações em disco, anel, pétala e integrais gaussianas.

Used in: Cálculo 2 — Unidade 4 · USP MAT0112 · ITA MA-012

Df(x,y)dA=αβ ⁣r1(θ)r2(θ)f(rcosθ,rsinθ)  rdrdθ\iint_D f(x,y)\,dA = \int_\alpha^\beta\!\int_{r_1(\theta)}^{r_2(\theta)} f(r\cos\theta,\,r\sin\theta)\;r\,dr\,d\theta

A mudança para polares introduz o fator rr (jacobiano). A área do setor polar é dA=rdrdθdA = r\,dr\,d\theta.

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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Mudança de variáveis para polares

Transformação

x=rcosθ,y=rsinθ,r=x2+y2,θ=arctan(y/x)x = r\cos\theta,\quad y = r\sin\theta,\quad r = \sqrt{x^2+y^2},\quad \theta = \arctan(y/x)

Jacobiano

O jacobiano da transformação (r,θ)(x,y)(r,\theta)\mapsto(x,y) é: J=(x,y)(r,θ)=cosθrsinθsinθrcosθ=rJ = \frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)} = \begin{vmatrix}\cos\theta & -r\sin\theta\\\sin\theta & r\cos\theta\end{vmatrix} = r

Portanto dA=dxdy=rdrdθdA = dx\,dy = r\,dr\,d\theta.

Regiões polares típicas

RegiãoLimites
Disco x2+y2a2x^2+y^2\leq a^20θ2π0\leq\theta\leq 2\pi, 0ra0\leq r\leq a
Anel a2x2+y2b2a^2\leq x^2+y^2\leq b^20θ2π0\leq\theta\leq 2\pi, arba\leq r\leq b
Semicírculo superior0θπ0\leq\theta\leq\pi, 0ra0\leq r\leq a
Pétala r=acos(nθ)r = a\cos(n\theta)π/(2n)θπ/(2n)-\pi/(2n)\leq\theta\leq\pi/(2n), 0racos(nθ)0\leq r\leq a\cos(n\theta)

Integral gaussiana via polares

ex2dx=π\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\,dx = \sqrt{\pi}

Prova: I2=(ex2dx)2=R2e(x2+y2)dA=02π ⁣0er2rdrdθ=πI^2 = \left(\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx\right)^2 = \iint_{\mathbb{R}^2} e^{-(x^2+y^2)}dA = \int_0^{2\pi}\!\int_0^\infty e^{-r^2}r\,dr\,d\theta = \pi.

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Conversão para polares

Bloco B — Áreas e volumes

Bloco C — Nível ITA/USP

To continue

  • Stewart, J. — Cálculo, vol. 2, §15.3 — Cengage, 8ª ed.
  • Guidorizzi, H.L. — Um Curso de Cálculo, vol. 3, §1.6 — LTC, 5ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 2, §11.9–11.10 — Wiley, 2ª ed.
  • OpenStaxCalculus Volume 3, §5.3 — openstax.org
  • Leithold, L. — O Cálculo com Geometria Analítica, vol. 2, §20.4 — Harbra, 3ª ed.

Updated on 2026-05-28 · Author(s): Clube da Matemática

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