Integral de linha

1
Integral de Linha
As integrais de linha podem ser encontradas em inúmeras aplicações nas Ciências Exatas, como por
exemplo, no cálculo do trabalho realizado por uma força variável sobre uma partícula, movendo-a de um ponto A
a um ponto B no plano. Na Termodinâmica, uma integral de linha é utilizada, por exemplo, para calcular o
trabalho e o calor desenvolvido numa transformação qualquer.
Nesta seção iremos introduzir o conceito de integração ao longo de uma curva C. Essa integral é denominada
de integral de linha, muito embora o nome “integral de curva” pudesse ser mais adequado. Vamos aprender a
trabalhar com integrais de linha de uma função de duas variáveis e de um campo vetorial no plano. O raciocínio
desenvolvido aqui é análogo para funções de três variáveis e campos vetoriais no espaço.
Vamos iniciar nosso estudo com as integrais de linha de uma função de duas variáveis. Denominamos de
integral de linha escalar, a integral de uma função f  x, y ao longo de uma curva C e a denotamos por
 , 
C
 f x y ds , onde ds é uma quantidade infinitesimal (muito pequena) da curva C. A curva C é chamada o
caminho da integração.
Vamos entender melhor o conceito de integral de linha. Iremos utilizar a notação Pt    xt , yt  , para
denotar um caminho (uma curva) no plano cartesiano R2. Podemos pensar em Pt  como sendo um ponto (em
movimento), como função do tempo t, descrevendo uma curva C no plano, para a  t  b.
Para calcular uma integral de linha, é necessário conhecer a equação da curva C, a qual pode ser dada na
forma cartesiana ou paramétrica. A forma cartesiana é mais utilizada, quando a curva C é o gráfico de uma
função y  g  x. Já a forma paramétrica, abrange o caso geral, tanto para gráficos de função ou não.

2
Em ambos os casos, uma integral de linha escalar,  , 
C
 f x y ds , pode ser transformada em uma integral
simples de uma função de uma variável. Para isso, basta restringirmos os valores de f  x, y aos pontos da curva
C, e encontrarmos uma expressão adequada para ds.
Para acharmos ds devemos observar que, sendo ds uma quantidade infinitesimal (muito pequena) do
comprimento da curva C, podemos supor que ela é a hipotenusa do triângulo retângulo, cujos catetos são dx e dy
(ver figura).
Observe que consideramos o tamanho de ds bem maior do
que seria considerado, na figura, apenas para que possamos
visualizá-lo melhor.
Aplicando o Teorema de Pitágoras nesse triângulo, obtemos:
Aqui, temos dois casos a considerar:
1o Caso: A curva C é o gráfico de uma função y  g  x.
Nesse caso, temos que:
     2 2 2 2 2
2
( ) '( )
( ) [ '( )] ( ) 1 '
1 [ '( )]
y f x dy f x dx
ds dx f x dx f x dx
ds f x dx
  
      
  
Portanto,
       2
, , 1 ' .
b
a
C
 f x y ds   f x g x  g x  dx
EXEMPLO Calcule a integral sobre a curva do ponto ao ponto
Solução
          2 2 2 2 2
ds  dx  dy  ds  dx  dy .
C
 xy ds
2
2
x
y  0,0
1
1, .
2
 
 
 

3
Escreva a função restrita à curva C:
 
2 2 3
, ,
2 2 3
x x x
f x y xy f x x
 
        
 
Considerando C como o gráfico de  
2
2
x
g x  , encontre g’(x):
   
2
'
2
x
g x   g x  x
Encontre ds:
 2 2 ds  1 g ' x  dx  1 x dx
Substitua os itens encontrados na integral :
Calcule a integral obtida:
2o Caso: A curva C é dada na forma paramétrica.
( ) '( )
;
( ) '( ) a b
x x t dx x t dt
t t t
y y t dy y t dt
   
    
   
2 2 2 2
2 2
[ '( )] ( ) [ '( )] ( )
[ '( )] [ '( )]
ds x t dt y t dt
x t y t dt
  
 
Portanto,
f  x, y  xy
C
 xy ds
1 3 1
2 3 2
0 0
1
1 1
2 2
C
x
 xy ds    x dx   x  x dx
 
 
   
1
3 2
0
1
2 2
0
1
2
0
1 5 3
4 2
0
1
5 3
2 2 2 2
0
5 3
1
1
2
1
1
2
1
1
2
1 1
2 2 5 3
1 1
10 6
2 2 1 1 1 2
.
10 3 10 6 15
C
x
x
xy ds x x dx
x x xdx
u u udu
u u
u u du
x x


  
  
  
 
        
 
 
   
    
 
 

    
 




4
           2 2
, , ' '
b
a
t
t
C
f x y ds  f x t y t x t    y t  dt    
EXEMPLO Calcule a integral onde C é a parte da circunferência unitária   2 2 x  y 1 x  0 ,
percorrida no sentido anti-horário.
Solução
A curva C pode ser representada pelas equações paramétricas:
Assim,
Portanto,
    2 2 2 2 2 2
2 2 2
3
2 2
2 2
2 2 cos 2 cos
cos
2 0 0 2 .
3
C
x y ds t sent dt dt t sent
t
t
  
  
 
    
  
 
    
      
   
O Cálculo de integrais de funções, sobre curvas no espaço, é feito de modo totalmente análogo às curvas
planas, lembrando que as curvas no espaço são mais facilmente descritas por equações paramétricas.
EXEMPLO Calcule onde C é a hélice circular dada através das equações paramétricas por:
do ponto até o ponto
Solução
A função   2 2 f x, y, z  x  y  z , restrita à curva C, é dada por:
         2 2 F t  f x t , y t , z t  cos t  sen t t , ou seja,
Por outro lado, temos que:
  2 2 ,
C
  x y ds
 
 
cos
;
sen 2 2
x t t
t
y t t
   
   
 
     2 f x t , y t  2  cos t sen t
        2 2 2 2
ds  x' t    y ' t  dt  sent  cost dt 1dt.
  2 2 ,
C
 x  y  z ds
 
 
 
cos
sen
x t t
y t t
z t t
 

 

 
P1,0,0 Q1,0,2 .
F t  1t.

5
     
   
2 2 2
2 2 2 2
' ' '
cos 1 cos 1 2
ds x t y t z t dt
sent t sen t t
         
       
Ainda, observe que do ponto P ao ponto Q, t varia de 0 a
Portanto,
     
 
 
2 2
2 2
0 0
2 2 2
0
1 2 2 1
2
2 2 2
2 2
2 2 1 .
C
t
t
x y z ds t dt t dt
t
t
 



 


      
   
        
   
 
  
A integral de linha escalar pode ser utilizada para calcular a massa de um bastão de comprimento l, por
exemplo, desde que a função densidade linear (massa por unidade de comprimento) seja conhecida.
Para fazer isso, inicialmente dividimos o bastão em quantidades pequenas e consideramos m a quantidade
de massa contida no segmento de x até x + x de maneira que é a massa por unidade de comprimento no
segmento.
Se a massa está distribuída uniformemente então, é independente da escolha do segmento e é
denominada de densidade do corpo (ou mais corretamente, densidade de massa linear) e indicada por , ou seja,
é constante em todo o comprimento do bastão. A massa total do bastão é então M =  l.
Se a massa do bastão não estiver distribuída uniformemente, então é a densidade média no segmento de
x até x + x, e seu valor depende da posição do segmento e de seu comprimento.
Definimos então,
como sendo a densidade em qualquer ponto x do bastão, onde a quantidade diferencial dm =  (x) dx é a massa de
uma porção dx do comprimento do bastão em x.
A massa total do corpo é então, a soma das pequenas porções de massa do bastão, ou seja,
.
2 .
m
x


m
x


m
x




m
x


 
0
lim
x
m dm
x
x dx

 

 

0
M  dm   (x) dx
1

6
Esta integral é interpretada como sendo a área abaixo da curva  (x) com x variando de 0 até l. Uma
interpretação alternativa é obtida, considerando a função densidade  (x) como uma propriedade associada com
os pontos x de uma reta (o eixo x).
Consideremos agora, um bastão curvado AB (por exemplo) de um material qualquer (ver ilustração abaixo).
Nosso objetivo é, uma vez mais, calcular a massa total desse bastão, utilizando uma integral de linha. Para
isso, consideremos f  x, y como sendo a densidade de massa do bastão (dada em unidades de massa por unidade
de comprimento) e ds uma quantidade infinitesimal (muito pequena) do bastão. Então,
dm  f  x, yds
é a quantidade de massa dessa porção - onde representa a densidade linear em cada ponto P da curva C
que representa o bastão no plano cartesiano.
Assim, a massa total do bastão é dada por:
.
EXEMPLO Calcule a massa total de um arame no formato de uma parábola 2 y  x ao longo de 1 x  4.
Considere a densidade de massa dada por  , 
y
x y
x
  em unidades de grama por centímetro.
f  x, y
 , 
C C
M  dm   f x y ds
C

7
Solução
A massa total é definida por:  ,  .
C
M   x y ds
Passo 1: Escreva a função  , 
y
x y
x
  restrita à curva C, que é dada pela parábola   2 y  g x  x .
   
2
, 0
y x
x y x x
x x
    
Passo 2: Encontre ds:
    2 2 2 ds  1 g ' x  dx  1 2x  1 4x dx
Passo 3: Substitua os itens encontrados, na integral  ,  :
C
M   x y ds
 
65
3
4 65
2 2 3/2 3/2
1 5
5
1 1
, 1 4 65 5 42,7
12 12
u
u
C
M x y ds x x dx u du u


          
    
Portanto, a massa total do arame é, aproximadamente, 42,7 g.
Agora, iremos discutir a integral de linha de um campo vetorial F  x, y ao longo de uma curva C, denotada
por
C
 F  d s
onde F x, y Mx, yi  Nx, y j e d s dxi dy j .
Antes, porém, é necessário observar que existe uma diferença importante entre uma integral de linha escalar
e uma integral de linha vetorial: para determinar uma integral de linha vetorial, devemos primeiramente escolher
um sentido de percurso ao longo da curva C. Isso é necessário porque as grandezas físicas, obtidas por este
procedimento, ficam afetadas de um sinal algébrico.

8
Observe que, podemos percorrer uma curva C em um de dois
sentidos. Ou seja, em cada curva existem duas orientações possíveis
correspondendo aos dois sentidos de percurso. Quando escolhemos
um desses sentidos de percurso, dizemos que a curva C está
orientada e este é considerado o sentido positivo de percurso ao
longo da curva. Escrevemos então, –C para denotar a curva C com a
orientação oposta.
Assim,
C C
F d s F d s

    
Vejamos então como calcular uma integral de linha vetorial dada por:
 ,   , 
C C
 F d s   M x y dx  N x y dy
onde C é definida como o gráfico de uma função y  g x de x = a até x = b.
Nesse caso, primeiramente devemos escrever o integrando em função de x. Para isso, substituímos y por g(x)
e dy por g ' xdx na integral  ,   , 
C C
 F d s   M x y dx  N x y dy , obtendo assim:
 ,   ,   ,    ,   ' 
b
a
C C
 F d s   M x y dx  N x y dy   M x g x dx  N x g x g x dx
Agora, é só calcular a integral definida obtida, utilizando um método de integração adequado.
EXEMPLO 1
(a) Ache o valor da integral de linha vetorial sobre o caminho C (ver figura) para
M x, y  y e N x, y  xy quando o caminho C vai de A até B.
(b) Ache o valor da integral sobre o caminho C (ver figura) para M x, y  y e
N x, y  xy , quando o caminho C vai de B até A.
Solução
(a) Considerando (equação da reta que vai de A até B) a função que define o caminho C, com 1  x  0,
temos que e, portanto,
y 1 x
dy  dx

9
        
 
0
1
0 0 1
2 2 2
1 1 0
, , 1 1
2
1 1 1 .
3
C C
F d s M x y dx N x y dy x dx x x dx
x x x dx x dx x dx
            
            
   
  
  
(b) Considerando (equação da reta) com temos que e, portanto,
        
1
0
1 1
2 2
0 0
, , 1 1
2
1 1 .
3
C C
F d s M x y dx N x y dy x dx x x dx
x x x dx x dx
            
           
   
  
 
Observe que no exemplo 1, invertendo a orientação da curva C, o sinal da integral de linha mudou. Se C for
uma curva lisa orientada, denotamos por –C a curva orientada que consiste dos mesmos pontos de C, mas com
orientação contrária.
De uma maneira geral, o valor de uma integral de linha depende do caminho de integração, como mostra o
próximo exemplo.
EXEMPLO 2 Ache o valor da integral de linha vetorial sobre o caminho C (ver figura) para M x, y  y e
Nx, y  xy de A até B.
Solução
A equação do arco circular é dada por: 2 y   1 x com x variando de 1 até 0.
2
0
2 2
1
1
( , ) ( , )
1
1 .
4 3
y
C C C
x x
dy dx dy dx
x y
F d s M x y dx N x y dy y dx xy dy
x x dx

     

       
      
 
  

Note que, apesar das funções M(x,y) e N(x,y) serem as mesmas do exemplo 1, o resultado obtido para a
integral de linha foi diferente. Isto se deve ao fato de, neste caso, o caminho de integração é diferente do caminho
utilizado no exemplo 1.
EXEMPLO 3 Calcule a integral do exemplo 2, agora utilizando equações paramétricas para a curva C.
Solução
y 1 x 0  x 1, dy  dx

10
As equações paramétricas para a curva C são dadas por:
 
 
cos sen
, 0
sen 2 cos
x t t dx t dt
t
y t t dy t dt
     
    
   
Portanto,
       2
0
2 2 2 2 2 2 2
0 0 0
3 2 2
0 0
( , ) ( , )
sen sen cos sen cos
sen cos sen sen cos sen
1 1 cos 1
sen 2 .
2 4 3 4 3
C C C
F d s M x y dx N x y dy y dx xy dy
t t dt t t t dt
t t t dt t dt t t dt
t
t t

  
 

      
      
      
 
   
        
   
  

  
OBS:
Observe que o resultado obtido no exemplo 3 foi o mesmo do exemplo 2, o que já era esperado, pois
tomamos a mesma curva e apenas mudamos o modo de representá-la matematicamente. Portanto, lembre-se
que:
 O valor da integral de uma função ou uma forma diferenciável, sobre uma curva C, será sempre o
mesmo, independentemente da expressão matemática que utilizamos para representá-la (forma cartesiana
ou paramétrica).
 O valor da integral de uma função ou uma forma diferenciável, sobre uma curva C, poderá ser
diferente sobre caminhos (curvas) diferentes.
Se uma curva C é formada pela união disjunta de n curvas C1, ... , Cn, ou seja,
1 2 ... n C C C  C
então, a integral de linha ao longo de C é igual a uma soma de integrais de linha dada por:
1 2
...
C C C Cn
 F d s   F d s   F d s    F d s
EXEMPLO 4 Calcule a integral de linha
C
 F  d s , onde   4 F x, y  x i  xy j e C é o triângulo ligando os
pontos (0,0), (1,0) e (0,1) orientado no sentido anti-horário.
Solução

11
Observe que:
1 2 3 C C C C
e, portanto,
C C1 C2 C3
 F  d s   F  d s   F  d s   F  d s
1
0 ( constante) 0
varia, 0 1
y y dy
C
x x
   
  
2
1
variando de 1 até 0
y x dy dx
C
x
     
3
0 ( constante) 0
variando de 1 até 0
x x dx
C
y
   
Temos então que:
  
1 2 3
1 4 2
0
4 4 4 4
1 0 1 0
4 4 4 4 2
0 1 0 1
1
C C C C C
x x x dx
F d s x dx xy dy x dx xy dy x dx xy dy x dx xy dy
x dx x dx x x dx x dx x x x dx
    
 
         
           
 

    
   
1
1 1 1 5 2 3
4 4 2 4 2
0 0 0
0
2
2
5 2 3
2 1 1 17
.
5 2 3 30
x x x
x dx x x x dx x x x dx
 
                    
 
   
  
Existem alguns tipos de integrais de linha, ao longo de uma curva C (caminho de integração), cujo valor
depende apenas dos pontos extremos da curva e não da própria curva. Neste caso, dizemos que a integral de linha
independe do caminho de integração C.
Dizemos que o valor de uma integral de linha
 ,   , 
C
I  M x y dx  N x y dy
é independente do caminho, entre dois pontos fixos, se a quantidade
M x, ydx  Nx, ydy
for uma diferencial exata, ou seja, se existir uma função z = f (x,y) tal que
 ,   ,  .
y x
z z
M x y dx N x y dy dz dx dy
x y
     
       
     
Lembre-se que a condição para uma diferencial em duas variáveis ser exata é que as funções M e N
satisfaçam a seguinte igualdade:
ou
x y
M N z z
y x y x x y
             
         
             
(Relação de reciproci dade de Euler)

12
EXEMPLO 5
(a) Verifique se a diferencial é exata.
(b) Ache o valor da integral de linha onde C é o segmento de reta que vai de (0,0) a (2,2).
(c) Calcule o valor da integral de linha onde C é o caminho dado pela curva que vai de (0,0) a (2,2).
Solução
(a) Considerando  ,  e  ,  xy xy M x y  ye N x y  xe , para verificar se a diferencial dz é exata, basta verificar se
x y
M N
y x
     
    
     
Calculando as derivadas parciais obtemos:
e, portanto, a diferencial dz é exata.
(b)
(c)
xy xy dz  ye dx  xe dy
C
 dz
C
 dz
2
2
x
y 
 
 
1 1
1 1
xy xy xy
x
xy xy xy x y
y
F
e ye x e xy
y F G
G y x
e xe y e xy
x
   
      
         
      
                   
2 2
2
2
0
2 4
4
0 0
2
2 1.
2
xy xy x x
C C
x u
dz ye dx xe dy xe dx xe dx
xe dx e du e
    
   
  
 
3 3
3
2 2
2 2 2
0
2 4
2 2 4
0 0
2
3 3 2
1.
2 2 3
x x
xy xy
C C
x
u
x
dz ye dx xe dy e dx x e dx
x e dx e du e
    
    
  
 
 du=2xdx

13
OBS:
Observe que no exemplo 3, como a diferencial é exata o valor da integral independe do caminho que vai do
ponto (0,0) ao ponto (2,2). Assim, quando for calcular uma integral de linha , verifique primeiramente
se a diferencial é exata. Se a diferencial for exata, você poderá escolher qualquer “curva” para representar
o caminho C. Nesse caso, a escolha mais adequada, para o caminho C, seria uma reta.
EXERCÍCIOS 6.7
1. Calcule a integral de linha se:
a) C consiste do segmento de reta que vai de (2,1) a (4,1) mais o segmento de reta que vai de (4,1) a (4,5);
b) C é o segmento de reta de (2,1) a (4,5);
c) As equações paramétricas de C são:
2. Calcule a integral de linha ao longo do caminho C.
a) onde C é o gráfico de de a
b) onde C é o gráfico de de (0,0) a (2,8).
c) onde C é o gráfico de de a (4,2).
3. Verifique se as diferenciais dadas são exatas.
a)
b)
4. Calcule a integral de linha de x = 0 até x = 2 sobre a reta y = 2x e, em seguida, avalie a
mesma integral de linha ao longo da curva y = x2.
5. Calcule a integral de
ao longo da reta de x = 0 até x = 1.
6. Mostre que:
para é uma diferencial exata. Escolhendo um caminho
apropriado, calcule a integral de (0,0) a (1,2).
C
dz
2
C
xy dx  x dy
  
2 5
3 1 ; 3 2 , 1 .
3
x  t  y  t  t  t 
2 6
C
 x y dx  xy dy
   3 y  x 1 1,0 1,2.
 
C
  y dx  x  y dy 2 y  x  2x
 
C
  x  y dx  x dy 2 y  x 4,2
dz  4x  3ydx  3x 8ydy
dz  ycos x dx senx dy
 2 
C
 xy dx  y dy
  2 2 f x, y  x  y y  2x
dz  Fx, y dx Gx, y dy,
    2 2 2 2 F x, y  9x  4y  4xy e G x, y 8xy  2x 3y ,
 
C
 F dx G dy

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