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Primitivas Fórmulas de Integração Propriedades da Integração Integração por Substituição Integração por Partes Integração por Decomposição de Frações Parciais Integração de Certas Funções Trigonométricas Integração por Substituição trigonométrica Integração de Trinômios Quadrados Cálculo Aplicado II Integral Definida 2 INTEGRAL DEFINIDA 2.1 O problema da Área Na figura 15 a seguir temos uma parábola com retângulos circunscritos. O intervalo 0,1 foi dividido em n subintervalos iguais: 3 11 1 2 20, , , , , , , ,n n n n n n n n n . Em cada intervalo foi construído um retângulo, assim todos os retângulos possuem a mesma base, porem alturas diferenciadas. Observe que o k-ésimo subintervalo é 1 ,k k n n . A altura do k-ésimo subintervalo é 2 k n e sua área é 2 1 k n n . Uma estimativa da área A pode ser obtida pela adição das áreas dos n retângulos circunscritos, isto é 2 1 1 n k k A n n 2 2 2 3 3 3 2 1 1 1 1 2 1 1 2 11 1 1 1 6 6 n n n k k k n n n n nk k k n n n n n n Assim 2 2 1 2 1 1 1 1 3 26 6 n n A nn n Como os retângulos utilizados na aproximação são circunscritos temos que 2 1 1 1 3 2 6 A n n Figura 3 - Retangulos circunscritos na parábola Cálculo Aplicado II Na figura 16 temos a mesma parábola, porem com retângulos inscritos. O intervalo 0,1 foi novamente dividido em n subintervalos iguais. A altura do k-ésimo retângulo inscrito é 2 1k n e sua área é 2 11 k n n . Figura 4 - Retangulos inscritos na parábola Uma estimativa da área A é obtida pela soma das áreas dos n retângulos inscritos. 2 1 1 1 n k k A n n Agora 2 3 2 2 3 11 1 1 1 1 1 1 1 2 1 n n n k k k k k k k n n n n 3 1 2 1 2 11 6 2 n n n n n n n 2 2 2 2 3 1 1 1 1 3 26 6 n n nn n Como os retângulos são inscritos, 2 1 1 1 3 2 6 A n n Das análises anteriores, para todo inteiro positivo n 2 2 2 2 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 3 26 6 n n k k k k A n n n n n nn n Integral Definida À medida que n aumenta, ambos 2 1 1 1 3 2 6n n e 2 1 1 1 3 2 6n n se aproximam de 1 3 como limite. Como o número A é uma constante (área sob a parábola no intervalo 0,1 ) e 2 2 1 1 1 1 1 1 ; 3 2 3 26 6 n nn n A podemos afirmar que 1 3A . Assim, podemos afirmar que 2 1 1 lim n n k k A n n Tomemos uma função qualquer no intervalo ,a b . Dividindo este intervalos em n intervalos e denotando 0x a e nx b , temos Figura 5 - Retangulos inscritos numa função qualquer Chamemos de 1k k kx x x o comprimento do k-ésimo retângulo e sua altura por kf x (valor mínimo de f no intervalo 1,k kx x . Assim a área do k-ésimo retângulo será k k kA x f x e a área total no intervalo ,a b será 1 lim n k k n k A x f x Não é necessário que todos os intervalos sejam do mesmo comprimento, sendo assim não é suficiente que n , devemos exigir que o comprimento do maior dos incrementos kx tenda a zero, portanto max 0 1 lim k n k k x k A x f x Onde max kx é o comprimento do maior intervalo. Cálculo Aplicado II O limite da equação anterior é simbolizado pela notação de Leibniz max 0 1 lim k b n k k x ka f x dx x f x 2.2 Teorema Fundamental do Calculo Newton-Leibniz ao invés de tratar o problema de uma área fixa eles abordaram o problema de uma área variável. Figura 6 - A idéia de Newton-Leibniz Através desta abordagem chegamos a Teorema Fundamental do Cálculo. Se f x é continua sobre um intervalo fechado ,a b e se F x é qualquer antiderivada de f x , isto é dF x dx f x , ou, de maneira equivalente, f x d F x Então b a f x dx F b F a A integral definida também pode ser representada na for b b a a f x dx F x 2.3 Propriedades da Integral Definida P1. b b a a kf x dx k f x dx P2. b b b a a a Af x Bg x dx A f x dx B g x dx P3. b a a b f x dx f x dx P4. b c a a a c f x dx f x dx f x dx para a c b P5. Se f x g x são continuas em todo o intervalo ,a b então b b a a f x dx g x dx Integral Definida P6. Se m e M são os valores mínimo e máximo, respectivamente, de f x no intervalo ,a b , então ( ) b a m b a f x dx M b a P7. Se f x é continua no intervalo ,a b , então o valor médio de f em ,a b é dado por 1 b a f x dx b a 2.4 Aplicações da Integral Definida 2.4.1 Área entre Curvas Considere a região S (Figura 19) que se encontra entre duas curvas y f x e y g x e entre as retas x a e x b , onde f e g são funções continuas e f x g x para todo x em ,a b . Figura 7 - Região S entre duas curvas Dividindo a região em n retângulos com bases iguais a x e alturas f x g x podemos aproximar a área da região como 1 n i i i i f x g x x Figura 8 - Retangulos circunscristo para aproximação da área da região S Logo podemos obter a área da região entre duas curvas como b a A f x g x dx Cálculo Aplicado II Exemplo 29 - Determine a área entre as curvas 23y x e 1y x Solução: A figura a seguir ilustra o esboço das curvas Figura 9 - Área entre as curvas 23y x e 1y x Os pontos de intercessão entre as curvas é obtido igualando-se as duas equações 2 2 2 2 1 2 1 3 2 0 4 1 4 1 2 3 1 3 2 2 1 x x x x b ac x x e x A curva limitante superior é 2( ) 3f x x e a curva limitante inferior é 1g x x , logo a área será dada por 11 3 2 2 22 3 1 2 3 2 b a x x A f x g x dx x x dx x 3 23 2 2 21 1 9 2 1 2 2 3 2 3 2 2 A 4,5A Algumas regiões são mais bem tratadas considerando x como uma função de y . Se uma curva é definida por curvas com equações x f y , x g x , y c e y d , em que f e g são continuas e f y g y para c y d , então sua área é d c A f y g y dy Integral Definida Figura 10 - Área entre curvas com x como função de y 2.4.2 Valor Médio de uma função Seja f x continua em um intervalo ,a b . Dividindo o intervalo em n intervalos iguais, com comprimento x b a n e definindo pontos * * *1 2, , , nx x x pode-se calcular a média dos números * * *1 2, , , nf x f x f x : * * * * * * 1 2 1 2 * * * 1 2 * 1 1 1 n n n n i i f x f x f x f x f x f x b an x f x x f x x f x x b a f x x b a Fazendo n implica que 0x , assim * 1 1 1 lim bn med i n i a f f x x f x dx b a b a A interpretação geométrica: A área sob a curva no intervalo ,a b é igual a área do retângulo de lados b a e *f x Cálculo Aplicado II Exemplo 30 - Encontre o valor médio da função 21f x x no intervalo 1,2 . Esboce o gráfico da função e o retângulo de mesma área da região do gráfico.Solução: 2 3 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 3 3 b med a x f f x dx x dx x b a 2.4.3 Cálculo de Volumes: Método do Disco No cálculo de volumes de sólidos consideremos um pano xP que intercepta o sólido formando uma secção transversal perpendicular ao eixo X passando x , onde a x b . Seja A x a área desta secção transversal. A área A x irá variar enquanto x percorre o intervalo ,a b . Figura 11 - Secção Transversal de um sólido Dividindo o sólido em n fatias, de largura x , podemos obter o volume da fatia por A x x . O volume do sólido será o somatório dos volumes de todas as n fatias. Integral Definida Figura 12 - Camada transversal de um sólido utilizada no cálculo do volume b a V A x dx Exemplo 31 - Use o método dos discos circulares para determinar o volume V do solido S gerado pela revolução da região R sob o gráfico da função 3( )f x x , no intervalo 1,2 , em torno do eixo x . Esboce o gráfico de f e o sólido. Solução: 2 2 22 3 1 1 2 72 6 1 1 7 128 1 127 7 7 7 V f x dx x dx x x dx Exemplo 32 - Calcule o volume do sólido S gerado pela revolução da região R , pelo eixo y , pela reta 4y e pela função 2y x , para 0x , em torno do eixo y . Use o método dos discos circulares e esboce a função e o sólido. Cálculo Aplicado II Solução: Resolvendo 2y x para x em termos de y , temos x y . Assim 4 24 4 0 0 0 2 8 2 y V y dy y dy 2.4.4 Cálculo de Volume: Método da Casca Considere a região da figura 25(a). Se esta região é girada em torno do eixo X, então a faixa vertical gera um disco e o volume do solido gerado pela rotação pode ser obtido pelo método anterior (Método do Disco). Contudo, se a região for girada em torno do eixo Y, como na figura 25b, obtemos um sólido de revolução totalmente diferente e a faixa vertical gera uma casca cilíndrica de espessura fina cujo volume dV será dado pela área da superfície interna 2 xy vezes a espessura da parede x . 2dV xy dx (a) (b) Figura 13 - Método da Casca Como o raio da casca cresce desde a origem até a extremidade do sólido, podemos observar pela figura 25 que a série resultante de cascas concêntricas preenche o sólido de revolução. O volume do sólido de revolução é obtido por Integral Definida 2 b a V xf x dx Exemplo 33 - Seja R a região plana limitada pelas funções 3 2y x , 1y , 1x e 3x . E seja S o sólido gerado pela rotação de R em torno do eixo y . Use o método das cascas cilíndricas para determinar o volume V de S . Solução: 3 33 5 2 2 1 1 3 2 227 7 7 2 2 2 1 2 2 1 2 3 12 2 2 2 2 3 1 7 2 7 2 7 2 54 3 30 2 57,0251 7 b a V xf x dx x x dx x x dx x V x V 2.4.5 Comprimento de Arco Seja uma função constante em um intervalo ,a b . Dividindo o intervalo em n partes, através dos pontos 0 1 2 1 1, , , , , , ,i i n nP P P P P P e P (com abscissas 0 1 2 1 1, , , , ,i i n nx a x x , x x , x e x b ) e a seguir, unindo estes ponto por retas, obtemos uma poligonal cujo comprimento é próximo ao comprimento do arco no intervalo ,a b (Figura 26). Cálculo Aplicado II Figura 14 - Comprimento de Arco Seja iP o ponto ,i ix y onde i iy f x . O comprimento total da poligonal 0 1 1 2 1i i nP P P P P P P é a soma dos comprimentos das cordas que ligam cada ponto ao próximo. Assim, se 1 1, 1,2, ,i i i i i ix x x e y y y i n Por Pitágoras temos 2 2 i iComprimento da i ésima corda x y 2 1 i i i y x x Supondo que y f x não seja apenas continua, mas também derivável, podemos substituir a razão, que está dentro do radical e que é o coeficiente angular da corda que une 1iP e iP , pelo valor da derivada em algum ponto *ix entre 1ix e ix : * *1' ,i i i i i i y f x x x x x Reescrevendo, o 2 *1 ' i icomprimento da i ésima corda f x x , Assim, o comprimento total da poligonal é 2 * 1 1 ' n i i i f x x Aplicando limite, com n obtemos o comprimento da arco 2 * max 0 1 2 lim 1 ' 1 n i i x i b a L f x x L f x dx Integral Definida Exemplo 34 - Calcule o comprimento do arco da função f definida por 2 3f x x entre os pontos 8,3 e 27,8 . Solução: 1 3 2 ' 3 f x x Assim 2 3 2 327 27 27 272 2 3 2 3 1 38 8 8 8 4 9 4 9 4 1 ' 1 9 9 3 x x L f x dx x dx dx dx x x Fazendo 2 39 4u x , 1 36du x dx , 40u quando 8x e 85u quando 27x , temos 85 2 3 3 2 3 2 3 227 85 1 38 40 40 9 4 85 40 19,6548 18 27 273 x u u L dx dx x 2.4.6 Área de uma Superfície de Revolução Consideremos uma curva que está acima do eixo x , como na Figura 27. Quando esta curva é girada ao redor do eixo x , ela gera uma superfície de revolução. Figura 15 - Superfície de revolução O objetivo é determinar a área da superfície gerada pela rotação desta curva. Seja um cone de raio r e geratriz l (Figura 28). Se cortarmos o cone do vértice até a base, ao longo da geratriz, obtemos um setor circular de raio l , cujo arco possui um comprimento 2 r a área A lateral do cone é igual à área desse setor. Cálculo Aplicado II Figura 16 - Área lateral do cone É geometricamente claro que a razão da área do setor pela área total do circulo é igual à razão do comprimento do arco pelo comprimento total da circunferência, isto é, 2 2 , logo 2 A r A rl ll No caso de um tronco de cone com geratriz l e raios superior e inferior 1r e 2r , respectivamente, a área de sua superfície é obtida pela diferença entre as áreas dos dois cones (Figura 29). 2 1 2 1 2 1 1 2A r l l r l r r l r l Por semelhança de triângulos temos 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 l l l r l r l r l r r l r l r r Substituindo na expressão da área temos 1 21 2 2 2 r r A r l r l l ou 2A rl Onde 1 2 2 r r r é o raio médio do tronco de cone. Figura 17 - Área da superfície de um tronco de cone Integral Definida Considere agora o problema da determinação da área A da superfície gerada pela rotação de uma função y f x qualquer entre as retas x a e x b (Figura 30). Seja ds o comprimento de arco infinitesimal da porção do gráfico de f acima do intervalo de comprimento infinitesimal dx como mostrado na figura 30 a, e seja x a coordenada do centro deste intervalo. Quando o comprimento de arco infinitesimal ds é girado em torno do eixo x , gera um tronco de cone infinitesimal de geratriz ds cuja seção média tem raio f x (Figura 30 b). A área da superfície deste tronco de cone infinitesimal é 2dA f x ds . Suponha que a função f tem uma derivada de primeira ordem continua, de modo que 2 1 'ds f x dx ; logo, 2 2 1 'dA f x f x dx . A área da superfície A pode agora ser obtida pela integração de dA : 2 2 1 ' b a A f x f x dx Figura 18 - Superficie gerada pela rotação de ( )f x em torno do eixo x Se a superfície for gerada pela rotação da função em torno do eixo y entre as retas y c e y d a área A é obtida por 2 2 1 ' d c A g y g y dy Exemplo 35 - Calcule a área da superfície obtida pela revolução da curva y x entre 1x e 4x em torno do eixo x . Esboce a curva e a superfície. Solução: A curva, parte de uma parábola, e o paraboloide de revolução são mostrados na figura. 1 ' 2 f x x Cálculo Aplicado II Assim 2 42 1 4 4 1 1 1 2 1 ' 2 1 2 1 1 2 1 2 4 4 b a A f x f x dx x dx x x dx x dx x Fazendo 1 4 u x , du dx temos 17 174 434 2 51 54 4 3 3 2 2 1 2 2 2 2 4 3 4 17 5 30,8465 3 4 4 A x dx u du u Exemplo 36 - Calcule a área da superfície obtida pela revolução da curva x y , entre 0y e 4y , em torno do eixo y . Esboce a curva e a superfície. Solução: A curva, parte de uma parábola, e o paraboloide de revolução são mostrados na figura. 1 ' 2 g x y Assim Integral Definida 2 42 0 4 4 0 0 4 3 3 3 2 2 2 0 1 2 1 ' 2 1 2 1 1 2 1 2 4 4 2 1 4 17 1 2 3 4 3 4 4 36,1769 d c A g y g y dx y dx y y dx y dx y y 2.5 Exercícios Calcule as integrais a seguir 1. 1 4 0 x dx 2. 1 0 xe dx 3. 2 0 sen x dx 4. 1 2 0 1 dx x 5. 2 20 1 dx x 6. 3 0 tg x dx 7. 1 e dx x 8. 0 sen x x dx 9. 3 2 x a x dx 10. 2 1 2 1 dx x 11. 22 0 cos x dx 12. 22 0 sen x dx 13. 1 2 0 2 3x x dx 14. 1 2 0 5 x x dx 15. 1 1 1x dx 16. 1000 1 dx x 17. 1 0 1x dx x 18. 2 2 2 3 1 2 t dx t 19. 5 2 2 9 5x x dx 20. 3 2 2 1 1x x x dx 21. 3 1 4 1 dx x 22. 2 4 2 1 lnx x dx 23. 1 2 0 y y dy e 24. 9 4 ln y dy y 25. 2 2 3 1 ln x dx x 26. 1 3 2 0 4 x dx x 27. 3 3 1 lnx x dx 28. 1 2 0 2 2 3 1 dx x x 29. 1 2 0 4 5 6 x dx x x 30. 4 3 2 3 2 3 2 4 2 x x dx x x 31. 1 3 4 2 0 2 4 3 x x dx x x 32. 1 3 2 0 4 10 6 x x dx x x Apêndice A Calcular as integrais a seguir utilizando a substituição indicada 33. 22 0 sen cos , cosx x dx x t 34. 0 , tg 3 2cos dx x t x 35. 4 1 , 2 4 2 4 x dx x t x 36. 1 2 21 , tg 1 dx x t x 37. 5 2 1 1 , 1 x dx x t x 38. 2 2 0 cos , sen 6 5sen sen x dx x t x x Esboce a região delimitada pelas curvas dadas e encontre a área da região 39. 3,y x y x 40. , 2y x y x 41. 1, 3 1 0y x x y 42. 4 2 2, 1y x x y x 43. 2 2, 2 5, 0, 6y x y x x x 44. 2 2, 0x y x y 45. 2 3, , 1, 1y x y x x x 46. 4 , 1, 2, 0y x y x x x 47. 2 , 5, 1, 2y x y x y y 48. 2 20, 1, 0, 3x y x y y y 49. 2 4 , 2y x x y x 50. 2 2 0, 2 0x x y x y 51. 24 , 2, 3, 0y x y x x x 52. 2 2 2, 4, 3, 2y x x y x x x 53. 3 2 24 3 ,y x x x y x x 54. , sen , 4, 2y x y x x x 55. sen , cos2 , 0, 4y x y x x x 56. 2 , 1 7, 4y x y x x 57. 21 , 3, 0y x y x x 58. 3 , 0, 7 3 24x y x y x y 59. 2 31 ,y x x y x x 60. 21 , 1 , 1, 2y x y x x x 61. 2 2, 2 1y x y x 62. 2 , 5 , 1, 1x xy y x x 63. 3, , 1x xy e y e x 64. , , 2, 1x xy e y e x x Encontre o valor médio da função no intervalo dado 65. ( ) 1 2 , 0,3f x x 66. 2( ) 2 5, 2,2f x x x 67. 3( ) , 1,3f x x x 68. 2( ) 2 , 0,3f x x x 69. ( ) sen , 0,f x x 70. 4( ) , 1,1f x x 71. 2( ) sen cos , 2, 4f x x x 72. ( ) , 1,4f x x Encontre o valor médio de f no intervalo dado. Encontre c tal que ( )medf f c . Esboce o gráfico de f e um retângulo cuja área é a mesma que a área sob o gráfico de f 73. 2( ) 4 , 0,2f x x 74. ( ) , 0,2xf x e 75. 2 , 0,3f x x 76. 3, 1,2f x x 77. 24 , 0,3f x x x Integral Definida Encontre o volume do sólido obtido pela rotação da região delimitada pelas curvas dadas em torno das retas especificadas. Esboce a região, o sólido e um disco ou arruela típicos. 78. 2 3, 4, 0; em torno do eixo xy x x y 79. 1, 0, 0; em torno do eixo xx y x y 80. 2 , 4, 0, 2; em torno do eixo yy x y x x 81. 2 21, 3 ; em torno do eixo xy x y x 82. 22 , 0, 0, 1; em torno do eixo yy x x y x x Encontre o volume do sólido obtido pela rotação da região delimitada pelas curvas dadas em torno do eixo x 83. 2 1, 0, 0, 2y x y x x 84. 1 , 0, 1, 3y x y x x 85. , 0, 0, 1xy e y x x 86. 1 1, 0, 0, 1y x y x x 87. sec , 1, 1, 1y x y x x 88. cos , sen , 0, 4y x y x x x 89. 2 , 0, 3, 0y x y x x Use o método das cascas cilíndricas para achar o volume gerado pela rotação da região delimitada pelas curvas dadas em torno do eixo y 90. 2 26 10, 6 6y x x y x x 91. 2 , 2y x x y 92. 2 , 4, 0y x y x 93. 2 3, 0y x x y 94. 24 , 0, 0, 4y x y x x 95. 2 4 3, 0y x x y 96. 2, 2y x y x Use o método das cascas cilíndricas para encontrar o volume do sólido obtido pela rotação da região delimitada pelas curvas em torno do eixo x 97. 4 , 0, 16x y x y 98. 2 , 0, 2, 5x y x y y 99. , 0, 2y x x x y 100. 2 , 9y x y 101. 2 6 0, 0y y x x 102. , 0, 2y x y x y A região delimitada pelas curvas dadas é girada em torno do eixo especificado. Ache o volume do sólido resultante por qualquer método 103. 2 2, 0; em torno do eixo xy x x y 104. 2 3 2, 0; em torno do eixo yy x x y Encontre o comprimento do arco da curva do ponto A até o ponto B . 105. 2 31 ; 1,0 , 8, 3y x A B 106. 329 3 ; 0,0 , 2,1y x x A B 107. 32 1 ; 1,0 , 2,1y x A B 108. 4 7 6712 2412 4 3; ,1 , ,2xy y A B Determine o comprimento da curva 109. 3 2 21 2 ; 0 1 3 y x x 110. 4 2 1 ; 1 3 4 8 x y x x 111. ln sen ; 6 3y x x 112. 2ln 1 ; 0 1 2y x x 113. ln cos ; 0 4y x x Calcule a área da superfície obtida pela rotação da curva em torno do eixo x 114. 2 4; 0 2y x x 115. 3 1 ; 1 2 12 y x x x 116. 4 2 1 ; 1 3 2 16 y x y y 117. 2 4 4; 0 8y x x 118. 2 ln ; 1 4 4 2 x x y x 119. sen ; 0y x x 120. 2 32 3 ; 1 8y x x A curva dad é gerada em torno do eixo y . Calcule a área da superfície resultante. 121. 21 ; 0 1y x x 122. 2 1 2 ; 0yx e y 123. 22 ; 0 1x y y y 124. 2 1 ln ; 1 2 2 2 x y y y
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