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Objetivos da Aula � Apresentar a técnica de integração por substituição; � Apresentar a técnica de integração por partes; � Utilizar técnicas apresentadas no cálculo integral. 1 Integração por Substituição Existem funções cujas primitivas não são difíceis de determinar, apesar da aparência. Por exemplo, considere a função f(x) = 2x √ 1 + x2. Como determinar uma primitiva F para f? Ou seja, queremos determinar ∫ 2x √ 1 + x2 dx. Entendendo dx como um diferencial, podemos fazer a seguinte substituição u = 1 + x2. Ao fazermos essa mudança, precisamos substituir o diferencial dx pelo diferencial du. Sendo assim, pelo que já aprendemos, o diferencial du é dado por du = u′(x)dx. Logo, du = 2x dx. Agora, fazemos a substituição na integral inde�nida∫ 2x √ 1 + x2 dx = ∫ √ 1 + x2︸ ︷︷ ︸ u 2x dx︸ ︷︷ ︸ du = ∫ √ u du = u 3 2 3 2 + C = 2 3 u 3 2 + C = 2 3 √ (1 + x2)3 + C. Esse resultado pode ser veri�cado por derivação. Basta fazer d dx [ 2 3 √ (1 + x2)3 + C ] = �2 �3 �3 �2 (1 + x2) 3 2 −1 d dx (1 + x2) + d dx (C) = (1 + x2) 1 2 .2x+ 0 = 2x √ 1 + x2. Esse modo de calcular primitivas pode ser generalizado pela seguinte proposição: Proposição 1. Sejam f e g funções tais que Img ⊂ Df , com g derivável. Suponhamos que F é uma primitiva de f , isto é, F ′ = f . Então∫ f(g(x)) · g′(x) dx = F (g(x)) + C ou seja, F (g(x)) é uma primitiva para f(g(x)) · g′(x). 1 Universidade Federal do Pará Cálculo I - 2023-4 Aula nº 25: Método da Substituição e Integração por Partes Cálculo I Aula nº 25 Demonstração De fato, pois pela regra da cadeia, temos que d dx [F (g(x)) + C] = F ′(g(x)).g′(x) + 0 = f(g(x)).g′(x) � Agora, segue o resultado que de�ne a regra de substituição para as integrais inde�nidas. Teorema 1 (Regra da Substituição). Suponha que u = g(x) é uma função derivável cuja imagem é o intervalo I, f é contínua em I e F é uma primitiva de f , então∫ f(g(x)) · g′(x) dx = ∫ f(u) du. Demonstração Segue da proposição anterior que F (g(x)) +C é uma primitiva para f(g(x)).g′(x). Logo, como F ′ = f , temos que∫ f(g(x)) · g′(x) dx = F (g(x)) + C = F (u) + C = ∫ F ′(u) du = ∫ f(u) du. � Vejamos alguns exemplos da aplicação desse teorema Exemplo 1. Calcule ∫ (x− 1)10 dx. Solução: Fazendo a substituição u = x− 1, obtemos du = dx. Logo, ∫ (x− 1)10dx = ∫ u10du = u11 11 + C = (x− 1)11 11 + C. � Exemplo 2. Calcule ∫ 2x senx2 dx. Solução: Fazendo a mudança u = x2, obtemos du = 2x dx. Logo ∫ 2x senx2 dx = ∫ senx2 2x dx︸ ︷︷ ︸ du = ∫ senu du = −cos u+ C = − cos x2 + C. � Exemplo 3. Calcule ∫ x3 cos(x4 + 2) dx. Solução: Fazendo u = x4 + 2, obtemos du = 4x3 dx. 2 Cálculo I Aula nº 25 Logo, ∫ x3 cos(x4 + 2) dx = 4 4 ∫ x3 cos(x4 + 2) dx = 1 4 ∫ cos(x4 + 2) 4x3 dx︸ ︷︷ ︸ du = 1 4 ∫ cos u du = 1 4 senu+ C = 1 4 sen(x4 + 2) + C. � Exemplo 4. Sabendo que α 6= 0, determine: a) ∫ cos (αx) dx; b) ∫ sen(αx) dx; c) ∫ eαx dx. Solução: Fazendo u = αx, obtemos du = αdx. Logo: a) ∫ cos (αx) dx = α α ∫ cos (αx) dx = 1 α ∫ cos(αx) αdx︸︷︷︸ du = 1 α ∫ cos u du = 1 α senu+C = 1 α sen(αx)+C; b) ∫ sen(αx) dx = α α ∫ sen(αx) dx = 1 α ∫ sen(αx) αdx︸︷︷︸ du = 1 α ∫ senu du = − 1 α cos u+C = − 1 α cos (αx)+C; c) ∫ eαx dx = α α ∫ eαx dx = 1 α ∫ eαx αdx︸︷︷︸ du = 1 α ∫ eu du = 1 α eu + C = 1 α eαx + C. � Exemplo 5. Determine ∫ x 1 + x2 dx. Solução: Basta tomar u = 1 + x2 para obtermos du = 2x dx, e assim,∫ x 1 + x2 dx = 2 2 ∫ x 1 + x2 dx = 1 2 ∫ 1 1 + x2 2x dx︸ ︷︷ ︸ du = ∫ 1 u du = 1 2 ln |u|+ C = 1 2 ln(1 + x2) + C. � 3 Cálculo I Aula nº 25 Exemplo 6. Determine ∫ sen3 x cosx dx. Solução: Chamando u = senx, temos que du = cos x dx. Logo, ∫ sen3 x cos x dx︸ ︷︷ ︸ du = ∫ u3 du = u4 4 + C = sen4 x 4 + C. � Exemplo 7. Determine ∫ sen4 x cos3 x dx. Solução: Note que sen4 x cos3 x = sen4 x cos2 x cos x = sen4 x(1− sen2 x) cosx = sen4 x cosx− sen6x cosx. Logo,∫ sen4 x cos3 x dx = ∫ (sen4 x cosx− sen6 x cosx) dx = ∫ sen4 x cosx dx− ∫ sen6 x cosx dx. E fazendo a mudança u = senx, então du = cosx dx. E assim,∫ sen4 x cos3 x dx = ∫ u4 du− ∫ u6 du = u5 5 − u7 7 + C = sen5 x 5 − sen7 x 7 + C. � Exemplo 8. Determine ∫ 5 4 + x2 dx. Solução: Note que 5 4 + x2 = 5 4 ( 1 + x2 4 ) = 5 4 1 1 + (x 2 )2 . Logo, ∫ 5 4 + x2 = 5 4 ∫ 1 1 + (x 2 )2 dx. Agora, chamando u = x 2 , obtemos du = 1 2 dx. 4 Cálculo I Aula nº 25 Logo, ∫ 5 4 + x2 = 5 4 ∫ 1 1 + (x 2 )2 dx = 5 2 ∫ 1 1 + u2 du = 5 2 arctgu+ C = 5 2 arctg (x 2 ) + C. � Exemplo 9. Veri�que que ∫ tgx dx = − ln | cosx|+ C. Solução: Note que ∫ tgx dx = ∫ senx cosx dx. Desse modo, fazendo u = cosx, temos que du = − senx dx. Logo, ∫ tgx dx = ∫ −1 u du = − ln |u|+ C = − ln | cosx|+ C. � Exemplo 10. Veri�que que ∫ secx dx = ln | secx+ tgx|+ C. Solução: Note que sec x = sec x(sec x+ tgx) (sec x+ tgx) = sec x tgx+ sec2 x sec x+ tgx . Logo, ∫ secx dx = ∫ sec x tgx+ sec2 x sec x+ tgx dx. Fazendo a substituição u = sec x+ tgx, obtemos du = (sec x tgx+ sec2 x) dx. Dessa forma, ∫ secx dx = ∫ 1 u du = ln |u|+ C = ln | sec x+ tgx|+ C. � Exemplo 11. Determine ∫ x 1 + x4 dx. Solução: Note que não podemos tomar u = 1 + x4 pois, se assim �zermos, obteremos du = 4x3 dx. 5 Cálculo I Aula nº 25 Logo, como 4x2 não é constante, e temos que∫ x 1 + x4 dx 6= 1 4x2 ∫ 4x3 1 + x4 dx. Então precisamos mudar a substituição a ser feita. Nesse caso, podemos fazer u = x2 e obteremos du = 2x dx⇔ 1 2 du = x dx. Desse modo, ∫ x 1 + x4 dx = ∫ 1 1 + (x2)2 x dx︸︷︷︸ 1 2 du = ∫ 1 1 + u2 1 2 du = 1 2 ∫ 1 1 + u2 du = 1 2 arctgu+ C = 1 2 arctg (x2) + C. � Exemplo 12. Calcule ∫ x3 √ 1 + x2 dx. Solução: Fazendo a substituição u = 1 + x2, obtemos du = 2x dx⇔ 1 2 du = x dx. Note também que com essa substituição, temos que x2 = u− 1. Logo,∫ x3 √ 1 + x2 dx = ∫ x2.x √ 1 + x2 dx = ∫ x2 √ 1 + x2 x dx︸︷︷︸ 1 2 du = ∫ (u− 1) √ u 1 2 du = 1 2 ∫ ( u 3 2 − u 1 2 ) du = 1 2 u 5 2 5 2 − u 3 2 3 2 + C = 1 �2 �2 5 u 5 2 − 1 �2 �2 3 u 3 2 + C = 1 5 u 5 2 − 1 3 u 3 2 + C = 1 5 (1 + x2) 5 2 − 1 3 (1 + x2) 3 2 + C. � Para a integral de�nida podemos proceder de forma análoga, mas com uma adição: devemos determinar os novos limites de integração. Tendo isso em mente, vamos demonstrar o seguinte teorema: 6 Cálculo I Aula nº 25 Teorema 2. Sejam f, g funções de�nidas em um intervalo [a, b]. Se g for derivável e g′ for contínua em [a, b] e f for contínua na imagem de u = g(x), então∫ b a f(g(x)) · g′(x) dx = ∫ g(b) g(a) f(u) du. (1) Demonstração: Seja F uma primitiva de f . Pela Proposição 1, sabemos que F (g(x)) é uma primitiva de f(g(x)).g′(x). Logo, pelo TFC, obtemos∫ b a f(g(x)) · g′(x) dx = F (g(x)) ∣∣∣∣b a = F (g(b))− F (g(a)), (2) e note que ∫ g(b) g(a) f(u) du = F (u) ∣∣∣∣∣ g(b) g(a) = F (g(b))− F (g(b)). (3) Comparando (2) e (3), temos (1). � Vejamos alguns exemplos de utilização desse teorema. Exemplo 13. Calcule ∫ 4 0 √ 2x+ 1 dx. Solução: Fazendo a substituição u = 2x+ 1, temos que du = 2 dx, e também que x = 0⇒ u = 1 x = 4⇒ u = 9. Desse modo, ∫ 4 0 √ 2x+ 1 dx = 2 2 ∫ 4 0 √ 2x+ 1 dx = 1 2 ∫ 4 0 √ 2x+ 12 dx = 1 2 ∫ 9 1 √ u du = 1 2 u 3 2 3 2 ∣∣∣∣∣ 9 1 = 1 �2 �2 3 u 3 2 ∣∣∣∣9 1 = 1 3 ( √ 93 − √ 13) = 1 3 (27− 1) = 26 3 . � Observação 1. Note que podemos resolver a integral do exemplo acima calculando a integral inde�nida e depois substituindo os limites de integração. Exemplo 14. Calcule ∫ e 1 ln x x dx Solução: Fazendo a substituição u = ln x, 7 Cálculo I Aula nº 25 teremos que du = 1 x dx x = e ⇒ u = 1 x = 1 ⇒ u = 0. Logo, ∫ e 1 ln x x dx = ∫ 1 0 u du = u2 2 ∣∣∣∣1 0 = 12 2 − 02 2 = 1 2 . � Exemplo 15. Calcule ∫ 2 1 e 1 x x2 dx. Solução: Fazendo u = 1 x , temos que du = − 1 x2 dx x = 1 ⇒ u = 1 x = 2 ⇒ u = 1 2 . Logo, ∫ 2 1 e 1 x x2 dx = − ∫ 1 2 1 eu du = ∫ 1 1 2 eu du = eu ∣∣∣∣∣ 11 2 = e− √ e. � Exemplo 16. Calcule ∫ π 2 0 cosx sen(senx) dx. Solução: Fazendo a substituição u = senx, temos que du = cosxdx x = 0 ⇒ u = 0 x = π 2 ⇒ u = 1. Logo, ∫ π 2 0 cosx sen(senx) dx = ∫ 1 0 sen u du = − cosu ∣∣∣∣1 0 = − cos 1 + cos 0 = 1− cos 1. � Exemplo 17. Calcule ∫ 1 0 dx (1 + √ x)4 dx. Solução: Fazendo a substituição u = 1 + √ x, temos que du = 1 2 √ x dx ⇔ dx = 2 √ x du ⇔ dx = 2(u− 1) du, e também que x = 0⇒ u = 1 e x = 1⇒ u = 2. 8 Cálculo I Aula nº 25 Logo, ∫ 1 0 dx (1 + √ x)4 dx = ∫ 2 1 2(u− 1) u4 du = ∫ 2 1 2 u3 du− ∫ 2 1 2 u4 du = − �2 �2u2 ∣∣∣∣2 1 + 2 3u3 ∣∣∣∣∣ 2 1 = − 1 u2 ∣∣∣∣2 1 + 2 3u3 ∣∣∣∣∣ 2 1 = −1 4 + 1 + 1 12 − 2 3 = 1 6 . � Proposição 2. Seja f uma função contínua em [−a, a]. (i) Se f é ímpar, então ∫ a −a f(x) dx = 0; (ii) Se f é par, então ∫ a −a f(x) dx = 2 ∫ a 0 f(x) dx. Demonstração (i) Note que ∫ a −a f(x) dx = ∫ 0 −a f(x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx = − ∫ −a 0 f(x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx. Como f é ímpar, então∫ a −a f(x) dx = − ∫ −a 0 f(x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx = ∫ −a 0 f(−x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx. Utilizando a substituição u = −x, temos que du = −dx x = 0⇒ u = 0 x = −a⇒ u = a. Logo, ∫ a −a f(x) dx = − ∫ a 0 f(u) du+ ∫ a 0 f(x) dx. Agora, entendendo que o valor da integral de f em um intervalo independe do símbolo usado para representar a variável independente, pois∫ b a f(x) dx = ∫ b a f(u) du = ∫ b a f(s) ds = ∫ b a f(�) d�, temos que,∫ a −a f(x) dx = − ∫ a 0 f(u) du+ ∫ a 0 f(x) dx = − ∫ a 0 f(x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx = 0. (ii) Se f é par, então f(−x) = f(x). Logo,∫ a −a f(x) dx = ∫ 0 −a f(x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx = ∫ 0 −a f(−x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx. Fazendo a mesma substituição do item anterior, temos que∫ a −a f(x) dx = − ∫ 0 a f(u) du+ ∫ a 0 f(x) dx = ∫ a 0 f(u) du+ ∫ a 0 f(x) dx = ∫ a 0 f(x) dx+ ∫ a 0 f(x) dx = 2 ∫ a 0 f(x) dx. 9 Cálculo I Aula nº 25 � Exemplo 18. Calcule ∫ 1 −1 x √ x4 + 3 dx. Solução: Note que a função f(x) = x √ x4 + 3 é ímpar, pois f(−x) = −x √ (−x)4 + 3 = −x √ x4 + 3 = −f(x). Logo, pela proposição anterior, ∫ 1 −1 x √ x4 + 3 dx = 0. � Exemplo 19. Calcule ∫ 2 −2 (x6 + 1) dx. Solução: Note que a função g(x) = x6 + 1 é par, pois g(−x) = (−x)6 + 1 = x6 + 1 = g(x). Logo, pela proposição anterior, temos que∫ 2 −2 (x6 + 1) dx = 2 ∫ 2 0 (x6 + 1) dx = 2 [ x7 7 + x ]∣∣∣∣2 0 = 2 ( 27 7 + 2 ) = 284 7 . � 2 Integração por Partes Suponhamos agora f e g deriváveis em um intervalo I. Logo, segue da regra do produto que (f(x)g(x))′ = f ′(x)g(x) + f(x)g′(x). Integrando no intervalo I, temos que∫ (f(x)g(x))′ dx = ∫ (f ′(x)g(x) + f(x)g′(x)) dx f(x)g(x) = ∫ f ′(x)g(x) dx+ ∫ f(x)g′(x) dx, e assim, obtemos a regra de integração conhecida como integração por partes, que é dada por∫ f(x)g′(x) dx = f(x)g(x)− ∫ f ′(x)g(x) dx. (4) Fazendo u = f(x) e v = g(x), temos que du = f ′(x) dx e dv = g′(x) dx. Assim, a regra de integração por partes também pode ser escrita como∫ u dv = uv − ∫ v du. Vejamos alguns exemplos de aplicação dessa técnica. Exemplo 20. Determine ∫ x cosx dx. Solução: Escolhendo u = x e dv = cosx dx, temos que du = dx e v = senx. Logo, ∫ x cosx dx = x senx− ∫ senx dx = x senx+ cosx+ C. � 10 Cálculo I Aula nº 25 Exemplo 21. Calcule ∫ x2 senx dx. Solução: Escolhendo u = x2 e dv = senx dx, obtemos du = 2x dx e v = − cos x. Logo, ∫ x2 senx dx = −x2 cosx+ 2 ∫ x cosx dx. Utilizando o exemplo anterior, temos que∫ x2 senx dx = −x2 cosx+ 2x senx+ 2 cosx+ C. � Exemplo 22. Calcule ∫ arctgx dx. Solução: Tomando u = arctgx e dv = 1 dx, temos que du = 1 1 + x2 dx e v = x. Logo, ∫ arctgx dx = x arctgx− ∫ x 1 + x2 dx. Fazendo w = 1 + x2, obtemos dw = 2x dx, e assim∫ x 1 + x2 dx = 1 2 ∫ 1 w dw = 1 2 ln w + C = 1 2 ln (1 + x2) + C. Por �m, temos que ∫ arctgx dx = x arctgx− 1 2 ln (1 + x2) + C. � Exemplo 23. Calcule ∫ p5 ln p dp. Solução: Escolhemos u = ln p e dv = p5 dp. Então du = 1 p dp e v = p6 6 . Logo, ∫ p5 ln p dp = p6 ln p 6 − 1 6 ∫ p�6 1 �p dp = p6 ln p 6 − 1 6 ∫ p5 dp = p6 ln p 6 − p6 36 + C. � Exemplo 24. Calcule ∫ ln x dx. Solução: Vamos considerar u = ln x e dv = 1 dx. Logo, obtemos que du = 1 x dx e v = x. Logo, ∫ ln x dx = x ln x− ∫ �x 1 �x dx = x ln x− ∫ dx = x ln x− x+ C. � 11 Cálculo I Aula nº 25 Exemplo 25. Calcule ∫ ex cosx dx. Solução: Escolhemos u = ex e dv = cosx dx. Logo, du = ex dx e v = senx. Então, ∫ ex cosx dx = ex senx− ∫ ex senx dx. (5) Agora, aplicando a integração por partes na integral do segundo membro da equação acima, escolhemos u = ex e dv = senx dx. Logo, du = ex dx e v = − cosx. Sendo assim, temos que ∫ ex senx dx = −ex cosx+ ∫ ex cosx dx. (6) Substituindo (6) em (5), obtemos que∫ ex cosx dx = ex senx+ ex cosx− ∫ ex cosx dx. Logo, 2 ∫ ex cosx dx = ex senx+ ex cosx, garantindo que ∫ ex cosx dx = 1 2 (ex senx+ ex cosx) + C. � Exemplo 26. Calcule ∫ (ln x)2 dx. Solução: Para essa questão podemos resolver escolhendo u = (ln x)2 e dv = 1 dx. Logo, du = 2 ln x x dx e v = x, e assim, ∫ (ln x)2 dx = x(ln x)2 − ∫ 2 ln x �x �x dx = x(ln x)2 − ∫ 2 ln x dx. Utilizando o Exemplo 24, temos que∫ (ln x)2 dx = x(ln x)2 − 2x ln x+ 2x+ C. � Antes dos próximos exemplos, se faz necessário determinar a integração por partes para integrais de�nidas. A prova desse resultado é análoga ao do início desta seção. Supondo f, g funções com derivadas contínuas em um intervalo [a, b], então vale∫ b a f(x)g′(x) dx = f(x)g(x) ∣∣∣∣b a − ∫ b a f ′(x)g(x) dx. Da mesma forma, podemos reescrever a fórmula acima como∫ b a u dv = u(x)v(x) ∣∣∣∣b a − ∫ b a v du. 12 Cálculo I Aula nº 25 Exemplo 27. Calcule ∫ 3 1 x3 ln x dx. Solução: Escolhendo u = ln x e dv = x3 dx, temos que du = 1 x dx e v = x4 4 . Logo, ∫ 3 1 x3 ln x dx = 1 4 x4 ln x ∣∣∣∣3 1 − 1 4 ∫ 3 1 x�4 1 �x dx = 81 ln 3 4 − 1 4 ∫ 3 1 x3 dx = 81 ln 3 4 − 1 16 (81− 1) = 81 ln 3 4 − 5. � Exemplo 28. Calcule ∫ 1 2 0 arcsenx dx. Solução: Escolhemos u = arcsenx e dv = 1 dx. Logo, du = 1√ 1− x2 dx e v = x. Desse modo, ∫ 1 2 0 arcsenx dx = x.arcsenx ∣∣∣∣∣ 1 2 0 − ∫ 1 2 0 x√ 1− x2 dx. Aplicando uma substituição de w = 1− x2, temos que dw = −2x dx e também que x = 0⇒ w = 1 e x = 1 2 ⇒ w = 3 4 . Logo, ∫ 1 2 0 x√ 1− x2 dx = −1 2 ∫ 3 4 1 1√ w dw = −1 2 ∫ 3 4 1 w− 1 2 dw = −1 �2 · �2w 1 2 ∣∣∣∣ 34 1 = − √ 3 2 + 1. Dessa forma, obtemos∫ 1 2 0 arcsenx dx = 1 2 arcsen ( 1 2 ) + √ 3 2 − 1 = π 12 + √ 3 2 − 1. � Exemplo 29. Calcule ∫ 1 0 t cosh t dt. Solução: Escolhendo u = t e dv = cosh t dt, temos que du = dt e v = senh t. Logo, ∫ 1 0 t cosh t dt = tsenh t ∣∣∣∣1 0 − ∫ 1 0 senh t dt = senh 1− cosh(1) + cos(0) = 1− 1 e . � 13 Cálculo I Aula nº 25 Exemplo 30. Calcule ∫ π 0 ecos t sen 2t dt. Solução: Primeiramente, faremos uma substituição antes de utilizar a integração por partes. Note que sen 2t = 2 sen t cos t. Logo, ∫ π 0 ecos t sen 2t dt = ∫ π 0 ecos t2 sen t cos t. dt Então, fazendo w = cos t, temos que dw = − sen t dt, e também que t = 0 ⇒ w = 1 e t = π ⇒ u = −1. Desse modo, ∫ π 0 ecos t sen 2t dt = ∫ π 0 ecos t2 sen t cos t dt = 2 ∫ 1 −1 wew dw. Agora, utilizando a integração por partes com u = w e dv = ew dw, obtemos que du = dw e v = ew. Dessa forma, ∫ 1 −1 wew dw = wew ∣∣∣∣1 −1 − ∫ 1 −1 ew dw = �e+ 1 e − �e+ 1 e = 2 e . Sendo assim, ∫ π 0 ecos t sen 2t dt = 4 e . � Resumo Faça um resumo dos principais resultados vistos nesta aula, destacando as de�nições dadas. Aprofundando o conteúdo Leia mais sobre o conteúdo desta aula nas páginas 369− 374 e 420− 423 do livro texto. Sugestão de exercícios Resolva os exercícios das páginas 374− 375 e 223− 225 na seção de apêndices do livro texto. 14
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