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EA D Integral Indefinida 2 1. OBJETIVOS • Compreender o conceito de integral. • Desenvolver as técnicas de integração. • Reconhecer situações que podem ser resolvidas com o auxílio da integral. 2. CONTEÚDOS • Integral indefinida. • Técnicas de integração. 3. ORIENTAÇÕES PARA O ESTUDO DA UNIDADE Antes de iniciar o estudo desta unidade, é importante que você leia as orientações a seguir: 1) Se encontrar dificuldade, não desanime! Não se esqueça de acessar a Sala de Aula Virtual! Interaja, pois, dessa maneira, você ampliará seus conhecimentos. © Cálculo II54 2) As ideias apresentadas a seguir serão muito importantes para seu aperfeiçoamento e não esgotam o tema. Ele é passível de questionamentos. Sugerimos, portanto, pes- quisas constantes, sempre buscando o aprofundamento. 4. INTRODUÇÃO À UNIDADE Na Unidade 1, revisamos o conceito de derivada de uma fun- ção e algumas aplicações. Também vimos que a derivada consiste em determinar a inclinação de uma curva, e que esta inclinação é obtida pela reta tangente à curva em um dado ponto. Agora, estudaremos o conceito, as propriedades e as aplica- ções das integrais de uma função. Abordaremos, também, a pri- mitiva de uma função, a integral indefinida e algumas técnicas de integração, como a integração por meio de substituições de variá- veis ou de substituição por partes. Isaac Newton (1642-1727) desenvolveu métodos analíticos unindo técnicas matemáticas que tornaram possível a resolução de problemas de diversos tipos, como o de encontrar áreas, tan- gentes e comprimentos de curvas, assim como máximos e míni- mos de funções. Todas essas descobertas foram feitas anos antes por Leibniz (1646-1716), que, de forma independente, veio a desenvolver o Cálculo Diferencial. Newton recusou-se, durante muito tempo, a divulgar as suas descobertas, e foi Leibniz quem primeiro publicou conceitos sobre o Cálculo Diferencial. Isso gerou uma disputa muito grande entre os dois matemá- ticos sobre quem teria realmente desenvolvido o conceito de cál- culo. Apesar de Newton ter desenvolvido o cálculo antes de Leib- niz, a notação e a maneira de calcular derivadas que prevaleceram foi a desenvolvida por Leibniz, que se mostrou muito mais simples e conveniente. Claretiano - Centro Universitário 55© U2 - Integral Indefinida 5. ORIGEM DE INTEGRAL Vamos iniciar o estudo desta unidade com a origem da noção de integral que surgiu a partir da necessidade de se calcular áreas de figuras planas cujos contornos não são segmentos de reta. Na Antiguidade, problemas para determinar e medir super- fícies planas eram frequentemente enfrentados pelos geômetras. Para determinar áreas de superfícies planas não conhecidas, que- riam encontrar um quadrado que tivesse a área aproximada à da superfície estudada. Esse processo recebia o nome de quadratura, um termo antigo que se tornou sinônimo do processo de determi- nar áreas. Os primeiros registros sobre a quadratura de figuras planas datam de 440 a.C., quando Hipócrates de Chios estudou e procu- rou determinar a área das lúnulas, regiões que se assemelham com a lua no seu quarto crescente. Além disso, tivemos o Antífon (430 a.C.) que procurou determinar a quadratura do círculo. Uma grande contribuição dos gregos para o cálculo ocorreu por volta do ano 225 a.C., quando Arquimedes descreveu um teo- rema para a quadratura da parábola. Ele desenvolveu e provou com rigor a soma com infinitos termos, além de ter contribuído para o cálculo da área do círculo, obtendo uma aproximação para o número π . Também colaborou para o cálculo do volume da es- fera e a área da superfície esférica, entre outros. Somente em 1606 o italiano Luca Valério publicou Quadra- tura parabolae (Quadratura da parábola), aplicando o mesmo mé- todo utilizado pelos gregos para resolver problemas relacionados com o centro de gravidade de um corpo. Os matemáticos Fermat e Cavalieri também contribuíram para o desenvolvimento do Cálculo Integral. Na obra conhecida por Geometria indivisibilibus continuorum nova (Nova geometria de contínuos indivisíveis), Cavalieri desenvolveu a noção de área de uma figura como uma soma infinita de componentes ou seg- © Cálculo II56 mentos indivisíveis. Por volta de 1640, a fórmula geral da integral das parábolas maiores era conhecida por Fermat, Blaise Pascal, Descartes, Torricelli e outros. Mas foi em 1655 que o inglês John Wallis aritmetizou o método desenvolvido por Cavalieri na deter- minação da área de figuras planas, desenvolvendo princípios de indução e interpolação. Paralelamente ao estudo das áreas, Galileu, Torricelli e Bar- row estudavam o problema do movimento dos corpos com veloci- dades variadas. Sabiam, na época, que a derivada da distância era a velocidade e a operação inversa partindo da velocidade que le- vava a distância. A partir desse problema envolvendo movimento, o inglês Isaac Barrow percebeu que os dois problemas estavam re- lacionados e que os processos de diferenciação e integração eram processos inversos. O inglês Isaac Newton e o alemão Gottfried Wilhelm von Leibniz exploraram essa conexão percebida por Barrow e desen- volveram o Cálculo Integral. Em suma, eles perceberam que o Teo- rema Fundamental permitia encontrar a área de uma figura pla- na de forma muito fácil, sem a necessidade de se calcular a soma de áreas de um número indefinidamente grande de retângulos, mas, sim, usando a antiderivada da função envolvida. Ambos de- senvolveram o Cálculo Integral separadamente. Contudo, Newton desenvolveu o cálculo utilizando métodos geométricos, enquanto Leibniz utilizou métodos analíticos. 6. INTEGRAL INDEFINIDA Primitivas Iniciaremos nosso estudo com um exemplo simples. Queremos determinar uma função ( )f x cuja derivada é '( ) 2f x x= . Claretiano - Centro Universitário 57© U2 - Integral Indefinida Se utilizarmos a regra da derivada de uma potência para derivarmos a função 2f ( x ) x= , obteremos 2 1( ) 2 2–f ' x x x= = . Observe que, se C for uma constante, a derivada da função 2 f ( x ) x C= + também será 2x , pois a derivada de uma constante é zero. Assim, escrevemos: 2 2( ) ( ) ( ) ( ) 2 0 ( ) 2f x x C f ' x x ' C ' x f ' x x= + ⇒ = + = + ⇒ = Concluímos que a função procurada é 2( ) f x x C= + , na qual C é uma constante qualquer. Vamos, agora, determinar a função ( )f x cuja derivada é 3( ) 4f ' x x= . Temos como função procurada 4( ) f x x C= + , pois, se derivarmos ( ) 4f x x C= + , obteremos 4 1 3( ) 4 0 ( ) 4–f ' x x f ' x x= + ⇒ = . Assim, vemos que a função procurada é 4( ) f x x C= + , na qual C é uma constante qualquer. Uma função F( x ) é dita uma primitiva da função ( )f x se, para todo “ x ” num intervalo : I a x b< < , tivermos: ( )( ) F' x f x= . Em outras palavras, ( )F x é uma primitiva de ( )f x se a derivada de ( )F x for igual à função ( )f x . Observe que estamos tratando do problema “inverso” ao que fizemos na unidade anterior, pois, até então, aprendemos a calcular a derivada de uma função conhecida; agora, nos propomos a obter uma função da qual conhecemos a sua derivada. Analisando os exemplos anteriores e as conclusões antes citadas, poderemos definir primitiva de uma função. Vamos lá? Definição: uma função F( x ) é uma primitiva de uma função ( )f x se ( )( ) F' x f x= para qualquer x no domínio de f . © Cálculo II58 O conjunto de todas as primitivas de f é a integral indefinida de f em relação à x , denotada por ( ) ( ) f x dx F x C= +∫ , na qual: • ∫ é o símbolo de uma integral. • ( )F x é a primitivada função ( )f x . • C é a constante de integração. Dessa forma, a equação ( ) ( ) f x dx F x C= +∫ deve ser lida como “a integral indefinida de f em relação à x é ( ) F x C+ ”. Veja alguns exemplos de integral indefinida. Exemplo 1 3( ) F x x= é uma primitiva da função 2( ) 3f x x= , pois 3 1 2( ) 3 3 ( )–F ' x x x f x= ⋅ = = . Exemplo 2 4 ( ) 4 xF x = é uma primitiva da função 3( ) f x x= , pois 3 31( ) 4 ( ) 4 F' x x x f x= ⋅ = = . Exemplo 3 3 ( ) 3 xF x x= + é uma primitiva da função 2 ( ) 1f x x= + , pois 2 2 1( ) 3 + 1 + 1 3 F' x x x= ⋅ = . Exemplo 4 4( ) F x x= é uma primitiva da função 3( ) 4f x x= , pois 4 1 3( ) 4 4 ( )–F ' x x x f x= ⋅ = = . Claretiano - Centro Universitário 59© U2 - Integral Indefinida Exemplo 5 4 1F( x ) x= + é uma primitiva da função 3 4f ( x ) x= , pois 4 1 3 4 + 0 4 –F '( x ) x x f ( x )= ⋅ = = . Exemplo 6 4( ) + 27F x x= é uma primitiva da função 3( ) 4f x x= , pois 4 1 3( ) 4 + 0 4 ( )–F ' x x x f x= ⋅ = = . Exemplo 7 4( ) 5F x x –= é uma primitiva da função 3( ) 4f x x= , pois 4 1 3( ) 4 + 0 4 ( )–F ' x x x f x= ⋅ = = . Exemplo 8 Observando os Tópicos Exemplos 4, 5, 6 e 7, podemos afirmar que 4( ) F x x C= + , para qualquer valor da constante C , é uma primitiva da função 3( ) 4f x x= , pois 4 1 3( ) 4 + 0 4 ( )–F ' x x x f x= ⋅ = = . Em síntese, se F( x ) é uma primitiva da função ( )f x , a expressão ( ) F x C+ , sendo C uma constante, é chamada integral indefinida da função ( )f x e é denotada por: ( ) ( ) f x dx F x c= +∫ Observações: 1) O símbolo ∫ é chamado sinal de integração. 2) ( )f x é a função integrando. 3) ( )f x dx é o integrando. 4) O símbolo dx , que aparece no integrando, serve para identificar a variável de integração. © Cálculo II60 Na verdade, o símbolo dx indica a diferencial da função y x= . De modo geral, para uma função ( )y f x= , a diferencial df dessa função é definida como ( )df f ' x dx= . Propriedades da integral indefinida Sejam ( )f x e ( )g x duas funções e K uma constante, então: • ( ) ( )K f x dx K f x dx⋅ =∫ ∫ . E ainda: • ( ) ( ) ) ( ) ( ) f ( x g x ... dx f x dx g x dx ...= + = + +∫ ∫ ∫ . • ( ( ) – ( ) ) ( ) ( ) f x g x – ... dx f x dx – g x dx – ...=∫ ∫ ∫ . Ou seja, "a integral da soma ou da subtração é a soma ou a subtração das integrais". Veja alguns exemplos. Exemplo 1 Sabemos que 3 2( ) 3x ' x= . Então, 2 33 x dx x C= +∫ . Exemplo 2 5 61 6 x dx x C= +∫ ; pois 6 5 5 1 1 6 6 6 x ' x x = ⋅ = . Exemplo 3 Como 4 4 1 1 3 3 33 4 3 4 3 4 – x ' x x = ⋅ = e 1 33x x= , então 1 4 3 3 33 = 4 xdx x dx x C= +∫ ∫ . Claretiano - Centro Universitário 61© U2 - Integral Indefinida Observação ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Usando a definição de primitiva de uma função, as propriedades operatórias e as integrais de funções particulares, iremos resolver alguns exemplos explorando esses conceitos. –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Exemplo 4 Vamos calcular dx∫ (um caso especial)? O que é solicitado nada mais é do que uma primitiva de 1, que é x C+ . Então: 1dx dx x C= = +∫ ∫ , pois ( ) ' (1 0) 1x C+ = + = Exemplo 5 Vamos calcular 2xdx∫ . Ao resolver este exercício, temos que a primitiva de 2x é 2 x C+ , pois 2( ) ' 2 0 2x C x x+ = + = . Assim, podemos escrever: 22xdx x C= +∫ . Exemplo 6 Agora, iremos calcular (2 5)x dx+∫ . Nesse caso, uma primitiva de 2 5x + é 2 5x x+ . Assim: 2(2 5) 5x dx x x C+ = + +∫ , pois a derivada vale ( )2 5 ' 2 5 0 2 5x x C x x+ + = + + = + . Exemplo 7 Vamos calcular 5x dx ∫ ? Nesse exercício, o que se solicita é a primitiva de 5x , que é 6 6 x , afinal ao derivarmos a função 6 ( ) 6 xf x = obtemos a função 5( ) f ' x x= . Assim, podemos escrever 6 5 6 xx dx C= +∫ , pois © Cálculo II62 a derivada vale 6 5 50 6 x C ' x x + = + = . Se você observar bem o que foi feito para obter a função 6 ( ) 6 xf x = , foi somar 1 (um) ao expoente e repetir o resultado no denominador. E se você observar todos os outros exemplos no formato nx dx ∫ , teremos sempre a mesma tendência, ou seja, soma-se a unidade ao expoente e repete-se o resultado no denominador, resultando uma regra geral que pode ser dada por 1 1 n n xx dx C n + = + +∫ . Exemplo 8 Vamos calcular ( )2 5 3x x – dx+∫ . Para resolvemos este cálculo, determinamos a primitiva mais simples para cada parte da expressão ( )2 5 3x x – + e acrescentamos a constante de integração no final. Assim temos: ( ) 2 1 1 1 0 1 2 3 2 1 3 2 5 3 5 3 2 1 1 1 0 1 55 3 3 3 2 1 3 2 x x xx x – dx – C x x x x – C = x – x C + + + + = + ⋅ ⋅ + = + + + = + ⋅ ⋅ + + + ∫ Exemplo 9 Vamos calcular xdx∫ . Para isso, utilizaremos a expressão geral apresentada anteriormente para calcular essa integral. Lembre-se de que 1 2 x x= e que, nesse caso, 1 2 n = . Então: Claretiano - Centro Universitário 63© U2 - Integral Indefinida 1 1 3 11 32 2 32 2 1 2 2 1 3 3 3 1 2 2 nn xx dx C n x xxdx x dx x x + + = + ⇒ + ⇒ = = = = ⋅ = + ∫ ∫ ∫ Assim, 3 2 3 xdx x=∫ . Dessa forma, podemos verificar a generalização para todos os exemplos anteriores dados pela expressão: 1 1 n n xx dx C n + = + +∫ , com 1n ≠ . Exemplo 10 Determinaremos as integrais indefinidas de 2( 2 8)x x dx− =∫ . Resolvemos este cálculo determinando a integral para cada termo da expressão ( )2 2 8x x− + . Determinamos a primitiva mais simples para cada parte e acrescentamos a constante de integração no final. Temos, então: 2 3 2 2 ( 2 8) = – 2 8 – 2 8 3 2 x x dx x xx dx xdx dx x C − = = + = + + ∫ ∫ ∫ ∫ Simplificando, temos: 3 2 2( 2 8) 8 3 xx x dx x x C− = = − + +∫ Exemplo 11 Vamos determinar, agora, as integrais indefinidas 2 1 dx x ∫ . © Cálculo II64 Resolvemos este cálculo determinando a integral para o termo 2 1 x da expressão. Determinamos a primitiva mais simples para o termo e acrescentamos a constante de integração no final. Temos, então: ( ) 2 1 1 2 2 1 1 2 1 1 x xdx x dx C C C x x − + − −= = + = + = − + − + −∫ ∫ Simplificando, temos: 2 1 1 dx C x x = − +∫ Note que não existe uma regra específica para divisão em integração como havia em derivada. Para resolver a integral, tivemos de manipular algebricamente a expressão 2 1 x , passando-a para o formato –2x . Exemplo 12 Vamos determinar as integrais indefinidas de 3 1 dx x ∫ . Resolvemos este cálculo determinando a integral para o termo 3 1 x da expressão. Determinamos a primitiva mais simples para o termo e acrescentamos a constante de integração no final. Temos, então: 1 11 3 3 13 3 2 23 3 1 1 1( 1) 3 3 2 2 3 xdx dx x dx c x x x c x c − + − = = = + = − + = + = + ∫ ∫ ∫ Claretiano - Centro Universitário65© U2 - Integral Indefinida Simplificando, temos: 3 2 3 1 3 2 dx x x = ∫ Você deve ter notado que utilizamos “ c ” e não “C ”. Tanto em letra maiúscula ou minúscula podem representar a constante de integração. Exemplo 13 Vamos, agora, resolver a integral indefinida da função exponencial na forma: xa dx∫ . Como sabemos que a derivada da função ( ) xf x a= é '( ) xf x a lna= ⋅ , então a primitiva da função xa será 1 xa lna ⋅ ou, ainda: 1 x xa dx a C lna = ⋅ +∫ Existe o caso especial da função exponencial quando a base é representada pelo número de Euler (e), sendo a integral indefinida dada por xe dx∫ . Neste caso, a regra é a mesma, mas devemos lembrar que 1elne log e= = . Portanto: 1 1 1 x x x xe dx e C e C e C lne = ⋅ + = ⋅ + = +∫ Então, de forma simplificada, temos: x xe dx e C= +∫ Vamos, agora, observar a primitiva de algumas funções trigonométricas. Para isso, você deve tentar se lembrar das derivadas das funções trigonométricas principais. © Cálculo II66 Exemplo 14 Vamos calcular a integral indefinida ( )cos x dx∫ . Sabemos que, se derivarmos a função ( ) f x sen x= , encontramos a função derivada '( )f x cos x= . Portanto, a integral indefinida ( ) cos x dx sen x C= +∫ . Exemplo 15 Para calcularmos a integral da função seno, será necessário lembrar-se de que a derivada da função ( )f x cos x= será dada por '( ) –f x sen x= . Portanto, a integral indefinida de senx será: ( ) – sen x dx cos x C= +∫ . Exemplo 16 Vamos, agora, encontrar a primitiva da função 2sec x . Ou seja, vamos calcular a integral indefinida dada por: 2sec xdx∫ . Para isso, lembre-se de que a derivada da função ( ) f x tg x= é dada por 2'( ) f x sec x= . Daí, a integral pode ser escrita como: 2 sec xdx tg x C= +∫ 7. TÉCNICAS DE INTEGRAÇÃO Os exemplos anteriores nos mostram que o processo de integração requer muita atenção e, por que não dizer, muita intuição, pois estamos procurando recuperar uma função da qual conhecemos a sua derivada. Ou seja, para termos sucesso no cálculo de integrais, é necessário termos bem nítidas em nossa mente as técnicas de derivação. Claretiano - Centro Universitário 67© U2 - Integral Indefinida Algumas integrais são chamadas de imediatas, pois podem ser determinadas diretamente, sobretudo se você conhecer bem as regras de derivação. A seguir, listamos algumas das principais integrais imediatas. Integrais imediatas 1) dx x c= +∫ . 2) 1 1 1 n nx dx x C n += + +∫ (para n , uma constante, 1n ≠ − ). Ou, ainda, 1 1 n n xx dx C n + = + +∫ . 3) 1 1 x dx dx ln x C x − = = +∫ ∫ . 4) 1 x xa dx a C lna = +∫ ( a constante, 0; 1a a> ≠ ). 5) x xe dx e C= +∫ (na qual 2,71828e ≅ é o número de Euler, sendo também a base dos logaritmos naturais ou logaritmo neperiano). Esta integral é um caso especial da integral imediata 4). 6) ( ) cos x dx sen x C= +∫ . 7) ( ) sen x dx cos x C= − +∫ . 8) 2 sec xdx tg x C= +∫ . Vamos ver, agora, alguns exemplos mais gerais em que teremos vários tipos de funções somadas ou subtraídas. Como sabemos que "a integral da soma (subtração) é a soma (subtração) das integrais" e lembrando-se das primitivas das funções citadas anteriormente, não teremos dificuldades em calcular as integrais a seguir. © Cálculo II68 Exemplo 1 3 2( 2) 2 2 xx dx x c+ = + +∫ , pois, usando as propriedades da integral indefinida, temos: 3 2 2( 2) + 2 2 3 xx dx x dx dx x c+ = = + +∫ ∫ ∫ Exemplo 2 4 3 23( – 3 5) – 5 4 2 xx x dx x x c+ = + +∫ , pois: 33 4 2 ( – 3 5) – 3 5 – 3 5 4 2 x x dx x dx xdx dx x x x c + = + = = + + ∫ ∫ ∫ ∫ Exemplo 3 3 2 3 22(3 –1) – 3 x x dx x x x c+ = + +∫ , pois: 1 2 2 2 33 2 (3 –1) 3 – 3 – 33 2 x x dx x dx x dx dx x x x c + = + = = + + ∫ ∫ ∫ ∫ Que, depois de simplificado, assume a forma antes mencionada. Observe que: 1 1 31 2 2 2 1 3 1 22 x xx dx + = = + ∫ Claretiano - Centro Universitário 69© U2 - Integral Indefinida Exemplo 4 12 2 x xe dx e lnx c x − = − + ∫ , pois: 112 2 2 x x xe dx e dx x dx e lnx c x − − = − = − + ∫ ∫ ∫ Exemplo 5 Observe a função a seguir e calcule a sua função primitiva ou sua integral: 2 1 3 6 4xf ( x ) x x e cos x x−= − + + − + . Utilizando a notação de integração, temos: 2 1(3 6 4)xx x e cos x x dx−− + + − +∫ Se você se lembrar das funções que foram derivadas para originar cada um dos termos da expressão que deverá ser integrada, então podemos escrever 3 2( ) ' 3x x= , 2(3 ) ' 6x x= , ( ) ' x xe e= , ( ) ' sen x cos x= , –1( ) ' lnx x= , (4 ) ' 4x = . Portanto: 2 1 2 1 (3 6 4) = 3 6 4 x x x x e cos x x dx x dx xdx e dx cos xdx x dx dx − − − + + − + = − + + − + ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ Ou, ainda, de forma resumida: 2 1 3 2 (3 6 4) = 3 4 x x x x e cos x x dx x x e sen x ln x x C −− + + − + = − + + − + + ∫ Você percebeu que todo resultado de uma integral pode ser conferido ao calcularmos sua derivada? Tente. Você verá que é bem fácil! © Cálculo II70 Mas algumas funções não são triviais de serem integradas ou de determinar suas primitivas. Essas funções advêm das fun- ções envolvendo multiplicação ou divisão entre expressões mais simples ou de funções compostas. Veja, a seguir, algumas técnicas envolvendo essas funções mais complexas. Integral por substituição ou mudança de variáveis Esta técnica fundamenta-se na Regra da Cadeia: consideremos as funções ( )F x , ( )f x e ( )g x , de modo que: • ( ) ( )F' x f x= ; ( ( )F x é uma primitiva de ( )f x ). • A composta ( )( )y F g x= esteja definida. Pela Regra da Cadeia, temos: ( ) ( ) ( )( ) ' ' ( ) '( ) ( ) '( )F g x F g x g x f g x g x= ⋅ = ⋅ , isto é, a composta ( )( )F g x é uma primitiva de ( )( ) '( )f g x g x⋅ . Assim: ( ) ( )( ) '( ) ( ) f g x g x dx F g x c⋅ = +∫ Que pode ser interpretada da seguinte maneira: • Fazendo a mudança de variável ( )u g x= , temos a dife- rencial '( )du g x dx= . • Podemos, agora, interpretar a integral ( )( ) '( )f g x g x dx⋅∫ como ( )( ) '( ) ( )f g x g x dx f u du⋅ =∫ ∫ . Como ( )F u é uma primitiva de ( ) ( ) ( ) f u f u du F u c⇒ = =∫ . Na prática, temos que "visualizar" uma função ( )u g x= conveniente, de forma que, substituída na expressão, torne a integral mais simples. Claretiano - Centro Universitário 71© U2 - Integral Indefinida Veja os exemplos a seguir. Exemplo 1 Vamos calcular 2( 2)x dx+∫ . Fazendo a mudança de variável 2u x= + , temos também du dx= , se derivarmos a função 2u x= + . Ou seja: ( 2) 1du d x dx dx = + = Ou, ainda: 1du dx = ou du dx= Podemos, então, fazer a substituição de 2x + por u , ou seja: 2 2( 2) x dx u du+ =∫ ∫ E como 3 2 3 uu du c= +∫ , substituímos novamente 2u x= + e obtemos: ( )32 2( 2) 3 x x dx c + + = +∫ Se você efetuar a derivada do resultado da integral utilizando a Regra da Cadeia, perceberá que o resultado reproduz o termo integrando. Exemplo 2 Vamos calcular 2(1 )2x xdx+∫ . Fazendo a mudançade variável 2 1 u x= + , temos a derivada como: 2 (1 ) 2du d x x dx dx = + = X44C Texto digitado X44C Texto digitado © Cálculo II72 Ou simplesmente 2du x dx = , ou seja, 2du xdx= . Podemos, então, substituir: 2(1 )2 x xdx udu+ =∫ ∫ e, como 2 2 uudu c= +∫ , obtemos: 2 2 2 (1 )(1 )2 2 xx xdx c++ = +∫ após retornar a substituição de 2 1 u x= + . Exemplo 3 Vamos calcular 3 (3 2) dx x +∫ . Fazendo a mudança de variável 3 2u x= + , temos a derivada como: (3 2) 3du d x dx dx = + = . Ou simplesmente 3du dx = , ou seja, 3du dx= . Podemos, então, substituir: 3 (3 2) dx du x u = +∫ ∫ e, como du ln u c u = +∫ , obtemos: 3 3 2 (3 2) dx ln x c x = + + +∫ Exemplo 4 Agora, vamos calcular a integral ( )tg x dx∫ . Se lembrarmos que sen xtg x cos x = , podemos reescrever a integral na forma sen xdx cos x∫ . X44C Texto digitado X44C Texto digitado X44C Texto digitado Claretiano - Centro Universitário 73© U2 - Integral Indefinida A partir da substituição de cos x u= , encontramos a sua derivada como du sen x dx = − ou, ainda, como ( )du sen x dx= − . Então, teremos: sen x sen xdx cos x =∫ du u sen x ⋅ −∫ 1 u du−= − ∫ Ou seja: sen x dx ln u C ln cos x C cos x = − + = − +∫ Ou, ainda: – ( tg x )dx ln cos x C= +∫ Integração por parte Como já vimos, toda regra de derivada invertida dá origem a uma regra de integração. Quando nos referimos à operação de multiplicação, podemos pensar da seguinte forma: Se ( ( ) ( )) ' '( ) ( ) ( ) '( )f x g x f x g x f x g x⋅ = ⋅ + ⋅ , então a função ( ) ( )f x g x⋅ é a primitiva da função '( ) ( ) ( ) '( )f x g x f x g x⋅ + ⋅ . Ou seja: ( '( ) ( ) ( ) '( )) ( ) ( ) f x g x f x g x dx f x g x C⋅ + ⋅ = ⋅ +∫ Ou, ainda: ( '( ) ( ) ( ) '( ) ( ) ( ) f x g x dx f x g x dx f x g x C⋅ + ⋅ = ⋅ +∫ ∫ Se isolarmos o termo ( ) '( )f x g x dx⋅∫ , teremos: X44C Texto digitado X44C Texto digitado X44C Texto digitado a ideia é encontrar uma integral mais fácil que a original. pega o bizú X44C Texto digitado X44C Texto digitado X44C Texto digitado X44C Texto digitado © Cálculo II74 ( ( ) '( )) ( ) ( ) ( '( ) ( )) f x g x dx f x g x f x g x dx C⋅ = ⋅ − ⋅ +∫ ∫ De uma forma mais simples, podemos denominar as funções tanto ( ) f x u= quanto ( ) g x v= e, derivando os dois termos, temos: '( )du f x dx = ou, ainda, '( ) f x dx du= e '( ) dv g x dx = , como também '( ) g x dx dv= , tornando a regra, chamada de inte- gração por partes, como udv uv vdu= −∫ ∫ . Portanto, se identificarmos o integrando com duas partes multiplicativas, uma delas como uma função derivada e a outra como uma função original, podemos aplicar a fórmula de integração por partes. Vamos ver alguns exemplos para ilustrar a técnica. Exemplo 1 Calcule a integral indefinida ( )x sen x dx⋅∫ . Se analisarmos a função, podemos simplificar o integrando ao aplicar a regra de integração por partes ao substituir u x= e ( )dv sen x dx= , ficando na forma substituída ( ) x sen x dx udv⋅ =∫ ∫ . De acordo com a regra, – udv uv vdu=∫ ∫ , então precisamos obter a função original de dv e a derivada de u , ou seja: • Se u x= , então du dx= . • Se ( )dv sen x dx= , então integrando ambos os lados, temos: X44C Texto digitado essa integral é difícil de se resolver X44C Texto digitado X44C Linha X44C Linha Claretiano - Centro Universitário 75© U2 - Integral Indefinida ( ) dv sen x dx v cos x = = − ∫ ∫ Então, fazendo as substituições, teremos: udv uv vdu= −∫ ∫ Ou seja: ( ) ( ) x sen x dx x cos x cos xdx⋅ = ⋅ − − −∫ ∫ Sabendo que ( ) cos x dx sen x C= +∫ e simplificando a expressão, teremos: ( ) x sen x dx x cos x sen x C⋅ = − ⋅ + +∫ Você pode perceber que a constante de integração surge no final, pois as constantes que surgem no decorrer do desenvolvimento são canceladas, restando apenas a final C . Assim como os demais resultados, você pode conferir a resposta derivando-a e simplificando-a em seguida. Você verá que o resultado está correto. Exemplo 2 Determine a integral indefinida da função ( )f x ln x= . Então, devemos calcular ln xdx∫ . Para isso, devemos substituir u ln x= e dv dx= , ou seja, udv uv vdu= −∫ ∫ , sendo ln xdx udv=∫ ∫ . Como u ln x= , então –1 du x dx= . Como dv dx= , então dv dx=∫ ∫ . Ou seja, v x= . X44C Texto digitado essa integral ficou bem mais fácil X44C Texto digitado X44C Retângulo X44C Linha X44C Linha X44C Linha X44C Linha X44C Linha X44C Texto digitado X44C Texto digitado pega o bizú X44C Texto digitado © Cálculo II76 Então, udv uv vdu= −∫ ∫ , ou seja, se substituirmos e desenvolvermos passo a passo, teremos: 1 1 1 0 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ln xdx ln x x x x dx ln xdx x ln x x dx ln xdx x ln x x dx ln xdx x ln x dx − − = ⋅ − ⋅ = ⋅ − = ⋅ − = ⋅ − ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ Resolvendo a integral 1dx∫ , teremos: ( ) ln xdx x ln x x C= ⋅ − +∫ Mais uma vez, você poderá fazer a verificação por meio da derivada do resultado da integral, reproduzindo o valor da função ( ) f x ln x= . Exemplo 3 Calcule a integral 3 xx e dx⋅∫ . Para a resolução desta integral, deveremos tratar inicialmente como uma derivada por partes. Ao fazermos as substituições, deveremos resolver uma integral por substituição. Portanto, devemos substituir u v= para obter du dx= . Devemos ainda substituir 3 xdv e dx= ao resolvermos a integral 3 xv e dx= ∫ . Para calcular esta integral, devemos chamar 3w x= , obtendo 3dw dx = , ou, ainda, 3 dw dx= . Claretiano - Centro Universitário 77© U2 - Integral Indefinida Portanto: 3 1 3 3 x w wdwv e dx e e dw= = =∫ ∫ ∫ Então: 31 3 xv e= ⋅ Substituindo na fórmula da integral por partes, teremos: 3 3 3 3 3 3 1 1 3 3 1 1 3 3 x x x x x x udv uv vdu x e dx x e e dx x e dx xe e dx = − ⋅ = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ = − ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ Mas a integral 3xe dx∫ já foi calculada anteriormente, sendo 3 31 3 x xe dx e= ⋅∫ . Então: 3 3 3 3 3 3 1 1 1 3 3 3 1 1 3 9 x x x x x x x e dx xe e x e dx xe e C ⋅ = − ⋅ ⋅ = − ⋅ + ∫ ∫ Mais uma vez, você pode conferir o resultado por meio da derivada do resultado, obtendo o valor contido no integrando. Tabela de integrais São muitas as integrais e as variações dos resultados em virtude das várias técnicas de substituições. Vimos algumas delas, © Cálculo II78 sendo as principais e mais comuns. Outra forma de conhecer a integral de funções variadas é por meio da tabela de integrais. A seguir, colocamos algumas dessas regras, lembrando que não são limitadas a essa quantidade, sendo uma das tabelas de cálculo com maior número de regras. Regras de integração 1) dx dx x C= = +∫ ∫ . 2) adx a dx ax C= = +∫ ∫ . 3) 1 1 n n axax dx C n + = + +∫ . 4) 1 1 x dx dx ln x C x − = = +∫ ∫ . 5) ln xdx xln x x C= − +∫ . 6) x xe dx e C= +∫ . 7) ax ax ee dx C a = +∫ . 8) x x aa dx C lna = +∫ . 9) dy dxy C dx = +∫ . 10) ( ) ... ...u v dx udx vdx± ± = ± ±∫ ∫ ∫ . 11) dy dx dx ln y C y = +∫ . Claretiano - Centro Universitário 79© U2 - Integral Indefinida 12) 2 dy dx dx y C y = +∫ . 13) Integração por partes: udv u v vdu= ⋅ −∫ ∫ . 14) 1 1 dx ln a bx C a bx b = + + +∫ . 15) 2 .ln x x adx a bx C a bx b b = − + + +∫ . 16) 2 2 1 ( ) x xdx ln a bx C a bx b a bx = + + + + + ∫ . 17) 2 2 1 1 2 x adx ln C x a a x a − = + − +∫ . 18) 2 2 1 1 xdx arctg C x a a a = + +∫ . 19) 2 2 2 2 1 dx ln x x a C x a = + + + + ∫ . 20) sen xdx cos x C= − +∫ . 21) cos xdx sen x C= +∫ . 22) 2 sec xdx tg x C= +∫ . 23) 2 cos ec xdx cotg x C= − +∫ . 24) ( )( ) sec x tg x dx sec x C= +∫ . 25) ( )( ) cos ecx cotg x dx cos ecx C= − +∫ . © Cálculo II80 26) tg xdx ln cos x C= − +∫ . 27) cotg xdx ln sen x C= +∫ . 28) sec xdx ln sec x tg x C= + +∫ . 29) cos ecxdx ln cos ecx cotg x C= − +∫ . 8. QUESTÕES AUTOAVALIATIVAS Confira, a seguir, as questões propostas para verificar o seu desempenho no estudo desta unidade: 1) Determine as integrais indefinidas a seguir: a) 8dx∫ b) ( )5x dx∫ c) ( )23x dx∫ d) ( )3x dx∫ e) ( )3 2 3 5 2x x x dx+ − +∫ f) 2 2 x dx x + ∫ g) ( ) u u du+∫ h) 3 2 7x x dx x + − ∫ i) ( )5 3 22 8 3 5x x x dx+ − +∫ j) 3 2 13 2 xx e dx x x − + − ∫ Claretiano - Centro Universitário 81© U2 - Integral Indefinida k) ( )1/2 2/3 3 6x x dx− +∫ l) 2 3( – 5)x x dx∫ m) n) 21 ( 2 )x x dx− −∫ o) 2 33 1x x dx+∫ p) 2 2 1 ( 2 3) x dx x x + + −∫ q) 2 3 2(1 ) x dx x+∫ r) 2 4 1 x dx x+∫ s) 2( )t sent dt∫ t) 2( )w sec w dw∫ u) 5ln xdx∫ Gabarito Confira, a seguir, as respostas corretas para as questões autoavaliativas propostas: 1) a) 8. © Cálculo II82 b) 2 5 2 x c⋅ + . c) 3 3 3 x c⋅ + . d) 4 4 x c+ . e) 4 3 2 3 5 2 4 3 2 x x x x c+ ⋅ − ⋅ + + . f) 2 2 2 x C x − + . g) 32 22 2 3 u u C+ + . h) 3 2 3 x x ln x C+ − + . i) 6 4 3 2 5 3 x x x x C+ − + + . j) 3 222 2 xx x ln x e C−+ + − + . k) 53 322 9 6 3 5 x x x C− + + . l) 2 4( 5) 8 x C− + . m) 2 xe C−− + . n) 2 3/22( 1 ) 3 x C− − + . o) 3 3/22( 1) 3 x C+ + . Claretiano - Centro Universitário 83© U2 - Integral Indefinida p) 2 1( 2 3) 2 x x C −− + − + . q) 3 1(1 ) 3 x C −− + + . r) 2 1/24( 1) x C+ + . s) 21 2 cost C− + . t) ( ) w tgw ln cosw C+ + . u) 5 x ln x x C⋅ − + . 9. CONSIDERAÇÕES Na Unidade 2, definimos primitiva de uma função, estuda- mos a integral indefinida e suas propriedades, além de algumas técnicas de integração. Na Unidade 3, veremos a definição de inte- gral definida e o Teorema Fundamental do Cálculo. 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ÁVILA, G. Introdução ao cálculo. Rio de Janeiro: LTC, 1998. BOULOS, P. Cálculo Diferencial e integral. São Paulo: Pearson Makron Books, 2000. ______. Pré-cálculo. São Paulo: Makron Books, 1999. BOYER, C. B. Cálculo. São Paulo: Atual, 1996. FINNEY, R. L.; WEIR, M. D.; GIORDANO, F. R. Cálculo de George B. Thomas. 11. ed. São Paulo: Addison Wesley, 2009. v. 1. GUIDORIZZI, H. L. Um curso de cálculo. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001. v. 1. HUGHES, D.; GLEASON, A. M. Cálculo. Rio de Janeiro: LTC, 1997. v. 1. LARSON, R. E.; HOSTETLER, R. P.; EDWARDS, B. H. Cálculo com aplicações. Tradução de Alfredo Alves de Farias. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1998. LEITHOLD, L. Cálculo com Geometria Analítica. Tradução de Cyro de Carvalho Patarra. © Cálculo II84 São Paulo: Harbra, 1994. SIMMONS, G. F. Cálculo com Geometria Analítica. Tradução de Seiji Hariki. São Paulo: McGraw-Hill, 1987. STEWART, J. Cálculo. Tradução de Cyro de Carvalho Patarra et al. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2001. SWOKOWSKI, E. W. Cálculo com Geometria Analítica. Tradução de Alfredo Alves de Faria. São Paulo: Makron Books, 1994. THOMAS, G. B. Cálculo. Tradução de Paulo Boschcov. 10. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2002. v. 1. VERAS, L. L. Matemática aplicada à Economia. 2. ed. São Paulo: Atlas, 1995.