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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA PARAÍBA COORDENAÇÃO DE MATEMÁTICA E ESTATÍSTICA CAMPUS JOÃO PESSOA Curso: Engenharia Elétrica Disciplina: Cálculo Diferencial e Integral I Professora: Kalina Aires Material de aula: Integral Definição: Seja )x(fu , onde f é uma função diferenciável. i) A diferencial dx da variável independente x é dx. ii) A diferencial du da variável dependente u é dx).x(fdu . Isto é, dx).x(fdu Exemplos: Determine a diferencial de cada função: 1) 3xu 2 2) )x3(seny Solução: dxx2du Solução: dx)x3cos(3dy Integral indefinida e antiderivadas: Definição: Uma função F é uma antiderivada ou primitiva de f em um intervalo I se )x(f)x(F para todo x em I . Para encontrarmos F(x) usaremos uma antidiferenciação. Exemplo: Determine antiderivadas de 3x4)x(f . Solução: Observe que 4x)x(F , é uma antiderivada de f(x), pois 3x4)x(f)x(F . Observe que existem outras antiderivadas de f(x), como por exemplo: 1x 4 , 5x4 , 10x4 , 12x4 , 4x , 7 2 x 4 , ... De uma forma geral, somando qualquer constante à 4x obtemos uma antiderivada de 3x4)x(f . Desta forma, dizemos que existe “uma família de antiderivadas” de f(x), as quais serão representadas por Cx)x(F 3 , onde C representa uma constante arbitrária. 2 Teorema 1: Se F é uma antiderivada ou primitiva de f em I e se G é uma outra antiderivada de f em I, então: C)x(F)x(G , para alguma constante C e todo x em I. Definição: A notação C)x(Fdx)x(f , onde )x(f)x(F e C é uma constante arbitrária, representa a família de todas as antiderivadas de f(x) em um intervalo I , que também é chamada de integral indefinida de f(x). Temos que: é o símbolo da integral f(x) é o integrando C é uma constante arbitrária dx é a diferencial de f(x) e representa a variável independente que é a variável de integração. Tabela sumária de integrais indefinidas: A tabela a seguir apresenta uma relação com algumas primitivas imediatas. DERIVADA )x(fDx INTEGRAL INDEFINIDA C)x(fdx)x(fDx 1)x(Dx Cxdxdx1 1npara,x 1n x D n 1n x 1n,C 1n x dxx 1n n (Regra da potência) xcos)senx(Dx Csenxdxxcos senx)xcos(Dx Cxcosdxsenx xsec)tgx(D 2x Ctgxdxxsec 2 xseccos)xgcot(D 2x Cxgcotdxxseccos 2 tgx.xsec)x(secDx Cxsecdxtgx.xsec xgcot.xseccos)xseccos(Dx Cxseccosdxxgcot.xseccos x 1 xlnDx Cxlndxx 1 xxx eeD Cedxe xx 2 x x1 1 arcsenxD C)x(arcsendxx1 1 2 2x x1 1 arctgxD C)x(arctgdx x1 1 2 1xx 1 xsecarcD 2 x C)xsec(arcdx1xx 1 2 3 Exemplos: Determine as integrais indefinidas das funções abaixo: a) dxx 5 Solução: Cx 4 1 C 4 x C 15 x dxx 4 415 5 b) dxx Solução: Cx 3 2 C 2/3 x C 12/1 x dxxdxx 2/3 2/312/1 2/1 Teorema: i) C)x(fdx)x(fDx ii) )x(fdx)x(fDx Propriedades: Suponha que f e g sejam funções que possuem antiderivadas em um intervalo I . Então, as seguintes propriedades são válidas: i) dx)x(f.kdx)x(f.k , para qualquer constante k. ii) dx)x(gdx)x(f.dx)x(g)x(f iii) dx)x(gdx)x(f.dx)x(g)x(f Método da substituição de variáveis: Seja f uma função contínua em um intervalo I e considere F uma de suas primitivas nesse intervalo. Então, F’(x) = f(x), para todo x em I. Para uma função g diferenciável, tal que g(x) está no domínio da F, temos que: ).x(g)).x(g(f)x(g)).x(g(F))x(g(F Dessa forma, fazendo )x(gu , temos que dx)x(gdu . Logo, C)u(Fdu)u(fdx)x(g)).x(g(f . Exemplo: Resolva as integrais indefinidas: 4 1) dx3x4 Solução: Fazendo u=4x+3, temos que du = 4dx. Logo, .dxdu 4 1 Assim, .C)3x4( 6 1 Cu. 3 2 . 4 1 C 2 3 u . 4 1 C 1 2 1 u . 4 1 du.u 4 1 du. 4 1 .udx3x4 2 3 2 3 2 3 1 2 1 2 1 2) dx 1x2x 1x 2 Solução: Fazendo 1x2xu 2 , temos que. dx)2x2(du Logo, .dx)1x(du 2 1 Assim, C1x2x.2. 2 1 C 2 1 u . 2 1 C 1 2 1 u . 2 1 duu 2 1 u du2/1 dx 1x2x 1x 22 1 1 2 1 2/1 2 Portanto, C1x2xdx 1x2x 1x 2 2 . 3) dxe x4 Solução: .Ce4 1 due 4 1 dxe x4ux4 dxdu 4 1 dx4dux4u Integral envolvendo a função ln: Para 0)x(gu , temos ).x(g. )x(g 1 )u(D. u 1 |u|lnD xx Logo, .C|u|lnduu 1 C|)x(g|lndx)x(g. )x(g 1 Portanto, C|u|lnduu 1 5 Exemplos: Resolva as integrais abaixo: 1) dx 1e e x x Solução: C1elnC|1e|lnC|u|ln u du dx 1e e xx x x dxedu1eu xx 2) dxtgx Solução: C|xcos|lnC|u|lnu du dx xcos senx dxtgx senxdxdusenxdxduxcosu Aplicando a propriedade 3 de logaritmo, temos C|xsec|lnC xcos 1 lnC|xcos|lnC|xcos|ln 1 Portanto, .C|xsec|lndxtgxouC|xcos|lndxtgx 3) dxxgcot Solução: C|senx|lnC|u|lnu du dx senx xcos dxxgcot dxcosdusenxu 4) dxxsec Solução: 6 Multiplicando-se o integrando por tgxxsec tgxxsec , obtemos . tgxxsec tgx.xsecxsec tgxxsec tgxxsec )x(sec 2 Então, C|tgxxsec|lnC|u|ln u du dx tgxxsec tgx.xsecxsec dxxsec 2. dx)xsectgx.x(secdutgxxsecu 2 Portanto, .C|tgxxsec|lndxxsec 5) dxxseccos Solução: Multiplicando-se o integrando por xgcotxseccos xgcotxseccos , obtemos . xgcotxseccos xgcot.xseccosxseccos xgcotxseccos xgcotxseccos )xsec(cos 2 Então, C|xgcotxseccos|lnC|u|ln u du dx xgcotxseccos xgcot.xseccosxseccos dxxseccos 2. dx)xseccosxgcot.xsec(cosduxgcotxseccosu 2 Portanto, .C|xgcotxseccos|lndxxseccos Integral de funções exponenciais gerais Se a um número real positivo e x um número real, então: alnxx ea , logo, aln.a)a(D xxx . De uma forma mais geral, se u=g(x) e g é diferenciável, então, pela Regra da Cadeia, .uD.aln.a)a(D x uu x . Portanto, 7 i) .Ca.aln 1 dxa xx ii) .Ca.aln 1 dua uu Exemplos: a) .C4.4ln 1 dx4 xx b) .C 8ln 2 C2 2ln3 1 C 2ln 1 .2. 3 1 du.2 3 1 dx2.x 3 33 xxuux2 dxxdu 3 1 dxx3duxu 223 Integral indefinida de funções trigonométricas inversas: As integrais das funções trigonométricas inversas podem ser generalizadas para a>0, como veremos a seguir. Teorema 2: Para uma constante a>0 e uma função u diferenciável, temos: i) C a u arcsendu ua 1 22 Demonstração: du a u 1a 1 du a u 1a 1 du ua 1 2 2 2 2 22 Fazendo .dudv.adu a 1 dv a u v Assim, C a u arcsenC)v(arcsendv v1 1 dv v1a a du ua 1 2222 ii) C a u arctg a 1 du au 1 22 Demonstração: 8 du 1 a u a 1 du 1 a u a 1 du au 1 2 2 2 2 2 22 Fazendo .dudv.adu a 1 dv a u v Assim, C a u arctg a 1 C)v(arctg a 1 dv )1v(a 1 dv )1v(a a du au 1 22222 iii) C a u secarc a 1 du auu 1 22 Demonstração: du 1 a u u.a 1 du 1 a u a.u 1 du auu 1 2 2 2 2 22 Fazendo .dudv.adu a 1 dv a u v Além disso, u = a.v. Assim, C a u arcsen. a 1 C)v(arcsen. a 1 dv 1vv. 1 . a 1 dv 1vv.a a du au.u 1 22222 Exercícios: Resolva as integrais abaixo. a) dx x2 x 4 b) dx xsec1 tgx.xsec 2 c) dx 4xx 1 6 Integral definida: Consideremos a região R do plano, mostrada na Figura 1, delimitada pelo eixo-x, as retas x = a, x = b e a curva de equação y = f(x), onde f(x) é uma função contínua no intervalo [a,b]. Dividindo o intervalo [a,b] em n subintervalos em que: 9 a b R x = x 0 1 x x 2 3x ... x= 7 y 1n21n0 x...,,x,xebx,ax sejam os pontos intermediários, tais que n210 x....,xxx , temos uma partição , onde o comprimento de cada subintervalo kx é dado por: 011 xxx , 122 xxx , 233 xxx , ..., 1kkk xxx , ..., 1nnn xxx . O comprimento do maior subintervalo é chamado norma da partição, e representado por . Considere k1kk x,xc e f(ck) a altura do retângulo que ocupa a k-ésima posição. Sendo assim, temos que a área de cada retângulo é dada por: 111 x).c(fA , 222 x).c(fA , ... , kkk x).c(fA , ... , nnn x).c(fA . A soma das áreas de todos os retângulos é dada por: nn332211 n 1k kk x)c(fx)c(fx)c(fx).c(fx)c(f . A essa soma, denominamos Soma de Riemann. Observe que, à medida que aumentamos o número de subintervalos da partição, ou seja, fazemos a norma da partição tender a zero, a área equivalente a soma das áreas dos retângulos se aproxima da área da região R. Figura 2 10 Definição: A área da região R do plano, delimitada pelo eixo-x, as retas x = a, x = b e a curva de equação y= f(x) é dada por: kk n 1k n n 1k kk 0 x)c(flimx)c(flimA Definição: Seja f definida em um intervalo fechado [a,b]. A integral definida de f, de a até b, denotada por b a dx)x(f é n 0k kk 0 b a x)c(flimdx)x(f , desde que o limite exista. Note que o valor de uma integral definida é um número real; a e b são chamados de limites de integração ( inferior e superior, respectivamente). Teorema Fundamental do Cálculo (T.F.C.) Esse é um dos teoremas mais importantes do Cálculo. Esse teorema estabelece uma conexão entre derivadas e integrais definidas. Essa conexão foi explorada independentemente por Newton e Leibniz. Teorema 3 (TFC): Suponhamos que f é contínua em um intervalo fechado [a,b]. 1ª Parte: Se a função G é definida por x a dt)t(f)x(G para todo x em [a,b], então G é uma antiderivada de f em [a,b]. Ou seja, é possível mostrar que: ).x(f)x(Gdt)t(f)x(G x a Justificativa: Observe que a função x a dt)t(f)x(G pode ser entendida como a área da região na Figura 5. Considerando h > 0, temos que: 11 x a hx a dt)t(fdt)t(f)x(G)hx(G . As funções G(x+h), G(x) e )x(G)hx(G podem ser entendidas como as áreas das regiões mostradas nas Figuras 6,7 e 8, respectivamente: Ou seja, hx x dt)t(f)x(G)hx(G Considerando )hx,x(c , tal f(c) seja a altura do retângulo destacado na Figura 9, temos que a área do retângulo é dada por: h.)c(fA)xhx().c(fA RR . À medida que 0h , xc e a área da região se aproxima da área do retângulo, como mostra a Figura 10. Ou seja, quando 0h , temos que: )x(f h )x(G)hx(G h.)x(f)x(G)hx(G . Em outras palavras, ).x(f)x(G)x(f h )x(G)hx(G lim 0h 12 A 2ª Parte: Se F é qualquer antiderivada de f em [a,b], então ).a(F)b(F)x(Fdx)x(f b a b a Demonstração: Suponha que x a dt)t(f)x(F . Então, pela 1ª parte do TFC, F é uma antiderivada de f. Portanto, a a b a Cdt)t(fCdt)t(f)a(F)b(F b a b a dt)t(fC0Cdt)t(f)a(F)b(F )a(F)b(Fdt)t(f b a Exemplo: Calcule o valor da integral 4 1 dx)2x( . Solução: Faremos de duas formas diferentes: usando o T.F.C. e a Geometria Plana. 1ª forma: Usando o T.F.C. 2 27 CC2 2 1 16C2 2 1 C8 2 16 Cx2 2 x dx)2x( 4 0 2 4 1 . 2ª forma: Usando a geometria plana. A integral 4 1 dx)2x( corresponde a medida da área A da Figura 11. A região representa um trapézio em que: • A base maior B=6 • A base menor b=3 • A altura h = 3. Assim, . 2 27 2 3).36( 2 h).bB( A Figura 11 13 x A1 A2 x f(x) A1 A2 Exemplo: Calcule o valor da integral 2 0 dx)x(sen Solução: Geometricamente, temos: Pelo T.F.C, temos: .0C1C1C)0cos(C)2cos(C)xcos(dx)x(sen 20 2 0 Observações: 1)Note que é desnecessário colocar a constante arbitrária C, visto que ela se anula quando aplicamos o T.F.C.. 2)A integral teve como resultado o número 0. Isso acontece devido ao resultado que veremos a seguir. “Dada uma função y=f(x) contínua em [a,b], podemos entender b a dx)x(f , como sendo a “área líquida” da região do plano, delimitada pelas retas x=a, x=b, o eixo-x e o gráfico de y=f(x)”. Ou seja, 2A1Adx)x(f b a Propriedades da integral definida: 1)Se f e g são funções integráveis e se K é uma constante real, então: b a b a dx)x(f.Kdx)x(f.K)i b a b a b a dx)x(gdx)x(fdx)x(g)x(f)ii b a b a b a dx)x(gdx)x(fdx)x(g)x(f)iii Figura 13 Figura 12 14 a b f(x) xc A1 A2 2)Se f(a) existe, então .0)a(F)a(F)x(Fdx)x(f a a a a Exemplo: .0 2 4 3 8 2 4 3 8 2 x 3 x dx)xx( 2 2 23 2 2 2 3) Se c > d, então c d d c dx)x(fdx)x(f . Exemplo: 1)0(sen)2/(sen)x(nsedx)xcos( 2/ 0 2/ 0 1)2/(sen)0(sen)x(nsedx)xcos( 0 2/ 0 2/ Teorema 4: Se a < c < b e se f é integrável em [a,b], então, ,dx)x(fdx)x(fdx)x(f c a b c b a onde, b c c a .dx)x(f2Aedx)x(f1A Exemplo: Resolva a integral .dx|2x|4 1 Temos que: 2x02xse,2x 2x02xse,2x 2x Sendo assim, 4 1 2 1 4 2 2 1 4 2 dx)2x(dx)2x(dx|2x|dx|2x|dx|2x| Logo, . 2 5 20 2 3 242882 2 1 42x2 2 x x2 2 x dx|2x| 4 2 2 2 1 2 4 1 Teorema 5: Seja f contínua em [a,b]. Se bca , então, para todo x em [a,b], x cx ).x(fdt)t(fD Figura 13 15 Demonstração: ).x(f0)x(f)c(FD)x(FD)c(F)x(FDdt)t(fD x c xxxx Exemplo: Resolva: x 2 2 x dttD)a Solução: Neste caso, f(t) = t2. )x(fx0 3 x3 3 8 3 x D 3 t DdttD 2 23 x x 2 3 x x 2 2 x x 1x dt t 1 D)b Solução: Neste caso, f(t) =1/t. )x(f x 1 dt t 1 D x 1x A Função Logarítmica Natural Definição: A função logarítmica natural, denotada por ln, é definida como dt t 1 xln x 1 para todo x>0. Faremos a seguir, algumas considerações importantes: • A restrição x > 0 é necessária porque, se 0x , o integrando tem uma descontinuidade infinita entre x e 1,como mostra a Figura 14, e assim, a integral dt t 1x 1 não existe. • Se x = 1, temos que 0dt t 1 1ln 1 1 . 16 • Se x >1, a integral definida pode ser interpretada como sendo a área da região sob o gráfico de t 1 )t(f de t = 1 a t = x , como mostra a Figura 15. • Se 0< x< 1, a área A é dada por Axlnxlndt t 1 dt t 1 A x 1 1 x . Ou seja, o lnx é o negativo da medida da área A, e como A > 0 temos o lnx < 0 para 0 < x < 1 (Figura 16). Aplicação de integral definida: área entre curvas : Se f e g são funções contínuas e )x(g)x(f para todo x em [a, b], então a área A da região delimitada pelos gráficos de f e g, x = a e x = b é denominada região xR e é obtida por: b a b a b a dx)]x(g)x(f[dx)x(gdx)x(fA Esta fórmula também pode ser usada se f ou g são negativas para algum x em [a, b]. Neste caso, escolhe-se um número negativo d inferior ao valor mínimo de g em [a, b]. Em seguida, consideram-se as funções 1f e 1g , definidas como segue: d)x(f)x(f1 e d)x(g)x(g1 Ou seja, deslocando-se verticalmente os gráficos de f e g de uma distância |d|. 17 b a b a b a 11 dx)]x(g)x(f[dx]d)x(g[]d)x(f[dx)]x(g)x(f[A Exemplo: Esboce a região delimitada pelos gráficos das equações 2x3)x(f e x3)x(g e calcule sua área. Solução: Os pontos de interseção dos dois gráficos são obtidos como segue. Substituindo-se x3y na outra equação, tem-se: .1xou0x0xx3x3x 22 Os pontos de interseção são: )2,1(e)3,0( e os gráficos estão na Figura 20. Portanto, 1 0 2 1 0 dx)]x3(x3[dx)]x(g)x(f[A 1 0 231 0 2 2 x 3 x dx)xx(A )00( 2 1 3 1 A 6 1 A Em algumas situações faz-se necessário determinar a área de regiões entre curvas de equações da forma )y(gxe)y(fx , contínuas para dyc , como mostra a Figura 21. Neste caso, os papéis de x e y são invertidos, admitindo-se y como variável independente e x como a variável dependente e a região é denominada região yR . 18 A área da região é obtida por: d c d c d c dy)]y(g)y(f[dy)y(gdy)y(fA Exemplo: Determine a área da região delimitada pelas curvas de equações y4yx 2 e 2yy2x . Solução: As curvas se interceptam nos pontos )3,3(e)0,0( . 3 0 22 dy)]y4y()yy2[(A 3 0 22 dy)]y4y()yy2[(A 3 0 3 23 0 2 y 2 y dy)y3y(A 3 0 3 23 0 2 y 2 y dy)y3y(A 263A2729A . Bibliografia: SWOKOWSKI, Earl W., Cálculo com Geometria Analítica – volume 1, Makron Books, São Paulo – SP LEITHOLD, Louis, O Cálculo com Geometria Analítica – volume 1, Harbra, São Paulo – SP. STEWART, James, Cálculo : volume 1-Cengage Learning, 2009, São Paulo-SP.
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