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UNIANCHIETA Centro Universitário Padre Anchieta Material de apoio pedagógico elaborado para a disciplina de Cálculo II, do curso de Engenharia Civil e Eletrônica. CÁLCULO II 2016 Prof. Ms. Tetsuo Araki 2 Sumário 1. Limite e Continuidade .................................................................................................... .......................... 4 1.1 Noção intuitiva de limite................................................................................................................... 4 1.2 Tabela de aproximações ............................................................................ ....................................... 5 1.3 Definição intuitiva de limite(para um caso geral) ............................................................................ 6 1.4 Cálculo de uma indeterminação do tipo 0 0 ...................................................................................... 7 1.5 Algumas fórmulas que auxiliam as simplificações nos cálculos dos limites ................................... 8 1.5.1 Produtos notáveis ................................................................. ................................................. 8 1.5.2 Fatoração .................................................................................................... ........................... 9 1.6 Unicidade do limite e principais propriedades ................................................................................. 9 2. Derivadas................................................................................................................................................ 10 2.1 Taxa Média de Variação de uma Função y = f(x) no intervalo [a, b]............................................. 10 2.2 Conceito de Derivada de uma Função em um Ponto..................................................................... 10 2.3 A reta tangente............................................................................................................................... 12 2.4 Função Derivada............................................................................................................ ................ 13 2.5 Derivadas Elementares................................................................................................................... 15 2.6 Regra da Cadeia............................................................................................................ ................. 21 2.7 Algumas Regras de Derivação para Funções Compostas.............................................................. 22 2.8 Derivadas Sucessivas................................................................................................................. .... 23 2.9 Aplicações da Derivada.................................................................................................................. 24 2.10 Máximos e Mínimos Relativos ou Locais.....................................................................................26 2.11 Estudo do Sinal da Derivada Segunda......................................................................................... 27 2.12 Diferencial.................................................................................................................................... 30 3. Integrais................................................................................................................................................... 32 3.1 Primitiva.......................................................................................................................................... 32 3.2 Integral Indefinida.......................................................................................................................... 32 3.3 Fórmulas Básicas de Integração..................................................................................................... 34 3.4 Integral Definida............................................................................................................................ 35 3.5 Área sob o gráfico de uma função contínua positiva. ................................................................... 36 3.6 Área da figura plana limitada pelo gráfico de f, pelas retas x = a, x = b e o eixo x, onde f é contínua e f(x)≤ 0, x [a, b]......... ................................................................................................... 38 3 3.7 Cálculo da área da figura plana limitada pelos gráficos de f e g, pelas retas x = a e x = b, onde f e g são funções contínuas em [a, b] e f(x) g(x), x [a, b]................................................................. 38 3.8 Métodos de Integração....................................................................................................................41 3.8.1 Regra da Substituição............................................................................................................ 41 3.8.2 Integração por Partes ............................................................................................................. 42 3.8.2 Frações Parciais..................................................................................................................... 44 3.8.3 Integração por Frações Parciais............................................................................................. 45 3.8.4 Uso das Fórmulas de Integração em Tabelas. ...................................................................... 49 Tabela de Integrais ..................................................................................................................................... 51 Respostas dos Exercícios............................................................................................................. ............... 55 Referências Bibliográficas.......................................................................................................................... 57 4 1. Limite e continuidade 1.1 Noção intuitiva de limite Considere a função f(x) = x2 – 1. Esta função está definida para todo x R, isto é, qualquer que seja o número real xo, o valor de f(xo) está definido. Exemplo 1. Se xo = 2, então f(xo) = 2 2 – 1 = 3. Dizemos que a imagem de xo = 2 é o valor f(2) = 3. Graficamente: Considere agora uma outra função g(x) = 1 12 x x . Esta função está definida para x -{1}. Isto significa que não podemos estabelecer uma imagem quando x assume o valor 1. g(1)= ???? 0 0 11 112 Quando dividimos a por b procuramos um número c tal que o produto bc resulte em a. .abcc b a Por exemplo, 62.32 3 6 Se fizermos 0.0 0 0 xx , para qualquer valor de x , isto é, infinitos valores de x. Daí a indeterminação no valor de x. 5 0 0 simboliza uma indeterminação matemática. Outros tipos de indeterminações matemáticas serão tratados mais adiante. Como a variável x não pode assumir o valor 1 na função g, vamos estudar o comportamento desta função quando x está muito próximo de 1, em outras palavras, queremos responder a seguinte pergunta: Qual o comportamento da função g quando x assume valores muito próximos(ou numa vizinhança) de 1, porém diferentes de 1? A princípio o estudo do limite visa estabelecer o comportamento de uma função numa vizinhança de um ponto(que pode ou não pertencer ao seu domínio). No caso da função f, qualquer valor atribuído a x determina imagem única, sem problema algum. Mas, na função g, existeo ponto x = 1 que gera a indeterminação. Estudemos os valores da função g(x) = 1 12 x x quando x assume valores próximos de 1, mas diferente de 1. Para isto, vamos utilizar as tabelas de aproximações. Observação: Podemos nos aproximar do ponto 1: Por valores de x pela direita: Por valores de x pela esquerda: 1.2 Tabela de aproximações As tabelas de aproximações são utilizadas para aproximar o valor da imagem de uma função(se existir) quando a variável x se aproxima de um determinado ponto. Atribuindo a x valores próximos de 1, porém menores(pela esquerda) do que 1: (tabela A) x 0 0,5 0,75 0,9 0,99 0,999 0,9999 g(x) 1 1,5 1,75 1,9 1,99 1,999 1,9999 6 Atribuindo a x valores próximos de 1, porém maiores(pela direita) do que 1: (tabela B) x 2 1,5 1,25 1,1 1,01 1,001 1,0001 g(x) 3 2,5 2,25 2,1 2,01 2,001 2,0001 Observe que podemos tornar g(x) tão próximos de 2 quanto desejarmos, bastando para isso tomarmos x suficientemente próximo de 1. De outra forma, convencionaremos: “O limite da função g(x) quando x se aproxima de(tende a) 1 é igual a 2” Simbolicamente escrevemos: 2 1 1 2)(lim 2 11 x x imlouxg xx Observação: Os dois tipos de aproximações que temos nas tabelas A e B são chamados de limites laterais. Quando x tende a 1 por valores menores que 1(tabela A), dizemos que x tende a 1 pela esquerda, e denotamos simbolicamente por x 1-. Temos então que: 2 1 1 2)(lim 2 11 x x imlouxg xx Quando x tende a 1 por valores maiores que 1(tabela B), dizemos que x tende a 1 pela direita, e denotamos simbolicamente por x 1+. Temos então que: 2 1 1 2)(lim 2 11 x x imlouxg xx 1.3 Definição intuitiva de limite(para um caso geral) Seja f uma função definida num intervalo I contendo a, exceto possivelmente no próprio a. Dizemos que o limite de f(x) quando x se aproxima de a é L , e escrevemos 7 Lxf ax )(lim , se, e somente se, os limites laterais à esquerda e à direita de a são iguais à L. Caso contrário, dizemos que o limite não existe. Ainda com relação à função 1 1 )( 2 x x xg , podemos concluir que 2 1 12 1 x x iml x , pois os limites laterais são iguais a 2. Será necessário sempre construir tabelas de aproximações para determinar o limite de uma função, caso exista? Não! Há uma forma bem mais simples, como veremos a seguir. 1.4 Cálculo de uma indeterminação do tipo 0 0 Sempre que nos deparamos com uma indeterminação do tipo 0 0 , devemos simplificar a expressão da função envolvida. Logo após, calculamos o limite da função substituindo, na expressão já simplificada, o valor de x. Exemplo 2. Determine )( 1 xgiml x , onde 1 1 )( 2 x x xg Observe que substituindo x por 1 na função g(x) obtemos 0 0 que é uma indeterminação matemática! Quando a variável x está cada vez mais próxima de 1, a função g está cada vez mais próxima de quanto? Devemos então simplificar a expressão da função g e depois fazer a substituição direta. 2)1( lim )1( )1)(1( lim 1 1 11 2 1 x x xx x x iml xxx Chegamos a mesma conclusão de análise feita pelas tabelas de aproximações, porém de uma forma mais rápida e sistemática. Não mais utilizaremos as tabelas de aproximações para casos semelhantes a este!! 8 Vale lembrar que a expressão 2 1 12 1 x x iml x significa que 1 1 )( 2 x x xg está tão próxima de 2 assim com x está suficientemente próximo de 1, porém diferente de 1. Graficamente podemos verificar isso. Gráfico da função 1 1 )( 2 x x xg , x 1. Exemplo 3. Determine 123 8 2 3 2 x x iml x (observe a indeterminação matemática 0 0 no ponto x = 2) 1 )2(3 )42( )2)(2(3 )42)(2( )4(3 )42)(2( 123 8 2 2 2 22 2 22 3 2 x xx iml xx xxx iml x xxx iml x x iml xxxx Constate através das tabelas de aproximações que se x 2, então 123 8 2 3 x x y 1 1.5 Algumas fórmulas que auxiliam as simplificações nos cálculos dos limites 1.5.1 Produtos notáveis 1) Quadrado da soma: (a + b)2 = a2 + 2ab + b2 2) Quadrado da diferença: (a - b)2 = a2 - 2ab + b2 3) Produto da soma pela diferença: (a + b)(a – b) = a2 – b2 4) Cubo da soma: (a + b)3 = a3 + 3a2b + 3ab2 + b3 5) Cubo da diferença: (a - b)3 = a3 - 3a2b + 3ab2 - b3 9 1.5.2 Fatoração 6) Fator comum: ax ay = a(x y) 7) Diferença de quadrados: a2 – b2 = (a + b)(a – b) 8) Trinômio do 2º grau: ax2 + bx + c = a(x – x1)(x – x2) 9) Soma de cubos: a3 + b3 = (a + b)(a2 - ab + b2) 10) Diferença de cubos: a3 - b3 = (a - b)(a2 + ab + b2) 1.6 Unicidade do limite e principais propriedades 10 )24(lim 1 x x 0 xse,1 0 x ,1 )(),(lim 2 2 0 x sex xfxf x Exercícios Calcule os limites indicados. 1) )2x4(lim 3x 6) 2) x x coslim 0 7) senx x 4 lim 3) 2 4 lim 2 2 x x x 8) x xxx x 32 lim 23 0 4) 1 1 lim 3 1 x x x 9) 10 1000 lim 3 10 x x x 5) 0 xse,0 0 x ,12 )(),(lim 2 0 sex xfxf x 10) 2. Derivadas 2.1 Taxa Média de Variação de uma Função y = f(x) no intervalo [a, b] Suponhamos que a função y = f(x) seja definida no intervalo [a, b]. Quando a variável passa do valor a para o valor b variando ∆x = b – a, os valores da função y = f(x) passam de y = f(a) para y = f(b), variando ∆y = f(b) – f(a). A razão entre ∆y e ∆x é chamada taxa média de variação. TMV = x y Exemplos: a) Vamos calcular e interpretar o valor da taxa média de variação da função y = x2 + 1 no intervalo [1, 2] ∆x = 2 – 1 = 1 ∆y = f(2) – f(1) = 5 – 2 = 3 11 TMV = x y = 1 3 = 3 No intervalo [1, 2], a função y = x2 + 1 está crescendo em média, 3 unidades para cada unidade acrescida em x. b) idem para a função y = -x2 + 4, no intervalo [1, 1.5] ∆x = 1.5 – 1 = 0.5 ∆y = f(1.5) – (1) = [-(1.5)2+4]-[-12+4]= 1.75 – 3 = -1.25 TMV = x y = 25,0 5 25,1 No intervalo [1, 1.5], a função y = -x2+4 decresce, em média, 0,25 para cada unidade acrescida em x. 2.2 Conceito de Derivada de uma Função em um Ponto Um modo de calcular a taxa média de variação bem próxima de um ponto p é calcular a taxa média de variação no intervalo de extremos p e x, e fazer x aproximar-se de p pelo processo de limite. Esse limite, se for um número real, será chamado de derivada da função y = f(x) no ponto p e será denotado por y’(p) ou f ‘(p). Exemplo Queremos estudar o comportamento da função y = x2 + 4 próximo ao ponto p = 3. Para isso, vamos calcular a taxa média de variação no intervalo de extremos 3 e 3 + x. a =3 b = 3 + x ∆y = f(3 + x) – f(3) = [(3+x)2 + 4] – (32 + 4) = 9 + 6x + (x)2 + 4 – 13 = 6x + (x)2 12 6x6 0x lim x6 0x lim TMV = x y = x x xx 6 )(6 2 Como queremos o comportamento da TMV próximo ao ponto p = 3, devemos calcular o limite Então: Portanto, o valor do limite é 6 e dizemos que a derivada de y = x2 + 4 no ponto p = 3 vale 6, e indicamos y’(3) = 6 (ou f ’(3)=6) e podemos interpretar da seguinte forma: próximo ao ponto p = 3, a tendência da função é crescer 6. Como calculamos a taxa média de variação próximo ao ponto p = 3, ou seja, ∆x tendendo a zero, podemos considerar f ‘(3) = 6 como sendo a Taxa de Variação Instantânea. 2.3 A reta tangente Seja s a reta secante que passa por P e Q. Então, a inclinação da reta s(ou coeficiente angular de s) é x y tg . Suponhamos agora que, mantendo P fixo, Q se mova sobre a curva em direção a P. Diante disto, a inclinação da reta secante s variará. À medida que Q vai se aproximando cada vez mais de P, a inclinação da secante varia cada vez menos, tendendo para um valor limite constante. Esse valor limite é chamado inclinação da reta tangente (t) à curva no ponto P. 13 4 )4( lim 4)(44 lim ]42[]4)2[( lim )2()2( lim 0 2 0 22 00 x xx x xx x x x fxf xxxx Podemos, então, considerar a inclinação da reta tangente (t) como uma taxa de variação instantânea obtida através do cálculo de x f(x)-x)f(x 0x lim . Por outro lado, vimos que esse limite representa a derivada da função no ponto P. Então, podemos concluir que a derivada da função no ponto P representa a inclinação da reta tangente a f(x) no ponto P. Exemplo Vamos encontrar a inclinação da reta tangente à curva y = x2 – 4 no ponto P = 2. tg = Agora, vamos encontrar a equação dessa reta tangente. Sabemos da geometria analítica, que a equação da reta é dada por y - yo = m(x – xo), onde m é a inclinação e (xo, yo) é um ponto pertencente à reta. Sendo P(2, 0) esse ponto da reta t, temos: y – 0 = 4(x – 2) y = 4x – 8, que é a equação da reta t, tangente a f(x) = x2 – 4 em x = 2 2.4 Função Derivada Como vimos anteriormente, a derivada de uma função f(x) em um ponto x pode ser, por exemplo, interpretada como sendo a taxa média de variação próxima a esse ponto, e que podemos interpretar como sendo a taxa de variação instantânea, pois estamos considerando uma pequena variação em x. 14 O cálculo da derivada de uma função em um ponto, como fizemos no item anterior, pode ser repetido para todos os pontos do domínio de uma função. Desta forma, para cada ponto x onde é possível calcular o valor da derivada y’ = f ’(x), teríamos os pares (x, f ‘ (x)). Considerando uma função f(x), temos: h f(x)-h)f(x lim)( 0 ' h xf , que é a derivada da função f(x) calculada com o conceito de limite, sendo ∆x = h Por exemplo, vamos calcular a derivada da função f(x) = x2 – 4, usando o conceito de limite. h xhxhx h xhx xf hhh 442 lim )4(4)( lim h f(x)-h)f(x lim)( 222 0 22 00 ' xhx h hxh h xhxhx hhh 2)2(lim 2 lim 442 lim 00 222 0 Logo, f ‘(x) = 2x Se quisermos calcular a derivada da função f(x) = x2 – 4 no ponto x = 3, basta calcular f ‘(3) = 2.3 = 6. De forma análoga, para x = 2, temos: f ‘(2) = 2.(2) = 4 Exercícios 1) Calcular o valor da taxa média de variação da função nos intervalos: a) y = 3x + 10 [2, 5] b) y = 10x – x2 [0, 2] c) y = 3x [1, 3] 2) Utilizando o conceito de limite, calcule a derivada das funções: a) y = x2 + 1 b) y = 4x2 15 2.5 Derivadas Elementares Vamos agora determinar as derivadas de algumas funções elementares, às quais recorreremos mais tarde no cálculo de outras mais trabalhosas (com ajuda das propriedades operatórias que estudaremos adiante) Derivada da Constante Derivada da Identidade Derivada da Potência Exemplos Derivada da Soma Exemplos 16 5 2 34 3 9 6243)()3 1 2 4234)()2 2 1 2 1)()1 2 236 2 23 23 xx2x f(x) 6) xxxxf x 4 x f(x) 5) xxxxf x -2xf(x) 4) xxxxf 3 4 2 Derivada do Produto de uma Constante por uma Função Exemplos Exercícios Determine a derivada de cada função abaixo. Derivada do seno 17 Exemplos Exemplos 18 121cos2)()5 2 x2 2 x x x f(x) 10) xsenxxf 2lnx 1 f(x) 9) senx-cosx f(x) 4) xlog f(x) 8) cosx - 3senx f(x) 3) 2.3 f(x) 7) cosx 4 f(x) 2) 10ef(x) 6) 2senx f(x) 1) Exemplos Exercícios Obtenha a função derivada da função dada. 19 Exemplos 20 Exemplos Exercícios Derive as funções dadas )cos()()7 )ln(2)()6 )ln1()()5 1 cos)()4 1 )()3 2)()2 cos 2 2 2 xsenxexf xexxf xxxf xx 2 f(x) 11) xsenxxxf 1x xx f(x) 10) exxf x 1 f(x) 9) xexf x 1-2x f(x) 8) xx f(x) 1) x x 2 2 x 3 x 2 2 21 dx du du dy dx dy . dx du du dy dx dy . dx du du dy dx dy . 2.6 Regra da Cadeia Se y = g(u) e u = f(x) e as derivadas dy/du e du/dx existem, então a função composta y = g[f(x)] tem derivada que é dada por ou y’(x) = g ’(u). f ’(x). Exemplos Dada a função composta y = (x2 + 5x + 2)7, determine dy/dx. Considerando u = (x2 + 5x + 2), temos: = 7u6.(2x + 5) = 7(x2 + 5x + 2)6(2x + 5) Vamos derivar a função composta y = sen(3x2). = cos u . 6x = cos(3x2).6x Resumindo, observe que as funções simples, como os polinômios, a potência, o logaritmo e a exponencial, podem ser compostas, fornecendo outras funções mais complexas. Veja, na tabela abaixo, alguns exemplos comparativos. Funções Simples Funções Compostas y = ex y = e4x+3 y = x3 y = (5x + 2)3 y = ln x y = ln(x2 + 3x) 22 )(')].([)(')](cos[ xvxvsenxfxvxf )('.ln.)(' )()( xvaaxfaxf xvxv )(')].(cos[)(')]([ xvxvxfxvsenxf )(. ln)( 1 )(')]([log ' xv axv xfxvxf a Para derivarmos as funções compostas, utilizamos a Regra da Cadeia,que consiste em usarmos as mesmas regras apresentadas para as funções simples e multiplicarmos pela derivada da função que aparece no lugar da variável da função elementar. Agora, vamos derivar as funções compostas apresentadas na tabela anterior. 223 3434 22 2 )25(155.)25.(3)(')25()( .4)(')( 3 32 )32.( 3 1 )(')3ln()( xxxfxxf exfexf xx x x xx xfxxxf xx 2.7 Algumas Regras de Derivação para Funções Compostas a) )('.)()(')( 1 xvxvnxfxvxf nn b) c) d) e) 23 Exercícios Utilizando a Regra da Cadeia, calcule a derivada das seguintes funções: 1x f(x) d) )1xx()x(f)b e f(x) c) 1x 1 f(x) a) 3) cos3x sen3x f(x) d) x 2 sen f(x) b) 2x cos f(x) c) x4sen)x(f)a )2 xcosxsen f(x) d) (senx) f(x) )b xcos f(x) c) )3x2(x f(x) a) 1) 222 senx 2 335 552 2.8 Derivadas Sucessivas Seja f uma função derivável definida num certo intervalo. A sua derivada f ’ é também uma função, definida no mesmo intervalo. Podemos, portanto, pensar na derivada da função f ’. Definição: Seja f uma função derivável. Se f ’ também for derivável, então a sua derivada é chamada derivada segunda de f e é representada por f ”(x)(lê-se f-duas linhas de x). Exemplos Se f(x) = 3x2 + 8x + 1, então f ’(x) = 6x + 8 e f ”(x) = 6 Se f(x) = sen(4x), então f ’(x) = 4cos(4x) e f ”(x) = -16sen(4x). 24 Exercícios Calcule f ’(x), f ”(x) e f ’’’(x) em cada caso. 1) f(x) = 3x5 + 8x2 2) f(x) = e5x 3) f(x) = cos(3x) 4) f(x) = ex 2.9 Aplicações da Derivada 25 26 2.10 Máximos e Mínimos Relativos ou Locais 27 2.11 Estudo do Sinal da Derivada Segunda 28 Resumindo, o procedimento que adotamos para determinarmos o(s) ponto(s) crítico(s) de f(x) e, em seguida, classificarmos como ponto de Máximo ou Mínimo Relativo, é conhecido como Critério da 2ª derivada, que é aplicada seguindo os seguintes passos: a) Calcular a primeira derivada. b) Calcular os pontos que anulam a primeira derivada, ou seja, determinar o(s) ponto(s) crítico(s). c) Calcular a segunda derivada. d) Calcular o valor da segunda derivada no ponto candidato. e) Classificar o(s) ponto(s) crítico(s): Se f ”(xo) < 0, xo é um ponto de máximo local. Se f ”( xo) > 0, xo é um ponto de mínimo local. Se f ”( xo) = 0, xo é um ponto de inflexão. 29 Exercícios Nos exercícios 1 ao 4, determine os pontos críticos das funções e classifique-os: 1) y = x2 + 1 2) y = x3 – 12x + 120 3) y = 6x 2 5x 3 x 23 4) y = 12 x x 5) Seja uma caixa sem tampa, com formato de um bloco retangular, com base quadrada e volume de 10 m3. Quais as dimensões da caixa para que ela tenha área superficial mínimo? 6) Desejamos montar uma caixa de papelão com tampa, com formato de um bloco retangular, utilizando 24 cm2 de material. Esta caixa deve ter base quadrada. Quais as dimensões da caixa para que ela tenha volume máximo? 7) Em uma empresa, há 30 m de tela para delimitar uma área retangular para a instalação de uma nova linha de produção. Utilizando uma parede já existente, qual é a maior área que podemos obter? 30 2.12 Diferencial Sejam y = f(x) uma função derivável e x um acréscimo de x. Definimos: a) a diferencial da variável independente x, denotada por dx, como dx = x. b) a diferencial da variável dependente y, denotada por dy, como dy = f ’(x). x De acordo com a definição anterior, podemos escrever dy = f ’(x).dx ou dy/dx = f ’(x). Assim, a notação dy/dx pode ser considerada um quociente entre duas diferenciais. Exemplos 1) Se y = 2x2 – 6x + 5, calcule o acréscimo y para x = 3 e x = 0,01. Usando a definição de y, escrevemos: y = f(3 + 0,01) – f(3) = [2.(3,01)2 – 6.(3,01) + 5] – [2.32 – 6.3 + 5] = 0,062 2) Se y = 6x2 – 4, calcule y e dy para x = 2 e x = 0,001. y = f(2 + 0,001) – f(2) = 0,024006 dy = f ‘(x). x = 12x. x = 12.2.0,002 = 0,024. 31 Observamos que a diferença y – dy = 0,000006 seria menor caso usássemos um valor menor que 0,001 para x. 3) Calcule um valor aproximado para 3 5,65 usando diferenciais. Seja y = f(x) a função definida por f(x) = 3 x Escrevemos: y + y = 3 x x e dy = dx x 3 2 3 1 Fazemos x = 64 e x = 1,5, pois 64 é o cubo perfeito mais próximo de 65,5. Assim, x + x = 65,5 e dx = x = 1,5 e 03125,05,1. )64.(3 1 3 2 dy Então, 03125,403125,045,1645,65 333 yyxx Exercícios 1) Encontrar y – dy das funções dadas. a) y = 3x2 – x + 1 b) y = x2 2) Encontrar y e dy para os valores dados. a) 22 1 x y ; x = 0,001; x = 1 b) y = 5x2 – 6x; x = 0,02; x = 0 32 3) Calcular a diferencial das seguintes funções: a) y = ln(3x2 – 4x) b) xe x y 1 c) )65( 2 xseny 4) Calcule um valor aproximado para as seguintes raízes, usando diferencial. a) 50 b) 3 5,63 3. Integrais Consideremos uma função real f contínua num intervalo I. Definimos: 3.1 Primitiva Uma primitiva de f em I é uma função F, derivável em I, tal que F’(x) = f(x), Ix Exemplos: Dada f(x) = 3x2, são primitivas de f(em R): F(x) = x3, G(x) = x3 + 1, H(x) = x3 – 3, etc. , pois F’(x) = 3x2, G’(x) = 3x2, H’(x) = 3x2. Dada f(x) = cosx, são primitivas em f (em R): F(x) = senx, G(x) = senx+ 1, H(x) = 2 + senx, etc. , pois F’(x) = cosx, G’(x) = cosx, H’(x) = cosx. 3.2 Integral Indefinida Qualquer solução y = F(x) resultante da realização do processo de integração é chamada uma antiderivada. Por exemplo, y = 2x5 + 9 é uma antiderivada de 10x4. F(x) é uma antiderivada para uma dada função f(x) se ).()( xfCxF dx d 33 xx dx d 22 Cxdx xdxxf 22)( Usando qualquer antiderivada, F(x), para uma dada função f(x), F(x) + C é uma solução geral, isto é, ).()( xfCxF dx d Esta solução geral é chamada a Integral indefinida de f(x), onde f(x) é chamada a integral. É costume usar o seguinte simbolismo para a integral indefinida: CxFdxxf )()( , onde C é chamada constante de integração. F(x) + C pode ser considerada como pertencente à família de todas as curvas cujas derivadas para qualquer x dado são todas iguais às outras. Exemplo. Determinar a integral indefinida para f(x) = 2x. Como , temos Isto é uma família de parábolas y = x2 + C 3.3 Fórmulas Básicas de Integração Assim como existem fórmulas básicas de diferenciação, existem fórmulas básicas de integração. Isto torna o processo de integração mais fácil de realizar. 12 xy 2xy 12 xy 22 xy 2c 1c 1c 0c 34 Cdxxfkdxxkf aa C a a dxa Csenxxdx Cxsenxdx Cxdx x dxx C n x dxx Ckxdx k x x n n )()()7 )1,0( ln )6 cos)5 cos)4 ln 1 )3 1 )2 )1 1 1 dx)x(gdx)x(fdx)x(g)x(f)14 Cxlogdx alnx 1 )13 Cedxe)12 Ctgxxdxsec)11 Cxcos arcdx x1 1 )10 Ctgx arcdx x1 1 )9 Csenx arcdx x1 1 )8 a xx 2 2 2 2 C n x dxx n n 1 1 , com n ≠ -1 Exemplo. C x dxx 17 17 16 dxxgdxxfdxxgxf )()()()( Exemplo. C xx dxxx 34 )( 34 23 Cdxxfkdxxkf )()( Exemplo. Cx x dxxdxx 4 4 33 3 4 .121212 Eis uma tabela de integrais simples: 35 dxxsenx dxx dx x x dxx dxxx dxxx dxxx )cos()7 )6 1 )5 2 1 2)4 6)3 254)2 12)1 2 3 2 2 dx senx dx dx x dx senx dxe dx x x dxx x x 3 2 )14 2)13 cos4)12 2)11 3)10 1 )9 4)8 2 2 3 b a aFbFdxxf )()()( )()()())( aFbFxFdxxf b a b a 482.3 3 2 5.3 3 5 3 3 )3( 33 5 2 35 2 2 x x dxx Exercícios Obtenha: 3.4 Integral Definida Denominamos integral de f e indicamos b a dxxf )( (leia: integral de a a b de f(x)dx), ao número real dado por: onde F é uma primitiva qualquer de f. Também indicamos: Exemplo. 36 )( )()( )(.)()( xf h tFhtF xfhtFhtF )()( tFhtF )(xf x 3.5 Área sob o gráfico de uma função contínua positiva Consideremos dois reais a e b, a < b, e uma função real contínua tal que f(x) ≥ 0 para todo real x pertencente ao intervalo [a, b]. Queremos calcular a área S da região limitada pelo gráfico de f, o eixo x e as retas x = a e x = b. Vamos representar por F(t) a área da região limitada pelo gráfico de f, o eixo x e as retas x = a e x = t, onde t pertence ao intervalo [a, b]. Temos, por exemplo, F(a)=0 e F(b)=S. Observemos que representa aproximadamente a área de um retângulo de base h e altura igual a , onde é um ponto entre t e t + h. Assim: 37 x )(xf )( )()( lim)(' 0 tf h tFhtF tF h b a aFbFdxxfS )()()( .. 3 14 0 3 0 2 3 2 3 )1( 33 2 0 32 0 2 aux x dxxS Fazendo h tender a zero tende a t e, então, tende a f(t). Decorre que F é derivável em x = t e que . Portanto, F é derivável e sua derivada é F’ = f. Concluindo, para calcular a área S devemos descobrir uma função F cuja derivada é f e tal que F(a) = 0. Neste caso, S = F(b). Por exemplo, vamos calcular a área da região limitada pela curva y = 3x2, o eixo x e as retas x = 1 e x = 2. Temos f(x) = 3x2 e uma função F tal que F’ = f e F(1) = 0, é F(x) = x3-1. Assim, a área S = F(2) = 23 – 1 = 7. Mas, observe que 718123 33213 2 1 2 xdxx , ou seja, para calcular a área da região acima do eixo x, limitada pela curva contínua f(x) e a retas x = a e x = b, basta resolvermos a integral definida(de a até b). Outro exemplo. Calcular a área limitada pela curva y = x2 + 1, o eixo x, o eixo y e a reta x = 2. 38 )()()( bFaFdxxfR b a ..3232 3 )2( )2.(4[] 3 2 2.4[ 3 4)4( 33 2 2 32 2 2 au x xdxxR b a dxxgxfS )()( 3.6 Área da figura plana limitada pelo gráfico de f, pelas retas x = a, x = b e o eixo x, onde f é contínua e f(x)≤ 0, x [a, b] Exemplo Calcular a área da figura limitada pela função y = -4 + x2 e pelo eixo x. 3.7 Cálculo da área da figura plana limitada pelos gráficos de f e g, pelas retas x = a e x = b, onde f e g são funções contínuas em [a, b] e f(x) g(x), x [a, b] 39 1 xy .. 2 9 3 )1( )1.(2 2 )1( 3 2 2.2 2 2 3 2 2 )()2( 3232 2 1 322 1 2 au x x x dxxxS Exemplo Encontre a área limitada por y = x2 e y = x + 2. As curvas y = x2 e y = x + 2 interceptam-se nos pontos de abscissa -1 e 2, conforme figura ao lado. No intervalo [-1, 2] temos x + 2 x2. Então, Exercícios Calcular as áreas sombreadas nas figuras. 1) 2) 40 xxy 23 2 3) 4) 5) 41 dxxx 212 CxCuuduudu u 2 3 22 32 3 2 1 1 3 2 3 2 2 3 22 1 2 2 3 2 122.1 3 2 . 2 3 1 3 2 xxxx dx Cxd dxxx )2cos( 43 dxx 4 du dxxdu xu 334 42 CxsenCsenudu udxxx )2(4 1 . 4 1 cos 4 1 )2cos( 443 dxxx 212 dxxx 212 3.8 Métodos de Integração 3.8.1 Regra da Substituição Nossas fórmulas de integração não mostram como calcular integrais do tipo . Para encontrar essa integral usamos a estratégia de introduzir uma nova variável. Mudamos da variável x para uma nova variável u. Para a integral , vamos fazer a mudança de variável da seguinte forma: u = 1 + x2 du = 2x dx Então, mudando a variável x para u, temos: du = Agora, podemos verificar que temos a resposta correta usando a Regra da Cadeia para diferenciar a função obtida. Mais um exemplo: vamos calcular 42 )2cos(.4).2cos( 4 1 )2( 4 1 4334 4 xxxx dx Cxsend dxe dxxsen dx x dxxx dxxx xdx x8 3 32 102 )6 )3(5)5 )21( 4 )4 1)3 )4()2 3cos)1 du v -u.v dv u du vvd uv.u du.vdv.u)v.u(d dx du .v dx dv .u dx )v.u(d Verificação: Exercícios Calcule as seguintes integrais por substituição. 3.8.2 Integração por Partes A integração por partes é o método de transformar integrais numa forma que pode ser integrada por fórmulas familiares da integração. Este método é baseado na fórmula da derivação composta para diferenciar o produto de duas funções u e v. 43 dxe x 2x dvudxe x 2x C 4 e 2 xe CxC 4 e xC 2 xe CxCdx 2 e xC 2 xe dxC 2 e C 2 e (x) dxe x : temos,du v -u.v dv u Como .C 2 e dxedv ventão ,dxe dv se edx du então x,u Se x2x2 1 x2 1 x2 1 x2 1 x2 1 x2 1 x2 2x 1 x2 x22x dx x xln )6 dx)senxln(.xcos)5 dx)1x2ln()4 dx x5cosx)3 dxex)2 xd xln)1 2 x2Exemplo: Integrar Se considerarmos u = x e dv = e2x dx, então Exercícios Calcule as seguinte integrais utilizando o método da Integração por Partes. 44 dxxQ xP )( )( )( )( xQ xP 236 6 x B x A 2)3)(x-(x 13x xx 13x parciais frações de somatóriauma como xx 13x Escrever 2 2 2)3)(x-(x BAxBA 2)3)(x-(x 3B-Bx2AAx 2)3)(x-(x )B(x 2)3)(x-(x 2)A(x x B x A 2)3)(x-(x 13x )32()(3 23 (II) BA (I) BABA 132 33 3.8.3 Frações Parciais Usaremos integrais da forma onde P(x) e Q(x) são polinômios. Antes de usarmos essas integrais veremos como a expressão racional pode ser escrita como somatória de frações parciais. Primeiro, se os fatores do denominador forem n fatores lineares distintos, então )( )( xQ xP pode ser representada como a somatória de n frações parciais da forma ax A onde cada (x – a) é um fator linear de Q(x), isto é, ... )( )( cx C bx B ax A xQ xP Exemplo 1. Comparando... Substituindo (I) em (II), temos: 2(3 – B) – 3B = 1 6 – 2B – 3B = 1 - 5B = -5 B = 1 (III) 45 2 1 3 2 xx2)3)(x-(x 13x dx xx x 6 13 2 2 1 3 2 6 13 2 xx2)3)(x-(x 13x xx x Cxxdx x dx x dx xx dx xx x 2ln3ln22 1 3 2 2 1 3 2 6 13 2 Substituindo (III) em (I), temos: A = 3 – 1 A = 2 Portanto, escrevemos: 3.8.4 Integração por Frações Parciais Exemplo 2. Integrar Do exemplo 1 sabemos agora que Então, Exemplo 3. Escrever xx xxx 2 473 2 23 como uma somatória de frações parciais. Neste exemplo, notamos que o grau do numerador é maior que o do denominador. Sempre que o grau do numerador P(x) é maior ou igual ao grau do denominador Q(x), o primeiro passo a ser dado é dividir P(x) por Q(x) por divisão longa. Neste caso, temos: 46 4x7x3x 23 x2x 2 -x3 –2x2 x + 1 x2 + 7x + 4 -x2 - 2x 5x + 4 Então, xx x x xx xxx 2 45 1 2 473 22 23 Observe que o denominador do termo xx x 2 45 2 pode ser decomposto em fatores lineares: )2(22 xxxx Usando o método como mostrado no Exemplo 1, podemos escrever este termo como uma soma de frações parciais: )2( 2)( )2( 2 )2( )2( 2)2( 45 2 45 2 xx AxBA xx BxAAx xx BxxA x B x A xx x xx x Igualando os numeradores, temos: A + B = 5 e 2A= 4, donde podemos concluir que A = 2 e B = 3. Portanto, podemos escrever 2 32 2 45 2 xxxx x . Finalmente, escrevemos: 2 32 1 2 473 2 23 xx x xx xxx 47 Exemplo 4. Integrar dx xx xxx 2 473 2 23 Usando o resultado do Exemplo 3, podemos escrever: Cxxx x dx xx xdx xx xxx 2ln3ln222 32 1 2 473 2 2 23 Exemplo 5. Integrar dx xxx xx 23 2 2 2 O denominador do integrando fatora-se linearmente: x(x – 1)2. Podemos deste modo escrever o integrando como uma somatória de frações parciais. Quando um fator elevado ao quadrado tal como (x – a)2 aparece no denominador, os termos contendo 2)( ax B e ax a devem ser ambos introduzidos como termos possíveis na somatória de frações parciais. Isto é, 2 2 2 22 2 2 22 2 )1( )2()( )1( )(2 )1( )()1)(()1( )1(1)1( 2 xx AxCBAxBA xx xCBxBxAAxAx xx xCxxBxA x C x B x A xx xx Igualando, temos as equações A + B = 1, -2A – B + C = -1 e A = 2, donde podemos concluir que:A = 2, B = -1 e C = 2 Portanto: 48 C x xxdx xxx dx xxx xx 1 2 1lnln2) )1( 2 1 12 ( 2 2 223 2 Exemplo 6. Integrar dx xx xx 3 2 1 Neste exemplo, o denominador x3 + x não deve ser fatorado em fatores lineares: x3 + x = x(x2 + 1) Quando um ou mais dos fatores é um fator quadrático não-fatorável da forma ax2 + bx + c, devemos representar a fração parcial correspondente a cada um destes fatores na forma cbxax BAx 2 . Deste modo, neste exemplo temos: )1( )( )1(1)1( 11 2 2 2 22 22 2 3 2 xx CBxxCA xx BxAxCCx x BAx x C xx xx xx xx Igualando os coeficientes, temos: A + C =1, B = 1 e C = -1, donde podemos concluir que A = 2, B = 1 e C = -1. Então: Carctgxxx x dx x x dx x dx xx x x dx x x x dx xx xx 1lnln 1 1 1 21 ) 1 1 1 21 () 1 121 ( 1 2 222223 2 49 dx xx dx xx x dx xx x dx xxx xx 2 2 2 23 2 )1( 1 )4 54 1 )3 23 )2 2 234 )1 Exercícios Calcule as seguintes integrais por frações parciais. 3.8.5 Uso das Fórmulas de Integração em Tabelas Na tabela da página 38 estão enumeradas algumas fórmulas-padrão para integrar funções selecionadas. Uma lista maior de fórmulas de integração(normalmente mais de 400) pode ser encontrada na maioria dos manuais-padrão de tabelas matemáticas. Veremos agora como podem ser usadas essas tabelas. Na tabela de integrais citada, u representa uma função de x. Exemplo 1. Integrar dx xx 43 Se considerarmos u = x, a = 3 e b = 4, veremos que esta integral está na forma da fórmula 11. Portanto, substituindo estes valores de u, a, e b, nesta fórmula, temos: C xx C xx C xx dxxx 20 )43)(21( 16.15 )43)(21(12 4.15 )43)(.4.33.2(2 43 2 3 2 3 2 2 3 50 dx x x x dx xx dx 32 )3 4 )2 5 )1 2 dx x x dx xsenxsen 2 2 9 )5 3.7)4 Exemplo 2. Integrar C x x dx xx dx 656 656 ln 6 1 56 Neste caso, tomamos u = x, a = 6 e b = 5 e a integral está na forma da fórmula 15. Exercícios Integrar cada uma das seguintes expressões usando a Tabela da página 51. Dar o número da fórmula usada. 51 Tabela de Integrais 52 53 54 55 x e(x)''f' x e(x)'f' x e(x)4)f' 27sen3x(x)''f' -9cos3x(x)'f' 3sen3x(x)3)f' 5x 125e(x)''f' 5x 25e(x)'f' 5x 5e(x)2)f' 2 180x(x)''f' 16 3 60x(x)'f' 16x 4 15x(x)f' 1) 1 2 x x d) senx cosx.e c) 3 1)x 2 (x 1)2(2x - b) 2 1 2 x 2x - a) 3) 3sen3x-3cos3x d) 2sen2x-c) x) 2 π cos( 2 π b) 4cos4xa) 2) x.senx 2 3cosx.cosx 2 3sen d) x.senx 4 5cos- c) x.cosx 4 5sen b) 2)(2x 4 3)2x 2 5(x a) 1) 2 1)x 2 (x 24x- 11) 2 1)(x 2x 2 x 10) 4 x 3 - 9) 3 x 22x- 8) cosx x 2e 7) ) x 1x 2x(elnx) x 2(e 6) 2xlnx3x 5) x 2 senx 2 cos2x 4) x e 2 x x 2xe 3) x 2xe x 2e 2) senx 2 x-2xcosx 1) ln2 x 22x 10) x 2 9) xln2 1 8) ln3 x 2.3 7) x 6)10e senx-2cosx 5) 2 cosx 2 senx - 4)senx3cosx 3) 4senx- 2) 2cosx 1) 3 1 2 3x 3 2 2x 6) x 3 x 5) 2 1 4x- 4)4x 2 12x 5 18x 3) 26x 2 12x 2) 12x 2 3x 1) 8x h h)4h(2x lim 0hh 2 4x 2 4h8xh 2 4x lim 0h h 2 4x) 2 h2xh 2 4(x lim 0hh 2 4x 2 h)4(x lim 0hh f(h)h)f(x lim 0h (x)b)f' 2x h h)h(2x lim 0hh 1 2 x12xh 2 x lim 0hh 1] 2 [x1] 2 h)[(x lim 0hh f(h)h)f(x lim 0h (x)f' a) 2) 12 c) 8 b) 3 a) 1) 24 Página 23 Página 20 Página 18 Página 16 Página 14 Página 10 Página 2 h existe não 10) 300 9) 3 8) 2 2 7) 6- 6) 1- 5) 3 4) 4 3) 1 2) 10 1) Respostas dos Exercícios 56 24) (f. C 3 x arcsen 2 92 x9 2 x - 5) 75) (f. C 5 sen10x 2 sen4x 4 1 4)13) (f. 3 32xx)-(3- 3) (f.35) C4 2 xxln 2) (f.15) C 55x 55x ln 5 1 1) C 1x 1 1x x ln 4) C1xln 3 1 5xln 3 2 3) C1xln2x2ln 2) C1x3ln2x2lnxln- 1) 8 8x e 6) cos3x 3 5 - 5) 2 2x)(1 1 - 4)C2 3 1) 3 (x 9 2 3) C 22 ) 2 x(4 2) C 3 sen3x 1) u.ae 2 3 - 5) u.a. 3 32 4)u.a. 43) u.a. 6 2) u.a. 3 22 1) C3x 2 cosx - 14) C ln2 x 2 13) C4senx- 12) C2cosx- 11) C x 3e 10) C x 1 3 3 x 9) C 2 x 2 - 8) Csenx-cosx- 7) C x 1 - 6) Cxln 2 2 x 5) C 2 x2 x 4)C 2 2 x 2 4 3x 3) C2x 2 2 5x 3 3 4x 2) Cx 2 x 3 3 x 1) 2 m 112,5 7) m 2 aresta de cubo 6) m 1,36 e m 2,72 m, 2,72 5) local) -1(mínimox local); 1(máximo4)x local) 2(máximox local); 3(mínimox 3) local) 2(máximo- x local); 2(mínimox 2) local) 0(mínimox 1) 50 Página 49Página 43Página 42Página 39/40 Página 35 Página 31/32 Página 29 Página C x 1 x lnx - 6) C1)-nx)senx(ln(se 5) C 2 )1x2ln( 2 12x -1) xln(2x4) C 25 x5cos 5 xsen5x 3) C x e2 x xe2 x e 2 x2) Cx- xlnx1) 3,98958333 b) 7,07142857 a) 4) 6)dx 2 xc)10xcos(5dx x e x - b)dx 4x 2 3x 4-6x a) 3) 0,001- 5;0,00099850-a) 2) x Δx xΔxx x2 b) 2 x3 a) 1) 57 Referências Bibliográficas DALE, Ewen; TOPPER, Michael A. CÁLCULO TÉCNICO. São Paulo: Hemus Livraria e Editora Ltda. 1981. FLEMMING, Diva Marília; GONÇALVES, Mirian Buss. Cálculo A: Funções, limite, derivação e integração. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006 FLEMMING, Diva Marília; GONÇALVES, Mirian Buss. Cálculo B: Funções de várias variáveis, integrais múltiplas, integrais curvilíneas e de superfície. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007. MACHADO, Antonio dos Santos. Matemática – Temas e Metas. São Paulo: Atual, 1988. SILVA, Sebastião Medeiros da. Matemática básica para cursos superiores. São Paulo: Editora Atlas, 2002. STEWART, James. Cálculo, Volume I. Tradução Antonio Carlos Gilli Martins. 5ª edição. São Paulo: Cengage Lerning, 2008
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