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Integral Indefinida Uma função F(x) é chamada uma primitiva da função f(x) em um intervalo I se x I, temos F´(x) = f(x). Exemplo: A função F(x) = x2 é uma primitiva de f(x) = 2x x IR, pois F´(x) = (x2)´= 2x x IR A função Fx) = é uma primitiva de f(x) = x2 x IR, pois F´(x) = .3x2 = x2 = f(x) A função G(x) = + 4, H(x) = (x3 + 3) são primitivas de f(x) = x2 x IR, pois G´(x) = H´(x) = x2 = f(x) A função F(x) = cos x é uma primitiva de f(x) = sen x x IR, pois F´(x) = (cos x)´= sen x x IR Como a derivada de uma constante C é sempre zero, se F(x) é primitiva de f(x) então F(x) + C também é uma primitiva de f(x). Por exemplo: a função F(x) = X2 + 2 é uma primitiva de f(x) = 2x e a função F(x) = x2 + 5 também é primitiva da mesma função f(x) = 2x x IR Definição: Se F(x) é uma primitiva de f(x), a expressão F(x) + C é chamada integral indefinida da função f(x), indicada pela notação f(x) dx = F(x) + C Exemplos: Função Primitiva Integral indefinida f(x) F(x) F(x) + C K Kx Kx + C X + C X2 + C Xn + C Propriedades da Integral indefinida K f(x) dx = K f(x) dx (f(x) + g(x))dx = f(x) dx + g(x) dx Exemplos: x2 dx = + C (x3 + x4) dx = x3 dx + x4 dx = + C (x5 + x2 + 4) dx = x5 dx + x2 dx + 4 dx = + C 5x3 dx = 5 x3 dx = + C (6x2 + 3x) dx = 6x2 dx + 3x dx = 6 x2 dx + 3 x dx = + C ( dx = dx + dx + 4x dx = x6 dx + x2 dx + 4 x dx = . + . + + C Exercícios em sala: ( dx ( dx ( dx (x3 + x2 + x + 1) dx dx (dx Integrais de funções usuais = + C dx = + C ( n -1) Exemplos: dx = = + C dx = dx = + C = + C = + C dx = x-2 dx = + C = + C = - + C dx = dx = + C = + C = + C = 2 + C ex dx = ex + C ax dx = + C Exemplos: 2x dx = + C dx = + C eu(x) u’(x) dx = eu(x) + C Exemplos: 2 e2x dx = 2 e2x . 2 dx = e2x + C e4x dx = e4x. 4 dx = e4x + C e-x dx = e-x . -1 dx = - e-x + C dx = dx = 2 + C xdx = x dx = + C u(x)n u’(x) dx = + C Exemplos: (x2 + 1)4 2x dx = 2x (x2 + 1)4 . 2x dx = + C = + C (x3 + 4)3 x2 dx = x2 (x3 + 4)3 . 3x2 dx = + C = (x3+ 4)4 + C dx = ln l u(x) l + C Exemplos: dx = ln l x + 1 l + C dx u(x) = x2 + 4 u’(x) = 2x dx = ln l x2 + 4 l + C dx u(x) = x3 + 5 u’(x) = 3x2 dx = ln l x3 + 5l + C dx u(x) = 1 – x2 u’(x) = -2x dx = - ln l 1 – x2l + C dx u(x) = x2 – 4x + 1 u’(x) = 2x – 4 = 2(x - 2) dx = ln l x2 – 4x + 1l + C au(X) u’(x) dx = + C Exemplos: dx = dx = + C dx = dx = + C dx = = - + C Exercícios de funções usuais em sala de aula Integrais do tipo dx Integral dx 10 dx dx (x4 – x-3) dx dx Integrais do tipo ax dx 5x dx 4.10x dx dx - dx Integrais do tipo eu(x) u’(x) dx e10x dx e-3x dx xdx (x + 1) dx Integrais do tipo u(x)n u’(x) dx x3(x4 + 1)5 dx (x3 - 1)4 x2dx dx (4x2 – 4x + 1)5 (4x – 2) dx dx 10(e-x + 5)4 e-xdx Integrais do tipo dx dx dx dx dx dx Integrais do tipo au(X) u’(x) dx 32x dx xdx dx dx Tabela de Integrais imediatas du = u + c = ln u + c du = + c au du = + c eu du = eu + c sen u du = -cos u + c cos u du = sen u + c sec2 u du = tg u + c cosec2 u du = -cotg u + c sec u.tg u du = sec u + c cosec u.cotg u du = -cosec u + c = arc sen u + c = arc tg u + c = arc sec u + c senh u du = cosh u + c cosh u du = senh u + c sech2 u du = tgh u + c cosech2 u du = -cotgh u + c sech u.tgh u du = -sech u + c cosec u.cotg u du = -cosec u + c = arg senh u + c = ln u + + c = arg cosh u + c = ln u + + c = = = - arg cosech u + c = - arg sech u + c Outros exemplos: x5 dx = (4x3 – 3x2 + 1) dx = x4 – x3 + x + C dx = = + c = 2x1/2 + c = 2 = 3x2 dx + 5dx + x1/2 dx = 3 = x3 +5x + x3/2 + c (3sec x . tg x + cosec2x) dx = 3secx . tg x dx + cosec2x dx = 3sec x – cotg x + c = = tg x . sec x dx = sec x + c = x2/3 + 1/3dx/x = = dx = dx = = 3 + 4 dx = = = 2cos x dx + x-1/2 dx = 2 sen x + + c = 2sen x + 2 + c = 2ex dx - secx . tg x dx + 2 x-7 dx = 2ex – sec x - Fazendo u = 1 + x2 . Logo, du = 2xdx = = ln u + c = ln (1 + x2) + c. dx Fazendo u = 3x + 7, temos du = 3dx dx = = = . + C = + C sen2x cos x dx Fazendo u = sen x, então du = cos x dx sen2x cos x dx = u2 du = + c = sen (x + 7) dx Fazendo u = x + 7, então du = dx. Logo, sen (x + 7) dx = sen u du = cos u + c = cos (x + 7) + c tg x dx = Fazendo u = cos x, então du = - sem x dx e sem x dx = du. Assim, tg x dx = = -ln u + c = -ln cos x + c Fazendo u = 3x – 5, então du = 3 dx ou dx = . Assim, = = = = c. (x + sec2 3x)dx = xdx + sec2 3x dx = + sec2 3x dx (1) Substituindo 3x = u, tem-se du = 3dx ou dx = 1/3 du. Assim, sec2 3x dx = sec2 u. = sec2 u du = tg u + c = tg 3x + c Substituindo em (1) (x + sec2 3x)dx = + tg 3x + c Para resolver essa integral devemos completar o quadrado do denominador: X2 + 6x + 13 = x2 + 2.3x + 9 – 9 + 13 = (x + 3)2 + 4 Portanto, = Fazendo u = x + 3, du = dx = = = dt = dt = t dt Fazendo u = 1 – 2t2, du = - 4t dt, dt = du/-4t Logo, dt = u1/2. = u1/2 du = = Método de integração por partes Em geral usamos integração por partes para integrar produto de funções quando o método de integração por substituição simples não se aplica. Pela regra de derivação do produto de duas funções, u = u(x) e v = v(x), temos: (uv)’ = u’v + uv’ ou Integrando ambos os lados da equação, obtemos: u(x).v(x)= u’(x).v(x) dx + u(x).v’(x)dx ou ainda u.v’ = uv - v.u’ A escolha de u e dv deve ser feita de forma conveniente. Não escolha para u o argumento de uma função, expoentes, denominadores, etc. Exemplos: xex dx u = x; dv = ex du = dx; v = ex x.ex dx = xex - exdx = xex – ex + C = ex(x – 1) + C. x cos x dx u = x; dv = cos x dx du = dx; v = cos dx = sen x x cos x dx = x.sen x - sen x dx = x sen x + cos x + C ln x dx u = ln x; dv = dx du = ; v = x ln x dx = x. ln x - = xln x – x + C x2 sen x dx u = x2 ; dv = sen x dx du = 2x; v = -cos x x2 sen x dx = x2. (-cos x) - (-cos x) 2x dx = -x2.cos x + 2 x cos x dx A integral 2 x cos x dx deve ser também ser resolvida por partes e o seu resultado pode ser observado no exemplo b. Logo: x2 sen x dx = -x2.cos x + 2 [x sen x + cos x] + C = -x2.cos x + 2x sen x + 2cos x + C e2x sen x dx u = e2x; dv = senx dx du = 2e2x; v = -cos x e2x sen x dx = e2x (-cos x) - (-cos x).2e2x dx = -e2xcos x + 2 e2x cos x. dx Integrando e2x cos x. dx por partes u = e2x dv = cosx dx du = 2e2x v = sen x e2x cos x. dx = e2x sen x - 2e2x sen x dx. Logo, e2x sen x dx = -e2x cos x + 2e2x cos x - 4e2x sen x dx (1) Observamos que a integral do 2º membro é exatamente igual a integral a ser calculada. Somando 4e2x sen x dx a ambos os lados da equação (1), vem: 5 e2x sen x dx = -e2x cos x + 2e2x cos x. Assim e2x sen x dx = (-e2x cos x + 2e2x cos x) + C. sen3 x dx u = sen2 x du = 2senx cosx dx dv = senx dx v = senx dx = - cosx logo: senx dx = sen2 x. (-cosx) - -cosx. 2senx cosx dx = -sen2 x cosx + 2 cos2 x senx dx = -sen2x cosx - 2 Exercícios 10 dx dx 4/9 dx x dx x (1 + x3 )dx (1 – x ) dx (x4 – x3 + 1) dx dx dx dx dx dx dx (2/x + 3ex)dx (x2/3 - 4x-1/3+ 4)dx dx dx dx dx dx e-10x dx dx dx ( ) dx ( ) dx dx tg x dx dx x dx dx ( ) dx dx dx 5xdx dx dx dx tg4x dx dx dx x dx x dx (x10 – x5 + 4)3 (2x9 – x4) dx 2x (1 + 3x)6 dx 3cos(3x + 1) dx dx dx sen4x cos x dx tg x sec2 x dx t cos t2 dt sec2 (5x + 3) dx dx x e-x dx x 2-x dx x sen5xdx dx x2 e3x dx x2 ln x dx x ln3x dx e2x senx dx x5 dx cos3x dx xcosec2x dx e3x cos4x dx Respostas 10x + C x + C 4x2/18 + C + C x2/2 + x5/5+ C x – x2/2 + C x5/5 + x4/4 + x + C x4/12 – 2x3/15 + 2x2 + x + C 8x5/8/5 + C 5x6/5/6 + C + C + C ) + C + C - 3x+ C + C + C 3arc sen x + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C 10arc tg x + C x + tgx + C -2cosecx + C + C + C + C tgx + C 2arc tg + C + C + C + C + C -+ C + C sen(3x + 1) + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C + C 2 + C + C + C + C + C + C + C –xcotgx + ln + C + C Área Para definir a área de uma figura plana dividimos a figura em polígonos cujas áreas possam ser calculadas pelos métodos da geometria elementar. Por exemplo: definir a área S da região plana na figura a seguir: Y y =f(x) S a b X Dividimos o intervalo [a, b] em n sub intervalos, tal que a = x0 < x1 < x2 < ... < xn = b O comprimento de cada retângulo é x = xi – xi-1 e sua altura igual a f(ci) Y y =f(x) x0 = a c1 x1 c2 x2 c3 x3 c4 x4 c5 x5 c6 x6 ... xn = b X A soma das áreas dos n retângulos é dada por Sn = f(c1)1 + f(c2)2 + ... + f(cn)n = Esta soma é chamada soma de Riemann da função f(x). Podemos observar que conforme n cresce a soma das áreas retangulares aproxima-se da área de S. Definição: Seja y = f(x) uma função contínua, não negativa em [a, b]. A área sob a curva y = f(x) de a até b é definida por: A = Integral definida Seja y = f(x) uma função definida no intervalo [a, b] e seja P uma partição qualquer de [a, b]. A integral definida de f de a até b, denotada por é dada por = Quando a função é contínua e não negativa em [a, b], a definição de integral coincide com a definição da área. Portanto, nesse caso a integral definida é a área da região sob o gráfico de f de a até b. Propriedades da integral definida = k = Se a < c < b e f é integrável em [a, c] e em [c, b] então f é integrável e [a, b] e = Teorema fundamental do cálculo integral O teorema fundamental do Cálculo permite relacionar as operações de derivação e integração. Isto é, conhecendo uma primitiva de uma função contínua f:[a, b] => IR, podemos calcular sua integral definida . Se P é uma partição definida pelos pontos a = x0 < x 1< x2 <...< xn = b, podemos escrever a diferença F(b) – F(a) = [F(b = xn) - F(xn-1)] + [F(xn-1) - F(xn-2)]+ ... + [F(x1) - F(x0=a)], uma vez que os termos intermediários se anulam. Como F é contínua em [a, b] e derivável em ]a, b[, o mesmo acontece em cada um dos intervalos parciais definidos pela repartição. O Teorema do Valor Médio do cálculo diferencial assegura-nos, nessas condições, que em cada um desses intervalos parciais existe um ponto , tal que: F(xi) – F(xi-1) = F’(ci).xi ou F(b) – F(a) = i, pois F é a primitiva de f. Podemos escrever, então que F(xi) – F(xi-1) = f().xi . Se o limite dessa soma quando n e max xi for um número real, ele será a integral definida de f sobre [a, b] e podemos concluir que: F(a) – F(b), onde F é a primitiva qualquer de f em [a, b]. Exemplos: Calcular as integrais definidas: Devemos procurar uma primitiva de y = x no intervalo [1, 3]. = + C e podemos escolher a primitiva F(x) = . Para x = 3, F(3) = Para x = 1, F(1) = Pelo Teorema Fundamental do Cálculo, podemos escrever: =F(3) – F(1), ou seja = = =4. Devemos procurar uma primitiva de y = cos t no intervalo [0, ]. e podemos escolher a primitiva F(x) = sen t . Para x = , F() = Para x = 0, F(1) = Pelo Teorema Fundamental do Cálculo, podemos escrever: = F() – F(0) = 1 – 0 = 1 = 1 = = + = +(1 – 0) = -1/12. sendo f(x) = Temos x = Y X -1 2 3 Logo, = + + + + sendo f(x) = Y -1 1 2 3 X = + Cálculo de áreas Caso 1: Cálculo de área delimitada pelo gráfico de f, pelas retas x = a, x = b e o eixo dos x, onde f é contínua e f(x) ≥ 0, x[a, b]. Y y =f(x) a b X A = Exemplo: Qual a área limitada pela curva y = 4 – x2 e o eixo dos x. A curva y = 4 – x2 intercepta o eixo dos x nos pontos de abcissa -2 e 2 Y X -2 2 No intervalo [-2, 2], y = 4 – x2 ≥ 0. Assim, a área procurada é a área sob o gráfico de y = 4 – x2 de -2 até 2. A = = [(8 – 8/3) - Caso 2: Cálculo de área delimitada pelo gráfico de f, pelas retas x = a, x = b e o eixo dos x, onde f é contínua e f(x) ≤ 0, x[a, b]. Y a b X y =f(x) A = Exemplos: Qual a área limitada pela curva y = -4 + x2 e o eixo dos x. A curva y = x2 - 4 intercepta o eixo dos x nos pontos de abcissa -2 e 2 Y -2 2 X -4 No intervalo [-2, 2], y = 4 – x2 ≤ 0. Assim, a área procurada é a área sob o gráfico de y = x2 - 4 de -2 até 2. A = = Encontre a área marcada na figura a seguir, limitada pela curva y = sen x e pelo eixo dos x de 0 até 2. Dividimos a área em duas sub-regiões, S1 e S2 Y S1 0 2 X S2 No intervalo [0, ], y = sen x ≥ 0 e no intervalo [, 2], y = sen x ≤ 0. Logo, se A1 é a área de S1 e A2 a área de S2, temos: A = A1 + A2 A = = + -cosx = -cos + cos0 + -cos2 + cos = -(-1) + 1 + -1 + (-1) = 4 Caso 3: Cálculo de área delimitada pelo gráfico de f, pelas retas x = a, x = b e o eixo dos x, onde f é contínua e f(x) ≥ 0, x[a, b]. Nesse caso pode ocorrer uma situação particular onde f e g assumem valores não negativos para todo x [a, b]. Y y =f(x) y = g(x) a b X A área é calculada pela diferença entre a área sob o gráfico de f e a área sob o gráfico de g: A = = O mesmo resultado pode ocorrer deslocando as curvas para baixo: Y y =f(x) a b X y = g(x) Exemplos: Encontre a área limitada por y = x2 e y = x + 2. As curvas interceptam-se nos pontos de abcissa -1 e 2. Nesse intervalo temos x + 2 ≥ x2. Logo: A = = = 9/2. Y 4 X -1 1 2 Encontre a área limitada pelas curvas y = x3 e y = x As curvas intercepam-se nos pontos de abcissa -1, 0 e 1. No intervalo [-1, 0], x < x3 e, no intervalo [0, 1], x> x3. Logo: Y -1 1 X -1 A = = = ½. Encontre a área delimitada pelas curvas y = x2 – 1 e y = x + 1. As curvas interceptam-se nos pontos de abcissa -1 e 2. Y -1 2 X No intervalo [-1, 2], x + 1 ≥ x2 -1. Logo: A = = = = 9/2. Encontre a área da região sombreada, limitada pelas curvas y – x = 6, y – x3 = 0 e 2y + x = 0 Devemos dividir a região em duas sub-regiões: 1 e 2 Y Y = 6 + x 2I 1 I 1 -4 2 X Y = - x/2 Caso 4: Cálculo de área de região que se estende indefinidamente para direita ou esquerda (Integrais impróprias com limite de integração infinitos). Em várias aplicações devemos considerar a área de uma região que se estende indefinidamente para direita ou para esquerda do eixo dos x. Se o limite existir, a integral imprópria é dita convergente, caso contrário é dita divergente. Calcular a área da curva y = à direita de x = ½. Y 4 X 0,5 I = I = I = I = 2 Logo, a integral I converge e a área procurada é dada por A = 2 u.a. Calcule, se convergir, a integral I = = A integralconverge. Y -2 -1 1 2 X Calcule, se convergir, I = I = = I = arc tg + arc tg I = ( 0 - arc tg + ( arc tg b – 0) I = (-( . I = A integral converge. Verificar se a integral imprópria I = dx converge ou diverge. I = I = I = I = + A integral imprópria diverge. Logo, não será possível encontrar um número finito que represente a área da região representada pela curva y = x ≥ 1. Volume de um sólido de revolução Fazendo uma região plana girar em torno de uma reta no plano, obtemos um sólido que é chamado sólido de revolução. Por exemplo, fazendo a região limitada pela curva y = 0, y = x e x = 4 girar em torno do eixo dos x, o sólido de revolução obtido é um cone. Y 4 y=x 4 x Y y=x x Obtemos um cilindro, se o retângulo delimitado pelas retas x = 0, x = 1, y = 0 e y = 3 girar em torno do eixo dos y. Y y 3 1 X 1 X Seja y = f(x) uma função não negativa em [a, b]. Seja R a região sob o gráfico de f de a até b. O volume do sólido T, gerado pela revolução de R em torno do eixo dos x, é definido por V = dx (1). Y y =f(x) R a b X A soma que aparece em (1) é uma soma de Riemann da função [f(x)]2. Como f é contínua e o limite existe, então pela definição de integral definida, temos: V = dx Fórmula generalizada para outras situações: Rotação em torno do eixo dos x de uma figura entre duas funções: V = Y y =f(x) y = g(x) a b X Rotação em torno do eixo dos y de uma região R:V = Y y =f(x) y = g(x) a b X Rotação ao redor de uma reta paralela ao eixo dos x.V = Y y =f(x) y = g(x) L a b X Rotação ao redor de uma reta paralela ao eixo dos y. V = Y M y =f(x) y = g(x) a b X Rotação ao redor dos eixos dos x de uma função negativa em alguns pontos de [a, b]V = Y y =f(x) a b X Exemplos Determine o volume do sólido de revolução gerado pela curva y = , o eixo dos x e as retas x = 1 e x = 4 em torno do eixo dos x. y y = 1 4 X y X V = V = dx = . = = unidades de volume (u.v) Calcule o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região limitada pela parábola y = e pela reta y = Os pontos de intersecção da reta com a curva pode ser encontrados igualando as respectivas equações, resultando em x’ = 1 e x’’ = -3 V = V = V = V = V = V = V = = 24,05 u.v. Calcular o volume do sólido gerado pela rotação, em torno do eixo dos x, da região entre o gráfico da função x = sen x e o eixo dos x, de até y -/2 3/2 0 x V = V = V = V = V = V = V = u.v. A região limitada pela parábola cúbica = x3, pelo eixo dos y e pela reta y = 8, gira em torno do eixo dos y. Determinar o volume do sólido de revolução obtido. Y y 8 x = 2 x x V = V = V = V = V = u.v. Determinar o volume do sólido de revolução delimitado pela parábola x = e pelas retas x = -1, y = -2 e y = 2 em torno da reta x = -1. Y Y = 4 L y = 1/4 4 X V = V = V = V = V = u.v. Uma região delimitada pela parábola x = e pelas retas x = -1, y = -2 e y = 2 gira em torno da reta x = - 1. Determinar o volume do sólido de revolução obtido. Y x = -1 X -2 x = -1 Y V = V = V = V = V = V = u.v. Exercícios Determine o volume do sólido de revolução gerado pela rotação das regiões indicadas, ao redor dos eixos dados. y = x + 1, x = 0, x = 2 e y = 0 ao redor do eixo dos x. y = ln x, y = -1, y = 2 e x = 0 em torno do eixo dos y. y = x2 e y = x3 ao redor do eixo dos x. x = y2 + 1, x = , y = -2 e y = 2 ao redor do eixo dos y. y = 2x2, x = 1, x = 2 e y = 2 ao redor do eixo y = 2. Y = e y = 4 ao redor dos eixos x = -9, y = 0 e x = 0. Y2 = 16x e y = 4x ao redor do eixo dos x. Y = cos x, y = sem x, x = 0 e x = ao redor do eixo dos x. Y = , x = 0, y = e y = 4 ao redor do eixo dos y. Y = cos x, y = -2, x = 0 e x = 2 ao redor da reta y = -2.
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