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Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 1 Topico dois: Técnicas de Integração Roteiro de Aula Conteúdo 1 Introdução ............................................................................................................................. 3 2 Integração por partes: ......................................................................................................... 3 2.1 Exercícios. ...................................................................................................................... 5 3 Integrais de Funções trigonométricas ................................................................................ 5 3.1 Integrais envolvendo seno e cosseno: ....................................................................... 5 3.1.1 Integrais do tipo senn x. dx e cosn x dx .......................................................... 6 3.1.2 Integrais do tipo sennx. cosmx (produto de senos e cossenos) ........................... 7 3.2 Exercícios ....................................................................................................................... 9 3.3 Funções tangente, cotangente, secante e cossecante: ............................................ 9 3.3.1 Integrais do tipo tgnx e cotgnx: ....................................................................... 10 3.3.2 Integrais do tipo xdxseccosxcotg e xdxsecxtg mnmn .............. 11 3.4 Exercícios: .................................................................................................................... 11 4 Integrais das funções trigonométricas inversas .............................................................. 11 4.1 Exercícios: .................................................................................................................... 13 5 Substituição trigonométricas ............................................................................................. 13 6 Integração das Funções Racionais .................................................................................... 15 6.1 Denominadores são fatores do 1° grau ................................................................... 15 6.2 Denominadores são fatores do 2° grau: ................................................................. 16 6.2.1 Sem multiplicidade de raizes ............................................................................... 16 6.2.2 Com multiplicidade de raizes .............................................................................. 16 6.3 Exercícios ..................................................................................................................... 16 6.4 Exercícios ..................................................................................................................... 16 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 2 7 Substituição Diversas: ........................................................................................................ 16 8 Exercícios de Técnicas de Integração .............................................................................. 17 8.1 Integração por Partes: .............................................................................................. 17 8.2 Integrais Trigonométricas: ......................................................................................... 17 8.3 Calcule as integrais Trigonométricas: ....................................................................... 18 8.4 Integração por Substituição Trigonométricas: ......................................................... 18 8.5 Integrações de Frações Parciais: .............................................................................. 19 8.6 Substituições Diversas: ............................................................................................... 19 8.7 Exercícios sobre Técnicas de Integração – Problemas diversos. ............................. 20 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 3 Técnicas de integração 1 INTRODUÇÃO Roteiro de aula para a disciplina de Cálculo Diferencial e Integral II, da Universidade Estadual de Pernambuco – UPE , Escola Politécnica de Engenharia - POLI. Produzido inicialmente pelo professor Darlan Moutinho, modificado pela Professora Kissia Carvalho ( Versão não definitiva - Segunda). 2 INTEGRAÇÃO POR PARTES: A fórmula da diferencial do produto: d (u. v) = v. du + u. dv u.dv = d (u.v ) – v du. u dv = d (u.v) - v du = u.v - v.du Esta fórmula é usada na integração de produtos de funções. Exemplo: Calcule as integrais das funções: 01) ln x dx. Solução: Faça: u du x ln x dv = dx dx v = x 1 ln ln x dx = u dv = u.v - v. du x dx = x. ln x - x. 1 x - dx = x ln x - x + K dx x ln x 02) e x dxx.sen Solução: u e dv du e dx v x x sen . cos x dx x Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 4 e dx ex x.sen cos .cos cos x dx = -e x - - cos x. e x+ e x dxx x x Repetindo a integração por partes para e xdxx cos , teremos: u e dv xdx du e dx v x x x cos sen e xdx x x e xdx e x dx x x e x dx x x K x x x x sen cos sen sen . sen sen cos sen sen cos e + e = e = e x x x x 2 2 03) dx)x3(arctg Sendo: xvdxdv dx x91 3 du)x3(arctgu 2 dx x91 x3 )x3(arctg3dx)x3(arctg 2 Se xdx3 6 dw xdx18dwx91w 2 2 2 x91ln 6 1 wln 6 1 w dw 6 1 dx x91 x3 kx91ln6 1 )x3(artg3dx)x3(arctg 2 04) xdxsene x Faça: xcosvxsendv dxedueu xx xdxcosexsenexdxsene xxx ( 1 ) :teremos partes, por xdxcose solvendoRe x- Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 5 xsenvxcosdv edueu xx xdxsenexsenexdxcose xxx Substituindo em ( 1 ): xdxsenexsenexcosexdxsene xxxx )xsenx(cosexdxsene2 xx k)xsenx(cose. 2 1 xdxsene xx 2.1 Exercícios. Calcule as integrais: 01 03 1 1 05 2 2 3 ) ln ) ) ( )dx x 02) x(2x+ 3) x 04) x cos x dx 06) (x+1) 99 3 5 10 xdx dx dx x dx x x dx(lnx) 08) xdxlnx )07 22 x1 dxx 10) dx x x cotgarc )09 2 3 3 INTEGRAIS DE FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS 3.1 Integrais envolvendo seno e cosseno: Identidades Trigonométricas 01) cos2 a + sen2 a = 1 02) sen 2 a = 2 sen a cos a 03) cos 2 a = cos 2 a – sen 2 b Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 6 04) sen2 a = 1 2 (2a) 1 2 cos 05) cos2 1 2 1 2 a cos (2a) 06) sen p + sen q = 2 2 sen cosp+ q 2 p q 07) sen p – sen q = 2 2 sen cos p - q 2 p q 08) cos p + cos q = 2 2 2 cos cos p q p q 09) cos p – cos q = 2 2 2 sen sen p q p q 10) sen a cos b = 1 2 sen( ) sen( )a b a b 11) sen a sen b = 1 2 - cos(a+b)+ cos(a - b) 12) cos a cos b = 1 2 cos(a+b) + cos(a - b) 13) sen u du = -cos u +K 14) cos u du = sen u+K 3.1.1 Integrais do tipo senn x. dx e cosn x dx 3.1.1.1 Se n é um número ímpar: sen senn n x dx x sen x d x xdx= sen x = 1- cosn-1 2 1 2 Exemplo: Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 7 01) sen sen3 x dx x senx dx x x dx x senx dx= sen = 1- cos = senx dx - cos2 2 2 sen cos3 1 3 x dx x x k cos3 02) dx)x2cos())x2(sen1(dx)x2cos()x2(cosdx)x2(cos 2245 dx)x2cos()x2(sen2dx(x2cos(dx)x2cos()x2(cos)x2(sen21dx)x2(cos 2425 + k.)x2(cos10 1 )x2cos( 3 1 )x2sen( 2 1 dx)x2cos()x2(sen 54 3.1.1.2 Se n é um número par: cosn n n x dx x dx dx= cos cos(2x)2 2 2 1 2 1 2 Exemplo: 01) cos sen( )2 1 2 1 2 1 2 1 4 2xdx x x k cos(2x) dx 02) dx)x4(cos 4 1 )x4cos( 2 1 4 1 dx)x4cos( 2 1 2 1 dx)x2(sen 2 2 4 = k)x8sen( 64 1 x 8 1 )x4sen( 8 1 x 4 1 dx)x8cos( 2 1 2 1 4 1 )x4sen( 8 1 x 4 1 3.1.2 Integrais do tipo sennx. cosmx (produto de senos e cossenos) 3.1.2.1 Se m e n são números tais que pelo menos um é ímpar Exemplo: Kxcos 5 1 xcos 3 1 dx xsen.xcos-dx xsen.xcos =dx) x(senxcos.xcos-1= xdx)x.(senxcos.xsenxdxcos.xsen )01 5342 222223 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 8 02) xdxcos)xsen1(xsenxdxcosxcosxsen xsen xdxcos 232232 3 2 3 kxsen11 3 xsen 5 3 xdxcosxsenxdxcosxsen 311353832 3.1.2.2 Se m e n são números tais que ambos são pares: Use a substituição )x2cos( 2 1 2 1 xcos ou )x2cos( 2 1 2 1 xsen 22 Exemplo: 01) sen .cos cos( ) . cos( ) cos ( )2 2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 4 2x xdx x x x dx = 1 4 dx = 1 4 2 1 2 1 2 4 1 4 4 1 8 2 dx - 1 4 dx = 1 4 x - 1 4 dx x - 1 8 x - 1 8 x - 1 32 sen(4x) +K cos ( ) cos( ) cos( )dxx x x 02) dx x2cos2 1 2 1 .x2cos 2 1 2 1 xdxcosxsen 2 42 dxx2cos4 1 x2cos 2 1 4 1 .x2cos 2 1 2 1 2 dxx2cos 8 1 x2cos 8 1 x2cos 8 1 8 1 32 = xdx2cos 8 1 xdx2cos 8 1 dx 8 1 2 - xdx2cosx2cos8 1 x4sen 32 1 x 16 1 x2sen 16 1 x 8 1 xdx2cos 8 1 23 x4sen32 1 x2sen 16 1 x 16 1 xdx2cosx2sen1 8 1 x4sen 32 1 x2sen 16 1 x 16 1 2 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 9 kx2sen 48 1 x4sen 32 1 x 16 1 kx2sen 48 1 x2sen 16 1 33 3.2 Exercícios Calcule f x( ) dx , onde f(x) é dada abaixo: 01) sen 5x 02) cos3(2x) 03) cos(4x) + sen(3x) 04) cos x. sen4 x 05) sen4(3x).cos3(3x) 06) (sen(2x) + cos x )2 07) sen(2x) sen (4x) 08) sen(3x).cos x 09) cos ( ) sen( ) 3 3 3 3 x x 10) senx.cos x 3 3.3 Funções tangente, cotangente, secante e cossecante: Identidades Trigonométricas: sec sec cossec cot 2 2 2 2 2 1 1 1 x tg x x x x g x e tg e cotg x = cossec x -1 2 2 2 Fórmulas de Derivadas: 01) Dx (tg x) = sec 2x 02) Dx(cotg x = - cossec 2x 03) Dx(secx )= sec x tg x 04) Dx(cossec x) = - cossec x cotg x Fórmulas de Integração: Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 10 01 02 03 04 05 06 07 08 ) ) ) ) ) ) ) ) tg u du = - ln| cos u |+ k = ln |sec u| + k cotg u du = ln | sen u | + k = - ln |cossec u| + k sec = tg u + k cossec = -cotg u + k sec u du = ln | sec u + tg u | + k cossec u du = ln | cossec u - cotg u | + k sec u tg u du = sec u + k cossec u cotg u du = - cossec u + k 2 2 u du u du 3.3.1 Integrais do tipo tgnx e cotgnx: 01) tg x dx x tg x dx x xn = tg = tg sec dxn-2 n-2 22 1 Exemplo: cot .cot cot .cossec g x dx x dx x gx dx gx x dx x 3 2 1= cotgx.cotg = cossec = - cotgx dx = - 1 2 cotg - ln | sen x | + k 2 2 2 k |xsec| lnxtg 2 1 xtg 4 1 dxtgx dx xsec tgxxtg 4 1 dx )1x(sec tgxxtg 4 1 dx xtg tgxxtg 4 1 dx xtg-dx xsec .xtgdx )1x.(secxtgdx xtg. xtgdx xtg )02 24 242424 32323235 03) dx)1xsec(cosxgcotxdxgcot.xgcotxdxgcot 22224 dx)1xsec(cosxgcot3 1 xdxgcotxdxseccosxgcot 23222 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 11 3.3.2 Integrais do tipo xdxseccosxcotg e xdxsecxtg mnmn 3.3.2.1 Se m é um número inteiro positivo par: Exemplos tg x xdx tg x tg x x dx tg x x dx x x dx x x k 3 4 3 2 2 3 2 21 1 4 1 6 sec sec sec sec + tg tg tg 5 4 6 3.3.2.2 Se m é um inteiro positivo ímpar. cot cossec .(cossec cossec cossec cot cossec g x x dx x x x cotgx dx x (cossecx x x cotgx dx g x x dx x x K 3 5 6 3 5 1 1 5 = cossec cossec ) = cotgx dx) - cossec = - 1 7 cossec cossec 2 4 4 7 5 3.4 Exercícios: Calcule as integrais abaixo: dx xtg xsec 06) cosx+1 dx )05 dx xsec xtg 04) dx xsec )03 dx xsecx tg 02) dx xcotg )01 2 4 344 423 4 INTEGRAIS DAS FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS INVERSAS Identidades Trigonométricas du u du arc sen u du u arc tg u 1 1 1 2 2 +K du + K du u. u du = arc sec u + K 2 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 12 0>a se K a u sec arc a 1 =du auu du 0a seK a u tgarc a 1 ua du 0>a se K a u senarc =du ua du 22 22 22 Exemplos: Determine as integrais: 01) dx x2 5 2 dx Solução: dx x dx dx x2 5 2 1 5 2 2 2 . Faça : u x du dx dx du 5 2 5 2 2 5 2 5 2 1 1 52 du u arc sen u arc sen x K . +K = 5 5 10 2 02) xdx x4 25 Faça: u = x2 du = 2x dx x dx = du / 2. xdx x du u arc tg 4 225 1 2 25 1 2 25 1 2 1 5 5 du u u 5 +K = 1 10 arc tg x +K 2 2 . 03) 2x2x dx 2 Faça: 11x11x2x2x2x 222 11x dx 2x2x dx 22 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 13 Faça u = x – 1 logo du = dx k)1x(arctgkarctgu 1u du 2x2x dx 22 4.1 Exercícios: Calcule as integrais: 2x2x dx 10) 1)+(x+2 dx )09 x1 dxx 08) 4x+1 dxx )07 xcos-2 dxsenx 06) e7 dxe )05 dx 5x6x3)-(x 2 04) 916uu du )03 x-2x+15 dx 02) 169x dx 01) 22 8 3 4 2x2 x 22 22 5 SUBSTITUIÇÃO TRIGONOMÉTRICAS Expressões do tipo: a u2 2 com a > 0 u a sen du = a cos d Expressões do tipo: a u2 2 com a > 0 u = a tg du = a sec 2 d Expressões do tipo: u a2 2 com a > 0 u a sec du = a sec tg d Exemplos: Resolva as integrais por substituição trigonométricas: Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 14 01) 4 2 2 x x dx 02) 1 92 2x x dx Solução: 4 2 2 x x dx Faça: x = 2sen dx = 2cos d 4 4 4 2 4 1 2 1 1 2 2 2 2 2 sen sen . cos sen 2 cos d d cotg d = 1 2 cossec d = cotg - + k. 2 2 x 2 4 2 x cotg = 4 2 x x arc sen x 2 4 4 4 2 2 2 2 x x x x k dx = arc sen x 2 02 92 ) 1 x dx 2 x Faça : x = 3 tg dx = 3 sec 2 d. 3 9 9 9 1 9 1 9 1 9 1 1 9 2 2 2 2 2 2sec cot cossec d d g d d tg tg tg d d = + 1 9 cossec d = 1 9 - 1 9 cotg +k2 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 15 cotg = 3 x arc tg x 3 x 9 2 x dx x x k 2 29 1 9 arc tg x 3 1 3x 03) x x dx 2 9 04) 1 16 2 5 2 x dx / 05) 1 25 162x x dx 06) x x dx 2 2 3 21 9 / 07 1 2 ) 1 5 + x dx 08) x dx 2 2 x 09 1 2 ) 1 4 - x dx 10) x dx 2 2 x 11 2 2) - x dx 12) 9 - x dx2 2 x 6 INTEGRAÇÃO DAS FUNÇÕES RACIONAIS 6.1 Denominadores são fatores do 1° grau 1 3 2 1 2 1 2 12x x x x A x B x ( ).( ) 3 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 16 6.2 Denominadores são fatores do 2° grau: 6.2.1 Sem multiplicidade de raizes 1 1 1 1 3 2x x x x A x + B x+ C x2 6.2.2 Com multiplicidade de raizes 1 1 13 2 2 2x x x x A x ( ) + B x C x+1 6.3 Exercícios 01 6 2 03 4 1 11 5 4 5 2 05 8 1 1 2 2 3 3 2 2 3 2 ) ) ) x dx 02) 4x - 2 x dx x dx 04) 5x dx dx 16x 06) 3x dx 2 3 2 2 4 2 x x x x x x x x x x x x x x x 6.4 Exercícios 01 4 9 03 2 6 5 1 1 9 1 2 3 2 2 3 2 3 2 3 2 ) ) 1 x dx 02) 1 x dx 2x dx 04) 10x dx 4 4 4 2 x x x x x x x x x x x x 7 SUBSTITUIÇÃO DIVERSAS: Calcule as integrais: 01 3 2 ) x x+ 9 dx 02) 5x x+ 3 dx3 03 3 ) 1 4 + x dx 04) 1 x dx 4 x Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 17 05) e 1+ e dx 06) sen(2x) 1+ senx dx 3x x 07) 1 1+ senx+ cosx dx 08) 1 tgx+ senx dx 8 EXERCÍCIOS DE TÉCNICAS DE INTEGRAÇÃO Calcule as integrais: 2x2x dx 10) 1)+(x+2 dx )9 x1 dxx 8) 4x+1 dxx )7 xcos-2 dxsenx 6) e7 dxe )5 dx 5x6x3)-(x 2 4) 916uu du )3 x-2x+15 dx 2) 169x dx 1) 22 8 3 4 2x2 x 22 22 8.1 Integração por Partes: Calcule as integrais: 1 3 1 1 5 2 2 3 ) ln ) ) ( ) x 2) x(2x + 3) x 4) x cos x dx 6) (x +1) 99 3 5 10 xdx dx dx x dx x x dx 7) ln x 8)) (lnx)2 2xdx dx 8.2 Integrais Trigonométricas: Calcule as integrais: Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 18 1) cos 2) sen 3 2x dx x dx 3 5 7 9 3 3 2 3 ) cos cos ) cos sen ) ) cos sec sen 4)senx sen 6) cosx sen2x cos4x dx 8) sen3x sen5x dx e 10) 1- senx x + cosx 5 3 cosx x xdx xdx x xdx xdx x dx dx 8.3 Calcule as integrais Trigonométricas: 1 3 5 3 4 ) ) ) sec sec cotg 2) tg sec 4) cossec tg 6) tg 2 4 3 4 5 5 x dx xdx xdx xdx x xdx x xdx 7 9 1 1 1 1 5 3 3 2 2 2 2 ) sec sec ) ( ) cos sec ( ) tg 8) tg x x 10) xcotg 7 2 2 2 x xdx x xdx tg x dx x x dx 8.4 Integração por Substituição Trigonométricas: Integrandos Tipos: a a u u a du a b a du a c a ) sen cos ) sec ) d u u = a tg d u u = a sec du = a sec tg d 2 2 2 2 2 2 2 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 19 Calcule as integrais: 1 4 3 5 7 9 3 4 1 2 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 ) ) ) ) ) ) ) 2) x dx a 4) dx x (1- 4x 6) x dx x 8) dx (x x 10) 5x + 4 x 2 2 3 2 2 3 2 2 3 a x x dx x dx x dx x a dx dx a x dx x a a x dx x dx 8.5 Integrações de Frações Parciais: a) Denominadores são fatores lineares distintos: Calcule as integrais: 1 4 4 3 2 2 1 5 4 2 1 5 5 46 48 5 24 7 6 2 2 2 3 2 2 3 2 2 ) ) ) ) cos 2x 2) x - 1 x 3x 4) x 10 - 2x x 6) x 5e 8) 3sen d cos 3 3 2 2 2 2 t 2 x x dx x x dx x x x dx x x x dx x dx x x x x dx dt e et t dx x4x 8x105x 10) dx 1)-(x 1-6x )9 3 2 2 8.6 Substituições Diversas: Resolva as integrais: 01) dx x1 02) dx x x4 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 20 03) x x2 dx 04) x3 1 2x dx2 05) x x5 25 2 dx 06) sec sen x x1 dx ‘ 07 2 1 09 11 1 1 3 3 4 ) ) ) x x+ 9 dx 08) x dx 5x (x+ 3) dx 10) 1 4 + x e dx 12) 2 2 3 3x x dx e x x dxx 8.7 Exercícios sobre Técnicas de Integração – Problemas diversos. Resolva as integrais, usando o método mais imediato: dx 3xcos2 senx 04) dx 2+x 1-x )03 dx x-16 x 1 02) dx x x4 )01 5 22 2 dxsen x arcx 12) dx ln x x )11 dx x+16 1 10) dx 9xx 1 )09 dx x+1 x tgarc 08) dx ln xx 1 )07 dx ee ee 06) dx 53x x )05 222 2 xx xx 22 dx 3x4x.2-x 10x124x 14) dx xx1011 3 )13 2 2 2 dx xxx 1 16) dx xcos+1 xsen )15 43 dx (5x)cossec x 18) dx e )17 lnx+1 Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 21 dx 1- x x 20) dx 5+x 1+2x )19 3100 dx x cos 1x 22) dx 25x8x 2+3x )21 3 2 xdxcosxsen)23 23 xdxcosxsen)24 3 dx)x3(cos)25 2 dx )x2(sen x2cos1 )26 2 xdxcosxsen)27 24 xdxcosxsen)28 35 xdxsec)29 6 xdxsecxtg)30 33 31) tg x xdx5 sec 32) sen( )cos( )3 2x x dx 33) x xdxcos2 34) x dxx3 38) x xdx2 ln 39) sen2x e dx x 40) x x dx 5 31 41) x x dx 1 2 10 42) 4 2 2 x x dx 43) 1 92 2x x dx 44) x x dx 2 9 44) 1 16 2 5 2 x dx / 45) 1 25 162x x dx 46) x x dx 2 2 3 2 1 9 / Tópico 02: Técnicas de Integração Moutinho, Darlan Carvalho, Kissia Página 22 47) dx x x1 2 ln 48) sen ln x dx 49) arctg xdx 50) x x dx 2 2 2 4 51) dx x 1 . x 1 1 2 52) dx)xcos(x 23 53) dx xcos3xsen4 1 54) dx e1 e x x3 55) dx x35x 56) dx xcos e 2 tgx 57) dx xcos x 2 58) dx )2x.(4x 4x6x4 2 2 59) dx x16 x 2 3 60) xdxsecxtg 3
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