Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
MATERIAL DE APOIO Aula 9: Análise Matemática Para Engenharia Exemplo 1 ∫ sin3x ∙ dx Solução ∫sin3x ∙ dx = ∫sin2x ∙ sin x ∙ dx = ∫(1 − cos2 x) ∙ sin x ∙ dx = ∫sin x ∙ dx − ∫cos2x sin x ∙ dx Seja cos x = u ∴ −sin x ∙ dx = du −∫du + ∫u2 du = −u + u3 3 + C ∴ ∫sin3x ∙ dx = − cos x + cos3x 3 + C Exemplo 2 ∫ sin4x ∙ cos5x ∙ dx Solução ∫sin4x ∙ cos5x ∙ dx = ∫sin4x ∙ cos4x ∙ cos x ∙ dx = ∫sin4x ∙ (cos2x)2 ∙ cos x ∙ dx ∫sin4x ∙ (1 − sin2x)2 ∙ cos x ∙ dx Faça u = sin x ∴ du = cos x ∙ dx ∫sin4x ∙ (1 − sin2x)2 ∙ cos x ∙ dx = ∫𝑢4 ∙ (1 − 𝑢2)2 ∙ 𝑑𝑢 = ∫(𝑢4 − 2𝑢6 + 𝑢8)𝑑𝑢 = 𝑢5 5 − 2 𝑢7 7 + 𝑢9 9 + 𝐶 Logo: ∫sin4x ∙ cos5x ∙ dx = sin5x 5 − 2 7 ∙ sin7x + sin9x 9 + C Exemplo 3: Encontre a integral indefinida dada por ∫ ex ∙ tg2(x) ∙ dx Solução Faça u = ex ∴ du = ex ∙ dx ∫ex ∙ tg2(𝑒𝑥) ∙ dx = ∫ tg2(u) ∙ du = ∫(sec2(u) − 1) ∙ du = ∫ sec2(u) ∙ du − ∫du = tg u − u + C ∴∫ex ∙ tg2(x) ∙ dx = tg(ex) − ex + C Exemplo 4 Encontre a integral indefinida dada por ∫ sec4(x) ∙ dx Solução ∫sec4(x) ∙ dx = sec3(x) ∙ sin(x) 3 + 2 3 ∙ ∫ sec2(x) ∙ dx = tg(x) ∙ (1 + tg2(x)) 3 + 2 3 ∙ tg(x) + C ∫sec4(x) ∙ dx = tg(x) + 1 3 ∙ tg3(x) + C Exemplo 5 Calcule ∫ √9 − 𝑥2 𝑥2 ∙ 𝑑𝑥 Solução Seja x = 3 ∙ sin θ, onde 0 < θ ≤ π 2⁄ se x > 0; e, −π 2⁄ ≤ θ < 0 se x < 0. Então, dx = 3 ∙ cos θ ∙ dθ e √9 − x2 = √9 − 9 ∙ sin2θ = 3√cos2θ = 3 ∙ cos θ Logo, ∫ √9 − x2 x2 dx = ∫ 3 ∙ cos θ 9 ∙ sin2θ ∙ 3 ∙ cos θ ∙ dθ = ∫cotg2θ ∙ dθ = ∫(cosec2 θ − 1) ∙ dθ = −cotg θ − θ + C1 Figura 1: Análise do ângulo para o exemplo 05. Fonte: Google Imagens. Como sin θ = x 3⁄ e −π 2⁄ ≤ θ ≤ π 2⁄ , θ = sin −1(x 3⁄ ). Para encontrar cotg θ, consulte a Figura 1 para x > 0 e para x < 0. Observe que, em ambos os casos, cotg θ = √9 − x2 x Assim: ∫ √9 − 𝑥2 𝑥2 = − √9 − 𝑥2 𝑥 − sin−1(𝑥 3⁄ ) + 𝐶 Exemplo 6 Calcule ∫√𝑥2 + 5 ∙ 𝑑𝑥 Solução Substituímos x = √5 ∙ tg θ, onde 0 ≤ θ < π 2⁄ se x ≥ 0 e −π 2⁄ < θ < 0 se x < 0. Então, dx = √5 ∙ sec2θ ∙ dθ e √x2 + 5 = √5 ∙ tg2 θ + 5 = √5 ∙ √sec2 θ = √5 ∙ sec θ Logo: ∫√x2 + 5 ∙ dx = ∫√5 ∙ sec θ (√5 ∙ sec2 θ ∙ dθ) = 5∫ sec3 θ ∙ dθ ∫√x2 + 5 ∙ dx = 5 2 ∙ sec θ ∙ tg θ + 5 2 ∙ ln|sec θ + tg θ| + C Determinamos sec θ da Figura 2 para x ≥ 0 e para x < 0, onde tg θ = x √5 ⁄ . Em ambos os casos, vemos que sec θ = √x 2 + 5 √5 ⁄ . Logo: ∫√x2 + 5 ∙ dx = 5 2 ∙ √x2 + 5 √5 ∙ x √5 + 5 2 ∙ ln | √x2 + 5 √5 + x √5 | + C1 ∫√x2 + 5 ∙ dx = 1 2 x√x2 + 5 + 5 2 ∙ ln (√x2 + 5 + x) +C Figura 2: Análise do ângulo para o exemplo 06. Fonte: Google Imagens. Exemplo 7 Calcule ∫ 𝑑𝑥 √𝑥2−25 Solução Seja x = 5 ∙ sec θ, onde 0 < θ < π 2⁄ se x > 5 e π < θ < 3π 2⁄ se x < −5. Então, dx = 5 ∙ sec θ ∙ tg θ ∙ dθ e √x2 − 25 = √(5 ∙ sec θ)2 − 25 = 5 ∙ √tg2 θ = 5 ∙ tg θ Logo: ∫ dx √x2 − 25 = ∫ 5 ∙ sec θ ∙ tg θ ∙ dθ 5 ∙ tg θ = ∫ sec θ ∙ dθ = ln|sec θ + tg θ| + C Para encontrar tg θ, observe a Figura 3 para x > 5 e x < −5. Em ambos os casos, sec θ = x 5⁄ e tg θ = √x2 − 25 5 ⁄ . Temos, então, ∫ dx √x2 − 25 = ln | 𝑥 5 + √𝑥2 − 25 5 | + 𝐶1 = ln |𝑥 + √𝑥2 − 25| + 𝐶 Figura 3: Análise do ângulo para o exemplo 07. Fonte: Google Imagens. Exemplo 8 Calcule ∫ 𝑥4 + 3𝑥2 − 5 𝑥 + 1 𝑑𝑥 Solução: Dividindo o numerador pelo denominador (x4 + 3x2 − 5) = (x + 1) ∙ (x3 − x2 + 4x − 4) − 1 ∫ x4 + 3x2 − 5 x + 1 dx = ∫[(x3 − x2 + 4x − 4) − 1 x + 1 ] dx = x4 4 − x3 3 + 2x2 − 4x − ln|x + 1| + C Exemplo 9 Encontre ∫ dx x2 − 4 Solução (𝑥2 − 4) = (𝑥 + 2) ∙ (𝑥 − 2) 1 (𝑥2 − 4) ≡ 𝐴 (𝑥 + 2) + 𝐵 (𝑥 − 2) 1 (𝑥2 − 4) ≡ 𝐴(𝑥 − 2) + 𝐵(𝑥 + 2) (𝑥 + 2) ∙ (𝑥 − 2) 1 ≡ 𝐴(𝑥 − 2) + 𝐵(𝑥 + 2) ∴ { 𝐴 + 𝐵 = 0 −2𝐴 + 2𝐵 = 1 ∴ 𝐵 = 1 4⁄ 𝑒 𝐴 = − 1 4⁄ ∫ dx x2 − 4 ≡ ∫ [− 1 4(x + 2) + 1 4(x − 2) ] dx = − 1 4 ∙ ln|x + 2| + 1 4 ∙ ln|x − 2| + C ∫ dx x2 − 4 = 1 4 ∙ ln | 𝑥 − 2 𝑥 + 2 | + 𝐶 Exemplo 10 Encontre ∫ 6𝑥2− 2𝑥 − 1 4𝑥3 − 𝑥 ∙ 𝑑𝑥 Solução 4x3 − x = x ∙ (4x2 − 1) = x ∙ (x + 1 2⁄ ) ∙ (x − 1 2⁄ ) 6x2 − 2x − 1 4x3 − x ≡ A x + B (x + 1 2⁄ ) + C (x − 1 2⁄ ) ≡ A(x + 1 2⁄ )(x − 1 2⁄ ) + B(x)(x − 1 2⁄ ) + C(x)(x + 1 2⁄ ) x ∙ (x + 1 2⁄ ) ∙ (x − 1 2⁄ ) { A + B + C = 6 − B 2 + C 2 = −2 − A 4 = −1 ∴ A = 4, B = 3, C = −1 ∫ 6x2 − 2x − 1 4x3 − x ∙ dx ≡ ∫[ 4 x + 3 (x + 1 2⁄ ) − 1 (x − 1 2⁄ ) ] dx = 4 ∙ ln|x| + 3 ∙ ln|x + 1 2⁄ | − ln|x − 1 2⁄ | + C Exemplo 11 Encontre a integral indefinida dada por ∫ 𝑑𝑥 𝑥3 − 𝑥2 Solução 𝑥3 + 3𝑥2 = 𝑥2 ∙ (𝑥 + 3) 1 𝑥3 + 3𝑥2 ≡ 𝐴 𝑥2 + 𝐵 𝑥 + 𝐶 𝑥 + 3 = 𝐴 ∙ (𝑥 + 3) + 𝐵 ∙ (𝑥) ∙ (𝑥 + 3) + 𝐶 ∙ (𝑥2) 𝑥2 ∙ (𝑥 + 3) { 𝐵 + 𝐶 = 0 𝐴 + 3𝐵 = 0 3𝐴 = 1 ∴ 𝐴 = 1 3⁄ , 𝐵 = −1 9⁄ , 𝐶 = 1 9⁄ ∫ 𝑑𝑥 𝑥3 − 𝑥2 ≡ ∫[ 1 3⁄ 𝑥2 − 1 9⁄ 𝑥 + 1 9⁄ 𝑥 + 3 ] ∙ 𝑑𝑥 = − 1 3 ∙ 𝑥−1 − 1 9 ∙ ln|𝑥| + 1 9 ∙ ln|𝑥 + 3| + 𝐶 Exemplo 12 Calcule ∫ 𝑥2 − 2𝑥 − 3 (𝑥 − 1)(𝑥2 + 2𝑥 + 2) 𝑑𝑥 Solução A fração no integrando pode ser escrita como a seguinte soma de frações parciais: 𝑥2 − 2𝑥 − 3 (𝑥 − 1)(𝑥2 + 2𝑥 + 2) ≡ 𝐴𝑥 + 𝐵 𝑥2 + 2𝑥 + 2 + 𝐶 𝑥 − 1 𝑥2 − 2𝑥 − 3 = (𝐴𝑥 + 𝐵) ∙ (𝑥 − 1) + 𝐶 ∙ (𝑥2 + 2𝑥 + 2) { 𝐴 + 𝐶 = 1 −𝐴 + 𝐵 + 2𝐶 = −2 −𝐵 + 2𝐶 = −3 ∴ 𝐶 = −4 5⁄ , 𝐵 = 7 5⁄ , 𝐴 = 9 5⁄ 𝑥2 − 2𝑥 − 3 (𝑥 − 1)(𝑥2 + 2𝑥 + 2) ≡ 9 5 𝑥 + 7 5 𝑥2 + 2𝑥 + 2 + − 4 5 𝑥 − 1 ∫ 𝑥2 − 2𝑥 − 3 (𝑥 − 1)(𝑥2 + 2𝑥 + 2) 𝑑𝑥 = 9 5 ∫ 𝑥 𝑥2 + 2𝑥 + 2 𝑑𝑥 + 7 5 ∫ 𝑑𝑥 𝑥2 + 2𝑥 + 2 − 4 5 ∫ 𝑑𝑥 𝑥 − 1 9 5 ∫ 𝑥 𝑥2 + 2𝑥 + 2 𝑑𝑥 = 9 5 ∫ [ 𝑥 + 1 − 1 𝑥2 + 2𝑥 + 2 ] 𝑑𝑥 = 9 5 [∫ 𝑥 + 1 𝑥2 + 2𝑥 + 2 𝑑𝑥 − ∫ 𝑑𝑥 𝑥2 + 2𝑥 + 2 ] 𝑥2 + 2𝑥 + 2 = 𝑢 ∴ (2𝑥 + 2)𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 ∴ 2(𝑥 + 1)𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑥2 + 2𝑥 + 2 = (𝑥 + 1)2 + 1 ∫ x + 1 x2 + 2x + 2 dx = ∫ du 2⁄ u = 1 2 ∫ du u = 1 2 ∙ ln|u| = 1 2 ∙ ln|𝑥2 + 2𝑥 + 2| ∫ 𝑑𝑥 𝑥2 + 2𝑥 + 2 = ∫ 𝑑𝑥 (𝑥 + 1)2 + 1 = tg−1(𝑥 + 1) ∫ 𝑥2 − 2𝑥 − 3 (𝑥 − 1)(𝑥2 + 2𝑥 + 2) 𝑑𝑥 = 9 5 [ 1 2 ∙ ln|𝑥2 + 2𝑥 + 2| − tg−1(𝑥 + 1)] + 7 5 tg−1(𝑥 + 1) − 4 5 ln|𝑥 − 1| + 𝐶 ∫ 𝑥2 − 2𝑥 − 3 (𝑥 − 1)(𝑥2 + 2𝑥 + 2) 𝑑𝑥 = 9 10 ln|𝑥2 + 2𝑥 + 2| − 2 5 tg−1(𝑥 + 1) − 4 5 ln|𝑥 − 1| + 𝐶 Exemplo 13 Calcule ∫ (𝑥 − 2) 𝑥 ∙ (𝑥2 − 4𝑥 + 5)2 𝑑𝑥 Solução (x − 2) x ∙ (x2 − 4x + 5)2 ≡ A x + B(2x − 4) + C (x2 − 4x + 5)2 + D(2x − 4) + E x2 − 4x + 5 Observação: Você pode evitar algumas passagens na resolução se, em vez da expressão convencional 𝐴𝑥 + 𝐵, escrever 𝐵(2𝑥 − 4) + 𝐶, pois 2𝑥 − 4 = 𝐷𝑥(𝑥 2 − 4𝑥 + 5) ≡ 𝐴 ∙ (x2 − 4x + 5)2 𝑥 ∙ (x2 − 4x + 5)2 + [𝐵(2𝑥 − 4) + 𝐶] ∙ 𝑥 𝑥 ∙ (x2 − 4x + 5)2 + [𝐷(2𝑥 − 4) + 𝐸] ∙ 𝑥 ∙ (x2 − 4x + 5) 𝑥 ∙ (𝑥2 − 4𝑥 + 5)2 { A + 2D = 0 −8A − 12D + E = 0 26A + 2B + 26D − 4E = 0 −40A − 4B + C − 20D + 5E = 1 25A = −2 ∴ { A = −2 25⁄ B = 1 5⁄ C = 1 5⁄ D = 1 25⁄ E = −4 25⁄ ≡ − 2 25 ∫ 𝑑𝑥 𝑥 + 1 5 ∫ (2𝑥 − 4) (𝑥2 − 4𝑥 + 5)2 𝑑𝑥 + 1 5 ∫ 𝑑𝑥 (𝑥2 − 4𝑥 + 5)2 + 1 25 ∫ (2𝑥 − 4) 𝑥2 − 4𝑥 + 5 𝑑𝑥 − 4 25 ∫ 𝑑𝑥 𝑥2 − 4𝑥 + 5 ∫ 𝑑𝑥 𝑥 = ln|𝑥| + 𝐶1 ∫ (2𝑥 − 4) (𝑥2 − 4𝑥 + 5)2 𝑑𝑥 = ∫ 𝑑𝑢 𝑢2 = 𝑢−2+1 −2 + 1 = 𝑢−1 + 𝐶2 = 1 𝑥2 − 4𝑥 + 5 + 𝐶2 ∫ (2𝑥 − 4) 𝑥2 − 4𝑥 + 5 𝑑𝑥 = ∫ 𝑑𝑢 𝑢 = ln|𝑢| + 𝐶3 = ln|𝑥 2 − 4𝑥 + 5| + 𝐶3 ∫ 𝑑𝑥 (𝑥2 − 4𝑥 + 5)2 = ∫ 𝑑𝑥 [(𝑥 − 2)2 + 1]2 Seja x − 2 = tg θ, onde 0 ≤ θ ≤ π 2⁄ se x ≥ 2; e, −π 2⁄ < θ < 0 se x < 2. Então, dx = sec2θ ∙ dθ e (x − 2)2 + 1 = tg2θ + 1. Logo, ∫ dx [(x − 2)2 + 1]2 = ∫ sec2θ (tg2θ + 1)2 ∙ dθ = ∫ sec2θ sec4θ ∙ dθ = ∫ dθ sec2θ = ∫cos2θ ∙ dθ = ∫ 1 + cos 2θ 2 ∙ dθ = θ 2 + 1 4 ∙ sin2θ + C4 = θ 2 + 1 2 ∙ sinθ ∙ cosθ + C4 Como tg θ = x − 2 e −π 2⁄ < θ < π 2⁄ , θ = tg −1(x − 2). Encontramos sin θ e cos θ da Figura 4, se x ≥ 2 e x < 2. Em ambos os casos: sinθ = x − 2 √x2 − 4x+ 5 cos θ = 1 √x2 − 4x + 5 Logo, ∫ dx [(x − 2)2 + 1]2 = 1 2 ∙ tg−1(x − 2) + x − 2 2(x2 − 4x + 5) + C4 Figura 4: Análise do ângulo para o exemplo 13. Fonte: Google Imagens. Considerando agora a última integral: ∫ dx x2 − 4x + 5 = ∫ dx (x − 2)2 + 1 = tg−1(x − 2) + C5 Finalmente, após a manipulação algébrica: ∫ (x − 2) x ∙ (x2 − 4x + 5)2 dx = 1 25 ∙ ln | x2 − 4x + 5 x2 | − 3 50 ∙ tg−1(x − 2) + (x − 4) 10 ∙ (x2 − 4x + 5) + C Exemplo 14 Calcule ∫ dx 1 − sinx + cosx Solução Seja z = tg x 2 . Então: ∫ 𝑑𝑥 1 − sin 𝑥 + cos 𝑥 = ∫ 2 1 + 𝑧2 1 − 2𝑧 1 + 𝑧2 + 1 − 𝑧2 1 + 𝑧2 ∙ 𝑑𝑧 = 2∫ 𝑑𝑧 (1 + 𝑧2) − 2𝑧 + (1 − 𝑧2) 2∫ 𝑑𝑧 2 − 2𝑧 = ∫ 𝑑𝑧 1 − 𝑧 = − ln|1 − 𝑧| + 𝐶 = − ln |1 − tg 𝑥 2 | + 𝐶 Exemplo 15 Calcule ∫ dx √x2 − 6x + 13 12 8 Solução ∫ dx √x2 − 6x + 13 = ∫ dx √(x − 3)2 + 4 = sinh−1 ( x − 3 2 ) + C = ln |(x − 3) + √x2 − 6x + 13| + C ∫ dx √x2 − 6x + 13 12 8 = ln |(x − 3) + √x2 − 6x + 13|| 8 12 = ln | 9 + √85 5 + √29 | ≅ 0,56 Exemplo 16 Calcule a integral, se ela convergir ∫ 𝑑𝑥 (4 − 𝑥)2 2 −∞ Solução ∫ 𝑑𝑥 (4 − 𝑥)2 2 −∞ = lim 𝑎 → −∞ ∫ 𝑑𝑥 (4 − 𝑥)2 2 𝑎 = lim 𝑎 → −∞ ( 1 4 − 𝑥 )| 𝑎 2 = lim 𝑎 → −∞ [ 1 2 − 1 4 − 𝑎 ] = 1 2 − 0 = 1 2 Exemplo 17 Calcule a integral, se ela convergir ∫ 𝑥 ∙ 𝑒−𝑥 ∙ 𝑑𝑥 +∞ 0 Solução ∫ 𝑥 ∙ 𝑒−𝑥 ∙ 𝑑𝑥 +∞ 0 = lim 𝑏 → +∞ ∫ 𝑥 ∙ 𝑒−𝑥 ∙ 𝑑𝑥 𝑏 0 Para calcular a integral, usaremos a integração por partes com 𝑢 = 𝑥, 𝑑𝑣 = 𝑒−𝑥𝑑𝑥, 𝑑𝑢 = 𝑑𝑥 e 𝑣 = −𝑒−𝑥. Assim, ∫ x ∙ e−x ∙ dx +∞ 0 = lim b → +∞ [−xe−x − e−x]0 b = lim b → +∞ (−be−b − e−b + 1) = − lim 𝑏 → +∞ ( 𝑏 𝑒𝑏 − 0 + 1) Para calcular o lim 𝑏 → +∞ 𝑏 𝑒𝑏 , aplicamos a regra de l’Hôpital, pois lim 𝑏 → +∞ 𝑏 = +∞ e lim 𝑏 → +∞ 𝑒𝑏 = +∞. Teremos, então: lim b → +∞ b eb = lim b → +∞ 1 eb = 0 Finalmente, temos: ∫ x ∙ e−x ∙ dx +∞ 0 = 1 Exemplo 18 Mostre que a integral imprópria ∫ 𝑥 (1 + 𝑥2) +∞ −∞ 𝑑𝑥 é divergente. Solução Seja 𝑢 = 1 + 𝑥2 ∴ 𝑑𝑢 = 2 ∙ 𝑥 ∙ 𝑑𝑥 ∫ 𝑥 (1 + 𝑥2) 𝑑𝑥 = ∫ 𝑑𝑢 2 ∙ 𝑢 = 1 2 ∙ ∫ 𝑑𝑢 𝑢 = 1 2 ∙ ln|𝑢| + 𝐶 = 1 2 ln|1 + 𝑥2| + 𝐶 ∫ 𝑥 (1 + 𝑥2) +∞ −∞ 𝑑𝑥 = lim 𝑎 → −∞ [ 1 2 ∙ ln|1 + 𝑥2|] 𝑎 0 + lim 𝑏 → +∞ [ 1 2 ∙ ln|1 + 𝑥2|] 0 𝑏 = lim 𝑎 → −∞ [ 1 2 ∙ (ln|1| − ln|1 + 𝑎2|)] + lim 𝑏 → +∞ [ 1 2 ∙ (ln|1 + 𝑏2| − ln|1|)] Como nenhum dos dois limites existe, a integral imprópria diverge. Exemplo 19 Calcule a integral, se ela for convergente: ∫ 𝑑𝑥 (𝑥 − 1)2 2 0 Solução Observe que o integrando possui uma descontinuidade infinita em 1. Desta maneira, aplicando a definição: ∫ dx (x − 1)2 2 0 = lim t → 1− ∫ dx (x − 1)2 + t 0 lim s → 1+ ∫ dx (x − 1)2 2 s = lim t → 1− [− 1 x − 1 ] 0 t + lim s → 1+ [− 1 x − 1 ] s 2 = lim t → 1− [− 1 t − 1 − 1] + lim s → 1+ [−1 + 1 s − 1 ] Como nenhum desses limites existe, a integral imprópria é divergente. Exemplo 20 Calcule a integral imprópria, se ela for convergente, ∫ 𝑥 √𝑥2−9 𝑑𝑥 −3 −5 Solução Existe uma descontinuidade infinita no ponto superior do intervalo de integração, então, a existência da integral imprópria será determinada a partir da definição a seguir: ∫ f(x)dx = lim t → b− ∫ f(x)dx t a b a ∫ x √x2 − 9 dx = ∫ du 2√u = 1 2 ∫u− 1 2⁄ du = √u + C = √x2 − 9 + C ∫ 𝑥 √𝑥2 − 9 𝑑𝑥 −3 −5 = lim 𝑡 → −3− ∫ 𝑥 √𝑥2 − 9 𝑑𝑥 𝑡 −5 = lim 𝑡 → −3− [√𝑥2 − 9] −5 𝑡 = lim 𝑡 → −3− [√𝑡2 − 9 − √(−5)2 − 9] = 0 − 4 = −4 Figura 5: Esboço do gráfico da função 𝑓(𝑥) = 𝑥 √𝑥2 − 9 ⁄ . Observe que há descontinuidades (linhas tracejadas em azul) nos pontos 𝑥 = −3 e 𝑥 = 3. − − − − − − − − − − − − − − x y
Compartilhar