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Caro estudante, nesta unidade vamos introduzir novos conceitos, estritamente ligados às derivadas. O conceito de integral é bem assimilado por estudantes que tiverem bom domínio da derivada e de todas as técnicas de derivação, pois, integral é uma operação inversa da derivada. Portanto recomenda-se que o estudante faça uma revisão da unidade 3 para melhor se integrar nesta unidade. Boa sorte Lê com atenção as definições e acompanhe atentamente os exemplos resolvidos, resolva os mesmos exemplos para consolidar as matérias novas aprendidas. No final da unidade você irá encontrar exercícios propostos que deverá resolver sóozinho. O recurso à consulta da solução deve ser depois de ter tentado sóozinho ou em grupo de estudo. Parte A Algumas considerações teóricas 1. Primitiva e Integral indefinido Definição 1: Se D é um conjunto de números reais e f é uma função de D em R, diz-se que uma função F de D em R é uma primitiva de f se a derivada de F for igual a f, isto é F’(x) = f(x). Se f tiver uma primitiva, diz-se que f é primitivável. Exemplo: Determinar a primitiva da função ( ) 23xxf = . Segundo a definição, verifica-se imediatamente que a primitiva de ( ) 23xxf = é ( ) 3xxF = . Visto que ( ) 23 3xx =′ . Observa-se facilmente que se a função f(x) admite uma primitiva, esta não é única. Assim no exemplo precedente, poderíamos tomar como primitivas as funções seguintes: ( ) 3xxF = , ( ) 13 += xxF , ( ) 53 −= xxF ou em geral ( ) CxxF += 3 (onde C é uma constante arbitrária). Teorema 1: Se F1 e F2 são quaisquer duas primitivas de f, no intervalo D, a sua diferença é uma constante. Definição 2: Chama-se integral indefinida da função f(x) e denota-se por ∫ dxxf )( a toda expressão da forma ( ) CxF + , em que ( )xF é uma primitiva de f(x). Assim por definição, ∫ += CxFdxxf )()( , se )()( xfxF =′ . A integral também é conhecida como antiderivada. A partir da definição da integral podemos constatar o seguinte: 1. A derivada dum integral indefinido é igual à função a integrar, isto é, se )()( xfxF =′ então ( ) ( ) )()()( xfCxFdxxf =′+=′∫ . 2. O diferencial dum integral indefinido é igual à expressão sob o sinal de integral (soma) ( ) dxxfdxxfd )()( =∫ . 3. O integral indefinido do diferencial duma certa função é igual à soma desta função e duma constante arbitrária ∫ += CxFxdF )()( • Propriedades do integral indefinido Teorema 2. O integral indefinido da Soma algébrica de duas ou várias funções é igual à soma algébrica dos seus integrais. [ ] ( )dxxgdxxfdxxgxf ∫ ∫∫ +=+ )()()( . Teorema 3. O integral indefinido do produto de uma constante por função é igual ao produto da constante pela integral da função. ∫ ∫= dxxfkdxxkf )()( . • Primitivas de algumas funções elementares Nas fórmulas que se segue C designa uma constante arbitrária: 1. ( )∫ −≠++= + 1 1 1 α α α α Cxdxx 2. ∫ += Cxx dx ln 3. ∫ +−= Cxsenxdx cos 4. ∫ += Csenxxdxcos 5. ∫ += Ctgxx dx 2cos 6. ∫ +−= Cgxxsen dx cot2 7. ∫ +−= Cxtgxdx cosln 8. ∫ += Csenxgxdx lncot 9. ∫ += Cedxe xx 10. ∫ += Ca adxa x x ln 11. ∫ +=+ Ca xarctg axa dx 1 22 12. ∫ +− + = − C xa xa axa dx ln 2 1 22 13. ∫ += − C a xarcsen xa dx 22 14. ∫ +±+= ± Caxx ax dx 22 22 ln Exemplos: Calcule os seguintes integrais: a) ∫ dxx3 b) ( )∫ +− dxxsenxx 52 c) ∫ + 24 x dx Resolução: a) Cxdxx +=∫ 43 4 1 b) ( )∫ +− dxxsenxx 52 = ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫+−=+− dxxsenxdxxdxdxxsenxdxxdx 2 1 5252 = CxxxCxxx +++=++−−⋅= 32 2 3 2 3 2cos5 2 3 )cos(5 2 2 c) ∫ + 24 x dx = ∫ + 222 x dx = Cxarctg + 22 1 EXERCÍCIOS: I Calcular 1) ∫ dxx5 2) ( )∫ + dxxx 3) ∫ − dx xx x ) 4 3( 4) ∫ x dxx2 5) dx xxx∫ ++ )2 41( 2 6) ∫ 4 x dx 7) ∫ − 29 x dx 8) ∫ − 21 x dx 9) ( )∫ + dxe x2 10) ( )∫ + dxxx cos5 ==========/////========== 2. Método de Substituição Considerações Teóricas: - Integração por mudança de variável (ou método de substituição) Há casos em que a função integranda se “assemelha” a uma função que se sabe integrar. É o que acontece, por exemplo com o integral dxx∫ 3cos em relação a ∫ duucos . Então, a substituição da variável x por uma nova variável de integração u, criteriosamente relacionada com x, permite simplificar o cálculo do integral. Assim, no exemplo considerado, convém fazer xu 3= , donde, se 3= dx du ou seja, dudx =3 donde, então segue que dudx 3 1 = e, assim tem-se: CxsenCusenududuudxx +=+=== ∫∫∫ 33 1 3 1cos 3 1 3 1cos3cos Deste modo, podemos dizer que o método de integração com recurso à mudança de variável consiste em: • Definir uma nova variável )(xgu = , onde )(xg é escolhida de tal modo que, quando escrita em termos de u, o integrando é mais simples do que quando escrita em termos de x. • Transformar o integral com relação a x num integral com relação a u, através da substituição de )(xg onde quer que seja por u e dxxg )(' por du . • Integrar a função resultante de u. • Reescrever a resposta em termos de x, através da substituição de u por ).(xg Outros exemplos/exercícios: - Calcular dxxxI ∫ += 13 32 . Resolução: - Aqui, a substituição pode ser: 13 += xu ; dxxdu 23= ou seja, 23x dudx = , e portanto o integral calcula-se fazendo: ∫∫ +==⋅⋅= Cuduux duuxI 2/32/12 2 3 2 3 3 Que passando à variável x fica, CxI ++= 2/33 )1( 3 2 . EXERCÍCIOS: II Calcular : 1) dxxx 2)1( 32 ⋅+∫ 2) ∫ dxxsen )2( 3) ∫ dxxex 2 2 4) dxxx 13 32 +∫ 5) dx x x ∫ 2)(ln 6) dxex x32∫ 7) dxxsenx∫ − )5(1)5cos( 8) dxe x∫ −355 9) dxxx 132 −∫ 10) dx xx xx ∫ +− − 13 2 23 2 11) ( )∫ + 3232 2cos xsen xdx 12) ∫ +12x xdx 13) ∫ ++ + dx xx x 32 1 2 14) ∫ + 32 cos senx xdx 15) ∫ + x x e dxe 2 2 2 16) ∫ − 231 x dx 17) ∫ − 2916 x dx 18) ∫ − 29 x dx 19) ∫ + 49 2x dx 20) ∫ − 294 x dx 21) ∫ − 6 2 5 x dxx 22) ∫ − 253 x dx 23) ∫ + xsena xdx 22 cos 24) ∫ ++ 522 xx dx 25) ∫ +− 423 2 xx dx 26) ∫ ++ 132 xx dx 27) ∫ +− 562 xx dx 28) ∫ +− 122 2 zz dz 29) ∫ +− 223 2 xx dx 30) ( )∫ +− − 1173 76 2 xx dxx =====///===== Soluções I 1) Cx + 6 6 2) Cxxx ++ 3 2 2 2 3) Cxxx +− 2 10 16 4) Cxx +2 5 2 5) Cx xx ++−− 281 6) Cx +4 3 3 4 7) Cxarcsen + 3 8) C x x + − + 1 1ln 2 1 9) Cex x ++2 10) Csenx x ++ 5ln 5 II 1) Cx ++ 42 )1( 4 1 2) Cx +− )2cos( 2 1 3) Cex + 2 4) Cx ++ 2 3 3 )1( 3 2 5) Cx + 3 )(ln 3 6) Cex + 3 3 1 7) Cxsen +−− 2 3 )]5(1[ 15 2 8) Ce x +−35 9) Cx +− 2 3 3 )1( 9 2 10) Cxx ++− 13ln3 1 23 11) ( ) C xsen + + − 2232 1 12 1 12) Cx ++1ln 2 1 2 13) ( ) Cxx +++ 32ln 2 1 2 14) Csenx ++ 32ln 2 1 15) ( ) Ce x ++ 22ln 2 1 16) Cxarcsen +3 3 1 17) Cxarcsen + 4 3 3 1 18) Cxarcsen + 3 19) Cxartg + 2 3 6 1 20) C x x + − + 32 32ln 12 1 21) C x x + − + 5 5ln 56 1 3 3 22) Cxarcsen + 3 5 5 1 23) C a senxarctg a +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛1 24) C xarctg ++ 2 1 2 1 25) Cxarctg +− 11 13 11 1 26) C x x + ++ −+ 532 532ln 5 1 27) C x x + − − 1 5ln 4 1 28) Cxarctg +− )12( 29) Cxarctg +− 5 13 5 1 30) Cxx ++− 1173ln 2 3. Calcular usando o Método de Integração por partes Considerações Teóricas INTEGRAÇÃO POR PARTES Se f e g são funções diferenciáveis, então, pela regra de diferenciação do produto, [ ] )()()()()()( xgxfxgxfxgxf dx d ′+′= Integrando ambos os lados, obtemos [ ] ∫ ∫∫ ′+′= dxxgxfdxxgxfdxxgxfdx d )()()()()()( ou ∫ ∫ ′+′=+ dxxgxfdxxgxfCxgxf )()()()()()( Ou Cdxxgxfxgxfdxxgxf +′−=′∫ ∫ )()()()()()( Uma vez que a integral à direita irá produzir uma outra constante de integração, não há necessidade de manter o C nesta última equação; assim sendo, obtemos ∫ ∫ ′−=′ dxxfxgxgxfdxxgxf )()()()()()( (1) A qual é chamada de fórmula de integração por partes. Usando esta fórmula, às vezes podemos tornar um problema de integração mais simples.Na prática, é usual reescrever (1) fazendo dxxfduxfu )()( ′=⇒= dxxgdvxgv )()( ′=⇒= Isso dá lugar à seguinte forma alternativa para (1): ∫ ∫−= vduuvudv (2) Exemplo Calcule: ∫ dxxex Solução. Para aplicar (2), precisamos escrever a integral na forma ∫udv Uma maneira de fazer isso é colocar para que, dxdu = e ∫ == xx edxev Deste modo, a partir de (2) Observação: 1. A parte escolhida como dv tem de ser facilmente integrável. 2. ∫ vdu não pode ser mais complicada que ∫udv . EXERCÍCIOS: I Integração por partes – Achar: 1. dxxx ln2∫ 2. dxxx∫ +1 3. dxsenxx∫ 2 4. dxex x23∫ 5. ∫ dxxx ln 6. ∫ dxxsenx 7. ∫ dxxex 8. dxxx∫ + 8)5( 9. ∫ dxxx ln2 10. dxex x∫ 2 Soluções: 1. Cxxx +− 9 ln 3 33 2. Cxxx ++−+ 2 5 2 3 )1( 15 4)1( 3 2 3. Cxxsenxxx +++− cos22cos2 4. Cexeexex xxxx +−+− 8 3 4 3 4 3 2 222223 5. Cxx +− ) 2 1(ln 2 2 6. Cxxsenx +− cos 7. Cexe xx +− 8. Cxxx ++−+ 109 )5( 90 1)5( 9 1 9. Cxxx +− 3 3 9 1ln 3 10. Cxxex ++− )22( 2 4. Calcular os integrais contendo o trinómio quadrático Considerações Teóricas I - Consideremos o integral ∫ ++ cbxax dx 2 Transformando o denominador numa soma ou diferença de quadrados podemos encontrar integrais de tabela. =⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ++=++ a cx a bxacbxax 22 = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛++ a c a b a bx a bxa 22 2 22 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += 2 22 42 a b a c a bxa Se considerarmos k a b a c ±=− 2 2 4 podemos ter ∫ ++ cbxax dx 2 = ∫ ±⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 2 2 1 k a bx dx a Fazendo a substituição dtdxt a bx =⇒=+ 2 , logo ∫ ++ cbxax dx 2 = ∫ ± 22 1 kt dt a que é um integral de tabela. Exemplo: Calcule ∫ ++ 30123 2 xx dx Resolução: ∫ ++ 30123 2 xx dx = = ++∫ 1043 1 2 xx dx = +−++∫ 104443 1 2 xx dx ( )∫ ++ 623 1 2x dx Fazendo a substituição dtdxtx =⇒=+ 2 , logo ( )∫ ++ 623 1 2x dx = ( ) C tarctg t dt +⋅= + ∫ 66 1 3 1 63 1 22 Cxarctg ++= 6 2 63 1 II - Consideremos o integral ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 O método de substituição sugere que no numerador da fracção tenhamos a derivada do denominador, isto é, ( ) baxcbxax dx d +=++ 22 . Assim: ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 ( ) dx cbxax a AbBbax a A ∫ ++ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −++ = 2 2 2 2 Este integral pode ser escrito na forma duma soma de dois integrais e retirando os factores constantes do integral, temos: ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 ( ) dx cbxax bax a A ∫ ++ + = 2 2 2 ∫ ++⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+ cbxax dx a AbB 22 O segundo integral é I que já sabemos cacular. Fazendo a substituição ( ) dtdxbaxtcbxax =+⇒=++ 22 , logo ( ) CcbxaxCt t dt cbxax dxbax +++=+== ++ + ∫∫ 22 lnln 2 , então ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 = +++= cbxaxa A 2ln 2 C kt dt a AbB a + ± ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ∫ 222 1 Exemplo: Calcule ( ) ∫ +− + 84 1 2 xx dxx Resolução: ( ) ∫∫ =+− + = +− + dx xx x xx dxx 84 22 2 1 84 1 22 ∫ =+− ++− dx xx x 84 2442 2 1 2 ( ) ∫ =+− +− dx xx x 84 642 2 1 2 ( ) ∫ ++− − = 84 42 2 1 2 xx dxx ∫ +− 84 6 2 1 2 xx dx Fazendo a substituição, no 1º integral temos ( ) dtdxxtxx =−⇒=+− 42842 , No segundo integral transformemos o denominador numa soma de quadrados ( ) 42844484 222 +−=+−+−=+− xxxxx +∫ t dt 2 1 ( ) = +−∫ 42 6 2 1 2x dx ( ) =+ − += +− + ∫∫ C xarctgt x dx t dt 2 2 2 3ln 2 1 22 3 2 1 22 Cxarctgxx +−++−= 2 2 2 384ln 2 1 2 III - Consideremos o integral ∫ ++ cbxax dx 2 Fazendo transformações algébricas e mudança de variável análoga ao caso I reduzimos este integral a: • ∫ ± 22 kt dx para a > 0 • ∫ − 22 tk dx para a < 0 Exemplo: Calcule ∫ −− 21228 xx dx Resolução: = −− ∫ 21228 xx dx ∫ +− )2(28 2 xx dx ∫ −++− = )6612(28 222 xx dx ∫ +−+ = 2)6(3628 x dx ∫ +− = 22 )6(8 x dx Fazendo a substituição dtdxtx =⇒=+ 6 , logo ∫ +− 22 )6(8 x dx =+= − = ∫ C tarcsen t dt 8)8 22 Cxarcsen ++ 8 6 IV - Consideremos o integral ( )∫ ++ + cbxax dxBAx 2 Fazendo transformações algébricas e mudança de variável análoga ao caso II e III reduzimos este integral a: ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 ( ) dx cbxax bax a A ∫ ++ + = 2 2 2 ∫ ++ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+ cbxax dx a AbB 22 Ou seja • ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 += ∫ t dt a A 2 ∫ ± ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 222 kt dx a AbB para a > 0 • ( ) ∫ ++ + cbxax dxBAx 2 += ∫ t dt a A 2 ∫ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 222 tk dx a AbB para a < 0 Que são integrais de tabela. Exemplo: Calcule ( ) ∫ ++ + 104 35 2 xx dxx Resolução: ( ) = ++ + ∫ 104 35 2 xx dxx dx xx x ∫ ++ +⋅ 104 32 2 5 2 ( ) = ++ +−+⋅ = ∫ dxxx x 104 3442 2 5 2 ( ) = ++ +−+⋅ = ∫ dxxx x 104 31042 2 5 2 ( ) − ++ + ∫ 104 42 2 5 2 xx dxx = ++ ∫ 104 7 2 xx dx Fazendo a substituição, no 1º integral temos ( ) dtdxxtxx =+⇒=++ 421042 . No segundo integral transformemos o denominador numa soma de quadrados ( ) 6210444104 222 ++=+−++=++ xxxxx , então: = −∫ t dt 2 5 ( ) ( ) = ++ ∫ 22 62 7 x dx ( ) ( ) =+++++− Cxxt 22 622ln75 Cxxxxx +++++−++= 1042ln71045 22 EXERCÍCIOS: Calcular os integrais contendo o trinómio quadrático 1. ∫ ++ 2082 2 xx dx 2. ∫ −− + dx xx x 52 3 2 3. ( )∫ +− − 235 23 2 xx dxx 4. ( )∫ +− − 1 13 2 xx dxx 5. dx xx xxx ∫ +− +− 12 456 2 234 6. ∫ −− 2432 xx dx 7. ∫ ++ 21 xx dx 8. ∫ + 22 SaS dS 9. ∫ −− 2375 xx dx 10. ( )∫ + 53xx dx 11. ∫ −− 232 xx dx 12. ∫ ++ + dx cbxax bax 2 2 13. ( )∫ −+ − 211663 3. xx dxx 14. ( )∫ −+ + 2443 3. xx dxx Soluções: 1. Cxarctg ++ 6 2 62 1 2. ( ) ( ) C x xxx + −+ −− +−−= 16 16ln 6 252ln 2 1 2 3. ( ) Cxarctgxx +−−+− 31 310 315 11235ln 10 3 2 4. ( ) Cxarctgxx +−++− 3 12 3 11ln 2 3 2 5. Cxarctgxxxx +−++−+− 7 14 72 112ln 4 1 2 2 2 3 6. Cxarcsen ++ 41 38 2 1 7. Cxxx +++++ 1 2 1ln 2 8. CSaSaS ++++ 22ln 9. Cxarcsen ++ 109 76 3 1 10. ( ) Cxxx ++++ 531256ln 3 1 11. Cxarcsen ++ 17 32 12. Ccbxax +++22 13. Cxx +−+− 211663 11 1 14. Cxarcsenxx +−+−+− 2 12 4 7443 4 1 2 5. Integração de Fracções Racionais Considerações Teóricas Uma função , )( )()( xg xfxF = onde f(x) e g(x) são polinómios, é chamada uma fracção racional. Se o grau de f(x) é menor que o grau de g(x), F(x) é chamada própria; caso contráario F(x) é dita imprópria. Uma fracção racional imprópria pode ser expressa como soma de um polinómio e uma fracção racional própria. Por Exemplo: 1 1 1 1 22 3 + − −= + + x xx x x Toda fracção racional própria pode ser expressa como uma soma de fracções mais simples (fracções parciais) cujos denominadores são da forma ( )nbax + e ( )ncbxax ++2 sendo n um número inteiro positivo. Vamos apenas estudar os seguintes casos, dependendo da natureza dos factores do denominador: I – Factores lineares distintos. A cada factor linear ax + b ocorrendo uma vez no denominador de uma fracção racional própria, corresponde uma única fracção parcial da forma , bax A + onde A é uma constante a ser determinada. Exemplo: Calcule ( ) ∫ −+ + xxx dxx 6 1 23 Consideremos a fracção própria 32)3)(2( 1 6 1 23 + + − += +− + = −+ + x C x B x A xxx x xxx x então: )2()3()3)(2(1 −++++−=+ xCxxBxxxAx ( ) AxCBAxCBAx 6)23(1 2 −−++++=+ Método geral: Consiste na resolução do sistema de equações: ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ −= = −= ⇔ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ =− =−+ =++ 15 2 10 3 6 1 16 123 0 C B A A CBA CBA Método prático: Substituindo na equação )2()3()3)(2(1 −++++−=+ xCxxBxxxAx os valores x = 0 ⇒ 6 1)20(0)30(0)30)(20(10 −=⇒−++++−=+ ACBA x = 2 ⇒ 10 3)22(2)32(2)32)(22(12 =⇒−++++−=+ BCBA x = -3 ⇒ ( ) ( ) 15 2)23(3)33(3)33)(23(13 −=⇒−−−++−−++−−−=+− CCBA ( ) = −+ + ∫ xxx dxx 6 1 23 =+ − − +− ∫∫∫ 315 2 210 3 6 1 x dx x dx xdx =++−−+−= Cxxx 3ln 15 22ln 10 3ln 6 1 C xx x + +⋅ − 15 26 10 3 3 2 ln II – Factores lineares repetidos. A cada factor ax + b ocorrendo n vezes no denominador de uma fracção racional própria, corresponde uma soma de n fracções parciais da forma ( ) ( ) ,2 21 n n bax A bax A bax A + ++ + + + L onde os A’s são constantes a serem determinadas. Exemplo: Calcule ( ) ∫ +−− + 1 53 23 xxx dxx Consideremos a fracção própria ( )2223 111)1)(1( 1 1 53 − + − + + = −+ + = +−− + x C x B x A xx x xxx x então: ( ) ( )( ) ( )111153 2 ++−++−=+ xCxxBxAx Para x = -1 ⇒ ( ) 2 1)11()11(11)11(53 2 =⇒+−+−−+−+−−=+− ACBA x = 1 ⇒ ( ) 4)11()11(11)11(53 2 =⇒++−++−=+ CCBA Para determinar a outra constante usamos qualquer outro valor de x, por exemplo x = 0 x = 0 ⇒ ( ) 5)10()10(10)10(50 2 =+−⇒++−++−=+ CBACBA Logo: 2 154 2 1 −=⇔=+− BB ( ) = +−− + ∫ 1 53 23 xxx dxx ( )∫∫∫ −+−−+ 21412 1 12 1 x dx x dx x dx =+ − −−−+= C x xx 1 41ln 2 11ln 2 1 C xx x + − − − + = 1 4 1 1ln 2 1 III – Factores quadráticos distintos. A cada factor quadrático irredutível ax2 + bx + c ocorrendo uma vez no denominador de uma fracção racional própria, corresponde uma única fracção parcial da forma ,2 cbxax BAx ++ + onde A e B são constantes a serem determinadas. Exemplo: Calcule ( ) ( ) ( )∫ ++ +++ 31 3 22 23 xx dxxxx Consideremos a fracção própria 31)3)(1( 3 2222 23 + + + + + = ++ +++ x DCx x BAx xx xxx Portanto: ( )( ) ( )( )133 2223 +++++=+++ xDCxxBAxxxx ou seja: ( ) ( ) ( ) DBxCAxDBxCAxxx +++++++=+++ 333 2323 então: ⎩ ⎨ ⎧ =+ =+ 13 1 CA CA e ⎩ ⎨ ⎧ =+ =+ 33 1 DB DB Logo A = 0, C =1, B = 1 e D = 0. ( ) ( ) ( ) =+++=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + = ++ +++ ∫ ∫∫∫ 3131 1 31 3 222222 23 x xdx x dxdx x x xxx dxxxx CxarctgxCxarctgx +++=+++= 3ln3ln 2 1 22 EXERCÍCIOS: Integração de Fracções Racionais – Achar: 1. ∫ − 42x dx 2. dx xx x ∫ −− − )2)(1( 12 3. ∫ +++ )5)(3)(1( xxx xdx 4. dx xx xx ∫ − −+ 4 8 3 45 5. ∫ + )1( 2xx dx 6. ∫ −+ + xxx dxx 6 )1( 23 7. dx x x ∫ − + 1 2 3 2 8. dx xx xxx ∫ − −−− 23 34 1 9. ∫ +− 2)1)(1( xx xdx 10. ∫ +− xxx dx 23 2 11. ∫ + xx dx 3 12. dxxx xxx ∫ ++ +++ 23 2 24 23 Soluções: 1. C x x + + − 2 2ln 4 1 2. C x x + − − 1 )2(ln 3 3. C xx x + ++ + )1()5( )3(ln 8 1 5 6 4. C x xxxxx + + − ++− 3 5223 )2( )2(ln4 23 5. C x x + +1 ln 2 6. C xx x + + − 15/26/1 10/3 )3( )2(ln 7. Cxarctgx ++−− 3 12 3 32)1ln( 8. C x x x x + − +− 1 ln21 2 2 9. C x x x + + − + + − 1 1ln 4 1 )1(2 1 10. C x xx + − −−− 1 11lnln 11. C x x + + 1 ln 2 12. Cxarctgx +++ 2ln 2 6. Aplicações do Integral Indefinido EXERCÍCIOS: 1. Se a função custo marginal é 12 240)(' + += x xC , onde x é o número de unidades produzidas, e, se o custo para produzir 6 unidades for $ 700.00, então a função custo é dada por: (A) ...43.457|12|ln40 +++ xx (B) ...56.462|12|ln40 +++ xx (C) C x x + + + 12 240 (D) C x x + + + 12 140 (E) ...43.457 12 140 + + + x x 2. A função Receita marginal da venda de x centenas de um certo bem é xxR 004.010)(' −= . Se a receita da venda de 500 unidades desse mesmo bem é $ 1000.00, então a função receita total é dada por: (A) 3500002.010 2 −− xx (B) 05.950002.010 2 +− xx (C) 95.39002.010 2 −− xx (D) 20.400002.010 2 +− xx (E) Nenhuma das alternativas 3. A taxa estimada de produção de petróleo de um certo poço t anos após a produção ter começado é dada por ttetR 1.0100)( −= milhares de barris por ano. Encontre uma expressão que descreva a produção total de petróleo no final do ano t. [ Sol.: 10000)10(1000)( 1.0 ++−= − tetR t ] 4. Supondo que a circulação actual do semanário “Savana” é de 3000 exemplares por semana. O editor-chefe do semanário projecta uma taxa de crescimento de 3/254 t+ exemplares por semana, daqui a t semanas pelos próximos 3 anos. Com base nessa projecção qual será a circulação do semanário daqui a 125 semanas? [Sol.: 87512)125( =S exemplares/semana] 5. A velocidade de um carro (em pés/segundo) t segundos após partir do repouso é dada pela função )300(;2)( ≤≤= tttf . Determine a posição do carro em qualquer instante t. [Sol.: 2/33/4)( ttf ⋅= ] 6. Uma Companhia de Relógios fabrica relógios de pulso a um custo marginal diário de produção associado à função 8009.0000009.0)(' 2 +−= xxxC , onde )(' xC é medida em dólares/unidade e x denota o número de unidades produzidas. Sabendo-se que a gerência determinou que o custo fixo diário incorrido na produção desses relógios é de $ 120.00, determine o custo total incorrido pela Companhia ao produzir os primeiros 500 relógios de pulso/dia. [Sol.: $ 3 370.00] 7. A Cannon Precision Instruments Corporation fabrica um certo tipo de “flash” electrónico automático. O lucro marginal estimado associado à produção e venda desses “flashes” electrónicos é 20004.0)( +−= xxL dólares/unidade/mês. O custo fixo da Cannon para produzir e vender estes “flashes” é $ 16 000/mês. Com que nível de produção a Cannon realiza um lucro máximo? Qual é o lucro mensal máximo? [Sol.: 5000 unidades; $ 34 000] 8. A taxa de variação do preço unitário p (em dólares) de botas femininas Apex é dada por 2/32 )16( 250)(' x xxp + − = , onde x é a quantidade demandada diariamente em unidades de centenas. Encontre a função demanda para essas botas se a quantidade demandada diariamente é de 300 pares )3( =x quando o preço unitário é de $ 50/par. [Sol..: 216/250)( xxp += ] 9. O número de telespectadores de um noticiário na TV, introduzido na temporada de 2005, tem crescido à taxa de ( ) 3/12123 −+ t milhões de telespectadores/ano em seu t-ésimo ano no ar, sendo )61( ≤≤ t . O número de telespectadores do programa durante o seu primeiro ano no ar é dado por 3/22 5 )(9 milhões. Determine quantos telespectadores são esperados para a temporada 2010. [Sol.: .... ] 7. Integral Definido Para se descrever a integral de uma função f de uma variável x entre o intervalo [a, b] utiliza-se a notação: dxxfS b a∫= )( A ideia desta notação utilizando um S comprido é generalizar a noção de somatório. Isto porque intuitivamente a integral de f(x) pode ser entendida como a soma de pequenos rectângulos de base dx e altura f(x), onde o produto f(x) dx é a área deste rectângulo. A soma de todas estas pequenas áreas, ou áreas infinitesimais, fornece a área total abaixo da curva. Mais precisamente, pode-se dizer que a integral acima é o valor limite da soma: ∑ = Δ n i i xxf 0 )( onde n abx −=Δ é o comprimento dos pequenos intervalos nos quais se divide o intervalo (b-a), f(xi) é o valor da função em algum ponto deste intervalo. O que se espera é que quando n for muito grande o valor da soma acima se aproxime do valor da área abaixo da curva e, portanto, da integral de f(x) no intervalo. Ou seja, que o limite ∫∑ ==Δ = ∞→ b a n i in Sdxxfxxf )()(lim 0 esteja definido. Definimos ∫ b a dxxf )( quando a < b. Portanto outros casos são definidos da seguinte maneira : • 0)( =∫ a a dxxf • se a < b, então ∫ a b dxxf )( = - ∫ b a dxxf )( Propriedades da integral definida: • =∫ b a dxxkf )( ∫ b a dxxfk )( , para qualquer constante k ∈ IR • [ ]∫ ± b a dxxgxf )()( = ∫ b a dxxf )( ± ∫ b a dxxg )( , desde que as funções f e g sejam integráveis no intervalo [a, b]. • ∫ c a dxxf )( + ∫ b c dxxf )( ∫= b a dxxf )( , se a função f é integrável no intervalo [a, b] e c∈[a, b] tal que a < c <b • Teorema do valor médio para integrais: ∫ b a dxxf )( = (b-a)f(x0) para algum x0 entre a e b. • Se )()()()( ufuF du ddxxfuF u a =⇒= ∫ Teorema Fundamental do Cálculo. Se f(x) é contínua no intervalo de integração[a, b] e se F(x) é uma integral indefinida de f(x) então: )()()()( aFbFxFdxxf b a b a −==∫ Exemplo: Calcule a) ∫ 3 1 xdx b) ∫ + 10 4 2x dx Resolução: a) 628 2 2 2 4 2 224 2 24 2 =−=−==∫ xxdx b) [ ] 2ln6ln12ln2ln 2 10 4 10 4 =−=+= +∫ xx dx EXERCÍCIOS: Calcule: 1. ∫ − 2 2/3 17)32(2 dxx 2. dxxxsenx )4()24( 3 1 2∫ −− 3. dx x xe ∫ 1 ln 4. dxxx∫ − 5 3 2 9 5. dxeee xxx ])[( 2ln 1ln 2 +∫ 6. dxxxsen cos1 2/ 2/ 2∫ − − π π 7. ∫ − −⋅−− 2 1 223 )23()12( dxxxx 8. dxxx∫ − −− 0 6 2 6 9. dxx∫ 4 2 23 10. ∫ −− 2 1 38 dxx 11. ∫ 36 4 x dx 12. dxxx )24( 3/1 8 1 3/1 −+∫ 13. dte t ∫ 1 0 2 14. dxx )1( 8 1 3∫ + 15. ∫ 2/3 2/ π π dxsenx 16. ∫ + 1 0 21 x dx 17. ∫ e x dx 1 18. ∫ x a dxx 3 2 19. dxsenx x ∫ 0 20. ∫ − z x dx 1 12 21. ∫ 2/ 0 2cos π dx 22. dxxsenx 2 2/ 0 cos∫ π ; sugestão cos x=t 23. ∫ + 2 1 )52( dxx 24. ∫ +− 1 0 2 )32( dxxx 25. dxx∫ − + 1 1 2)1( 26. ∫ − 2/ 2/ 2 cosπ π xsen dxx 27. ∫ π 0 cos dxx 28. dtt x ∫ − 1 21 29. ∫ 3 1 2 3 dxex x 30. ∫ − − π π π 2 )8( dxxsen =====///===== Soluções : 1. 18/1 2. 0 3. 2/1 4. 3 64 5. 6 23 6. 2 π 7. 9 8. 2 9π 9. 56 10. 3 11. 842362 =− 12. 54 13. )1(2 2 1 −e 14. 4 73 15. 2 2 16. 4 π 17. 1 18. 3/)4( 3 −x 19. 2 2 2 xsen 20. )12ln( −z 21. 4 π 22. 3/1 23. 8 24. 3/7 25. 3/8 26. 12 − 27. 0 28. 21 x−− 29. )( 3 1 27 ee − 30. 0 ==========/////========== 8. Integrais Impróprios A integral definida ∫ b a dxxf )( é chamada imprópria quando 1. O integrando f(x) tem um ou mais pontos de descontinuidade no intervalo [a, b], ou 2. Um dos (ou os dois) dois limites de integração é infinito. 1. Integrando Descontínuo a) Se f(x) é contínuo no intervalo [a, b[ mas descontínuoa em x = b, definimos, dxxfdxxf b a b a ∫∫ − → + = ε ε )(lim)( 0 . Desde que o limite exista. b) Se f(x) é contínuo no intervalo ]a, b] mas descontínuo em x = a, definimos, dxxfdxxf b a b a ∫∫ +→ += εε )(lim)( 0 . Desde que o limite exista. c) Se f(x) é contínuo no intervalo [a, b] excepto e x = c ∈ [a, b] definimos ∫∫∫ +→ − → ++ += b c c a b a dxxfdxxfdxxf δδ ε ε )(lim)(lim)( 00 . Desde que ambos os limites existam. Obs. Os integrais deste tipo denominam-se integrais impróprios de segunda espécie. Exemplo: Calcule a) ∫ − 2 0 24 x dx b) ( )∫ − 4 0 22x dx Resolução: a) ∫ − 2 0 24 x dx o integrando é descontínuo em x = 2. Então, ∫ − 2 0 24 x dx = − = ∫ − → + ε ε 2 0 20 4 lim x dx ε ε − → ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + 2 0 0 2 lim xarcsen ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − = +→ 0 2 2lim 0 arcsenarcsen ε ε 2 1 π==arcsen b) ( )∫ − 4 0 22x dx o integrando é descontínuo em x = 2, um valor entre os limites de integração 0 e 4. Então, ( ) = −∫ 4 0 22x dx ( ) ( )∫∫ +→ − → − + − ++ 4 2 20 2 0 20 2 lim 2 lim δδ ε ε x dx x dx 4 2 0 2 0 0 2 1lim 2 1lim δ δ ε ε + → − → ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − +⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − = ++ xx = =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −+ − − − − +⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − − −− − = ++ →→ 22 1 24 1lim 2 1 22 1lim 00 δε δε ∞=⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +−+⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ++ →→ δε δε 1 2 1lim 2 11lim 00 O integral ( )∫ − 4 0 22x dx é divergente. Obs. Se o ponto de descontinuidade for desconsiderado, obtemos ( ) 1 2 1 2 4 0 4 0 2 −=⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − −= −∫ xx dx . Este resultado é absurdo porque ( )22 1 −x é sempre positivo 3. Limites de Integração Infinitos • Se f(x) é contínua em todo o intervalo [a, U] definimos: dxxfdxxf U aUa ∫∫ +∞→ +∞ = )(lim)( . Desde que o limite exista. • Se f(x) é contínua em todo o intervalo [u, b] definimos: dxxfdxxf b uU b ∫∫ −∞→∞− = )(lim)( . Desde que o limite exista. • Se f(x) é contínua, definimos: =∫ +∞ ∞− dxxf )( +∫−∞→ dxxf a uU )(lim dxxf U aU ∫+∞→ )(lim . Desde que ambos os limites existam. Exemplo: Calcule a) ∫ ∞+ 1 2x dx b) ∫ ∞− 0 2 dxe x Resolução: a) 111lim1limlim 1 1 21 2 =⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ +−=⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡−== ∞+→+∞→+∞→ ∞+ ∫∫ uxx dx x dx U u U U U b) ∫∫ == −∞→∞− 0 20 2 lim u x u x dxedxe 2 1 22 1lim 2 lim 202 =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −=⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∞−→−∞→ u u u x u ee EXERCÍCIOS: Calcule: 1. ∫ +∞ +0 21 x dx 2. ∫ ∞− + 0 21 x dx 3. ∫ +∞ ∞− + 21 x dx 4. ∫ − 1 0 1 x dx 5. ∫ − 1 1 2x dx 6. ∫ − 1 0 21 x xdx 7. dxe x∫ ∞ − 0 8. 0(; 0 22 > + ∫ ∞ a xa dx 9. ∫ − 1 0 21 x dx 10. ∫ ∞ 0 5x dx 11. ∫ 1 0 ln xdx 12. ∫ ∞ 0 dxsenxx 13. ∫ ∞ 1 x dx 14. ∫ +∞ ∞− ++ 22 2 xx dx 15. ∫ 1 0 3 x dx 16. ∫ 2 0 3x dx 17. ∫ ∞ −1 2 1xx dx 18. ∫ − 1 1 4x dx 19. )0()( 0 >∫ ∞ − adxbxsene ax 20. )0()(cos 0 >∫ ∞ − adxbxe ax ==========/////========== Soluções 1. 2/π 2. 2/π 3. π 4. 2 5. Divergente 6. 1 7. 1 8. a2/π 9. 2/π 10. 4/1 11. -1 12. Divergente 13. Divergente 14. π 15. 2/3 16. Divergente 17. 2/π 18. Divergente 19. 22 ba b + 20. 22 ba b + 9. Aplicações do Integral Indefinido Algumas considerações teóricas Seja )()()( aFbFdxxf b a −=∫ , onde )(xF é primitiva de )(xf ou seja )()(' xfxF = . Ora, assumindo que a função integranda )(xf como a taxa de variação de uma função )(xF , pode-se dizer que o integral definido da taxa de variação de uma função num intervalo, ∫ b a dxxf )( , dá a variação total da função no intervalo, )()( aFbF − . Assim, tem-se: (i) )()()(' aRbRdqqR b a −=∫ → O integral da receita marginal num intervalo como a variação total da receita nesse intervalo (ii) )()()(' aCbCdqqC b a −=∫ → O integral do custo marginal num intervalo como a variação total do custo nesse intervalo (iii) )()()(' aLbLdqqL b a −=∫ → O integral do lucro marginal num intervalo como a variação total do lucro nesse intervalo Exemplo: Na comercialização, em dólares, de um certo produto, a receita marginal é dada por 20020)(' +−= qqR e o custo marginal é dado por qqC 20)(' = . Para o intervalo 51 ≤≤ q , obtenha: a) A variação total da receita. [Resp: 560)1()5()(' 5 1 =−=∫ RRdqqR ] b) A variação total do custo. [Resp: 240)1()5()(' 5 1 =−=∫ CCdqqC ] c) A variação total do lucro. [Resp: 240)1()5()(' 5 1 =−=∫ LLdqqL ] Em termos de interpretação gráfica da variação total do lucro da alínea c), pode ser entendido como correspondendo à área entre a curva da receita marginal 20020)(' +−= qqR , e a curva do custo marginal qqC 20)(' = , no intervalo 51 ≤≤ q . Valor Médio de uma função: - Se f(x) for uma função continua no intervalo ];[ ba , o valor médio m da função f(x) neste intervalo é definido por: ∫⋅= − b a ab dxxfm )(1 . Volume de um Sólido de Revolução: - Se uma função contínua tal como )(xf entre ax = e bx = for rodada em torno do eixo X, origina-se um sólido de revolução, cujo volume pode ser expresso simbolicamente como: ∫ ⋅= b a dxxfV 2)]([π . Excedente do consumidor: - Uma função procura )(1 xfp = , relaciona os vários preços que os consumidores estão dispostos a pagar por quantidades diferentes de um bem. Se o equilíbrio no Mercado ocorrer em );( oo px , com todos os consumidores a pagarem o mesmo preço, então os consumidores que tenham adquirido o bem, mesmo que a um preço superior, têm um benefício. O benefício total para os consumidores, designado por excedente do consumidor é dado pela fórmula: ∫ −= 0 0 00)( x xpdxxfConsumidordoExcedente Excedente do produtor: - Por outro lado, uma função oferta )(2 xgp = , representa os preços aos quais os produtores oferecem quantidades diferentes de um bem. Se o equilíbrio de Mercado ocorrer em ),( 00 px , os produtoresque fornecem o bem a preços inferiores a po obtêm um benefício. O ganho total dos produtores, excedente do produtor é dado pela fórmula: ∫−= 0 0 00 )( x dxxfxpProdutordoExcedente . Valor Futuro de um Fluxo de Renda (VF): - A renda gerada numa empresa não é calculada apenas no final de um ano, de um mês ou de uma semana. A renda gerada pode ser calculada diariamente em vários instantes; nesse sentido, podemos falar de um fluxo de renda. É comum uma empresa, ao gerar uma renda, investi-la para obter juros, acumulando assim as rendas geradas e os juros obtidos no investimento de tais rendas; nesse sentido, podemos falar do valor acumulado de um fluxo de renda. Podemos utilizar o integral definido para calcular o valor futuro acumulado de um fluxo de renda, ou seja calcular com o integral definido o valor acumulado por uma empresa quando a renda gerada é investida continuamente e no processo de acumulação, os juros são obtidos por capitalização contínua. Em vários instantes a renda gerada compõe o fluxo de renda mas por simplicidade consideramos anual a taxa de geração de renda. Tal taxa será dada pela função )(xR , onde x representa o tempo dado em anos. Temos a expressão que dá o valor futuro acumulado (VFA) de um fluxo de renda ou simplesmente, valor futuro de um fluxo de renda, após N anos, onde )(xR é a taxa na qual a renda é gerada anualmente e i é a taxa de juros compostos continuamente: dxexReVFFuturoValor N ixiN ∫ −== 0 )(. Exemplo: - Para a Empresa A, um produto gera uma renda a uma taxa de 500 000 dólares por ano. Ao ser obtida, tal renda é aplicada várias vezes ao dia a uma taxa anual de 8% composta continuamente. Qual será o VFA para esse fluxo de renda após 5 anos? Resolução: Com efeito, tem-se, dxeeVF x∫ −= 5 0 08,05.08,0 500000 , ou seja; dxeeVF x∫ −= 5 0 08,004,0500000 . Calculando o integral indefinido correspondente dxe x∫ − 08,0 pelo método de substituição obtém-se [ ] 79,3073904 121,4.500000 5,12500000 4,0 5 0 08,04,0 = == == =−= − e eeVF x L Assim o valor futuro acumulado é de 3073904,79. =====///===== Valor Presente de um Fluxo de Renda: Existem ainda, situações em que é interessante conhecer o valor presente de um fluxo de renda, ou seja, para um certo período, qual o capital que deve ser aplicado inicialmente para que no final desse período, o montante obtido seja equivalente ao valor futuro de um fluxo de renda correspondente. Considerando um fluxo de renda onde )(xR é a taxa na qual a renda é gerada anualmente e i é a taxa de juros compostos continuamente, vimos que, após N anos, o valor futuro do fluxo de renda é dado por dxexReVF N ixiN ∫ −⋅= 0 )( . Com a mesma taxa i de juros compostos continuamente, se aplicarmos um capital inicial P após N anos, obtém-se um montante iNePA .= , e tal montante deve ser igual ao Valor Futuro do Fluxo de Renda ∫⋅= N ixiNiN dxexReeP 0 )(. Dividindo ambos os membros da igualdade por iNe obtém-se o capital inicial (valor presente do fluxo de renda) que aplicado inicialmente, iguala o montante ao valor futuro do fluxo de renda ∫ −= N ixdxexRP 0 )( . Assim temos a expressão que dá o valor presente de um fluxo de renda onde N é o número de anos, )(xR é a taxa na qual a renda é gerada anualmente e i é a taxa de juros compostos continuamente: dxexRVPesenteValor ix N −∫== 0 )(Pr ==========/////========== Exemplos/exercícios: (E-1) – Numa Empresa, a produção duma máquina é vendida e proporciona uma renda a uma taxa de 25000 dólares por ano. Ao ser obtida tal renda é aplicada várias vezes ao dia a uma taxa anual de 10% composta continuamente. Qual o valor presente dessa máquina considerando que a sua vida útil é de 15 anos e mantidas as mesmas taxas de renda e de juros nesse período? Resolução: O valor presente da máquina será o valor presente do fluxo de renda gerado por ela. Tem-se, portanto, ∫ −= 15 0 )( dxexRVP iN e, substituindo 15=N , 25000)( =xR e 1.010.0 ==i , obtém-se ∫ ∫ −− ⋅== 15 0 15 0 1.01.0 2500025000 dxedxeVP xx [ ] ( ) 00.194225 769.725000 )10(1025000 1025000 01.0151.0 15 0 1.0 = =⋅≅ ≅−−−⋅= =−⋅= ⋅−⋅− − ee eVP x Donde, o valor presente da máquina é de 194225.00 dólares. (E-2) – Uma companhia calcula que a taxa de renda produzida por uma máquina no tempo t será, em dólares t1005000 − por ano. Determinar o valor presente deste fluxo contínuo de rendimentos durante os próximos quatro anos, com uma taxa de juros de 6%. Resolução: - Com efeito usamos a fórmula dxexRVP ix N −∫= 0 )( e, sendo txR 1005000)( −= , 4=N e 06.0%6 ==i , o valor presente deste fluxo de rendimento é ∫ −−= 4 0 06.0)1005000( dtetVP t . Ora, usando o método de integração por partes obtém-se: 17098 592723025 06.0 1 06.0 10023025 06.0 1)100( 06.0 1)1005000( )1005000( 4 0 06.0 4 0 06.0 4 0 06.0 4 0 06.0 = =−≅ ≅⋅ − ⋅−≅ ≅⋅ − − −⋅ − ⋅−= =−= − − − − ∫ ∫ t t t t e e et dtetVP =====///===== Montante e Valor Presente de uma Anuidade Uma anuidade é uma sequência de pagamentos feitos em intervalos regulares de tempo. O período de tempo durante o qual tais pagamentos são efectuados é chamado de prazo da anuidade. Embora os pagamentos não precisem de ser iguais em valor, eles são iguais em muitas aplicações importantes, e assumiremos aqui que eles são iguais para as nossas análises. Exemplos de anuidades são depósitos regulares numa poupança, pagamentos mensais de hipoteca e pagamentos mensais de seguro. O montante de uma anuidade é a soma dos pagamentos mais os juros obtidos. Uma fórmula para calcular o montante de uma anuidade A pode ser deduzida com a ajuda da fórmula, ∫ −⋅= N ixiN dxexReVF 0 )( . Considerando: • P = Valor de cada pagamento; • i = Taxa de juros compostos continuamente; • N = Prazo da anuidade; • m = Número de pagamentos E, se os pagamentos dentro da anuidade constituem um fluxo de renda constante de mPxR =)( dólares ao ano. Com este valor de )(xR , a fórmula anterior dá-nos portanto, ( ),1 1 )( 0 00 −= =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +−= =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −= ⋅=⋅= − − −− ∫∫ iN iN iN Nix iN N ixiN N ixiN e i mP ii emPe i emPeVF dxmPeedxexReVF O que nos leva à fórmula de cálculo do montante de uma anuidade seguinte: =====///===== Montante de uma Anuidade: O montante de uma anuidade é dado pela fórmula )1( −= iNe i mPA , onde, P, i, N e m são como definido anteriormente (P =Valor de cada pagamento; i =Taxa de juros compostos continuamente; N=Prazo da anuidade; m=Número de pagamentos). =====///===== Valor Presente de uma anuidade: De forma análoga ao que foi visto para o cálculo do montante de uma anuidade, agora, partindo da fórmula de cálculo de valor presente de um fluxo de renda, dxexRVP ix N −∫= 0 )( , pode deduzir-se a fórmula para calcular o valor presente de uma anuidade. ∫∫ −− == N ix N ix dxmPedxexRVP 00 )( . Isto é, Nix i emPVP 0 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −= − , ou seja, ( )iN iN e i mP ii emPVP − − −=⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +−= 11 Donde, o valor presente de uma anuidade é dado pela fórmula )1( iNe i mPVP −−= (Com P =Valor de cada pagamento; i =Taxa de juros compostos continuamente; N=Prazo da anuidade; m=Número de pagamentos). =====///===== Exemplos/exercícios: [1] - No dia 1 de Janeiro de 2000, J.P., depositou 2,000 dólares numa conta de aposentadoria que paga juros à taxa de 10% ao ano compostos continuamente. Assumindo que ele deposite 2.000 dólares anualmente nesta conta, quanto ele terá no início do ano 2016. Resolução: - Utilizando a fórmula )1( −= iNe i mPA , com 2000=P , 1.0%10 ==i , anosN 16= e 1=m , tem-se: 65,060.79)1( 1.0 20001 6.1 ≅−⋅⋅= eA . Ou seja, no início do ano 2016, J.P., terá aproximadamente79.061 dólares na sua conta. [2] – O proprietário de uma loja de ferramentas deseja estabelecer um fundo do qual ele possa tirar 1000 dólares por mês durante os próximos dez anos. Se o fundo rende juros à taxa de 9% ao ano compostos continuamente, quanto dinheiro ele necessita para estabelecer o fundo? Resolução: - Seja 1000=P ; 09.0%9 ==i ; 10=N e 12=m . Com efeito, usando a fórmula )1( iNe i mPVP −−= , tem-se: ;04,124.79]1[ 09.0 12000)1( )10()09.0( ≅−⋅=−= ⋅−− ee i mPVP iN Isto é, seriam necessários 79.124 dólares para estabelecer esse fundo. =====///===== Perpetuidades: Como antes foi visto, o valor presente de uma anuidade é dado pela expressão ∫ −= N ixdxexRVP 0 )( ou ainda, ( )iN N ix e i mPdxemPVP −− −=⋅≅ ∫ 1 0 . Agora, se os pagamentos de uma anuidade continuam indefinidamente, tem-se então o que é chamado de Perpetuidade. Assim o Valor Presente de uma Perpetuidade pode ser aproximado pelo integral impróprio ∫ ∞ −= 0 )( dxexRVP ix , ou melhor, dxemPVP ix∫ ∞ −⋅≅ 0 obtida da expressão anterior, fazendo o período de anuidade, N, tender para o infinito. Logo, =⋅=⋅≅ ∫∫ −∞→ ∞ − dxemPdxemPVP b ix b ix 00 lim =⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡−=⋅= − ∞→ − ∞→ ∫ b ix b b ix b e i mPdxemP 00 1limlim i mP i e i mP ib b =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +−= − ∞→ 11lim . Assim, o Valor Presente (PV) de uma Perpetuidade é dado pela expressão i mPVP = , (onde m é o número de pagamentos por ano, P é o valor de cada pagamento e i é a taxa de juros composta continuamente) Exemplo/exercícios: [E-1] - Uma família deseja criar um fundo de bolsas de estudo para uma Faculdade. Se uma bolsa de estudos no valor de 5000 dólares for concedida anualmente começando dentro de 1 ano, encontre o valor da doação que eles precisam fazer agora, assumindo que este fundo renderá juros a uma taxa de 8% ao ano compostos continuamente. Resolução: O valor da doação é, neste caso, dado pelo valor presente de uma perpetuidade, com 1=m , 5000=P e 08.0%8 ==i . Donde, usando a fórmula i mPVP = , tem-se: 500.62 08.0 50001 = ⋅ =VP Dólares. Suponha que um fluxo de renda continue indefinidamente. Então, o valor presente de tal fluxo pode ser calculado a partir da fórmula para o valor presente de um fluxo de renda fazendo T tender para infinito. Logo, o valor presente solicitado é dado por ∫ ∞ −= 0 )( dxexRVP ix [E-2] - Suponha que um indivíduo tem um poço de petróleo no seu quintal que gera um fluxo de renda dado por xexR 02.020)( −= , onde )(xR é expresso em milhares de dólares por ano e x é o tempo em anos a partir do presente. Assumindo que a taxa de juros predominante num futuro previsível é de 10% ao ano compostos continuamente, qual é o valor presente do fluxo de renda? Resolução: - Assim, o valor presente pretendido será, ∫ ∞ −− ⋅= 0 10.002.020 dxeeVP xx ∫ ∞ −⋅= 0 12.020 dxe x ∫ −∞→⋅= b x b dxeVP 0 12.0lim20 [ ]bx b e 0 12.0lim 12.0 20 − ∞→ ⋅−= [ ]1lim 3 500 12.0 −⋅−= − ∞→ b b eVP 667.166 3 500 ≅= Isto é, o valor presente desse fluxo de renda é de aproximadamente 166.667 dólares. =====///===== EXERCÍCIOS / PROBLEMAS DE APLICAÇÃO: 1. Um oleoduto de uma plataforma de perfuração está avariado, derramando petróleo a uma taxa de )8035( +t barris por hora. Quantos barris serão derramados no primeiro dia? [Sol.: 12000 ] 2. A função custo marginal de uma empresa é 1104)(' 2 +−== xxxCCmg , onde x representa o número de unidades produzidas diariamente. Os custos fixos são de 340 USD por dia. Qual é o custo total )()( xCxCT = decorrente da produção de x unidades por dia? [Sol.: 340110223 3 1 )( ++−= xxxxC ] 3. O custo marginal de um produto é dado por 180 12 1)(' 2 +−== xxxCCmg . Qual é o custo total )()( xCxCT = da produção de cinco unidades adicionais, se três delas já estiverem a ser actualmente produzidas? [Sol.: 97,885)3()8( =− CC ] 4. O lucro marginal de um industrial é dado por 140803)(' 2 ++−=Π xxx . Calcule o lucro Π decorrente de se aumentar a produção de duas para quatro unidades. [Sol.: 704)2()4( =Π−Π ] 5. Os custos de manutenção de uma fábrica, )(tM , aumentam com o envelhecimento da fábrica e do equipamento. Se os custos de manutenção da fábrica aumentarem a uma taxa anual de 900075)(' 2 += ttM dólares, onde t representa o número de anos, calcule os custos totais de manutenção da fábrica do quarto ao sexto ano. [Sol.: 21800)4()6( =− MM ] 6. Considere que numa dada comunidade, a taxa normal de consumo de água em biliões de galões é dada por tettW 02,0)(' += , onde 0=t representa 1980. Calcule o nível total de consumo de água )(tW para o período de 1980 – 1990. [Sol.: 61)02,0 10 0 ()( =∫ += dt tettW biliões de galões] 7. Numa mina de zinco extrai-se o minério a uma taxa t ttZ 2218)(' −= . Calcule o montante total de minério extraído entre: a) o ano 0 e o ano 9; e b) o ano 0 e o ano n. [Sol.: nntZbttZa 4429)();597000)() −== ] 8. Dez mil dólares foram depositados num banco a uma taxa de juro nominal/ano de 8%, composta continuamente. Calcule o valor médio do dinheiro nos próximos 5 anos. [Sol.: - 12296 5 0 08,010000 05 1 =∫ − = dttem ] 9. Numa mina de ouro extrai-se o minério a uma taxa de tetG 016,08,4)(' = toneladas. Calcule a extracção total entre: a) o ano 0 e o ano 10; b) o ano 0 e o ano n. [Sol.: )1016,0(300)();52)117351,1(300)() −=≈−= netGbtontGa ] 10. Na comercialização em dólares, de um certo produto, a receita marginal é dada por 10010)(' +−= qqR e o custo marginal é dado por qqC 5,2)( = . Para o intervalo 82 ≤≤ q , obtenha: a) A variação total da receita b) A variação total do custo c) A variação total do lucro d) A interpretação gráfica da variação total do lucro obtida na alínea anterior [Sol.: a) ∫ =+− 8 2 300)10010( dqq ; b) ∫ = 8 2 755,2 qdq ; c) 225 8 2 , =∫ dqL ; d)A variação do lucro é dada pela área entre as curvas da receita marginal e custo marginal no intervalo 82 ≤≤ q ] 11. Na comercialização, em dólares, de uma peça automática, a receita marginal é dada por 23)(' qqR = e o custo marginal é dado por 27)( =qC . Para o intervalo 31 ≤≤ q ., obtenha: a) A variação total da receita b) A variação total do custo c) A variação total do lucro d) A interpretação gráfica da variação total do lucro obtida na alínea anterior [Sol.: a) ∫ = 3 1 2 263 dqq ; b) ∫ = 3 1 5427dq ; c) ∫ −= 3 1 28'dqL ; d) A variação do lucro é dada pela área entre as curvas da receita marginal e custo marginal no intervalo 31 ≤≤ q ] 12. Calcule o excedente do consumidor (CS) para cada uma das seguintes curvas de procura nos pontos indicados: a) 75,10;3375 2 ==−= oo pxxp }; b) 14,20; 5 350 == + = oo pxx p . [Sol.: 30,283);2000) == CSbCSa ] 13. Para uma certa população a propensão marginal a consumir é dada por 7,0)(' == ycCmg sendo o consumo c uma função da renda y dos consumidores. a) Obtenha a variação total da poupança quando a renda variar no intervalo 15001000 ≤≤ y b) Obtenha a função consumo sabendo que, para uma renda de USD1000 o consumo é de USD910 [Sol: a) A variação do consumo é de USD350 ; b) 2107,0)( += yyc ] 14. Numa Empresa, a produção marginal de alimentos beneficiados é dada por 3' qP = , onde q representa o capital investido em equipamentos. A produção é dada em toneladas e o capital investido em equipamentos. A produção é dada em toneladas e o capital em milhares de reais. a) Obtenha a variação total da produção quando o capital investido varia de 2 até 5 milhares de dólares b) Obtenha a função produção sabendo que, para 10 mil dólares investidos em equipamentos, resulta uma produção de 2500 toneladas de alimentos. [Sol: a) A variação da produção é de 152,25 toneladas; b) 4 )( 4qqp = ] 15. Calcule o excedente do produtor (PS) para cada uma das seguintes curvasde oferta nos pontos indicados: a) 85,5;6042 ==++= oo pxxxp ; b) 8,144; 4 15 ==+= oo pxxp . [Sol.: 144)33,33) == PSbPSa ] 16. Na compra de um modelo de TV, a função demanda é dada por qqp 2001000)( −= . a) Encontre o excedente do consumidor se o preço de mercado da TV é $400,00. b) Represente graficamente o excedente do consumidor encontrado na alínea anterior [Sol.: … … …] 17. Na venda de um modelo de TV, a função oferta é dada por 25050)( += qqp . a) Encontre o excedente do produtor se o preço de mercado da TV é $400,00 b) Represente graficamente o excedente do produtor encontrado na alínea anterior [Sol.: a) 00,225$=EP ; b) O gráfico neste caso é a área compreendida entre a recta de equação 25050)( += qqp e a recta horizontal 400=op ] 18. Na compra de sapatos, a função demanda é dada por 23108)( qqp −= . a) Encontre o excedente do consumidor se o preço de mercado é $60,00 b) Represente graficamente o excedente do consumidor encontrado na alínea anterior. [Sol.: … … …] 19. Na venda de sapatos, a função oferta é dada por 123)( 2 += qqp . a) Encontre o excedente do produtor se o preço de mercado é $60.00 b) Represente graficamente o excedente do produtor encontrado na alínea anterior. [Sol.: a) 00,128$=EP ; b) O gráfico neste caso é a área compreendida entre a curva de equação 123)( 2 += qqp e a recta horizontal 60=op ] 20. O stock de uma empresa após t meses é dado por 244825)( tttN −+= para 120 ≤≤ t . Calcule o stock médio, m, durante o primeiro trimestre do ano. I. É., nos primeiros três meses. [ Sol.: ∫ =⋅ − = 3 0 85)( 03 1 dttNm ] 21. Um fabricante introduziu uma nova técnica, o que possibilitou uma taxa de poupança anual de 2400)(' ttS −= dólares. O custo marginal de produção tttCCmg 20)(' 2 +== em dólares por ano também sofreu um acréscimo devido à nova técnica. a) Durante quanto tempo será a utilização da nova técnica lucrativa? b) Determine o montante total T poupado durante esse período. [ Sol.: a) 10=t ; e, fazendo: 100)200102(22022400 =⇔=−+⇔+=− tttttt ; b) N.B.: - esboçar primeiro os dois gráficos no mesmo sistema de coordenadas e encontrar o ponto comum, depois b) achar os limites de integração )10;0( == tt e resolver o integral, ∫ =−= 10 0 33,2333)](')('[ dttCtST ]. 22. Segundo as estimativas dos engenheiros, o custo de um novo produto é de 156)( += xxCT . Calcule o custo médio mCM e = decorrente da produção das primeiras 64 unidades. [Sol.: 47. 47)( 1 =∫ − = b a dxxf ab m ] 23. Para uma empresa, um determinado produto gera uma renda a uma taxa de $200.000,00 por ano. Ao ser obtida, tal renda é aplicada várias vezes ao dia a uma taxa anual de 10% composta continuamente. Qual o valor futuro acumulado para esse fluxo de renda após 4 anos? [Sol.: 21,709.983$=VF ] 24. Numa empresa, a produção de uma máquina é vendida e proporciona uma renda a uma taxa de $40.000,00 por ano. Ao ser obtida, tal renda é aplicada várias vezes ao dia a uma taxa anual de 12% composta continuamente. Qual o valor presente dessa máquina, considerando uma vida útil de 10 anos e mantidas as mesmas taxas de renda e de juros nesse período? [Sol.: 47,075.1=VF dólares] 25. Determine o valor futuro de um fluxo de renda, em que a renda é gerada segundo uma taxa dada por 20010)( += xxR (milhares de dólares/ano), a capitalização contínua é feita a uma taxa anual de 10% e o período é de 4 anos. [Sol.: … … …] 26. Uma companhia calcula que a taxa de renda produzida por uma máquina no tempo t será t1005000 − dólares por ano. Determinar o valor presente deste fluxo contínuo de rendimentos durante os próximos quatro anos, com uma taxa de juros de 6%. [Sol.: 17098)1005000( 4 0 06,0 =−∫ − dtet t dólares] 27. O dono de um cinema está a considerar dois planos alternativos para reformas do cinema. O plano A exige um desembolso de 250.000 dólares, enquanto o plano B requer um desembolso de 180.000 dólares. Foi estimado que, adoptando o plano A, resultaria um fluxo de renda líquida gerado à taxa de 000.630)( =xf dólares por ano, enquanto o plano B resultaria num fluxo de renda gerado à taxa de 000.580)( =xg dólares por ano pelos próximos 3 anos. Se a taxa de juros pelos próximos 5 anos for de 10% ao ano, qual dos dois planos gerará maior renda líquida ao final dos 3 anos? [Sol.: Fazendo: - Para o plano A, ∫ ≅≅−− 3 0 1.0 845.382.1000.250000.630 Kdxe x . - Para o plano B, ∫ ≅≅−− 3 0 1.0 254.323.1000.180000.580 Kdxe x . Assim, conclui-se que o plano A geraria uma renda maior no final dos 3 anos] 28. Suponha que uma indústria está perante um problema de escolha entre dois métodos de produção de um dado produto. Quando x unidades do produto estão sendo produzidas, os métodos I e II têm os respectivos custos marginais CI e CII a seguir indicados. Então qual o método de produção mais barato, se 4000 unidades estão sendo produzidas tendo em conta que, 1000/ 2 1000 5)( xI e xxC −⋅⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= , e 2 4003)( + += x xCII . [Sol.: 476.18])1000/(5[ 4000 0 1000/2 ≅⋅−= ∫ − dxexT xI ; 041.15])2/(4003[ 4000 0 2 ≅++= ∫ dxxTII . Donde se conclui que o método II é que poderá conduzir a um custo de produção global mais baixo] 29. Estima-se que um determinado investimento gerará renda à taxa de 000.200)( =xR dólares/ano pelos próximos 5 anos. Determinar o valor presente desse investimento se a taxa de juros prevalecente é de 8% ao ano compostos continuamente. [Sol.: 824.200 dólares] 30. Determine o valor de uma anuidade com pagamentos de 250,00 dólares/mês por um período de 20 anos rendendo juros à taxa de 8% ao ano compostos continuamente. [Sol.: 148.239 dólares] 31. Um indivíduo deposita 150 dólares/mês numa poupança que rende juros de 8% compostos continuamente. Calcular o montante que ele terá na sua conta após 15 anos. [Sol.: 52.203,00 dólares] 32. Uma Família deseja estabelecer uma conta de custódia para financiar a educação dos seus filhos. Se eles depositarem 200 dólares/mês por um período de 10 anos numa conta poupança rendendo juros de 9% ao ano compostos continuamente, qual será o saldo da poupança ao fim desse período? [Sol.: ....dólares] 33. Estime o valor presente de uma anuidade se os pagamentos são de 1200 dólares/mês por um período de 15 anos e a conta rende juros à taxa de 10% ao ano compostos continuamente. [Sol.: 11.869,00 dólares] 34. Um grupo de ex-estudantes de uma universidade deseja instituir uma bolsa anual no valor de 1500 dólares a partir do próximo ano. Se o fundo de bolsa de estudos rende juros a uma taxa de 8% ao ano compostos continuamente, encontre o valor da doação que estes necessitam de fazer hoje. [Sol.: 18.750 dólares] 35. O valor presente de um fluxo perpétuo de renda que flúi continuamente a uma taxa )(tP dólares/ano é dado pela fórmula ∫ ∞ −= 0 )( dxetPVP rt , onde r é a taxa anual de juros compostos continuamente. Usando a fórmula devida, encontre o valor presente de um fluxo perpétuo de renda líquida dada pela expressão, ttP 4000000.10)( += dólares por ano. [Sol.: 2 000.4000.10 r rVP += dólares, (sug. 0lim = ∞→ rbb e b )] 36. O valor capital (valor presente de venda) CV de uma propriedade que pode ser alugada numa base perpétua por R dólares anualmente é aproximado pela fórmula ∫ ∞ −≈ 0 Re dtCV it , onde i é a taxa de juros contínua predominante. a) Mostre que iRCV /= b) Encontre o valor capital de propriedade que pode ser alugada por 10.000 dólares/ano quando a taxa de juros contínua predominante é de 12%. [Sol.: ... ...]
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