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Cálculo I

4 Integração

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4.3 Regras Básicas de Integração

A integral indefinida de uma função f em relação a x é

f(x)𝑑x=F(x)+C, (4.116)

onde F é uma primitiva de f, i.e. F=f, e C é uma constante indeterminada. Na sequência, vamos estudar as regras básicas para o cálculo de integrais.

4.3.1 Integral de Função Potência

Com base na derivada de função potência, podemos afirmar que

xr𝑑x=xr+1r+1+C,r1. (4.117)

De fato, para r1, temos

F(x)=xr+1r+1+C, (4.118)
F(x)=(r+1)xrr+1=xr. (4.119)
Exemplo 4.3.1.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    x𝑑x=x22+C. (4.120)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(x, x)
    x**2/2
    
  2. b)
    1x2𝑑x=x2𝑑x (4.121)
    =x2+12+1+C=1x+C. (4.122)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(1/x**2, x)
    -1/x
    
Exemplo 4.3.2.

Vamos calcular

11x2𝑑x. (4.123)

Da regra da potência (4.117), temos

x2𝑑x=x33+C. (4.124)

Logo, do teorema fundamental do cálculo, temos

11x2𝑑x=x33|11 (4.125)
=133(1)33 (4.126)
=13+13=23. (4.127)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(x**2, (x, -1, 1))
2/3

4.3.2 Regra da Multiplicação por Constante

Seja k uma constante. Então, temos a seguinte regra da multiplicação por constante

kf(x)𝑑x=kf(x)𝑑x (4.128)

De fato, se F é uma primitiva de f, então pela regra da multiplicação por constante para derivadas, temos

(kF)=kF (4.129)
=kf, (4.130)

i.e. kF é primitiva de kf.

Exemplo 4.3.3.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    2x𝑑x=2x𝑑x (4.131)
    =2(x22+C) (4.132)
    =x2+2C (4.133)
    =x2+C. (4.134)

    Aqui, fizemos um abuso de linguagem ao assumir 2C=C. Isso pode ser feito, pois C denota uma constante indeterminada e, multiplicá-la por dois continua sendo indeterminada e constante. Vamos fazer este tipo de simplificação de notação várias vezes ao longo do texto.

    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(2*x, x)
    x**2
    
  2. b)
    13x𝑑x=13x12𝑑x (4.135)
    =13x12+112+1+C (4.136)
    =13x3232+C (4.137)
    =29x3+C. (4.138)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(1/3*sym.sqrt(x), x)
    0.222222222222222*x**(3/2)
    
  3. c)
    01x2dx=01x2𝑑x (4.139)
    =[x33]01 (4.140)
    =(1303) (4.141)
    =13. (4.142)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(-x**2, (x, 0, 1))
    -1/3
    

4.3.3 Regra da soma ou subtração

Se f e g são funções integráveis, então vale a seguinte regra da soma/subtração

[f(x)±g(x)]𝑑x=f(x)𝑑x±g(x)𝑑x. (4.143)

De fato, sejam F uma primitiva de f e G uma primitiva de g. Temos

(F±G)=F±G (4.144)
=f±g, (4.145)

i.e. F±G é primitiva de f±g.

Exemplo 4.3.4.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    x+1dx=x𝑑x+𝑑x (4.146)
    =x22+C1+x+C2 (4.147)
    =x22+x+C. (4.148)

    Aqui, C1, C2 e C=C1+C2 denotam constantes indeterminadas.

    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(x+1, x)
    x**2/2 + x
    
  2. b)
    xxdx=x12𝑑xx𝑑x (4.149)
    =23x32x22+C. (4.150)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3f = sym.sqrt(x) - x
    4sym.integrate(f, x)
    2*x**(3/2)/3 - x**2/2
    
  3. c)
    (2x2+3x1)𝑑x=[2x2+(3x1)]𝑑x (4.151)
    =2x2dx+3x1dx (4.152)
    =2x2dx3xdxdx (4.153)
    =2x2dx+3xdxdx (4.154)
    =23x3+32x2x+C. (4.155)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3f = 2*x**2 + 3*x - 1
4sym.integrate(f, x)
2*x**3/3 + 3*x**2/2 - x
Exemplo 4.3.5.

Vamos calcular

01x2+1dx. (4.156)

Temos

x2+1dx=x2𝑑x+𝑑x (4.157)
=x33+x+C. (4.158)

Agora, do teorema fundamental do cálculo, temos

01x2+1dx=x33+x|01 (4.159)
=(13+1)(033+0) (4.160)
=43. (4.161)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(x**2 + 1, (x, 0, 1))
4/3

4.3.4 Integral de x1

Começamos lembrando que

ddxlnx=1x,x>0. (4.162)

Para x<0, usamos a regra da cadeia

ddxln(x)=1x(x) (4.163)
=1x(1) (4.164)
=1x. (4.165)

Ou seja, temos que

ddxln|x|=1x, (4.166)

donde concluímos que a integral de x1 é

1x𝑑x=ln|x|+C. (4.167)
Exemplo 4.3.6.
1ex1𝑑x=1e1x𝑑x (4.168)
=[ln|x|]1e (4.169)
=ln|e|ln|1| (4.170)
=10=1. (4.171)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(1/x, (x, 1, sym.E))
1

4.3.5 Integral da Função Exponencial Natural

Da derivada da função exponencial natural, temos

ex𝑑x=ex+C. (4.172)
Exemplo 4.3.7.

Vamos estudar os seguintes casos:

  1. a)
    e2+x𝑑x=e2ex𝑑x (4.173)
    =e2exdx (4.174)
    =e2ex+C (4.175)
    =e2+x+C. (4.176)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.exp(2+x), x)
    exp(x + 2)
    
  2. b)
    0ln2ex𝑑x=ex|0ln2 (4.177)
    =eln2e0 (4.178)
    =21 (4.179)
    =1. (4.180)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.exp(x), (x, 0, sym.log(2)))
    1
    

4.3.6 Integrais de Funções Trigonométricas

No que lembramos que

ddxcos(x)=sen(x) (4.181)

temos que a integral da função seno é

sen(x)𝑑x=cos(x)+C. (4.182)
Exemplo 4.3.8.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    2sen(x)𝑑x=2sen(x)𝑑x (4.183)
    =2cos(x)+C (4.184)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(2*sym.sin(x), x)
    -2*cos(x)
    
  2. b)
    ππsen(x)𝑑x=cos(x)|ππ (4.185)
    =cos(π)[cos(π)] (4.186)
    =11=0 (4.187)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.sin(x), (x, -sym.pi, sym.pi))
    0
    

Também, lembramos que

ddxsen(x)=cos(x), (4.188)

donde temos que a integral da função cosseno

cos(x)𝑑x=sen(x)+C. (4.189)
Exemplo 4.3.9.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    12cos(x)𝑑x=12cos(x)𝑑x (4.190)
    =12sen(x)+C. (4.191)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(1/2*sym.cos(x), x)
    0.5*sin(x)
    
  2. b)
    ππcos(x)𝑑x=sen(x)|ππ (4.193)
    =sen(π)sen(π) (4.194)
    =0. (4.195)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.cos(x), (x, -sym.pi, sym.pi))
    0
    

4.3.7 Tabela de Integrais

kf(x)𝑑x=kf(x)𝑑x (4.196)
[f(x)±g(x)]𝑑x=f(x)𝑑x±g(x)𝑑x (4.197)
xr𝑑x=xr+1r+1+C,r1 (4.198)
1x𝑑x=lnx+C (4.199)
ex𝑑x=ex+C (4.200)
sen(x)𝑑x=cos(x)+C (4.201)
cos(x)𝑑x=sen(x)+C (4.202)

4.3.8 Exercícios resolvidos

ER 4.3.1.

Calcule

x2+2xx𝑑x (4.203)
Solução.
x2+2xx𝑑x=x2x+2xxdx (4.204)
=x2x12+2xx12dx (4.205)
=x212+2x112dx (4.206)
=x32dx+2x12dx. (4.207)

Agora, usando a regra da função potência (4.117), obtemos

x2+2xx𝑑x=x32+132+1+2x12+112+1+C (4.208)
=25x52+43x32+C. (4.209)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate((x**2+2*x)/(sqrt(x)))
2*x**(5/2)/5 + 4*x**(3/2)/3
ER 4.3.2.

Calcule

1e12x𝑑x. (4.210)
Solução.

Das regras básicas de integração, temos

12x𝑑x=121x𝑑x (4.211)
=121xdx (4.212)
=12ln(x)+C (4.213)
=lnx+C. (4.214)

Então, do teorema fundamental do cálculo, temos

1e12x𝑑x=lnx|1e (4.215)
=ln(e)ln(1) (4.216)
=12. (4.217)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(1/(2*x), (x, 1, sym.E))
1/2

4.3.9 Exercícios

E. 4.3.1.

Calcule

  1. a)

    𝑑x

  2. b)

    x2𝑑x

  3. c)

    x𝑑x

  4. d)

    1x𝑑x

Resposta.

a) x+C; b) 1x+C; c) 23x3/2+C; d) 2x1/2+C

E. 4.3.2.

Calcule

  1. a)

    1+x2dx

  2. b)

    x1xdx

  3. c)

    2x33x2+1dx

Resposta.

a) x1x+C; b) x22ln|x|+C; c) 12x4x3+x+C

E. 4.3.3.

Calcule

  1. a)

    2cos(x)𝑑x

  2. b)

    1sen(x)dx

Resposta.

a) 2sen(x)+C; b) x+cos(x)+C

E. 4.3.4.

Calcule

  1. a)

    11x3𝑑x

  2. b)

    e2ex1𝑑x

Resposta.

a) 0; b) ln(2);

E. 4.3.5.

Calcule

  1. 1.

    01x22x3dx

  2. 2.

    12x+1x𝑑x

Resposta.

a) 16; b) 103283;

E. 4.3.6.

Cálculo

  1. a)

    0π2sen(x)𝑑x

  2. b)

    0π2cos(x)𝑑x

  3. c)

    0πcos(x)sen(x)dx

Resposta.

a) 1; b) 1; c) 2


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Cálculo I

4 Integração

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4.3 Regras Básicas de Integração

A integral indefinida de uma função f em relação a x é

f(x)𝑑x=F(x)+C, (4.116)

onde F é uma primitiva de f, i.e. F=f, e C é uma constante indeterminada. Na sequência, vamos estudar as regras básicas para o cálculo de integrais.

4.3.1 Integral de Função Potência

Com base na derivada de função potência, podemos afirmar que

xr𝑑x=xr+1r+1+C,r1. (4.117)

De fato, para r1, temos

F(x)=xr+1r+1+C, (4.118)
F(x)=(r+1)xrr+1=xr. (4.119)
Exemplo 4.3.1.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    x𝑑x=x22+C. (4.120)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(x, x)
    x**2/2
    
  2. b)
    1x2𝑑x=x2𝑑x (4.121)
    =x2+12+1+C=1x+C. (4.122)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(1/x**2, x)
    -1/x
    
Exemplo 4.3.2.

Vamos calcular

11x2𝑑x. (4.123)

Da regra da potência (4.117), temos

x2𝑑x=x33+C. (4.124)

Logo, do teorema fundamental do cálculo, temos

11x2𝑑x=x33|11 (4.125)
=133(1)33 (4.126)
=13+13=23. (4.127)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(x**2, (x, -1, 1))
2/3

4.3.2 Regra da Multiplicação por Constante

Seja k uma constante. Então, temos a seguinte regra da multiplicação por constante

kf(x)𝑑x=kf(x)𝑑x (4.128)

De fato, se F é uma primitiva de f, então pela regra da multiplicação por constante para derivadas, temos

(kF)=kF (4.129)
=kf, (4.130)

i.e. kF é primitiva de kf.

Exemplo 4.3.3.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    2x𝑑x=2x𝑑x (4.131)
    =2(x22+C) (4.132)
    =x2+2C (4.133)
    =x2+C. (4.134)

    Aqui, fizemos um abuso de linguagem ao assumir 2C=C. Isso pode ser feito, pois C denota uma constante indeterminada e, multiplicá-la por dois continua sendo indeterminada e constante. Vamos fazer este tipo de simplificação de notação várias vezes ao longo do texto.

    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(2*x, x)
    x**2
    
  2. b)
    13x𝑑x=13x12𝑑x (4.135)
    =13x12+112+1+C (4.136)
    =13x3232+C (4.137)
    =29x3+C. (4.138)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(1/3*sym.sqrt(x), x)
    0.222222222222222*x**(3/2)
    
  3. c)
    01x2dx=01x2𝑑x (4.139)
    =[x33]01 (4.140)
    =(1303) (4.141)
    =13. (4.142)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(-x**2, (x, 0, 1))
    -1/3
    

4.3.3 Regra da soma ou subtração

Se f e g são funções integráveis, então vale a seguinte regra da soma/subtração

[f(x)±g(x)]𝑑x=f(x)𝑑x±g(x)𝑑x. (4.143)

De fato, sejam F uma primitiva de f e G uma primitiva de g. Temos

(F±G)=F±G (4.144)
=f±g, (4.145)

i.e. F±G é primitiva de f±g.

Exemplo 4.3.4.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    x+1dx=x𝑑x+𝑑x (4.146)
    =x22+C1+x+C2 (4.147)
    =x22+x+C. (4.148)

    Aqui, C1, C2 e C=C1+C2 denotam constantes indeterminadas.

    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(x+1, x)
    x**2/2 + x
    
  2. b)
    xxdx=x12𝑑xx𝑑x (4.149)
    =23x32x22+C. (4.150)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3f = sym.sqrt(x) - x
    4sym.integrate(f, x)
    2*x**(3/2)/3 - x**2/2
    
  3. c)
    (2x2+3x1)𝑑x=[2x2+(3x1)]𝑑x (4.151)
    =2x2dx+3x1dx (4.152)
    =2x2dx3xdxdx (4.153)
    =2x2dx+3xdxdx (4.154)
    =23x3+32x2x+C. (4.155)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3f = 2*x**2 + 3*x - 1
4sym.integrate(f, x)
2*x**3/3 + 3*x**2/2 - x
Exemplo 4.3.5.

Vamos calcular

01x2+1dx. (4.156)

Temos

x2+1dx=x2𝑑x+𝑑x (4.157)
=x33+x+C. (4.158)

Agora, do teorema fundamental do cálculo, temos

01x2+1dx=x33+x|01 (4.159)
=(13+1)(033+0) (4.160)
=43. (4.161)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(x**2 + 1, (x, 0, 1))
4/3

4.3.4 Integral de x1

Começamos lembrando que

ddxlnx=1x,x>0. (4.162)

Para x<0, usamos a regra da cadeia

ddxln(x)=1x(x) (4.163)
=1x(1) (4.164)
=1x. (4.165)

Ou seja, temos que

ddxln|x|=1x, (4.166)

donde concluímos que a integral de x1 é

1x𝑑x=ln|x|+C. (4.167)
Exemplo 4.3.6.
1ex1𝑑x=1e1x𝑑x (4.168)
=[ln|x|]1e (4.169)
=ln|e|ln|1| (4.170)
=10=1. (4.171)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(1/x, (x, 1, sym.E))
1

4.3.5 Integral da Função Exponencial Natural

Da derivada da função exponencial natural, temos

ex𝑑x=ex+C. (4.172)
Exemplo 4.3.7.

Vamos estudar os seguintes casos:

  1. a)
    e2+x𝑑x=e2ex𝑑x (4.173)
    =e2exdx (4.174)
    =e2ex+C (4.175)
    =e2+x+C. (4.176)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.exp(2+x), x)
    exp(x + 2)
    
  2. b)
    0ln2ex𝑑x=ex|0ln2 (4.177)
    =eln2e0 (4.178)
    =21 (4.179)
    =1. (4.180)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.exp(x), (x, 0, sym.log(2)))
    1
    

4.3.6 Integrais de Funções Trigonométricas

No que lembramos que

ddxcos(x)=sen(x) (4.181)

temos que a integral da função seno é

sen(x)𝑑x=cos(x)+C. (4.182)
Exemplo 4.3.8.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    2sen(x)𝑑x=2sen(x)𝑑x (4.183)
    =2cos(x)+C (4.184)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(2*sym.sin(x), x)
    -2*cos(x)
    
  2. b)
    ππsen(x)𝑑x=cos(x)|ππ (4.185)
    =cos(π)[cos(π)] (4.186)
    =11=0 (4.187)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.sin(x), (x, -sym.pi, sym.pi))
    0
    

Também, lembramos que

ddxsen(x)=cos(x), (4.188)

donde temos que a integral da função cosseno

cos(x)𝑑x=sen(x)+C. (4.189)
Exemplo 4.3.9.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    12cos(x)𝑑x=12cos(x)𝑑x (4.190)
    =12sen(x)+C. (4.191)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(1/2*sym.cos(x), x)
    0.5*sin(x)
    
  2. b)
    ππcos(x)𝑑x=sen(x)|ππ (4.193)
    =sen(π)sen(π) (4.194)
    =0. (4.195)
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x
    3sym.integrate(sym.cos(x), (x, -sym.pi, sym.pi))
    0
    

4.3.7 Tabela de Integrais

kf(x)𝑑x=kf(x)𝑑x (4.196)
[f(x)±g(x)]𝑑x=f(x)𝑑x±g(x)𝑑x (4.197)
xr𝑑x=xr+1r+1+C,r1 (4.198)
1x𝑑x=lnx+C (4.199)
ex𝑑x=ex+C (4.200)
sen(x)𝑑x=cos(x)+C (4.201)
cos(x)𝑑x=sen(x)+C (4.202)

4.3.8 Exercícios resolvidos

ER 4.3.1.

Calcule

x2+2xx𝑑x (4.203)
Solução.
x2+2xx𝑑x=x2x+2xxdx (4.204)
=x2x12+2xx12dx (4.205)
=x212+2x112dx (4.206)
=x32dx+2x12dx. (4.207)

Agora, usando a regra da função potência (4.117), obtemos

x2+2xx𝑑x=x32+132+1+2x12+112+1+C (4.208)
=25x52+43x32+C. (4.209)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate((x**2+2*x)/(sqrt(x)))
2*x**(5/2)/5 + 4*x**(3/2)/3
ER 4.3.2.

Calcule

1e12x𝑑x. (4.210)
Solução.

Das regras básicas de integração, temos

12x𝑑x=121x𝑑x (4.211)
=121xdx (4.212)
=12ln(x)+C (4.213)
=lnx+C. (4.214)

Então, do teorema fundamental do cálculo, temos

1e12x𝑑x=lnx|1e (4.215)
=ln(e)ln(1) (4.216)
=12. (4.217)
1import sympy as sym
2from sympy.abc import x
3sym.integrate(1/(2*x), (x, 1, sym.E))
1/2

4.3.9 Exercícios

E. 4.3.1.

Calcule

  1. a)

    𝑑x

  2. b)

    x2𝑑x

  3. c)

    x𝑑x

  4. d)

    1x𝑑x

Resposta.

a) x+C; b) 1x+C; c) 23x3/2+C; d) 2x1/2+C

E. 4.3.2.

Calcule

  1. a)

    1+x2dx

  2. b)

    x1xdx

  3. c)

    2x33x2+1dx

Resposta.

a) x1x+C; b) x22ln|x|+C; c) 12x4x3+x+C

E. 4.3.3.

Calcule

  1. a)

    2cos(x)𝑑x

  2. b)

    1sen(x)dx

Resposta.

a) 2sen(x)+C; b) x+cos(x)+C

E. 4.3.4.

Calcule

  1. a)

    11x3𝑑x

  2. b)

    e2ex1𝑑x

Resposta.

a) 0; b) ln(2);

E. 4.3.5.

Calcule

  1. 1.

    01x22x3dx

  2. 2.

    12x+1x𝑑x

Resposta.

a) 16; b) 103283;

E. 4.3.6.

Cálculo

  1. a)

    0π2sen(x)𝑑x

  2. b)

    0π2cos(x)𝑑x

  3. c)

    0πcos(x)sen(x)dx

Resposta.

a) 1; b) 1; c) 2


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Pedro H A Konzen
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