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4.3 Regras básicas de integração

Na Seção 4.2, definimos a integral indefinida por

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 discutir sobre as regras básicas para o cálculo de integrais.

4.3.1 Integral de função potência

Com base na derivada de função potência3838endnote: 38Consulte Subseção 2.3.3 sobre a 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 (4.119)
=xr. (4.120)
Exemplo 4.3.1.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    x𝑑x=x22+C. (4.121)
  2. b)
    1x2𝑑x =x2𝑑x (4.122)
    =x1+C (4.123)
    =1x+C. (4.124)

    Verifique com o Python+SymPy!

Exemplo 4.3.2.

Vamos calcular

11x2𝑑x. (4.125)

Da regra da potência, temos

x2𝑑x=x33+C. (4.126)

Logo, do Teorema Fundamental do Cálculo, temos

11x2𝑑x =x33|11 (4.127)
=133(1)33 (4.128)
=13+13=23. (4.129)

Verifique com o Python+SymPy!

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 (4.130)

De fato, se F é uma primitiva de f, então pela regra da multiplicação por constante para derivadas3939endnote: 39Consulte a Subseção 2.5.1 sobre a regra da multiplicação por constante para derivadas., temos

(kF) =kF (4.131)
=kf, (4.132)

i.e. kF é primitiva de kf.

Exemplo 4.3.3.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    2x𝑑x =2x𝑑x (4.133)
    =2(x22+C) (4.134)
    =x2+2C (4.135)
    =x2+C (4.136)

    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.

  2. b)
    13x𝑑x =13x12𝑑x (4.137)
    =13x12+112+1+C (4.138)
    =13x3232+C (4.139)
    =29x3+C (4.140)
  3. c)
    01x2dx =01x2𝑑x (4.141)
    =10x2𝑑x (4.142)
    =x33|10 (4.143)
    =033133 (4.144)
    =13 (4.145)

    Verifique com o Python+SymPy!

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. (4.146)

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

(F±G) =F±G (4.147)
=f±g, (4.148)

i.e. F±G é primitiva de f±g.

Exemplo 4.3.4.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    x+1dx =x𝑑x+𝑑x (4.149)
    =x22+C1+x+C2 (4.150)
    =x22+x+C (4.151)

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

  2. b)
    xxdx =x12𝑑xx𝑑x (4.152)
    =32x32x22+C (4.153)
  3. c)
    (2x2+3x1)𝑑x =[2x2+(3x1)]𝑑x (4.154)
    =2x2𝑑x+3x1dx (4.155)
    =2x2𝑑x3x𝑑x𝑑x (4.156)
    =2x2𝑑x+3x𝑑x𝑑x (4.157)
    =23x3+32x2x+C (4.158)
Exemplo 4.3.5.

Vamos calcular

01x2+1dx. (4.159)

Temos

x2+1dx =x2𝑑x+𝑑x (4.160)
=x33+x+C. (4.161)

Agora, do Teorema Fundamental do Cálculo, temos

01x2+1dx =x33+x|01 (4.162)
=13+1(033+0) (4.163)
=43. (4.164)

4.3.4 Integral de x1

Começamos lembrando que, para x>0, temos4040endnote: 40Consulte Subseção 2.4.3 sobre a derivada de função logarítmica.

ddxlnx=1x (4.165)

Agora, pela regra da cadeia4141endnote: 41Consulte Seção 2.7 sobre a regra da cadeia., para x<0, temos

ddxln(x) =1x(x) (4.166)
=1x(1) (4.167)
=1x (4.168)

Ou seja, temos que

ddxln|x|=1x (4.169)

donde, concluímos que a integral de x1 é

1x𝑑x=ln|x|+C (4.170)
Exemplo 4.3.6.

Vamos calcular

1ex1𝑑x. (4.171)

Usando o Teorema Fundamental do Cálculo, temos

1ex1𝑑x =1e1x𝑑x (4.172)
=ln|x||1e (4.173)
=ln|e|ln|1| (4.174)
=10=1. (4.175)

Verifique computando com o Python+SymPy!

4.3.5 Integral da função exponencial natural

Da derivada da função exponencial natural4242endnote: 42Consule Subseção 2.4.2 sobre a derivada da função exponencial., temos

ex𝑑x=ex+C. (4.176)
Exemplo 4.3.7.

Vamos estudar os seguintes casos:

  1. a)
    e2+x𝑑x =e2ex𝑑x (4.177)
    =e2ex𝑑x (4.178)
    =e2ex+C (4.179)
    =e2+x+C (4.180)
  2. b)
    0ln2ex𝑑x =ex|0ln2 (4.181)
    =eln2e0 (4.182)
    =21 (4.183)
    =1 (4.184)

4.3.6 Integrais de funções trigonométricas

No que lembramos que4343endnote: 43Consulte Seção 2.6 sobre a derivada de funções trigonométricas.

ddxcos(x)=sen(x) (4.185)

temos que a integral da função seno é

sen(x)𝑑x=cos(x)+C (4.186)
Exemplo 4.3.8.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    2sen(x)𝑑x =2sen(x)𝑑x (4.187)
    =2cos(x)+C (4.188)
  2. b)
    ππsen(x)𝑑x =cos(x)|ππ (4.189)
    =cos(π)[cos(π)] (4.190)
    =11=0 (4.191)

Também, lembramos que

ddxsen(x)=cos(x), (4.192)

donde temos que a integral da função cosseno

cos(x)𝑑x=sen(x)+C (4.193)
Exemplo 4.3.9.

Estudamos os seguintes casos:

  1. a)
    12cos(x)𝑑x =12cos(x)𝑑x (4.194)
    =12sen(x)+C (4.195)
  2. b)
    ππcos(x)𝑑x =sen(x)|ππ (4.197)
    =sen(π)sen(π) (4.198)
    =0 (4.199)

4.3.7 Tabela de integrais

kf(x)𝑑x=kf(x)𝑑x (4.200)
[f(x)±g(x)]𝑑x=f(x)𝑑x±g(x)𝑑x (4.201)
xr𝑑x=xr+1r+1+C,r1 (4.202)
1x𝑑x=lnx+C (4.203)
ex𝑑x=ex+C (4.204)
sen(x)𝑑x=cos(x)+C (4.205)
cos(x)𝑑x=sen(x)+C (4.206)

4.3.8 Exercícios resolvidos

ER 4.3.1.

Calcule

x2+2xx𝑑x (4.207)
Solução.
x2+2xx𝑑x =x2x+2xxdx (4.208)
=x2x12+2xx12dx (4.209)
=x212+2x112dx (4.210)
=x32𝑑x+2x12𝑑x (4.211)

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

x2+2xx𝑑x =x32+132+1+2x12+112+1+C (4.212)
=25x52+43x32+C (4.213)

Com o Python+SymPy, podemos computar a solução deste exercício

1    >>> from sympy import *
2    >>> x = symbols('x')
3    >>> integrate((x**2+2*x)/(sqrt(x)))
4    2*x**(5/2)/5 + 4*x**(3/2)/3
ER 4.3.2.

Calcule

1e12x𝑑x. (4.214)
Solução.

Das regras básicas de integração, temos

12x𝑑x =121x𝑑x (4.215)
=121x𝑑x (4.216)
=12ln(x)+C (4.217)
=lnx+C. (4.218)

Então, do Teorema fundamental do cálculo, temos

1e12x𝑑x =lnx|1e (4.219)
=ln(e)ln(1) (4.220)
=12 (4.221)

Com o Python+SymPy, computamos a solução como segue

1    >>> from sympy import *
2    >>> x = symbols('x')
3    >>> integrate(1/(2*x), (x, 1, E))
4    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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