9.5 Primitivas
O Teorema Fundamental mostra a importância de saber calcular
primitivas. Por isso, será útil desenvolver técnicas de
integração.
Mas antes de apresentarmos essas técnicas,
faremos alguns comentários sobre as notações usadas para denotar
primitivas.
Para uma dada função , queremos achar uma primitiva , isto é uma função cuja derivada é igual a . Essa operação, inversa da derivada 55 5 Às vezes, essa operação é naturalmente chamada de antiderivada., será chamada de integrar . Por isso, é útil introduzir uma notação que mostra que é o resultado de uma transformação aplicada a :
em que é uma constante arbitrária. Ao invés da integral definida , a integral indefinida é uma função de , que por definição satisfaz
Como a operação “integrar com respeito a ” é a operação inversa da derivada, temos
Além disso, as seguintes propriedades são satisfeitas ( é uma constante):
As seguintes primitivas fundamentais foram calculadas no Exercício 9.6:
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1.
-
2.
-
3.
()
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4.
-
5.
-
6.
-
7.
-
8.
O caso em (3) corresponde a , que obviamente é definida somente para . Ora, se , temos , e se , temos . Logo,
Exercício 9.14.
Calcule as primitivas das seguintes funções.
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1.
-
2.
-
3.
-
4.
Vamos agora apresentar os métodos clássicos usados para calcular primitivas. O leitor interessado em usar a integral de Riemann para resolver problemas concretos pode pular para o Capítulo 10, e voltar depois para as Seçoes 9.5.1 até 9.5.5 abaixo para exercitar a sua habilidade a calcular primitivas.
9.5.1 Integração por Substituição
Exemplo 9.8.
Suponha que se queira calcular
Apesar da função não ser a derivada de uma função elementar, ela possui uma estrutura particular: o “” que multiplica o cosseno é um polinômio cujo grau é um a menos do que o polinômio “” contido dentro do cosseno. Ora, sabemos que a derivada diminui o grau de um polinômio. No nosso caso: . Logo, ao multiplicar e dividir a primitiva por , podemos escrever
Agora, reconhecemos em uma derivada. De fato, pela regra da cadeia, . Logo, usando (9.13),
Portanto,
Do mesmo jeito,
A ideia apresentada nesse último exemplo consiste em conseguir escrever a função integrada na forma da derivada de uma função composta; é a base do método de integração chamado integração por substituição. Lembremos a regra da cadeia:
Integrando ambos lados dessa identidade com respeito a e usando de novo (9.13) obtemos , que é equivalente à fórmula de integração por substituição:
Existem vários jeitos de escrever a mesma fórmula. Por exemplo, se é primitiva de ,
Senão, a função pode ser considerada como uma nova váriavel: . Derivando com respeito a , , que pode ser simbolicamente escrita como . Assim, a primitiva inicial pode ser escrita somente em termos da variável , substituindo por :
Em seguida, se trata de calcular uma primitiva de , e no final voltar para a variável . O objetivo é sempre tornar o mais próximo possível de uma primitiva elementar como as descritas no início da seção.
Exemplo 9.9.
Considere . Aqui queremos usar o fato do ser a derivada da função . Façamos então a substituição , que implica , o que implica
Mas , é a derivada (com respeito a !) de . Logo,
Exemplo 9.10.
Para calcular , definemos . Logo, e . Assim,
Exemplo 9.11.
Calculemos agora . Para começar, separemos a primitiva em dois termos:
Para o primeiro termo, vemos que com , cuja derivada é , temos , e
No segundo termo reconhecemos a derivada da função arcseno. Logo, somando,
Observação 9.4.
Lembra que um cálculo de primitiva pode sempre ser verificado, derivando o resultado obtido! Por exemplo, não perca a oportunidade de verificar que derivando o lado direito de (9.17), obtém-se !
Às vezes, é preciso transformar a função integrada antes de fazer uma substituição útil, como visto nos três próximos exemplos.
Exemplo 9.12.
Para calcular podemos colocar em evidência no denominador, e em seguida fazer a substituição :
Exemplo 9.13.
Para calcular comecemos completando o quadrado: . Logo, usando ,
Exemplo 9.14.
Considere . Lembrando a identidade trigonométrica ,
Agora com obtemos . Logo,
Exercício 9.15.
Calcule as primitivas das seguintes funções.
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17.
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18.
A fórmula (9.16) mostra que a primitiva (ou integral indefinida) de uma função da forma se reduz a achar uma primitiva de . Aquela fórmula pode também ser usada para integrais definidas: se é integrada com percorrendo o intervalo , então percorre o intervalo , logo
Exercício 9.16.
Calcule as primitivas
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1.
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2.
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3.
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4.
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5.
-
6.
9.5.2 Integração por Partes
Vimos que o método de integração por substituição decorreu da regra da cadeia. Vejamos agora qual método pode ser obtido a partir da regra de derivação de um produto.
Exemplo 9.15.
Suponha que se queira calcular a primitiva
Aqui não vemos (e na verdade: não há) uma substituição que seja útil para transformar essa primitiva. O que pode ser útil é escrever , e de interpretar como o segundo termo da derivada
Assim,
A ideia usada no último exemplo pode ser generalizada da seguinte maneira. Pela regra de Leibniz,
Integrando com respeito a em ambos lados,
Essa última expressão pode ser reescrita como
(ou a mesma trocando os papéis de e ) chamada fórmula de integração por partes. Ela possui uma forma definida também:
A fórmula (9.19) acima será usada com o intuito de transformar a integral numa integral (mais simples, espera-se) .
Exemplo 9.16.
Considere . Aqui definamos e da seguinte maneira: , . Assim, , . Usando (9.19),
Exercício 9.17.
Calcule as primitivas das funções abaixo. (Obs: às vezes, pode precisar integrar por partes duas vezes.)
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2.
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3.
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4.
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5.
-
6.
Às vezes, escrevendo “” como , integração por partes pode ser usada mesmo quando não tem duas partes:
Exemplo 9.17.
Considere . Escrevendo ,
Exercício 9.18.
Calcule
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1.
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2.
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3.
-
4.
Consideremos agora um mecanismo particular que pode aparecer quando se aplica integração por partes:
Exemplo 9.18.
Considere . Integrando duas vezes por partes:
Assim, a primitiva procurada é solução da equação
Isolando obtemos . Isto é,
Exercício 9.19.
Calcule
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1.
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2.
-
3.
Integração por partes pode ser combinada com substituição:
Exemplo 9.19.
Considere . Integrando primeiro por partes,
Essa segunda pode ser calculada substituindo por :
Logo,
Exercício 9.20.
Calcule , .
9.5.3 Integração de funções racionais
Nesta seção estudaremos métodos para calcular primitivas da forma
Essas primitivas são todas da forma
em que e são polinômios em . Lembramos que um polinômio em
é uma soma finita de potências inteiras e não negativas de : , em que
os são constantes. Por exemplo, é um polinômio, mas
não é. Lembramos que o grau de um polinômio é
o maior índice tal que .
Existe uma teoria geral que descreve os
métodos que permitem calcular primitivas da forma (9.21).
Aqui ilustraremos somente as
ideias principais em casos simples.
A primeira etapa tem como objetivo simplificar a expressão para ser integrada:
-
•
Se o grau de for maior ou igual ao grau de , divide por .
Exemplo 9.20.
Considere . Aqui, é de grau , que é igual ao grau de . Logo, como a divisão de por dá com um resto de , temos . Logo,
(Observe que em vez de fazer uma divisão, podia ter observado que .)
Exemplo 9.21.
Considere . Aqui, é de grau , que é maior do que o grau de . Logo, como a divisão de por dá com um resto de , temos . Logo,
Em geral, quando , a divisão de por dá
em
que . A primitiva do primeiro
polimômio é imediata, e o próximo passo é de estudar a primitiva da razão
.
Portanto, é preciso agora desenvolver técnicas para calcular primitivas de frações de polinômios, em que o grau do numerador é estritamente menor que o grau do denominador. Já sabemos tratar casos do tipo:
O objetivo será de sempre decompor a fração numa soma de frações elementares desse tipo. O método geral, descrito abaixo em exemplos simples, pode ser resumido da seguinte maneira:
-
•
Fatore completamente o polinômio , o escrevendo como um produto de fatores de grau , possivelmente repetidos. Em seguida,
-
•
Procure uma decomposição de em frações parciais.
Exemplo 9.22.
Considere . Aqui, tem discriminante , logo ele pode ser fatorado: . Procuremos agora um jeito de escrever a função integrada na forma de uma soma de frações elementares:
Observe que se tiver um jeito de achar duas constantes (isto é: números que não dependem de ) e tais que a expressão acima seja verificada para todo , então a primitiva será fácil de se calcular:
Verifiquemos então que as constantes e existem. Colocando no mesmo denominador no lado direito de (9.22) e igualando os numeradores, vemos que e devem ser escolhidos tais que
Rearranjando os coeficientes,
Para essa expressão valer para todo , é necessário ter
Essas expressões representam um sistema de duas equações nas incógnitas e , cuja solução pode ser calculada facilmente: , . Verifiquemos que os valores calculados para e são corretos:
Portanto,
Observação 9.5.
A decomposição (9.22) é chamada de decomposição em frações parciais. Esta decomposição pode ser feita a cada vez que o denominador se encontra na forma de um produto de fatores irredutíveis de grau . A decomposição deve às vezes ser adaptada.
Exemplo 9.23.
Considere . Vendo o que foi feito acima, uma decomposição natural seria de decompor a fração da seguinte maneira:
Infelizmente, pode ser verificado (veja o Exercício 9.21 abaixo) que não existem constantes e tais que a relação acima valha para todo . O problema é que o denominador da fração original contém , que é irredutível (isto é: possui um discriminante negativo), de grau . Assim, procuremos uma decomposição da forma
Igualando os numeradores, , o que equivale a dizer que o polinômio é nulo para todo . Isto é: todos os seus coeficientes são nulos:
Assim vemos que , , . Verificando:
Logo,
Exercício 9.21.
No Exemplo 9.23, verifique que não tem decomposição da forma .
Observação 9.6.
Exemplo 9.24.
Considere . Aqui o denominador contém o polinômio irredutível elevado à potência . Assim procuremos uma decomposição da forma
Igualando os numeradores, , isto é . Para isso valer para todo , é preciso que sejam satisfeitas as seguintes relações:
Assim vemos que , , . Deixemos o leitor verificar a decomposição. Logo,
Observação 9.7.
A decomposição (9.27) pode ser usada a cada vez que aparece uma potência de um fator irredutível. Por exemplo,
Exercício 9.22.
No Exemplo 9.24, verifique que não tem decomposição da forma .
Os métodos acima podem ser combinados:
Exemplo 9.25.
Para , procuremos uma decomposição da forma
Igualando os numeradores e expressando os coeficientes do polinômio em função de obtemos o seguinte sistema:
A solução é obtida facilmente: , , , . Logo,
Exercício 9.23.
Calcule as primitivas.
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15.
Exercício 9.24.
Calcule . (Dica: multiplique e divida por .)
Exercício 9.25.
(3a Prova 2010, Turmas N) Calcule .
9.5.4 Integrar potências de funções trigonométricas
Nesta seção estudaremos primitivas de funções que envolvem funções trigonométricas. Essas aparecem em geral após ter feito uma substituição trigonométrica, que é o nosso último método de integração, e que será apresentado na próxima seção.
Primitivas das funções
Aqui estudaremos primitivas da forma
Consideremos primeiro integrais contendo somente potências de , ou de . Além dos casos triviais e já encontramos, no Exemplo 9.14,
Consequentemente,
Potências ímpares podem ser tratadas da seguinte maneira:
Chamando , obtemos
A mesma ideia pode ser usada para integrar quando pelo menos um dos expoentes, ou , é ímpar. Por exemplo,
onde . Logo,
Para tratar potências pares, comecemos usando uma integração por partes. Por exemplo,
Isolando nessa última expressão e usando (9.28),
Exercício 9.26.
Calcule as primitivas.
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7.
Primitivas das funções
Nesta seção estudaremos primitivas da forma
onde lembramos que a função secante é definida como
Como , a seguinte relação vale:
Lembramos que . Então, para calcular por exemplo
podemos chamar , , e escrever
Na verdade, é facil ver que a mesma substituição pode ser usada a cada vez que a potência da secante é par. Por exemplo,
Por outro lado, a relação
permite um outro tipo de substituição. Por exemplo, (9.30) pode ser calculada também via a mudança de variável , :
A mesma mudança de variável se aplica a cada vez que a potência da tangente é ímpar (e que a potência da secante é pelo menos ). Por exemplo,
Os casos em que a potência da tangente é ímpar e que não tem secante são tratados separadamente. Por exemplo, lembramos que
Ou,
e essas duas primitivas já foram calculadas acima. Finalmente, deixemos o leitor fazer o Exercício 9.24 para mostrar que
Exercício 9.27.
Calcule as primitivas.
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8.
9.5.5 Substituições trigonométricas
Nesta seção final apresentaremos métodos para calcular primitivas de funções particulares onde aparecem raizes de polinômio do segundo grau:
O nosso objetivo é fazer uma substituição que transforme o polinômio que está dentro da raiz em um quadrado perfeito. Essas substituições serão baseadas nas seguintes idenditades trigonométricas:
Ilustraremos os métodos em três exemplos elementares, integrando , e . Em seguida aplicaremos as mesmas ideias em casos mais gerais.
A primitiva
Observe primeiro que é bem definido se . Para calcular usaremos (9.31) para transformar em um quadrado perfeito. Portanto, consideremos a substituição
Como , essa substituição é bem definida, e implica que pode ser escolhido :
Expressemos agora a primitiva somente em termos de :
De fato, como , , o que significa . Mas a primitiva de é
Agora precisamos voltar para a variável . Primeiro, implica . Por outro lado, . Logo,
Exercício 9.28.
Verifique esse último resultado, derivando com respeito a .
O método descrito acima costuma ser eficiente a cada vez que se quer integrar uma função que contém uma raiz da forma , com . Para transformar o polinómio em um quadrado perfeito, podemos tentar as seguintes subsituições:
De fato, uma substituição desse tipo permite cancelar a raiz:
Depois de ter feito a substituição, aparece em geral uma primitiva de potências de funções trigonométricas, parecidas com aquelas encontradas na Seção 9.5.4.
Exemplo 9.26.
Neste exemplo verificaremos que a área de um disco de raio é igual a .
A área do disco completo é dada pela integral
Usemos a substituição trigonométrica , . Se , então , e se então . Logo,
Logo, .
Exemplo 9.27.
Calculemos a primitiva . Usemos a substituição , . Como , temos .
A última primitiva se calcula feito na seção anterior: com ,
Para voltar para a variável , observe que implica . Logo,
Exercício 9.29.
Calcule a área da região delimitada pela elipse cuja equação é dada por
Em seguida, verifique que quando a elipse é um círculo, , a sua área é .
Exemplo 9.28.
Exercício 9.30.
Calcule as primitivas
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A primitiva
Para calcular usaremos (9.32) para transformar em um quadrado perfeito. Portanto, consideremos a substituição
Expressemos agora a primitiva somente em termos de :
Vimos no Exercício 9.27 que
Para voltar à variável : , . Logo,
O método descrito acima se aplica a cada vez que se quer integrar uma função que contém uma raiz da forma , com . Para transformar o polinómio em um quadrado perfeito, podemos tentar as seguintes subsituições:
De fato, uma substituição desse tipo permite cancelar a raiz:
Exercício 9.31.
Calcule as primitivas
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Exercício 9.32.
Calcule o comprimento do arco da parábola , contido entre as retas e .
A primitiva
Finalmente, consideremos a primitiva . Para transformar num quadrado perfeito, usaremos a relação (9.32): . Assim, chamando , temos , portanto
Integrando por partes,
Como implica , obtemos
O método apresentado acima sugere que para integrar uma função que contém um polinômio do segundo grau da forma , pode-se tentar fazer a substituição
Exemplo 9.29.
Consideremos a primitiva , fazendo a substituição , :
Para voltar à variável , façamos uma interpretação geométrica da nossa substituição. A relação , isto é , se concretiza no seguinte triângulo:
Assim,
Exercício 9.33.
Calcule as primitivas.
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3.