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Apostila de Cálculo (UFRPE) - Volume 3

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Apostila de cálculo destinada aos estudantes de ciências exatas.
O material aqui postado serve como apoio, e não como fonte exclusiva. Pesquise, leia, interprete!

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Apostila de Cálculo (UFRPE) - Volume 3

  1. 1. Recife, 2009 Cálculo I Cláudia Dezotti Bruno Lopes Volume 3
  2. 2. Universidade Federal Rural de Pernambuco Reitor: Prof. Valmar Corrêa de Andrade Vice-Reitor: Prof. Reginaldo Barros Pró-Reitor de Administração: Prof. Francisco Fernando Ramos Carvalho Pró-Reitor de Extensão: Prof. Paulo Donizeti Siepierski Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação: Prof. Fernando José Freire Pró-Reitor de Planejamento: Prof. Rinaldo Luiz Caraciolo Ferreira Pró-Reitora de Ensino de Graduação: Profª. Maria José de Sena Coordenação Geral de Ensino a Distância: Profª Marizete Silva Santos Produção Gráfica e Editorial Capa e Editoração: Allyson Vila Nova, Rafael Lira, Italo Amorim, Arlinda Torres e Heitor Barbosa Revisão Ortográfica: Marcelo Melo Ilustrações: Claudia Dezotti e Bruno Lopes Coordenação de Produção: Marizete Silva Santos
  3. 3. Sumário Capítulo 5 - A Integral.......................................................................................4 5.1 Introdução............................................................................................4 5.2 Primitivas..............................................................................................4 5.3 O Conceito de Integral.........................................................................7 5.4 Propriedades da Integral....................................................................10 5.5 A Integral como Área.......................................................................... 11 5.6 Teorema Fundamental do Cálculo......................................................14 Capítulo 6 - Métodos de Integração..............................................................20 6.1 Introdução..........................................................................................20 6.2 Integração por Substituição................................................................20 6.3 Integração por Partes.........................................................................26
  4. 4. 4 Cálculo I Capítulo 5 - A Integral 5.1 Introdução Neste volume 3 do Livro de Cálculo I estaremos iniciando o estudo de Integrais. Partiremos da histórica necessidade de se calcular áreas de figuras não planas até chegar à definição formal de Integral. De início, iremos abordar um conteúdo de grande importância para o estudo de Integrais: As Primitivas. Também neste volume estudaremos a Integral Definida, o Cálculo de Integrais através do Teorema Fundamental do Cálculo. Atividade de Pesquisa Agora já estamos trabalhando com Integrais. O domínio das regras de derivação e até mesmo a noção de Limite de uma Função são essenciais para um maior entendimento sobre Integrais. A sugestão de Atividade de Pesquisa para o terceiro Volume de Cálculo I é uma revisão e reestudo dos Volumes que até o momento disponibilizamos em nosso Ambiente de Aprendizagem. 5.2 Primitivas Nos volumes 1 e 2 do Livro de Cálculo I estudamos alguns problemas do tipo: Dada uma função , determinar a sua derivada . Para resolver esse tipo de problema recorremos à definição de derivadas ou às regras de derivação já estudadas. Agora considere o problema inverso: Dada uma derivada , determinar a função correspondente. Outra forma de enunciar esse problema é: Dada uma função f, queremos encontrar uma função tal que . Observe:
  5. 5. 5 Cálculo I Se . Queremos determinar uma função onde , ou seja, qual é a função que possui derivada igual a . A função que procuramos é , pois ao se determinar a derivada de obtermos . Observe que . De acordo com a definição a seguir, é uma primitiva de . Definição: Uma função é chamada primitiva de outra função se . Outras primitivas (Tabela 1): é primitiva de , é a primitiva de é a primitiva de é a primitiva de é a primitiva de Tabela 1 Na verdade, uma função que tem primitiva , possui uma infinidade de primitivas. Essas primitivas são do tipo , onde é uma constante. Isso se deve ao fato de que a derivada de uma constante é sempre zero. Voltemos ao exemplo inicial para esclarecer esse fato: Vimos que f(x) = 3x² possui como primitiva a função F(x) = x³, mas a função F1 (x) = x³ + 1 também é uma primitiva para f(x) = 3x², pois F1 ‘(x) = f(x) = 3x². Outra primitiva para f(x) = 3x² é , ou ainda , ..., , onde é uma constante. Vejamos mais alguns exemplos: 1. Determinar as primitivas das funções dadas a baixo: a. b. c. d.
  6. 6. 6 Cálculo I e. f. g. Solução: a. (essa é a forma mais geral de se escrever a primitiva de ) b. (Para funções polinomiais, na variável , por exemplo, para obter a sua primitiva sempre adicionamos uma unidade ao expoente de . c. d. . Como fizemos: Para esse exemplo mais uma vez acrescentamos uma unidade ao expoente, ficando . Sabemos, pela regra da cadeia, que a derivada de é . . Para obter devemos agora multiplicar por (o fator é necessário para se cancelar o expoente que “cai” ao se determinar a derivada) obtendo assim a primitiva desejada. e. Sabemos que pode ser escrito como . Somando uma unidade aos expoentes, ficamos com . Observe que a derivada de é ou ainda . A primitiva que procuramos é . f. A expressão é equivalente a , ou ainda . Adicionando uma unidade ao expoente, . A primitiva será g. Primeiro devemos desenvolver o produto. Fazendo essa operação, encontramos . A primitiva será . De uma forma geral, podemos determinar a primitiva de uma potência utilizando a regra descrita a seguir: Seja um número racional, tal que . A primitiva de é , onde é uma constante.
  7. 7. 7 Cálculo I Atividade de Estudo 1. Encontre a primitiva mais geral de cada função dada: a. b. c. d. e. f. 2. Determine as primitivas das funções dadas a seguir: a. b. c. d. e. f. 5.3 O Conceito de Integral No Volume 1 do Livro de Cálculo I vimos que o conceito de Derivadas está ligado ao problema de traçar a tangente a uma curva dada. Já o conceito de Integral está diretamente ligado ao problema de determinar a área de uma figura plana qualquer. Durante o Ensino Fundamental, Médio e até mesmo no período de capacitação, aprendemos em Geometria a calcular a área de figuras planas cujos contornos são segmentos de retas, por exemplo, triângulos e retângulos. Imagine agora o problema de calcular a área A da região abaixo do gráfico da função (função com domínio no intervalo fechado e com imagem nos reais). Observe a Figura 1:
  8. 8. 8 Cálculo I Figura 1 O que iremos descrever agora é um processo para determinar a área “A” situada sob o gráfico da função destacada na Figura 1. 1. Dividimos o intervalo em subintervalos iguais. Cada subintervalo tem comprimento . Em cada um desses subintervalos, vamos escolher pontos quaisquer: no primeiro, no segundo, no terceiro,... Dessa maneira termos n retângulos, todos com base e altura , com (Figura 2): Figura 2 2. A Figura 2 ilustra esses retângulos para . Observe que para um número maior de retângulos, mais nos aproximamos da real área sob a curva da função dada. Observe a Figura 3:
  9. 9. 9 Cálculo I Figura 3 3. A soma das áreas dos retângulos, que representaremos por, é dada por: Na Figura 2: Na Figura 3: 4. Para “ “ retângulos, a soma S é representada por: 5. A medida que cresce acima de qualquer número dado, os valores de S se aproximam de um valor limite e esse valor limite é o que devemos definir como sendo a área delimitada pelo gráfico de , pelas retas e pelo eixo dos (Figura 4):
  10. 10. 10 Cálculo I Figura 4 6. A área assim definida no item 5 é chamada a , e indicaremos com o símbolo: 7. Os números e são chamados de . 8. Por definição: Pontos importantes: (quando os limites de integração são iguais é natural definir a integral como sendo zero). Podemos escrever ou . A variável que aparece sob o sinal de integração pode ser , ou qualquer outro símbolo. 5.4 Propriedades da Integral Destacaremos aqui as propriedades da integral. Embora sendo simples, as propriedades são muito importantes e o seu conhecimento ajudará em várias situações em relação ao cálculo de integrais: 1. Sendo e funções integráveis no intervalo , então o mesmo é verdade para e:
  11. 11. 11 Cálculo I 2. Sendo uma função integrável no intervalo e uma constante, então o mesmo é verdade para e : 3. Sendo uma função integrável nos intervalos e , então ela é integrável em e: Seguem alguns exemplos que ilustram a aplicação das propriedades: 1. 2. 3. 4. 5.5 A Integral como Área Até o momento fizemos a interpretação da integral como área para funções estritamente positivas . Numa situação mais geral, uma função pode ser positiva num intervalo e negativa em outro intervalo , conforme a Figura 5: Figura 5 Pela propriedade estudada no item 5.4 (3ª propriedade), podemos calcular a área destacada na Figura 5 separando a integral em duas partes, como segue:
  12. 12. 12 Cálculo I Em geral, a integração f em um intervalo [a, b] é representada pela soma das áreas da figura delimitada pelo gráfico de f, pelo eixo 0x e pelas retas x = a e x = b. Vejamos alguns exemplos de cálculo de áreas a partir de integrais: 1. Temos nesse exemplo uma função constante, definida em no intervalo . Na Figura 6 temos a representação da integral no gráfico: Figura 6 Observamos, a partir da Figura 6, que a integral a representa a área de um quadrado do lado 1. Dessa forma, . 2. Para esse segundo exemplo temos que e que o intervalo de integração é . A representação da função f no intervalo mencionado mostramos na Figura 7: Figura 7
  13. 13. 13 Cálculo I Temos, agora, um triângulo com a base de comprimento 1 e de altura 2, portanto, a integral a 3. A Figura 8 ilustra o gráfico da função no intervalo : Figura 8 Você, Cursista, pode observar que para a função no intervalo temos um trapézio de base maior medindo 5, base menor medindo 1 e altura 4. Dessa forma, a integral a (Usamos aqui a fórmula para o cálculo da área de um trapézio) 4. A função a ser estudada nessa integral é no intervalo . Na Figura 9 temos a representação do gráfico de : Figura 9 Mais uma vez temos destacado um trapézio de base maior 4, base menor 1 e altura 1, então a integral a
  14. 14. 14 Cálculo I Atividade de Estudo 1. Calcule as integrais indicadas abaixo. Faça gráficos e indique, em cada caso, a área que a integral representa: a. b. c. d. 5.6 Teorema Fundamental do Cálculo Quando estudamos derivadas, iniciamos com a definição a partir do limite e todo o cálculo de derivadas era feito baseando-se na definição. Percebemos que esse meio de se determinar uma derivada não era prático e logo, a partir da definição, conseguimos fazer uso de uma série de regras de derivação o que tornou mais simples o cálculo de derivadas. O mesmo acontece com a integral que tem sua definição como um limite de uma soma (a soma de Riemann). Embora, fazer uso da definição não seja uma forma prática de se calcular uma integral, ela permitirá que nós possamos estabelecer as regras de integração através do chamado Teorema Fundamental do Cálculo. O Teorema Fundamental do Cálculo estabelece uma relação entre as operações de derivação e integração e, por esse motivo, torna-se a chave de todo Cálculo Diferencial e Integral. Formalmente, o Teorema Fundamental do Cálculo diz: Considere uma função contínua de valores reais definida em um intervalo fechado . Se for a função definida para em por Então, , para todo em .
  15. 15. 15 Cálculo I Considere uma função contínua de valores reais definida em um intervalo fechado . Se F é uma função tal que: , para todo em Então, Para deixar mais claro o que o Teorema Fundamental do Calculo enuncia, escreveremos: A integral de f, de a até b, é a diferença F(b) - F(a) entre os valores de uma primitiva qualquer de f, nos pontos b e a, respectivamente. Representaremos a diferença por , ou ainda: Algumas integrais resolvidas utilizando o Teorema Fundamental do Cálculo são mostradas a seguir: 1. Se , a sua primitiva é . Então: 2. Tomando , temos que a sua primitiva é . Dessa forma: 3. Se , a sua primitiva é . 4. Nesse exemplo, temos que e a sua primitiva . Assim: .
  16. 16. 16 Cálculo I 5. Tomando é a sua primitiva. A integral procurada é: 6. Se , a sua primitiva é . Então a integral que procuramos é: 7. Queremos calcular a área da figura compreendida entre a parábola e a reta . Primeiro devemos encontrar os pontos onde as duas curvas se interceptam. Para determinar esses pontos, basta fazer a igualdade entre as duas funções: Esses pontos são as raízes da equação : e . Observe no gráfico (Figura 10):
  17. 17. 17 Cálculo I Figura 10 Portanto, a área procurada é dada por: 8. Observado o gráfico da Figura 11, vamos determinar a área compreendida entre a função e Figura 11 Os pontos onde as curvas se interceptam em e em .A área compreendida entre as curvas e é calculada através da integral:
  18. 18. 18 Cálculo I Atividade de Estudo 1. Calcule: a. b. c. d. e. 2. Calcule as integrais indicadas abaixo: a. b. c. d. e. f. 3. Calcule as integrais definidas: a. b. c. d. e. f. 4. Calcule a área sob o gráfico de no intervalo . 5. Calcule a área sob o gráfico de entre e . a. b.
  19. 19. 19 Cálculo I c. d.
  20. 20. 20 Cálculo I Capítulo 6 - Métodos de Integração 6.1 Introdução Neste Capítulo 6 do Livro de Cálculo I estaremos iniciando o estudo os métodos de integração. Procuramos ilustrar os métodos de integração através de vários exemplos. Estudaremos o método de integração por substituição e o método de integração por partes. Ao final dos exemplos de cada método você, Cursista, encontrará uma série de exercícios para praticar. 6.2 Integração por Substituição Este método também é conhecido por “Mudança de Variáveis”. Mas por que usar métodos de integração? Neste Volume do Livro de Cálculo I foram mostradas as integrais de funções elementares, como: funções polinomiais , funções racionais , funções trigonométricas , função exponencial e também a função logarítmica. O método de integração por substituição procura transformar uma integral dada em uma função elementar, mais fácil de ser calculada. Os exemplos a seguir serão todos resolvidos pelo método da substituição. A ideia de fazer uma substituição para tornar o integrando mais simples e assim calcular a sua integral. Os primeiros exemplos são de integrais indefinidas e em seguida mostraremos o método para integrais definidas Exemplos: 1. Observe que a primitiva da função não é fácil de ser encontrada. Vamos então fazer a seguinte substituição: (1) Derivado em relação a variável , temos:
  21. 21. 21 Cálculo I (2) Agora vamos substituir (1) e (2) na integral . Assim: A primitiva de é . Como no início fizemos , então: 2. Para esse segundo exemplo vamos fazer a seguinte substituição: (1) Fazendo a derivação de em relação a variável , teremos: (2) Isolando o na expressão (2): (3) Vamos, então, substituir (1) e (2) na integral : A primitiva de é . Dessa forma: Mas como : 3. Para esse exemplo, vamos fazer a seguinte substituição; (1) Derivando em relação a :
  22. 22. 22 Cálculo I (2) Ao isolar na expressão (2): (3) O próximo passo é fazer as substituições de (1) e (3) na integral : A primitiva de é : A nossa substituição foi , assim: 4. Se fizermos: (1) A derivada de em relação a : (2) Pois a derivada de é . Substituindo (1) e (2) na integral : A primitiva de é e a integral Como : 5. Iremos fazer a seguinte substituição: (1)
  23. 23. 23 Cálculo I A derivada de em relação a variada : (2) Ao isolar na expressão (2): (3) Na integral vamos substituir as expressões (1) e (3): A primitiva de é: Já sabemos que , logo: Os próximos exemplos são em integrais definidas, ou seja, aquelas onde especificamos o intervalo de integração. 6. A substituição que vamos fazer é: (1) A derivada de em relação a variável : (2) Isolando da igualdade (2): (3) Um ponto muito importante para o método de integração por substituição para integrais definidas é o intervalo de integração. Ao fazermos mudança de variável, também estamos mudando o intervalo de integração. A integral possui intervalo de interação , ou seja, temos variando entre 0 e 1. Quando mudamos a variável de integração de para através da expressão : (1) Também devemos ficar atentos ao novo intervalo de
  24. 24. 24 Cálculo I integração: Para , teremos ; Para , teremos . Dessa forma, a integral passa a ser (substituindo (1) e (3)): Como já vimos no exemplo 5, a primitiva de ) é: Assim: Na resolução acima usamos o Teorema Fundamental do Cálculo. 7. A substituição para essa integral é: (1) E a derivada de em relação a : (2) O intervalo de integração, usando a igualdade (1), passa a ser: Para , teremos , e Para , teremos . Substituindo as expressões (1) e (2) na integral e observando o novo intervalo de integração, ficamos com: 8. Tomando (1) e fazendo a derivação de em relação a variável , temos: (2)
  25. 25. 25 Cálculo I De onde vem: (3) O intervalo de integração que era de zero a um, agora, com a mudança de variável, passará a ser: Para e Para Ao substituir (1) e (3) na integral dada e fazendo a mudança no intervalo de integração, temos: Como a primitiva de é : Atividade de Estudo 1. Calcule as integrais indefinidas dadas nos itens a baixo: a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.
  26. 26. 26 Cálculo I k. 2. Calcule as integrais definidas propostas a seguir: a. b. c. d. e. f. 6.3 Integração por Partes Da regra de derivação do produto de funções e , sabemos que (1). Integrando os dois membros da igualdade (1), teremos: (2) Ou ainda: (3) Esta é a formula de integração por partes, que nos permite transformar a integração do produto na integração do produto . Normalmente usamos uma versão mais simplificada da igualdade (3): (4) Vejamos alguns exemplos onde o método de integração por parte é usado: 1. Usando a igualdade , vamos determinar que: , logo ; , logo . (note que é uma primitiva de ) Fazendo as devidas substituições em , ficamos com:
  27. 27. 27 Cálculo I 2. Tomando: , teremos , , teremos , pois a primitiva de é . Ao substituir esses termos na integral em , ficamos com: 3. Pela igualdade (4): Vamos chamar: e assim e, , logo . Observe, caro(a) Cursista, que a integral tem como solução parcial uma soma onde uma das parcelas é outra integral: Esta última integral também é calculada pelo método de integração por partes. Vejamos: Fazendo:
  28. 28. 28 Cálculo I e, . Dessa forma, partindo de : Com esse exemplo nós mostramos que em uma mesma integral é possível usar o método de integração por partes sempre que necessário. Atividade de Estudo 1. Calcule as integrais propostas usando o método de integração por partes: a. b. c. d. e. f. g.

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