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Cálculo NII: notas de aula

Seção 1.2 Mudança de Variável para Integração

Consideremos a função composta \(F \circ g\text{.}\) Pela regra da cadeia para derivação, temos que a derivada dessa composição é:
\begin{equation*} [F(g(x))]' = F'(g(x)) \cdot g'(x)\text{.} \end{equation*}
Como, por hipótese, \(F'(x) = f(x)\text{,}\) podemos substituir \(F'\) por \(f\) na expressão anterior, obtendo:
\begin{equation*} [F(g(x))]' = f(g(x)) \cdot g'(x)\text{.} \end{equation*}
Por definição de primitiva, isso significa que \(F(g(x))\) é uma primitiva de \(f(g(x)) \cdot g'(x)\text{.}\) Portanto:
\begin{equation} \int f(g(x)) \cdot g'(x) dx = F(g(x)) + c\text{.}\tag{1.2.1} \end{equation}
Para simplificar o cálculo na prática, fazemos a mudança de variável \(u = g(x)\text{,}\) o que implica no diferencial \(du = g'(x)dx\text{.}\) Substituindo esses termos em (1.2.1), a integral assume a forma básica:
\begin{equation*} \int f(u) du = F(u) + c\text{.} \end{equation*}
Na prática, o objetivo é definir uma função \(u = g(x)\) conveniente, de tal forma que a integral obtida seja mais simples que a original.

Subseção 1.2.1 Exemplos

Calcule as integrais:

Exemplo 1.2.2.

\(\displaystyle\int \frac{2x}{1+x^2} dx\text{.}\)
Solução.
Fazemos \(u = 1+x^2\text{.}\) Então, \(du = 2x dx\text{.}\) Temos:
\begin{equation*} \int \frac{2x}{1+x^2} dx = \int \frac{du}{u} = \ln|u| + c = \ln(1+x^2) + c\text{.} \end{equation*}

Exemplo 1.2.3.

\(\displaystyle\int \operatorname{sen}^2 x \cos x dx\)
Solução.
Se fizermos \(u = \operatorname{sen} x\text{,}\) então \(du = \cos x dx\text{.}\) Assim:
\begin{equation*} \int \operatorname{sen}^2 x \cos x dx = \int u^2 du = \frac{u^3}{3} + c = \frac{\operatorname{sen}^3 x}{3} + c\text{.} \end{equation*}

Exemplo 1.2.4.

\(\displaystyle\int \operatorname{sen}(x+7) dx\text{.}\)
Solução.
Fazendo \(u = x+7\text{,}\) temos \(du = dx\text{.}\) Então,
\begin{equation*} \int \operatorname{sen}(x+7) dx = \int \operatorname{sen} u du = -\cos u + c = -\cos(x+7) + c\text{.} \end{equation*}

Exemplo 1.2.5.

\(\int \operatorname{tg} x dx\)
Solução.
Podemos escrever
\begin{equation*} \int \operatorname{tg} x dx = \int \frac{\operatorname{sen} x}{\cos x} dx\text{.} \end{equation*}
Fazendo \(u = \cos x\text{,}\) temos \(du = -\operatorname{sen} x dx\) e então \(\operatorname{sen} x dx = -du\text{.}\) Portanto,
\begin{equation*} \int \operatorname{tg} x dx = \int \frac{-du}{u} = -\int \frac{du}{u} = -\ln|u| + c = -\ln|\cos x| + c\text{.} \end{equation*}

Exemplo 1.2.6.

\(\displaystyle\int \frac{dx}{(3x-5)^8}\text{.}\)
Solução.
Fazendo \(u = 3x-5\text{,}\) temos \(du = 3dx\) ou \(dx = 1/3 du\text{.}\) Portanto,
\begin{align*} \int \frac{dx}{(3x-5)^8} =\amp~ \int \frac{1/3 du}{u^8}\\ =\amp~ \frac{1}{3} \int u^{-8} du\\ =\amp~ \frac{1}{3} \frac{u^{-7}}{-7} + c\\ =\amp~ \frac{-1}{21(3x-5)^7} + c \end{align*}

Exemplo 1.2.7.

\(\displaystyle\int (x + \sec^2 3x) dx\text{.}\)
Solução.
Podemos escrever:
\begin{equation*} \int x dx + \int \sec^2 3x dx = \frac{x^2}{2} + \int \sec^2 3x dx\text{.} \end{equation*}
Para resolver \(\int \sec^2 3x dx\text{,}\) fazemos \(u = 3x\text{,}\) \(du = 3dx\text{.}\) Obtemos:
\begin{equation*} \frac{x^2}{2} + \frac{1}{3}\operatorname{tg} 3x + c\text{.} \end{equation*}

Exemplo 1.2.8.

\(\displaystyle\int \frac{dx}{x^2+6x+13}\)
Solução.
Completando o quadrado: \(x^2+6x+13 = (x+3)^2+4\text{.}\) Fazendo \(u = x+3\text{,}\) obtemos \(\frac{1}{2}\operatorname{arc\,tg} \frac{x+3}{2} + c\text{.}\)

Exercícios 1.2.2 Exercícios

Tecnologia 1.2.9.

Use o Sage para calcular as integrais propostas nos exercícios e confira com as suas respostas.
Calcular as integrais seguintes usando o método da substituição.

1.

\(\displaystyle\int (2x^2+2x-3)^{10}(2x+1) dx\)

2.

\(\displaystyle\int (x^3-2)^{1/7}x^2 dx\)

3.

\(\displaystyle\int \frac{x dx}{\sqrt[5]{x^2-1}}\)

4.

\(\displaystyle\int 5x\sqrt{4-3x^2} dx\)

5.

\(\displaystyle\int \sqrt{x^2+2x^4} dx\)

6.

\(\displaystyle\int (e^{2t}+2)^{1/3}e^{2t} dt\)

7.

\(\displaystyle\int \frac{e^t dt}{e^t+4}\)

8.

\(\displaystyle\int \frac{e^{1/x}+2}{x^2} dx\)

9.

\(\displaystyle\int \operatorname{tg} x \sec^2 x dx\)

10.

\(\displaystyle\int \operatorname{sen}^4 x \cos x dx\)

11.

\(\displaystyle\int \frac{\operatorname{sen} x}{\cos^5 x} dx\)

12.

\(\displaystyle\int \frac{2\operatorname{sen} x - 5\cos x}{\cos x} dx\)

13.

\(\displaystyle\int e^x \cos(2e^x) dx\)

14.

\(\displaystyle\int \frac{x}{2} \cos x^2 dx\)

15.

\(\displaystyle\int \operatorname{sen}(5\theta - \pi) d\theta\)

16.

\(\displaystyle\int \frac{\operatorname{arc\,sen} y}{2\sqrt{1-y^2}} dy\)

17.

\(\displaystyle\int \frac{2\sec^2 \theta}{a + b\operatorname{tg} \theta} d\theta\)

18.

\(\displaystyle\int \frac{dx}{16+x^2}\)

19.

\(\displaystyle\int \frac{dy}{y^2-4y+4}\)

20.

\(\displaystyle\int \sqrt[3]{\operatorname{sen} \theta} \cos \theta d\theta\)

21.

\(\displaystyle\int \frac{\ln x^2}{x} dx\)

22.

\(\displaystyle\int (e^{ax} + e^{-ax})^2 dx\)

23.

\(\displaystyle\int \sqrt{3t^4+t^2} dt\)

24.

\(\displaystyle\int \frac{4dx}{4x^2+20x+34}\)

25.

\(\displaystyle\int \frac{3 dx}{x^2-4x+1}\)

26.

\(\displaystyle\int \frac{e^x dx}{e^{2x}+16}\)

27.

\(\displaystyle\int \frac{\sqrt{x+3}}{x-1} dx\)

28.

\(\displaystyle\int \frac{3 dx}{x \ln^2 3x}\)

29.

\(\displaystyle\int (\operatorname{sen} 4x + \cos 2\pi) dx\)

30.

\(\displaystyle\int 2^{x^2+1} x dx\)

31.

\(\displaystyle\int x e^{3x^2} dx\)

32.

\(\displaystyle\int \frac{dt}{(2+t)^2}\)

33.

\(\displaystyle\int \frac{dt}{t \ln t}\)

34.

\(\displaystyle\int 8x\sqrt{1-2x^2} dx\)

35.

\(\displaystyle\int (e^{2x}+2)^5 e^{2x} dx\)

36.

\(\displaystyle\int \frac{4t dt}{\sqrt{4t^2+5}}\)

37.

\(\displaystyle\int \frac{\cos x}{3 - \operatorname{sen} x} dx\)

38.

\(\displaystyle\int \frac{dv}{\sqrt{v}(1+\sqrt{v})^5}\)

39.

\(\displaystyle\int x^2\sqrt{1+x} dx\)

40.

\(\displaystyle\int x^4 e^{-x^5} dx\)

41.

\(\displaystyle\int t \cos t^2 dt\)

42.

\(\displaystyle\int 8x^2\sqrt{6x^3+5} dx\)

43.

\(\displaystyle\int \operatorname{sen}^{1/2} 2\theta \cos 2\theta d\theta\)

44.

\(\displaystyle\displaystyle\int \sec^2(5x+3) dx\)

45.

\(\displaystyle\int \frac{\operatorname{sen} \theta d\theta}{(5-\cos \theta)^3}\)

46.

\(\displaystyle\int \operatorname{cotg} u du\)

47.

\(\displaystyle\int (1+e^{-at})^{3/2} e^{-at} dt, a > 0\)

48.

\(\displaystyle\int \frac{\cos \sqrt{x}}{\sqrt{x}} dx\)

49.

\(\displaystyle\int t\sqrt{t-4} dt\)

50.

\(\displaystyle\int x^2(\operatorname{sen} 2x^3 + 4x) dx\)