Primitivação avançada
Frações simples, fatores repetidos e quadráticos, potências trigonométricas e substituições com raízes.
Frações racionais
Para , começa por dividir se . Depois fatora em fatores lineares e quadráticos irredutíveis reais. A decomposição deve incluir todos os termos:
- Para , inclui .
- Para irredutível, inclui um numerador linear sobre cada potência .
Os fatores quadráticos irredutíveis têm discriminante negativo. Um numerador apenas constante pode não conseguir representar a fração original.
Para
multiplica pelo denominador comum: . Comparar coeficientes dá e , logo , . Assim, em cada intervalo separado por e ,
Fatores repetidos
Em
a identidade é . Usando e , obtemos e . O coeficiente de dá . A primitiva é
onde o termo da potência dois produz uma função racional, não outro logaritmo.
Quadráticos sem raízes reais
Se o numerador contém a derivada do denominador, separa essa parte: ela integra para um logaritmo. O resto completa um quadrado e dá um arco-tangente.
Para , temos . Então
A última parcela usa , e completar o quadrado permite reconhecer o arco-tangente.
Quadrático irredutível repetido
Para , escreve o numerador sobre a mesma base. Como ,
A primeira parcela dá . Para calcular a segunda, usa , com . Como e ,
No regresso, e . Esta parcela é . Somando,
Derivar confirma. O integrando em zero vale , e a derivada da primitiva em zero dá .
Potências e produtos trigonométricos
Em , com expoentes inteiros não negativos, um expoente ímpar permite guardar um fator para a mudança de variável. Se é ímpar, guarda e usa . Se é ímpar, guarda e usa .
Por exemplo,
Com , , fica
Se ambos os expoentes são pares, usa e . Em particular,
por isso a primitiva é .
Em potências de tangente e secante, um fator sugere ; um fator sugere . Por exemplo,
Com cotangente e cossecante, os padrões são análogos, mas e .
Para frequências diferentes, transforma o produto em soma. Como , cada termo fica imediato. Trata antes de dividir por .
A primitiva da secante
Multiplica por . O numerador passa a ser a derivada do denominador:
Com partes, para , toma , . Então e , logo
Usando ,
Portanto .
Substituição universal
Uma função racional de e torna-se racional em :
Para ,
Volta a . A expressão final é válida em intervalos que não atravessam os pontos onde é indefinida. O integrando original pode continuar definido nesses pontos; para atravessá-los, ajusta os ramos e as constantes. A mudança de variável não deve introduzir um salto numa primitiva.
Expressões irracionais
Uma raiz de uma expressão linear pode servir de variável. Para , toma , , :
Derivamos em ; o integrando original também está definido no extremo .
Para raízes quadráticas, com , as escolhas habituais são em , em e em . Escolhe um intervalo para controlar o sinal, porque .
Por exemplo, em , toma com . Então , e . Obtemos
A escolha do intervalo justifica retirar o valor absoluto. Sem ela, o passo não seria válido.
Para com , a mesma substituição dá . Como , obtemos . O regresso usa e . Em ,
Em , o valor é , um quarto da área do círculo de raio . Derivar o resultado devolve o integrando.
Exercícios
Não perder uma potência do denominador
Decompõe em frações simples e calcula uma primitiva. Indica onde é válida.
Pista
Um fator linear repetido exige incluir todas as suas potências até à multiplicidade.
Mais uma pista
Depois de multiplicar pelo denominador, compara .
Solução
A decomposição é . Comparar coeficientes dá e . Portanto
Derivar dá . A primitiva vale em ou , com uma constante em cada intervalo.
Confere a tua resposta:
- Incluí termos sobre x-1 e sobre (x-1)².
- Obtive os coeficientes um e três.
- Obtive ln|x-1|-3/(x-1)+C e indiquei intervalos que não atravessam um.
Erros frequentes
Usar apenas uma fração sobre omite o termo que gera o logaritmo. A primitiva de tem sinal negativo.
Calcular pela definição de Riemann
Usa n intervalos iguais e extremos direitos para calcular como limite de somas.
Pista
A largura é e o ponto direito é .
Mais uma pista
Usa .
Solução
A soma é
O limite é . O valor coincide com , mas a soma mostra a definição pedida.
Confere a tua resposta:
- Usei largura 2/n e ponto 2i/n.
- Obtive a soma finita 6+4/n.
- Tomei o limite igual a seis.
Erros frequentes
A largura multiplica cada altura. Os pontos direitos pertencem ao intervalo de integração, não ao intervalo [0,1] por defeito.
Derivar um integral de limites variáveis
Calcula para .
Pista
O integrando é contínuo e só depende de t.
Mais uma pista
A contribuição do limite superior multiplica a sua derivada; a do inferior é subtraída.
Solução
Pelo teorema fundamental e a cadeia,
Não precisamos de encontrar uma primitiva elementar de .
Confere a tua resposta:
- Justifiquei continuidade.
- Incluí o fator dois e o sinal negativo.
- Obtive 2 sin(4x²) menos sin(x²).
Erros frequentes
Não derives sin(t²) em ordem a x. A cadeia entra pelos limites, não pela variável muda.
Uma substituição que também altera o numerador
Calcula e indica um intervalo de validade.
Pista
Toma .
Mais uma pista
Escreve e .
Solução
Com , temos . A mudança dá
A primitiva é . Derivar produz .
Confere a tua resposta:
- Substituí numerador, denominador e diferencial.
- Voltei à variável x.
- Verifiquei por derivação em x maior que menos um terço.
Erros frequentes
Não deixes x dentro do integral em u. Como a raiz está no denominador, o extremo x=-1/3 fica excluído.
Duas integrações por partes
Calcula .
Pista
O polinómio simplifica ao derivar.
Mais uma pista
Depois da primeira aplicação, resta .
Solução
Com e , obtemos . A segunda aplicação dá . Portanto
A derivada é .
Confere a tua resposta:
- Reduzi o grau do polinómio em cada aplicação.
- Mantive a exponencial, o polinómio completo e a constante.
- Confirmei o cancelamento ao derivar.
Erros frequentes
O sinal menos da primeira aplicação distribui-se pelos dois termos do integral seguinte.
Logaritmo e arco-tangente na mesma fração
Calcula .
Pista
Compara o numerador com a derivada do denominador.
Mais uma pista
e .
Solução
A primeira parcela é a derivada de um logaritmo e a segunda a de um arco-tangente:
O denominador é positivo para todo o real, por isso não há singularidades reais. Derivar recupera o numerador completo.
Confere a tua resposta:
- Separei a derivada do denominador.
- Completei o quadrado.
- Indiquei a validade em todo o real.
Erros frequentes
O numerador não é exatamente a derivada do denominador. O termo restante não pode desaparecer.
Potências pares e mudança de estratégia
Calcula . Explica por que a estratégia de guardar um fator numa potência ímpar não se aplica diretamente aqui.
Pista
Usa primeiro e depois a identidade de redução da potência do seno.
Solução
Os dois expoentes são pares. Não conseguimos guardar apenas ou e escrever o resto como um polinómio da outra função. As identidades dão
Portanto a primitiva é , válida em todo o real. A derivada é , que recupera o integrando.
Confere a tua resposta:
- Expliquei por que não há um fator ímpar para a substituição habitual.
- Obtive (1−cos(4x))/8 para o produto.
- Integrei com os fatores corretos e confirmei por derivação.
Uma constante que a derivação esconde
Determina todas as funções contínuas e constantes reais que satisfazem, para todo o ,
Um aluno deriva os dois lados e afirma que qualquer serve, porque desaparece da derivada. Explica o erro e verifica a tua resposta na identidade original, incluindo .
Pista
Antes de derivar, escolhe um valor de que torne os limites iguais.
Solução
Em , o integral é zero e o lado direito é . Necessariamente . Como é contínua, o teorema fundamental e a cadeia dão para todo o real, sem outra candidata.
Esta função é contínua e é uma sua primitiva. Portanto
A fórmula de Newton-Leibniz também vale com limites invertidos, por isso verifica a identidade quando . Nesse caso o integrando é negativo entre e zero, e inverter os limites dá um integral positivo, de acordo com .
Derivar só garante igualdade até uma constante. Para , a candidata tem a derivada pedida, mas falha a igualdade em zero. A única resposta é e .
Confere a tua resposta:
- Usei x=0 na identidade para obter k=0.
- Obtive f(x)=2xe^(x²) pelo teorema fundamental.
- Confirmei a igualdade por integração e expliquei por que k diferente de zero é impossível.
Calcular um integral pela reflexão
Sem calcular uma primitiva, determina
Justifica a existência do integral e usa a reflexão em torno do meio do intervalo. Mostra explicitamente o que acontece ao diferencial e aos limites.
Pista
Compara o integrando em com o integrando em . Os denominadores coincidem.
Solução
O denominador é estritamente positivo em todo o real, por isso o integrando é contínuo em . Com , temos ; corresponde a e corresponde a . Logo
Depois de inverter os limites,
Renomeia a variável muda para e soma esta expressão à original. Os numeradores somam exatamente o denominador:
Portanto . A reflexão permite calcular o integral embora não tenhamos encontrado uma primitiva do quociente.
Confere a tua resposta:
- Justifiquei continuidade e denominador positivo em [0,1].
- Fiz a substituição t=1−x com troca de limites e sinal.
- Somei os dois integrais para obter I=1/2, sem procurar uma primitiva.