Discusses techniques for integration.
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@ -37,7 +37,6 @@
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\usepackage{booktabs}
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\usepackage{float}
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%% --8<---------------cut here---------------end--------------->8---
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\usepackage{amsmath,amsthm,amssymb}
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\usepackage{icomma}
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\allowdisplaybreaks
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@ -4933,6 +4932,30 @@ problema---não lembro a solução, por exemplo. Precisaria repensá-lo.
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\section{Técnicas de integração}
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Sem dúvida que a técnica mais fundamental de integração é o teorema
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fundamental. A partir dele, a gente estabelece regras primitivas de
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integração como $\int 1/x \dx = \ln x$ uma vez que sabemos derivar
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$\ln x$. Similarmente, a regra do quociente (de derivação) nos entrega
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que a derivada de $\tg x$ é $\sec^2 x$ e, portanto, pelo teorema
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fundamental, obtemos
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$$\int \sec^2 x \dx = \tg x + c.$$
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Isso não é lá notícia tão boa porque significa que teremos que
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memorizar muitas derivadas. Por exemplo, qual a derivada de $\cot x$?
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Primeiro lembre-se que $\cot x = 1/\tg x$. Daí aplique a regra do
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quociente e obtenha $- sec^2 x / \tg^2 x = - 1/\sin^2 x = - \csc^2 x$,
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implicando que $\csc^2 x \dx = - \cot x + c$, como
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desejado. Similarmente, obtém-se assim muitas outras integrais
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fundamentais como $\int \sec x \tg x \dx = \sec x + c$ uma vez que a
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derivada de $\sec x = \sec x \tg x$. Infelizmente, o único jeito de
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fazer uso dessas regras é memorizar cada uma por prática. Matemáticos
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fazem manuais de integração em que eles catalogam as importantes. A
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gente não vai fazer isso, não, porque seria um trabalho muito mais
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monumental, mas podemos começar a pensar em computar a derivada de
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todas as funções que conhecemos como $\csc x$, $\sinh x$, $\cosh x$
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{\em et cetera}.
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A regra da substituição é a regra da cadeia e a regra de integração
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por partes é a regra do produto. As outras regras são ou muito óbvias
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ou pouco úteis. Por exemplo, teria como extraírmos uma regra de
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@ -4982,21 +5005,64 @@ incógnita a ser descoberta.
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Há integrais divertidas de se computar de onde se extrai, por exemplo,
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a bonita fórmula
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$$\int x^n e^x \dx = e^x \left(\sum_{i=0}^n (-1)^i \frac{n!}{n - i + 1} x^{n - i}\right) + c.$$
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$$\int x^n e^x \dx = e^x \left(\sum_{i=0}^n (-1)^i \frac{n!}{(n - i)!} x^{n - i}\right) + c$$
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pra todo natural $n$.
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Por exemplo, $\int x^5 e^x \dx = e^x (x^5 - 5 x^4 + 20 x^3 - 60x^2 +
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120x - 120) + c$. Essa fórmula vem da integração
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por-partes. Escolhe-se sempre o termo $x^i$ como função $u$ e $e^x$
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como função $v$. Aplica-se a integração por-partes $n$ vezes
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(recursivamente) e em seguida substitui-se de volta em direção ao
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problema original. Okay, agora tragamos nossa atenção para as
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integrais de funções trigonométricas.
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problema original. Na verdade o que fizemos pra obter essa fórmula foi
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computar uma {\em reduction formula} pra integral de $x^n e^x$.
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(Veja, por exemplo, o que faz Stewart no exemplo 6 da seção 7.1 da
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nona edição.) A cultura, portanto, é expressar essas fórmulas através
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de uma recorrência. O que fizemos foi traduzir a recorrência pra um
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laço-for iterativo, o que já é alguma vantagem porque assim a gente
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consegue ver o padrão mais facilmente e nos permite memorizar certos
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resultados, como a integral de $x^5 e^x$. Outros padrões talvez não
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fossem tão fáceis de se obter ou memorizar, como o próprio exemplo 6
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da seção 7.1 da nona edição de Stewart. O fato, entretanto, é que uma
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fórmula de redução obtida pela integração por partes só é útil se ela
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for de fato uma fórmula de redução, é claro---a integral recorrente
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precisa ter um grau menor que a integral que se deseja calcular.
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Uma outra observação sobre a integração por partes é que às vezes a
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aplica-se ao produto artificial $f(x)\cdot 1$. Por exemplo, pra
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integrar $\tg^{-1} x$, escolhe-se $u = \tg^{-1} x$ e $\dv = 1$ de forma
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que $\du = 1/(1 + x^2) \dx$ e $v = x$. Daí
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$$\int \tg^{-1} x \dx = x \tg^{-1} x - \int \frac{x}{1 + x^2} \dx,$$
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que pode ser então resolvida pela substituição $t = 1 + x^2$ na
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integral resultante porque $(1/2x) \dt = \dx$ e aí ficamos com
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$x\tg^{-1}x - \ln|1 + x^2| + c$, como desejado.
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Okay, agora tragamos nossa atenção para as integrais de funções
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trigonométricas.
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\subsection{A integral de funções trigonométricas}
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Começamos por observar que integrar $\tg x$ não é difícil porque ela é
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obtida por uma substituição trivial. Primeiro escreva $\tg x = \sin x
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/ \cos x$. Em seguida declare $u = \cos x$ de forma que $-\du/(\sin x)
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= \dx$, implicando
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$$\int \tg x \dx = -\int 1/u \du = -\ln |\cos x| + c = ln |\sec x| + c,$$
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como desejado. Agora vamos subir o grau.
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Feito essa observação, a gente também observa que já sabemos integrar
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$\sin x$ e $\cos x$, mas que precisamos pensar em potências delas como
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$\sin^2 x$, $\cos^2 x$ {\em et cetera}. Nenhma dessas duas sai por
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por-partes---experimente. Obtemos $\int \sin^2 x \dx = -\sin x \cos x
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+ \int \cos^2 \dx$, exigindo-nos a integral de $\cos^2 x$. Se
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tentarmos por-partes a integral de $\cos^2 x$, precisaremos da
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integral de $\sin^2 x$, estabelecendo-se assim um ciclo do qual não
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conseguiremos sair. Agora, a sorte não é a mesma se desejarmos pelas
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integrais de $\sin^3 x$ ou $\cos^3 x$.
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%% \subsection{A integral de funções trigonométricas}
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%% Começamos por observar que integrar $\tg x$ não é difícil porque ela é
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%% obtida por uma substituição trivial. Primeiro escreva $\tg x = \sin x
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%% / \cos x$.
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\section{Studying functions}
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