diff --git a/calculus.pdf b/calculus.pdf index 3c264c2..09aeea2 100644 Binary files a/calculus.pdf and b/calculus.pdf differ diff --git a/calculus.tex b/calculus.tex index 91c2112..098208d 100644 --- a/calculus.tex +++ b/calculus.tex @@ -5055,13 +5055,102 @@ como desejado. Feita essa observação, a gente também observa que já sabemos integrar $\sin x$ e $\cos x$, mas que precisamos pensar em potências delas como -$\sin^2 x$, $\cos^2 x$ {\em et cetera}. Nenhma dessas duas sai por -por-partes---experimente. Obtemos $\int \sin^2 x \dx = -\sin x \cos x -+ \int \cos^2 \dx$, exigindo-nos a integral de $\cos^2 x$. Se -tentarmos por-partes a integral de $\cos^2 x$, precisaremos da -integral de $\sin^2 x$, estabelecendo-se assim um ciclo do qual não -conseguiremos sair. Agora, a sorte não é a mesma se desejarmos pelas -integrais de $\sin^3 x$ ou $\cos^3 x$. +$\sin^2 x$, $\cos^2 x$ {\em et cetera}. Ambos quadrados são +integráveis por partes. Por exemplo, pra integrar $\sin^2 x$, declare +$u = \sin x$ de forma que $\du = \cos x$ e $dv = \sin x \dx$ pra que +$v = -\cos x$. Agora a integração por partes revela +% + $$\int \sin^2 x \dx = -\sin x \cos x + \int \cos^2 x \dx.$$ +% +Dado que $\sin^2 x + \cos^2 x = 1$, então $\cos^2 x = 1 - \sin^2 x$. +Assim $\int \cos^2 x \dx = x - \int \sin^2 x \dx$. Aplicando esse fato +acima, obtemos $\int \sin^2 x \dx = -\sin x \cos x + x - \int \sin^2 x +\dx$. Observe o sinal positivo da integral no lado esquerdo e o sinal +negativo da mesma integral no lado direito. Adicione a integral +desejada a ambos os lados e divida tudo por 2 pra obter +% + $$\int \sin^2 x = \frac{1}{2} \left(-\sin x \cos x + x\right),$$ +% +que é a integral de $\sin^2 x$, como desejado. Pra ter confiança, +compute a derivada, notando que $1 - \cos^2 x = \sin^2 x$. A mesma +estratégia vai funcionar pra integrar $\cos^2 x$, mas o que devemos +fazer é usar o fato de que agora sabemos a integral de $\sin^2 x$ pra +obter +% +\begin{align*} + \int \cos^2 x \dx &= \int \dx - \int \sin^2 x \dx\\ + &= x - \frac{1}{2}\left(-\sin x\cos x + x\right)\\ + &= \frac{1}{2}\left(\sin x\cos x - x\right) + x. +\end{align*} +% +Como podemos memorizar essa duas? A integral do quadrado do cosseno +tem um $x$ a mais. Fora isso, elas são {\em meio} análogas. É melhor +expressá-las assim, ó: +% +\begin{align*} + \int \sin^2 x \dx &= - \frac{1}{2} (\sin x \cos x - x)\\ + \int \cos^2 x \dx &= \frac{1}{2} (\sin x \cos x - x) + x. +\end{align*} +% +É o melhor que posso fazer no momento. + +A integral de $\cos^3 x$ sai fácil também. Primeiro a gente fatora +$\cos^3 x = \cos^2 x \cos x$. Em seguida, usa $\cos^2 x = 1 - \sin^2 +x$, o que nos dá +% + $$\int \cos^3 x \dx = \int \cos x \dx - \int \sin^2 x \cos x \dx.$$ +% +Agora a integral da direita é suscetível à substituição. Declare $u = +\sin x$ de forma que $\du = \cos x \dx$, daí a integral se torna a +integral de $u^2$ e o problema desaparece produzindo o resultado +% + $$\int \cos^3 x \dx = \sin x - \frac{1}{3} \sin^3 x + c.$$ +% +Pra ter confiança, compute a derivada observando que $1 - \sin^2 x = +\cos^2 x$. + +Similarmente, obtemos +% + $$\int \sin^3 x \dx = - \cos x + \frac{1}{3} \cos^3 x + c.$$ +% +É isso. + +Parece que as integrais de potências de seno e cosseno se dividem em +dois grupos. Se temos um produto de uma potência ímpar do seno com uma +potência par do cosseno, então separar um fator $\sin x \dx$ pra +substituir seu $\du$ elimina a dificuldade. Já se você tem potências +pares de ambos seno e cosseno---e note que não ter seno ou cosseno +significa que você tem $\sin^0 x$ ou $\cos^0 x$, ou seja, uma potência +par---, então você precisa de uma das identidades trigonométricas que +são chamadas de {\em half-angle identities}. + +Ocorre (por razões que desconheço) que +% +\begin{align*} + \sin^2 x &= \frac{1}{2}(1 - \cos 2x)\\ + \cos^2 x &= \frac{1}{2}(1 + \sin 2x) +\end{align*} +% +Com a primeira, por exemplo, você consegue integrar $\sin^2 x$ usando +substituição. Stewart faz bem rapidinho como ele já tinha avisado que +faria quando nos ensina a usar a substituição, mas ainda preciso fazer +devagar---é a verdade. Se $u = 2x$ então $(1/2) \du = \dx$. Assim +podemos computar +% +\begin{align*} + \int \sin^2 x \dx &= \int \frac{1}{2} \dx - \frac{1}{2}\int \cos 2x \dx\\ + &= \frac{1}{2} x - \frac{1}{2} \int \cos 2x \dx\\ + &= \frac{1}{2} x - \frac{1}{2} \int \cos u \frac{1}{2} \du\\ + &= \frac{1}{2} x - \frac{1}{4} \sin 2x + c, +\end{align*} +% +o que está correto. A verificação é feita observando que $\sin^2 x = +(1/2) - (1/2)\cos 2x$. É uma boa hora de estudar as {\em half-angled + formulas} porque elas se aplicam também às potências +trigonométricas. Por exemplo, $\cos^2 2x = (1/2)(1 + \cos(2 \cdot +2x)) = (1/2)(1 + \cos 4x)$, o que é usado na computação da integral de +$\sin^4 x$. É---vamos estudar a {\em half-angled formula} pra +especialmente entender o porquê do nome. \section{Studying functions}