INTEGRAL DEFINIDA Nice Maria Americano da Costa A NOÇÃO DE SOMAS INTEGRAIS A ferramenta da integral definida que estudaremos envolve um dos conceitos mais fundamentais da Análise Matemática. Ela surge a partir da noção de somas integrais. Nosso ponto de partida é o cálculo de áreas sob curvas de funções. Suponhamos que é dada uma função f(x), contínua no intervalo [a,b], mostrada no gráfico. Desejamos calcular a área delimitada por esta curva no intervalo. M Aproximadamente, poderíamos dividir o intervalo [a,b] em pequenos segmentos e construirmos retângulos sob a curva e somar as suas áreas. a x0 , x1 , m x2 ,....xn b x0 x1 x2 .... xn X0=a x1 x2 x3 Xn-1 Xn=b x1 x0 x1 , x2 x1 x2 .... Sejam, em cada pequeno intervalo [xi, xi+1], mi e Mi o menor valor e o maior valor da função no intervalo. Então Mi mi xi mi M i xi xi Correspondem à área do retângulo menor, neste intervalo, e à área do retângulo maior no mesmo intervalo, respectivamente. Construamos então duas somas dessas áreas: sn m1x1 m1x1 m2x2 ... mnxn Sn M1x1 M1x1 M 2x2 ... M nxn * Essas somas são chamadas de somas integrais inferior e superior, respectivamente. Temos ainda que vale: sn Sn m(b a) Note que representa a área do retângulo construído com o menor valor da função, em todo o intervalo [a,b]. e que M (b a) representa a área do retângulo construído com o maior valor da função, em todo o intervalo [a,b]. M m X0=a x1 x2 x3 Xn-1 Xn=b Vemos que sn m(b a) Sn M (b a) Podemos escrever então: m(b a) sn Sn M (b a) Ou seja: a área construída com o retângulo formado pelo tamanho do intervalo e o maior valor da função é maior que a soma integral superior, que, por sua vez, é maior que a soma integral inferior, que, por sua vez, é maior que área construída com o retângulo formado pelo menor valor da função e o tamanho do intervalo. A INTEGRAL DEFINIDA Mas sob a curva a área é delimitada pela própria curva, pelo eixo x e pelas retas x=a e x=b. Se considerarmos cada pequeno intervalo nos quais subdividimos o intervalo inteiro, a área sob este pequeno pedaço da curva será igualmente delimitada pela curva, o eixo x e as retas x=xi e x=xi+1. X0=a Xn=b Xi xi+1 Tomemos agora um ponto intermediário,x=i em cada subintervalo [xi,xi+1] e construamos a área do retângulo formado por f(i ) e pelo tamanho do subintervalo, xi. f (i )xi Somemos essas áreas assim formadas: Sint f (1 )x1 f (2 )x2 f (3 )x3... f ( n )xn n Sint f (i )xi i 1 Sint é a soma integral da função f(x) no intervalo [a,b]. Como mi f(i)Mi, teremos: mi xi f (i )xi Mi xi Somando sobre todos os subintervalos, teremos finalmente n n n m x f ( )x M x i 1 i i i 1 sn Sint Sn i i i 1 i i Se agora, calculamos o limite de Sint, quando o maior xi→0 e esse limite existe, dizemos que esse limite é a integral definida de f(x) b n lim max xi 0 f ( )x f ( x)dx i 1 i i a Vemos então que a integral definida de uma função num intervalo [a,b] corresponde à área sob a curva, da figura trapezoidal curvilínea, compreendida entre o eixo x e as retas x=a e x=b X0=a Xn=b Na expressão simbólica da integral definida b f ( x )dx a a é o limite inferior da integração, b o limite superior da integração, o intervalo [a,b] é o intervalo de integração e x é a variável de integração Se f(x) é contínua sobre um intervalo [a,b] ela é integrável neste intervalo. A integral definida de f(x) depende dos limites de integração mas não da variável de integração. Podemos então escrever, de forma indiferente: b b b a a a f ( x)dx f (t )dt f ( z)dz PROPRIEDADES DA INTEGRAL DEFINIDA 1.Trocando os limites de integração, a integral muda de sinal: b a a b b a a b f ( x)dx f ( x)dx Exemplo: cos xdx cos xdx 2.Pode-se retirar um fator constante de dentro do sinal de integração; b b a a cf ( x)dx c f ( x)dx Demonstração: b cf ( x)dx a n lim max xi 0 cf ( x )x i 1 i i c lim max xi 0 n f ( x )x i 1 i i b c f ( x)dx a 3.A integral definida da soma de duas funções é igual à soma das integrais definidas das mesmas funções b b b a a a ( f ( x) g ( x))dx f ( x)dx g ( x)dx Demonstração: b ( f ( x) g ( x))dx a n lim max xi 0 f ( x ) g ( x ) x i 1 i ii i lim max xi 0 n f ( x )x i 1 i i b b a a lim g ( xii )xi f ( xi )dx g ( xii )dx max xi 0 4.Se no intervalo [a,b], as funções f(x) e (x) satisfazem à condição f(x) (x), então, tem-se b b a a ( f ( x)dx ( x)dx Demonstração: b ( ( x) f ( x))dx a n lim max xi 0 Se ( x) f ( x) entao, ( x) f ( x) 0 ( x ) f ( x ) x ii i 1 i e Temos, então b ( ( x) f ( x))dx 0 a b b a a ( x)dx f ( x)dx i xi 0 5.Sendo m e M, respectivamente, o menor e o maior valor da função no intervalo [a,b], então, tem-se b m(b a) f ( x)dx M (b a) a Demonstração: Por hipótese, no intervalo [a,b], tem-se * m f ( x) M Pela propriedade anterior b b b a a a mdx f ( x)dx Mdx b m(b a) f ( x)dx M (b a) a Teorema da Média. A função f(x) seno continua no intervalo [a,b], existe um ponto , tal que se tem: b f ( x)dx f ( )(b a) a Demonstração: Considerando que, respectivamente, m e M são o menor valor e o maior valor de f(x) no intervalo, teremos: b 1 m f ( x)dx M (b a) a Considerando que o resultado da integral é um número, designemos esse por . Temos então b m M com 1 f ( x)dx (b a ) a Como a função é contínua no intervalo, haverá um valor de f(x) igual ; isto é, um ponto , ab, tal que f()= (o valor médio da função no intervalo). b f ( x)dx (b a) f ( )(b a) a Propriedade 6. a,b e c sendo três números arbitrários, ter-se-á: b c b a a c f ( x)dx f ( x)dx f ( x)dx a c b x INTEGRAL DEFINIDA: Fórmula de Newton-Leibniz b Considerando que, para a integral f ( x ) dx , o limite de integração inferior seja fixo,a. a Variemos o limite superior, b, e calculemos, sucessivas integrais de f(x). Os resultados, portanto dependerão de b. Podemos então trocar a variável de integração por t. Então x f (t )dt ( x) a (x) é portanto igual à área subtendida pelo trecho da curva entre a e x, o eixo t e as retas t=a e t=x. a x t x Teorema. Sendo f(x) uma função contínua e se colocamos f (t )dt ( x) então ( x) f ( x) a Demonstração: x x x Se ( x ) f (t ) dt então ( x x ) a x f (t )dt f (t )dt a a x x f (t )dt x ( x x) ( x) x f (t ) dt a x x x f (t ) dt f (t ) dt x a x x f (t )dt x Aplicando o teorema da média,temos f ( )x f ( ) x lim lim f ( ) f ( x) x 0 x x 0 lim ( x) x 0 x ( x) f ( x) x x x f (t ) dt Teorema Fundamental . Se F(x) é uma primitiva de f(x) então b f ( x)dx F (b) F (a) a Demonstração: Seja F(x) uma primitiva de f(x). Pelo teorema anterior, (x) é também uma primitiva x de f(x). Mas, ( x ) f (t ) dt a Além disso, duas primitivas de uma mesma função diferem por uma constante. Então: x f (t )dt F ( x) C a Determinemos C, calculando a integral para x=a: a f (t )dt F (a ) C a Mas a f (t )dt 0 a 0 F (a) C C F (a ) x f (t )dt F ( x) F (a) a Coloquemos então x=b b f (t )dt F (b) F (a) a Esta é a fórmula de Newton Leibniz b a f ( x)dx F (b) F (a) F ( x) b a CÁLCULO DA INTEGRAL DEFINIDA PELA DEFINIÇÃO b b n f ( x)dx cxdx lim c x a a x0 i 1 ba x n f(b) i lim Sint n 1 a 2 a x 3 a 2 x ... f(a) n a (n 1)x x1 a x2 x3 b Sint c1x1 c 2 x2 ...c n xn Sint cax c(a 2x)x ... c(a (n 1)x)x Sint c(na (x 2x ... (n 1)x)x Sint c(na (1 2 ... (n 1))x)x Mas, 1 2 3 ....(n 1) n(n 1) 2 Sint c(na (1 2 ... ( n 1))x)x Sint c(na n(n 1) x)x 2 mas x ba n n(n 1) b a b a ) Sint c(na n n 2 n(n 1) b a )(b a ) Sint c(a n 2 b2 a 2 (b a )(b a ) n(n 1) b a c )(b a ) c lim c(a n 2 2 n 2 pois n 1 1 lim n n b b a a f ( x)dx kdx b n kdx k lim x a i x0 k (b a) 1 k n lim xi b a n x1 a x2 x3 b 1 b Exemplos usando fórmula Newton-Leiniz f ( x)dx F (b) F (a) F ( x) a b kxdx a 1 2 kx 2 b a 2senxdx 2cox 1 k b 2 a 2 2 0 2 cos cos 0 4 0 2 2senxdx 2cox 2 0 2 cos 2 cos 0 0 0 2 x x e dx e 2 0 e 2 e0 e 2 1 0 b n x dx a 1 n1 x n 1 b a 1 bn1 a n1 (n 1) n 1 b à Teorema (Mudança de variável) . Seja dada a integral b f ( x )dx a onde f(x) é contínua no intervalo [a,b]. Introduzamos a variável t, por x (t ) Se ( ) a ( ) b e, ainda, se (t) ´(t) são contínuas no intervalo [ ], e também f[(t)] é definida e contínua no intervalo [ ], então b f ( x)dx f [ (t )](t )dt a Demonstração: se F(x) é uma primitiva de f(x), podemos escrever: f ( x)dx F ( x) C f [ (t )](t )dt F[ (t )] C Da primeira podemos escrever b f ( x)dx F (b) F (a) a Da segunda podemos escrever f [ (t )](t )dt F[ ( )] F[ ( )] F (b) F (a) b f ( x)dx f [ (t )](t )dt a INTEGRAÇÃO POR PARTES Sabemos que (uv) uv vu Integrando entre x=a e x=b, teremos b b b a a a (uv)dx uvdx vudx Mas, (uv)dx d (uv) uv C (uv)dx d (uv) , udx du, vdx dv e Então b (uv)dx uv b a a uv b à b b a a udv vdu b b a a b udv uv a vdu EXTENSÃO DA NOÇÃO DE INTEGRAL Integrais com limites de integração infinitos b f ( x ) dx Definição. Se o limite lim b a existe, ele será representado por b f ( x)dx a a f ( x ) dx a b e diz-se que a integral converge. Por definição, então a b b f ( x)dx lim f ( x)dx b a b f ( x)dx lim f ( x)dx a a Calcule x e dx 0 b b 0 0 x x b 0 b e dx e e e 1 e lim 1 e b 1 b