Propriedades das Integrais

Teoria Completa

Propriedades das Integrais

Existem algumas propriedades das integrais que são bastante importantes e é essencial que elas estejam no sangue, porque você vai ter que usá-las o tempo todo. Mas não se preocupe, são relações bem simples e, logo, logo, você estará usando sem nem sentir!

Propriedade 1:

Essa propriedade diz que a integral da soma ou subtração de funções é a soma ou subtração das integrais:

∫ a b [ f x ± g x ] d x = ∫ a b f ( x ) d x ± ∫ a b g ( x ) d x

Por exemplo:

∫ 0 1 c o s c o s   x   + e x d x = ∫ 0 1 c o s c o s   x   d x + ∫ 0 1 e x d x

Propriedade 2:

A integral de uma função vezes uma constante é igual à integral daquela função multiplicada pela constante.

∫ a b c   f x d x = c ∫ a b f x d x ,   o n d e   c   é   u m a   c o n s t a n t e   q u a l q u e r

Em outras palavras, a constante pode ser colocada “para fora” da integral. Olha aqui um exemplo disso

∫ 0 1 3 c o s c o s   x   d x = 3 ∫ 0 1 c o s c o s   x d x  

Propriedade 3:

Quando uma integral tem limites superior e inferior iguais seu resultado é nulo:

∫ a a f x d x = 0

Propriedade 4:

A integral de uma função constante, f x = c é dada por:

∫ a b c d x = c b - a ,     o n d e   c   é   u m a   c o n s t a n t e   q u a l q u e r

Se c > 0, veja que a integral é a área A . Agora como f x = c , com c constante, a área vai ser um retângulo:

∫ a b c d x = A = c ( b - a )

Se c < 0 , a integral representa o inverso da área, ou seja:

∫ a b c d x =   -   A =   - c ( b - a )

Exemplo:

A = 2   . 3 = 6

Como f x = - 3 está abaixo do eixo x , temos:

∫ 2 4 - 3 d x = - A = - 6

Propriedade 5:

Ao trocar os limites de integração inferior e superior, troco o sinal da integral:

∫ a b f ( x ) d x = - ∫ b a f x d x

Por exemplo

∫ 0 1 c o s   x   d x = - ∫ 1 0 c o s   x   d x

Propriedade 6:

∫ a b f ( x ) d x + ∫ b c f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x

Para se lembrar dessa propriedade, pensa na interpretação de integral como área:

A 1 + A 2 = A t o t a l

∫ a b f x d x = A 1

∫ b c f x d x = A 2

∫ a c f x d x = A t o t a l

O mais importante é que essa propriedade não depende de que a, b e c estejam em ordem, isto é, não importa que c seja maior que b. Se b for maior que c, a propriedade continua valendo. Veja esse exemplo aqui:

∫ 0 1 c o s   x   d x - ∫ 2 1 c o s   x   d x = ∫ 0 1 c o s   x   d x - - ∫ 1 2 c o s   x   d x = ∫ 0 1 c o s   x   d x + ∫ 1 2 c o s   x   d x

∫ 0 1 c o s   x   d x - ∫ 2 1 c o s   x   d x = ∫ 0 2 c o s   x   d x

Show de bola?!

Propriedade 7:

  S e   f x ≥ 0   p a r a   a ≤ x ≤ b ,   e n t ã o   ∫ a b f ( x ) d x ≥ 0

S e   f x ≤ 0   p a r a   a ≤ x ≤ b ,   e n t ã o   ∫ a b f x d x ≤ 0

Para lembrar dessa propriedade, também facilita lembrar da interpretação como área.

  • Se f x é sempre maior que zero no intervalo [ a , b ] , então a integral será sempre igual à área da região delimitada naquele intervalo. Lembre-se que área é sempre um número positivo!
  • Por outro lado, se f x é sempre menor que zero naquele intervalo, a integral será sempre igual ao simétrico da área delimitada naquele intervalo. Como a área é sempre um número positivo, então a integral será um número negativo!

Propriedade 8:

S e   f x ≥ g x   p a r a   a ≤ x ≤ b ,   e n t ã o   ∫ a b f ( x ) d x ≥ ∫ a b g ( x ) d x

Novamente, pensando na integral como área, se f x está sempre acima de g x no intervalo [ a , b ] , então a área delimitada pela função f ( x ) naquele intervalo será maior que aquela delimitada pela função g ( x ) no mesmo intervalo!

Propriedade 9:

Para chegar a essa propriedade, vou tirar um conceito lá do fundo do baú. Lá do Teorema do Valor Extremo, sabemos que toda função contínua em um intervalo fechado possui um máximo e um mínimo absolutos naquele intervalo fechado.

Então, se tivermos uma função f ( x ) num intervalo fechado [ a , b ] e sabendo que o mínimo absoluto dessa função é m e o máximo é M , olha só o que temos:

m ≤ f x ≤ M ,   p a r a   t o d o   a ≤ x ≤ b

Vou representar agora isso num gráfico, para pensarmos em integral novamente com a interpretação de área.

Observe que a área hachurada é igual a:

A = m ( b - a ) (área de retângulo)

Portanto sabendo que a integral de f x no intervalo [ a , b ] corresponde à área abaixo dela e que f ( x ) é sempre maior ou igual a m nesse intervalo, vê se não podemos escrever o seguinte:

∫ a b f x   d x ≥ m   ( b - a )

Agora, da propriedade 8, sabemos que:

S e   g x ≥ f x   p a r a   a ≤ x ≤ b ,   e n t ã o   ∫ a b g ( x ) d x ≥ ∫ a b f ( x ) d x

Nesse caso, imaginemos g x como M :

M ( b - a ) ≥ ∫ a b f x   d x

Juntando as duas coisas, teremos:

S e   m ≤ f x ≤ M ,   p a r a   t o d o   a ≤ x ≤ b →   m   ( b - a ) ≤ ∫ a b f x   d x   ≤ M ( b - a )

Beleza?! Vamos praticar?!

Expandir

Exercício Resolvido #1

James Stewart Vol. I – 6ª ed. Exercício 47 da seção 5.2

Escreva como uma integral única na forma ∫ a b f x d x :

∫ - 2 2 f ( x ) d x + ∫ 2 5 f ( x ) d x - ∫ - 2 - 1 f ( x ) d x

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

Temos que transformar a soma de 3 integrais em uma só.

Repare que as integrais possuem limites de integração diferentes e queremos transformar em uma só integral com limites de integração a e b .

Basicamente, temos que descobrir quem é a e b .

Passo 2

Nesses tipos de problemas, onde temos que manipular somente os limites de integração, vamos ter que usar as propriedades das integrais.

Ao olhar para as duas primeira integrais que compõem a soma, já podemos, de cara, usar uma propriedade de integrais definidas:

∫ a b f ( x ) d x + ∫ b c f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x    

Nesse caso, temos: ∫ - 2 2 f ( x ) d x + ∫ 2 5 f ( x ) d x

a =   - 2

b = 2

c = 5

Logo:

∫ - 2 2 f ( x ) d x + ∫ 2 5 f ( x ) d x = ∫ - 2 5 f x d x

Observe que agora reduzimos um termo daquela soma, pois as duas primeiras integrais foram substituídas por uma única integral equivalente. O que temos agora é:

∫ - 2 2 f ( x ) d x + ∫ 2 5 f ( x ) d x - ∫ - 2 - 1 f ( x ) d x

= ∫ - 2 5 f ( x ) d x - ∫ - 2 - 1 f ( x ) d x

Passo 3

Agora, para podemos utilizar a mesma propriedade de antes, devemos lembrar da propriedade de inverter os limites de integração.

∫ a b f ( x ) d x = - ∫ b a f x d x    

Nesse caso: ∫ - 2 5 f x d x = - ∫ 5 - 2 f x d x

Assim, temos:

= ∫ - 2 5 f ( x ) d x - ∫ - 2 - 1 f ( x ) d x

- ∫ 5 - 2 f x d x - ∫ - 2 - 1 f ( x ) d x

Agora, podemos utilizar novamente a seguinte propriedade:

∫ a b f ( x ) d x + ∫ b c f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x    

Agora, temos:

a =   5

b = - 2

c = - 1

- ∫ 5 - 2 f x d x - ∫ - 2 - 1 f x d x =   - ∫ 5 - 1 f x d x

Passo 4

Observe que a integral resultante tem limite inferior maior que o superior. Basta utilizarmos novamente a propriedade de inverter os limites de integração para reescrevê-la:

- ∫ 5 - 1 f ( x ) d x = ∫ - 1 5 f ( x ) d x

Resposta

∫ - 1 5 f ( x ) d x

Exercício Resolvido #2

James Stewart Vol. I – 6ª ed. Exercício 53 da seção 5.2

Use as propriedades das integrais para verificar a desigualdade sem calcular as integrais.

2 ≤ ∫ - 1 1 1 + x 2 d x ≤ 2 2

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

O problema nos pede para usarmos as propriedades das integrais e aparece uma desigualdade. Queremos provar que a integral está entre 2 e 2 2 sem calculá-la.

Passo 2

Temos uma integral e uma desigualdade. Isso tem uma carinha de que devemos usar aquelas propriedades de integrais definidas que envolvem desigualdades.

A função trata-se de um polinômio, e todo polinômio é uma função continua. Deste modo, em um intervalo fechado vamos ter um mínimo, m , e um máximo, M .

Através dos limites de integração, sabemos qual é o intervalo fechado ( - 1 ≤ x ≤ 1 ) . E a função 1 + x 2 é contínua nesse intervalo.

Nesse caso, vamos pensar na seguinte propriedade:

S e   m ≤ f x ≤ M ,   p a r a   t o d o   a ≤ x ≤ b →   m   ( b - a ) ≤ ∫ a b f x ≤ M ( b - a )

Para podermos usá-la a nosso favor, entretanto, devemos achar o mínimo e o máximo absolutos de f x no intervalo [ - 1,1 ] .

Que tal desenharmos o gráfico dessa função para visualizar melhor?

P a r a   x =   - 1 →   1 + x 2 = 2

P a r a   x = 0 → 1 + x 2 = 1

P a r a   x = 1 → 1 + x 2 = 2

Pelo gráfico da função nesse intervalo, identificamos o mínimo e o máximo local:

S e   1 ≤ 1 + x 2 ≤ 2 ,   p a r a   t o d o - 1 ≤ x ≤ 1

m = 1

M = 2

Podemos utilizar, então, a propriedade:

S e   m ≤ f x ≤ M ,   p a r a   t o d o   a ≤ x ≤ b →   m   ( b - a ) ≤ ∫ a b f x ≤ M ( b - a )

m   b - a = 1 . 1 - - 1

m   b - a = 2

M b - a = 2 1 - - 1 = 2 2

2 ≤ ∫ - 1 1 1 + x 2 ≤ 2 2

Conforme queríamos demonstrar!

Resposta

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