Enunciado

Calcular a integral definida:

int_0^((a)/(2 b)) sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x , 0 < a < b

Passo 1

Vamos calcular a integral indefinida e depois utilizamos o Teorema Fundamental do Cálculo para aplicar os limites de integração:

int sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x

Primeiro vamos fazer uma substituição para a integral ficar no formato para aplicar uma substituição trigonométrica:

u = b x

d u = b d x

Substituindo temos:

int sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x = int (sqrt(a^2 - u^2))/(b) d u = (1)/(b) int sqrt(a^2 - u^2) d u

Passo 2

Para resolver essa integral vamos fazer uma substituição trigonométrica, temos que a expressão é da forma sqrt(a^2 - x^2) , nesse formato de expressão vamos fazer u = a sen theta e utilizar a identidade trigonométrica sen^2 theta + cos^2 theta = 1 :

u = a sen theta -> theta = arcsen ((u)/(a))

d x = a cos theta d theta

Substituindo temos:

(1)/(b) int sqrt(a^2 - u^2) d u = (1)/(b) int sqrt(a^2 - a^2 sen^2 theta) a cos theta d theta = (a)/(b) int sqrt(a^2 (1 - sen^2 theta)) cos theta d theta

Agora usando a identidade trigonométrica:

(a)/(b) int sqrt(a^2 (1 - sen^2 theta)) cos theta d theta = (a)/(b) int sqrt(a^2 cos^2 theta) cos theta d theta = (a)/(b) int a cos theta cos theta d theta =

= (a^2)/(b) int cos^2 theta d theta

Agora vamos usar outra identidade trigonométrica:

cos^2 theta = (1)/(2) + (cos 2 theta)/(2)

Assim ficamos com:

(a^2)/(b) int cos^2 theta d theta = (a^2)/(b) int (1)/(2) + (cos 2 theta)/(2) d theta = (a^2)/(b) int (1)/(2) d theta + (a^2)/(b) int (cos 2 theta)/(2) d theta

Passo 3

Com a primeira é fácil achar as primitivas da função, usando as expressões da Tabela de Integrais Indefinidas:

int k d x = k x + C

Agora é só aplicar:

int (1)/(2) d theta = (1)/(2) theta + C

Com a segunda vamos fazer uma substituição:

v = 2 theta

d v = 2 d theta

Substituindo:

int (cos 2 theta)/(2) d theta = int (cos v)/(2) * (1)/(2) d v = int (cos v)/(4) d v

Agora usando a expressão da Tabela de Integrais Indefinidas:

int cos x d x = sen x + C

E agora plicando:

int (cos v)/(4) d v = (1)/(4) int cos v d v = (1)/(4) sen v + C

Passo 4

Agora é só juntar tudo:

int sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x = (1)/(b) int sqrt(a^2 - u^2) d u = (a^2)/(b) int cos^2 theta d theta = (a^2)/(b) int (1)/(2) d theta + (a^2)/(b) int (cos 2 theta)/(2) d theta =

= (a^2)/(b) * (1)/(2) theta + (a^2)/(b) * (1)/(4) int cos v d v = (a^2)/(2 b) theta + (a^2)/(b) * (1)/(4) sen v + C = (a^2)/(2 b) theta + (a^2)/(4 b) sen v + C

Calma, não terminou ainda, vamos ter que voltar para a variável original x :

int sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x = (a^2)/(2 b) theta + (a^2)/(16 b) sen v + C = (a^2)/(2 b) arcsen ((u)/(a)) + (a^2)/(4 b) sen 2 theta + C =

= (a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (a^2)/(4 b) sen 2 theta + C

Temos que u = a sen theta , ou seja, sen theta = (u)/(a) , assim vamos usar o triângulo retângulo abaixo para achar cos theta e sen 2 theta :

Assim:

cos theta = (sqrt(a^2 - u^2))/(a)

sen 2 theta = 2 sen theta cos theta = 2 * (u)/(a) * (sqrt(a^2 - u^2))/(a) = (2 u sqrt(a^2 - u^2))/(a^2)

Passo 5

E por último substituindo:

int sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x = (a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (a^2)/(4 b) sen 2 theta + C =

= (a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (a^2)/(4 b) * (2 u sqrt(a^2 - u^2))/(a^2) + C =

= (a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (2 u sqrt(a^2 - u^2))/(4 b) + C = (a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (2 b x sqrt(a^2 - b^2 x^2))/(4 b) + C =

= (a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (x sqrt(a^2 - b^2 x^2))/(2) + C

Passo 6

Pronto, já encontramos a integral indefinida, agora é só calcular a integral definida usando o Teorema Fundamental do Cálculo:

int_a^b f (x) d x = F (b) - F (a)

Ficamos então com:

int_0^((a)/(2 b)) sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x = ((a^2)/(2 b) arcsen ((b x)/(a)) + (x sqrt(a^2 - b^2 x^2))/(2))_0^((a)/(2 b)) =

= (a^2)/(2 b) arcsen ((b * (a)/(2 b))/(a)) + ((a)/(2 b) sqrt(a^2 - b^2 ((a)/(2 b))^2))/(2) - ((a^2)/(2 b) arcsen ((b * 0)/(a)) + (0 * sqrt(a^2 - b^2 * 0^2))/(2)) =

= (a^2)/(2 b) arcsen (((a)/(2))/(a)) + ((a)/(2 b) sqrt(a^2 - b^2 (a^2)/(4 b^2)))/(2) - ((a^2)/(2 b) arcsen (0)) =

= (a^2)/(2 b) arcsen ((1)/(2)) + ((a)/(2 b) sqrt(a^2 - (a^2)/(4)))/(2) - ((a^2)/(2 b) * 0) = (a^2)/(2 b) * (pi)/(6) + (a)/(4 b) sqrt((4 a^2 - a^2)/(4)) = (a^2 pi)/(12 b) + (a)/(4 b) sqrt((3 a^2)/(4)) =

= (a^2 pi)/(12 b) + (a)/(4 b) * sqrt(3) * (a)/(2) = (a^2 pi)/(12 b) + (sqrt(3) a^2)/(8 b)

Resposta

int_0^((a)/(2 b)) sqrt(a^2 - b^2 x^2) d x = (a^2 pi)/(12 b) + (sqrt(3) a^2)/(8 b)

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