Enunciado

Use o Exercício 92 para calcular a integral

∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 1 + cos 2 ⁡ x . d x

Passo 1

Beleza??

Aqui temos que calcular a seguinte integral:

∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 1 + cos 2 ⁡ x . d x

Usando o que foi feito no exercício 92.

Muito bem galera, quando vemos ( cos 2 ⁡ x ) já podemos pensar logo naquela identidade trigonométrica:

cos 2 ⁡ x + sen 2 ⁡ x = 1

Isolando o cosseno:

c o s 2 x = 1 - sen 2 ⁡ x

E já vamos substituir:

∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 1 + cos 2 ⁡ x ⋅ d x = ∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 1 + 1 - sen 2 ⁡ x ⋅ d x

= ∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 2 - s e n ²   x . d x

Temos agora uma função de seno:

f sen ⁡ x = sen ⁡ x 2 - sen 2 ⁡ x

Sendo assim:

= ∫ 0 π x ⋅ f sen ⁡ x . d x

Vamos relembrar o que foi feito no exercício 92?

Usamos uma técnica de integral por partes, vamos resumir aqui, quando temos algo do tipo:

∫ f x d x = ∫ g x d x - ∫ f x d x

Podemos passar a integral - ∫ f x d x para o outro lado da integral (como se ela fosse uma varável:

∫ f x d x + ∫ f x d x = ∫ g x d x

E soma-las também como uma variável qualquer:

2 ⋅ ∫ f x d x = ∫ g x d x

E assim temos o valor para 2 integrais, precisamos do valor de uma só, e como no caso dessa integral ser uma variável qualquer, só passamos o 2 para o outro lado dividindo:

∫ f x d x = 1 2 ∫ g x d x

Logo para esse caso temos:

∫ 0 π x   f sen ⁡ x   d x = π 2   ∫ 0 π f sen ⁡ x   d x

E não para por aí! Vamos precisar usar a regra da substituição! Mas você lembrar o que ela fala?

Então temos que ela deve ser realmente o inverso da regra da cadeia. De acordo com a regra da cadeia para a derivada temos:

f g x ' = f ' g x ⋅ g ' ( x )

Na integração por substituição, pegamos uma expressão da forma f ' g x ⋅ g ' ( x ) e encontramos sua primitiva.

A integração por substituição nos ajuda a simplificar uma expressão confusa, transformando a função "interna" na variável. Então temos que encontrar o resultado dessa integral:

∫ f ' g x ⋅ g ' ( x ) d x

Para simplificar essa integral, colocamos uma nova variável u tal que u = g ( x ) . Isso significa que d u = g ' ( x ) .

Substituindo essas expressões na integral, obtemos:

∫ f ' g x ⋅ g ' ( x ) d x = ∫ f ' ( u ) ⋅ d u

A integral agora é muito mais simples de resolver, pois f ' ( u ) é uma função direta de u . Após integrar em relação a u , obtemos f ( u ) + C .

Finalmente, substituímos u de volta por g ( x ) para obter a resposta na variável original x .

Por fim vamos utilizar uma tabela de primitivas para nos ajudar na integração:

Eu sei o que você está pensando! Quanta coisa! Mas calma, no fim é mais simples do que parece!

Passo 2

Aplicando tudo isso aqui, vamos ter:

Como nossa função é:

f sen ⁡ x = sen ⁡ x 2 - sen 2 ⁡ x

Vamos aplicar no que relembramos do exercício 92:

∫ 0 π x ⋅ f sen ⁡ x ⋅ d x = π 2 ∫ 0 π sen ⁡ x 1 + c o s 2 x ⋅ d x

Vamos analisar! Dentro da integral temos a função seno e cosseno, ou seja, derivada e função. Quando isso acontece podemos tranquilamente usar a substituição.

Sendo assim, chamaremos:

u = cos ⁡ x

Derivando:

d u = - sen ⁡ x ⋅ d x

Isolando o que temos na integral:

- d u = sen ⁡ x ⋅ d x

Substituindo tudo, temos:

- π 2 ∫ 0 π 1 1 + u 2 ⋅ d u

Passo 3

Já achamos nossa função a ser integrada. E esta função já é tabelada, não é?!

- π 2 ∫ 0 π 1 1 + u 2 ⋅ d u = - π 2 tg - 1 ⁡ u 0 π

Substituindo u pelo seu valor original (pois não alteramos os limites de integração):

= - π 2 tg - 1 ⁡ ( cos ⁡ x ) 0 π

Aplicando os intervalos (e cuidado com os sinais do cosseno em?):

= - π 2 [ t g - 1 cos ⁡ π - t g - 1 cos ⁡ 0 ]

= - π 2 [ t g - 1 - 1 - t g - 1 1 ]

Aqui não tem jeito, precisamos do auxílio da calculadora:

= - π 2 - π 4 - π 4

= - π 2 - 2 π 4 = π 2 ⋅ π 2

Sendo assim:

∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 1 + cos 2 ⁡ x ⋅ d x = π ² 4

Resposta

∫ 0 π x ⋅ sen ⁡ x 1 + cos 2 ⁡ x ⋅ d x = π ² 4

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