Enunciado

Use a fórmula de substituição do Teorema 7 para calcular a integral

∫ 0 ln ⁡ 3 e x 1 + e 2 x   d x

Passo 1

Vamos começar nossa questão por relembrar o Teorema 7 – Substituição em integrais definidas. Se g ' for contínua no intervalo a , b e f fr contínua na imagem de g x = u , então

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

A ideia por trás deste teorema é encontrarmos uma função u = g ( x ) para que transformemos a nossa integral difícil em algo bem fácil! Inicialmente parece ser difícil visualizar uma boa mudança, mas com o decorrer das questões você verá que isto é bem simples!

Vamos optar por resolver a integral indefinida primeiramente. Após obtermos a primitiva da função, basta substituir os limites de integração conforme o teorema fundamental do cálculo.

Passo 2

Vamos fazer a nossa primeira substituição. Para isto, fazemos u = e x . Consequentemente, temos que d u = e x   d x . Se analisarmos apenas a integral indefinida, temos:

∫ e x 1 + e 2 x   d x   = ∫ 1 1 + u 2   d u  

Passo 3

A integral que obtemos no Passo anterior é a de uma batida. Vocês a verão diversas e diversas vezes, principalmente quando estudarem a técnica de resolução de integrais por frações parciais! Mas, por enquanto, vamos precisar relembrar da função t g - 1 ( x ) , a função arco tangente. Se vocês não se recordam, a derivada desta função é:

t g - 1 x ' = 1 1 + x 2

E não é que o resultado é a função que precisamos integrar! Portanto, a primitiva da nossa função é a função t g - 1 ( u ) . Logo,

∫ 1 1 + u 2   d u   = t g - 1 u + k

Muita calma nessa hora! Não podemos esquecer da constante k , já que a integral que foi resolvida é uma integral indefinida. Vamos voltar para a nossa variável x . Temos então:

t g - 1 u + k = t g - 1 e x + k

Passo 4

Após obtemos o valor da integral indefinida, para fazermos os cálculos da integral definida, é só esquecermos a existência da constante k ! Portanto, temos:

∫ 0 l n ⁡ ( 3 ) e x 1 + e 2 x   d x = t g - 1 e x 0 ln ⁡ 3

∫ 0 l n ⁡ ( 3 ) e x 1 + e 2 x   d x = t g - 1 e ln ⁡ 3 - t g - 1 e 0

∫ 0 l n ⁡ ( 3 ) e x 1 + e 2 x   d x = t g - 1 3 - t g - 1 1

∫ 0 l n ⁡ ( 3 ) e x 1 + e 2 x   d x = π 3 - π 4

Logo,

∫ 0 l n ⁡ ( 3 ) e x 1 + e 2 x   d x = π 12

Resposta

∫ 0 l n ⁡ ( 3 ) e x 1 + e 2 x   d x = π 12

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