Matemática, perguntado por Lukyo, 1 ano atrás

(50 PONTOS) Calcule a integral definida:
~
\displaystyle\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}{\dfrac{dx}{1+\left(1+\left|x-1\right| \right )^{2}}}

____________________

Sugestão: Utilize a simetria da função f(x)=\dfrac{1}{1+\left(1+\left|x-1\right| \right )^{2}} sobre o intervalo de integração para simplificar os cálculos.
~


Lukyo: Para alguém que queira conferir, a resposta é Pi/6.
geylson1: Nossa, Essa é das boas!

Soluções para a tarefa

Respondido por carlosmath
2
Hola

\displaystyle
I=\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}{\dfrac{dx}{1+\left(1+\left|x-1\right| \right )^{2}}} \\ \\ \\
I=\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{1}{\dfrac{dx}{1+\left(1+\left|x-1\right| \right )^{2}}} +\int\limits_{1}^{\sqrt{3}}{\dfrac{dx}{1+\left(1+\left|x-1\right| \right )^{2}}}


\displaystyle
I=\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{1}{\dfrac{dx}{1+\left(2-x\right)^{2}}} +\int\limits_{1}^{\sqrt{3}}{\dfrac{dx}{1+x^2}


\displaystyle
I=\left.\left[-\arctan (2-x)\right]\right|_{2-\sqrt{3}}^{1}+(\arctan x)_{1}^{\sqrt3}\\ \\ \\
I=(\arctan \sqrt3-\arctan 1)+(\arctan \sqrt3-\arctan 1)\\ \\ \\
I=2(\arctan \sqrt3-\arctan 1)\\ \\ \\
I=2\left(\frac{\pi}{3}-\dfrac{\pi}{4}\right)\\ \\ \\
\boxed{I=\dfrac{\pi}{6}}

Lukyo: Obrigado! :-)
Respondido por Niiya
3
Vou utilizar a sugestão!

f(x)=\dfrac{1}{1+(1+|x-1|)^{2}}

A função possui x = 1 como eixo de simetria. Veja:

f(1+\delta)=\dfrac{1}{1+(1+|1+\delta-1|)^{2}}=\dfrac{1}{1+(1+|\delta|)^{2}}\\\\\\f(1-\delta)=\dfrac{1}{1+(1+|1-\delta-1|)^{2}}=\dfrac{1}{1+(1+|-\delta|)^{2}}=\dfrac{1}{1+(1+|\delta|)^{2}}

Como f(1+\delta)=f(1-\delta) para qualquer δ apropriado, temos que x = 1 é eixo de simetria do gráfico de f
_______________________________

Avaliando f(2 - √3):

f(2-\sqrt{3})=\dfrac{1}{1+(1+|2-\sqrt{3}-1|)^{2}}\\\\\\=\dfrac{1}{1+(1+|1-\sqrt{3}|)^{2}}=\dfrac{1}{1+(1-1+\sqrt{3})^{2}}=\dfrac{1}{4}

Avaliando f(√3):

f(\sqrt{3})=\dfrac{1}{1+(1+|\sqrt{3}-1|)^{2}}=\dfrac{1}{1+(1+\sqrt{3}-1)^{2}}\\\\\\=\dfrac{1}{1+(\sqrt{3})^{2}}=\dfrac{1}{4}

Disso, tiramos que x = 2 - √3 é o simétrico de x = √3 com relação ao eixo de simetria x = 1 (verifique com δ = 1 - √3)

Portanto, só precisamos integrar de um lado do eixo:

\displaystyle\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2\int\limits_{1}^{\sqrt{3}}\dfrac{1}{1+(1+|x-1|)^{2}}dx

Nesse lado do eixo, 
x~\textgreater~1~~\longrightarrow~~x-1~\textgreater~0~~\longrightarrow~~|x-1|=x-1

Então:

\displaystyle\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2\int\limits_{1}^{\sqrt{3}}\dfrac{1}{1+(1+x-1)^{2}}dx\\\\\\\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2\int\limits_{1}^{\sqrt{3}}\dfrac{1}{1+x^{2}}dx\\\\\\\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2\int\limits_{1}^{\sqrt{3}}\dfrac{d}{dx}tg^{-1}(x)dx\\\\\\\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2\bigg[tg^{-1}(x)\bigg]_{1}^{\sqrt{3}}\\\\\\\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2tg^{-1}(\sqrt{3})-2tg^{-1}(1)

\displaystyle\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=2\cdot\dfrac{\pi}{3}-2\cdot\dfrac{\pi}{4}\\\\\\\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=\dfrac{8\pi-6\pi}{12}\\\\\\\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=\dfrac{2\pi}{12}\\\\\\\boxed{\boxed{\int\limits_{2-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}f(x)dx=\dfrac{\pi}{6}}}

Lukyo: Obrigado! :-)
Lukyo: Admirei o deu argumento sobre a simetria!
Lukyo: o seu**
Niiya: Obrigado :D
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