Matemática, perguntado por carvalhonph, 1 ano atrás

a integral de raiz quadrada de x^2 + a^2/x^4

Soluções para a tarefa

Respondido por TioLuh
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É dada a seguinte integral:

\displaystyle \int \frac{\sqrt{a^2+x^2}}{x^4} \, \, dx

Podemos utilizar a seguinte substituição trigonométrica:

x = a \tan \theta \\ \\ dx = a \sec^2 \theta \, \,  d \theta

Daí temos:

\displaystyle \int \frac{\sqrt{a^2+(a \tan \theta)^2}}{(a \tan \theta)^4} \cdot a \sec^2 \theta \, \, d \theta \\\\\\ \int \frac{\sqrt{a^2+a^2 \tan^2 \theta}}{a^4 \tan^4 \theta} \cdot a \sec^2 \theta \, \, d \theta \\\\\\ \int \frac{\sqrt{a^2 \cdot (1+ \tan^2 \theta)}}{a^3 \tan^4 \theta} \cdot \sec^2 \theta \, \, d \theta

De acordo com a seguinte identidade trigonométrica:

\sec^2 \theta - \tan^2 \theta = 1 \\ \\ \sec^2 \theta = 1 + \tan^2 \theta

Temos:

\displaystyle \int \frac{\sqrt{a^2 \sec^2 \theta}}{a^3 \tan^4 \theta} \cdot \sec^2 \theta \, \, d \theta \\\\\\ \int \frac{a \sec \theta}{a^3 \tan^4 \theta} \cdot \sec^2 \theta \, \, d \theta \\\\\\ \int \frac{ \sec^3 \theta}{a^2 \tan^4 \theta} \, \, d \theta \\\\\\ \frac{1}{a^2} \cdot \int \frac{\sec^3 \theta}{\tan^4 \theta} \, \, d \theta

De acordo com as identidades trigonométricas:

\displaystyle \sec \theta = \frac{1}{\cos \theta} \\\\\\ \tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}

Temos:

\displaystyle \frac{1}{a^2} \cdot \int \frac{\displaystyle \frac{1}{\cos^3 \theta}}{\displaystyle \frac{\sin^4 \theta}{\cos^4 \theta}} \, \, d \theta \\\\\\ \frac{1}{a^2} \cdot \int \frac{1}{\cos^3 \theta} \cdot \frac{\cos^4 \theta}{\sin^4 \theta} \, \, d \theta \\\\\\ \frac{1}{a^2} \cdot \int \frac{\cos \theta}{\sin^4 \theta} \, \, d \theta \\\\\\ \frac{1}{a^2} \cdot \int \frac{1}{\sin^4 \theta} \cdot \cos \theta \, \, d \theta

Fazendo:

u = \sin \theta \\\\ du = \cos \theta \, \, d \theta

Temos:

\displaystyle \frac{1}{a^2} \cdot \int \frac{1}{u^4} \, \, du \\\\\\ \frac{1}{a^2} \cdot \bigg( -\frac{1}{3u^3}  \bigg) + C \\\\\\ -\frac{1}{3a^2 \sin^3 \theta} + C

De acordo com a premissa:

\displaystyle x = a \tan \theta \\\\\\ \tan \theta = \frac{x}{a}

Podemos comparar as duas fórmulas que seguem e imaginar um triângulo reto:

\displaystyle \tan \theta = \frac{x}{a} \\\\\\ \tan \theta = \frac{\mathsf{cateto \, \, oposto}}{\mathsf{cateto \, \, adjacente}}

E esse triângulo reto terá o cateto oposto sendo igual a
x e o cateto adjacente sendo igual ao a, e a hipotenusa h é dada pelo Teorema de Pitágoras:

h^2 = a^2+x^2 \\\\ h = \sqrt{a^2+x^2}

Com os valores em mãos do cateto oposto, adjacente e da hipotenusa, podemos finalmente encontrar uma expressão para
sin³ θ :

\displaystyle \sin \theta = \frac{\mathsf{cateto \, \, oposto}}{\mathsf{hipotenusa}} \\\\\\ \sin \theta = \frac{x}{\sqrt{a^2+x^2}} \\\\\\ \sin^3 \theta = \bigg( \frac{x}{\sqrt{a^2+x^2}} \bigg)^3 \\\\\\ \sin^3 \theta = \frac{x^3}{(a^2+x^2)^{3/2}}

Daí temos a resposta final sendo:

\displaystyle - \frac{1}{3a^2 \sin^3 \theta} + C \\\\\\\\ - \frac{1}{\displaystyle 3a^2 \cdot \frac{x^3}{(a^2+x^2)^{3/2}} } + C \\\\\\\\ -\frac{1}{\displaystyle \frac{3a^2x^3}{(a^2+x^2)^{3/2}}} + C \\\\\\\\ \boxed{ \boxed{ -\frac{(a^2+x^2)^{3/2}}{3a^2x^3} + C } }
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