Matemática, perguntado por Lukyo, 1 ano atrás

Calcule a integral indefinida

\displaystyle\int\sqrt{e^{\lambda x}+k}\,dx

sendo λ, k constantes reais não-nulas.


Lukyo: Ah, agora percebi que simplificaria dizer que k > 0, visto as manipulações feitas. Errata: k > 0.
Lukyo: Ficaria até mais elegante se eu tivesse colocado k^2 ao invés de apenas k. :)

Soluções para a tarefa

Respondido por TioLuh
5
Olá Lucas! Vamos apenas aplicar algumas substituições.

\displaystyle \int \sqrt{e^{\lambda x}+k} \, \, dx \\ \\ \\ u = \lambda x \\ \\ du = \lambda \, \, dx \\ \\ dx = \frac{1}{\lambda} \, \, du \\ \\ \\ \frac{1}{\lambda} \cdot \int \sqrt{e^u+k} \, \, du \\ \\ \\ v=e^u+k \, \, \hookrightarrow \, \, e^u=v-k \\ \\ dv = e^u \, \, du \\ \\ du = \frac{1}{e^u} \, \, dv

Daí:

\displaystyle \frac{1}{\lambda} \cdot \int \frac{\sqrt{v}}{e^u} \, \, dv \\ \\ \\ \frac{1}{\lambda} \cdot \int \frac{\sqrt{v}}{v-k} \, \, dv \\ \\ \\ w= \sqrt{v} \, \, \hookrightarrow \, \, v=w^2 \\ \\ dw = \frac{1}{2\sqrt{v}} \, \, dv \\ \\ dv = 2 \sqrt{v} \, \, dw

Temos:

\displaystyle \frac{2}{\lambda} \cdot \int \frac{\sqrt{w^2} \cdot w}{w^2-k} \, \, dw \\ \\ \\ \frac{2}{\lambda} \cdot \int \frac{w^2}{w^2-k} \, \, dw \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \int \frac{w^2}{k-w^2} \, \, dw \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \int \frac{k}{k-w^2} - 1 \, \, dw

Continuando:

\displaystyle  -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \int \frac{k}{k-w^2} \, \, dw - \int 1 \, \, dw \bigg) \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \frac{k}{k} \cdot \int \frac{1}{1-\displaystyle \frac{w^2}{k}} \, \, dw - w \bigg) \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \int \frac{1}{1-\displaystyle \bigg( \frac{1}{\sqrt{k}}w \bigg)^2 } \, \, dw - w \bigg) \\ \\ \\ x = \frac{1}{\sqrt{k}}w \\ \\ \\ dx = \frac{1}{\sqrt{k}} \, \, dw \\ \\ \\ dw = \sqrt{k} \, \, dx

Portanto:

\displaystyle -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \sqrt{k} \cdot \int \frac{1}{1-x^2} \, \, dx - w \bigg)

A seguinte integral é muito simples de fazer, no entanto mostrarei logo a resposta direta dela, mas os passos para fazer é através de frações parciais, comparando os numeradores e solucionando o sistema linear gerado pelas constantes A e B.

\displaystyle \int \frac{1}{1-x^2} \, \, dx = \frac{1}{2} \ln |x+1| - \frac{1}{2} \ln |x-1|+c

Daí ainda temos:

\displaystyle -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \sqrt{k} \cdot ( \frac{1}{2} \ln |x+1| - \frac{1}{2} \ln |x-1|) - w \bigg) \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \frac{\sqrt{k}}{2} \ln |x+1| - \frac{\sqrt{k}}{2} \ln |x-1| - w \bigg)

Só teremos que substituir os valores e simplificar:

\displaystyle \displaystyle -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg| \frac{1}{\sqrt{k}}w+1 \bigg| - \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg | \frac{1}{\sqrt{k}}w-1 \bigg| - w \bigg) \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg| \frac{\sqrt{v}}{\sqrt{k}} +1 \bigg| - \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg | \frac{\sqrt{v}}{\sqrt{k}}-1 \bigg| - \sqrt{v} \bigg)

==========

\displaystyle -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg| \frac{\sqrt{e^u+k}}{\sqrt{k}} +1 \bigg| - \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg | \frac{\sqrt{e^u+k}}{\sqrt{k}}-1 \bigg| - \sqrt{e^u+k} \bigg) \\ \\ \\ -\frac{2}{\lambda} \cdot \bigg( \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg| \frac{\sqrt{e^{\lambda x}+k}}{\sqrt{k}} +1 \bigg| - \frac{\sqrt{k}}{2} \ln \bigg | \frac{\sqrt{e^{\lambda x}+k}}{\sqrt{k}}-1 \bigg| - \sqrt{e^{\lambda x}+k} \bigg)

===========

\displaystyle \boxed{\boxed{ -\frac{\sqrt{k}}{\lambda} \ln \bigg| \frac{\sqrt{e^{\lambda x}+k}}{\sqrt{k}} +1 \bigg| + \frac{\sqrt{k}}{\lambda} \ln \bigg | \frac{\sqrt{e^{\lambda x}+k}}{\sqrt{k}}-1 \bigg| + \frac{2\sqrt{e^{\lambda x}+k}}{\lambda} + c}}
Respondido por ArthurPDC
3
É dada a integral:

\displaystyle
I=\int \sqrt{e^{\lambda x}+k}\,dx

A princípio, eu resolveria da mesma forma que o colega que respondeu anteriormente. Porém, como essa solução já estava aqui, pensei em outro modo. Vamos fazer apenas uma substituição:

\sqrt{e^{\lambda x}+k}=t+\sqrt{k}\Longrightarrow t=\sqrt{e^{\lambda x}+k}-\sqrt{k}

Elevando os dois lados da primeira igualdade ao quadrado:

e^{\lambda x}+k=t^2+2\sqrt k t+k\\\\
e^{\lambda x}=t^2+2\sqrt k t\\\\
\lambda e^{\lambda x}\,dx=(2t+2\sqrt k)\,dt\\\\
\lambda (t^2+2\sqrt k t)\,dx=2(t+\sqrt k)\,dt\\\\
dx=\dfrac{2}{\lambda}\cdot\dfrac{t+\sqrt k}{t^2+2\sqrt k t}\,dt

Aplicando na integral:

\displaystyle I=\int \sqrt{e^{\lambda x}+k}\,dx\\\\
I=\int (t+\sqrt{k})\cdot\dfrac{2}{\lambda}\cdot\dfrac{t+\sqrt k}{t^2+2\sqrt k t}\,dt\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}\int \dfrac{(t+\sqrt{k})^2}{t^2+2\sqrt k t}\,dt\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}\int \dfrac{t^2+2\sqrt k t+ k}{t^2+2\sqrt k t}\,dt\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}\int \left(\dfrac{t^2+2\sqrt k t}{t^2+2\sqrt k t}+\dfrac{k}{t^2+2\sqrt k t}\right)\,dt\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}\int dt+\dfrac{2k}{\lambda}\int\dfrac{1}{t^2+2\sqrt k t}\right)\,dt\\\\
\displaystyle
I=\dfrac{2}{\lambda}t+\dfrac{2k}{\lambda}\int\underbrace{\dfrac{1}{t(t+2\sqrt k)}\right)}_{E}\,dt\\\\
E=\dfrac{1}{t(t+2\sqrt k)}=\dfrac{A}{t}+\dfrac{B}{t+2\sqrt k}=\dfrac{(A+B)t+2\sqrt k A}{t(t+2\sqrt k)}\\\\\\
\Longrightarrow \begin{cases}2\sqrt{k}A=1\Longrightarrow \underline{\overline{A=1/2\sqrt k}}\\A+B=0\Longrightarrow \underline{\overline{B=-1/2\sqrt k}}\end{cases}\\\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}t+\dfrac{2k}{\lambda}\int\left(\dfrac{1/2\sqrt k}{t}+\dfrac{-1/2\sqrt k}{t+2\sqrt k}\right)dt\\\\
\displaystyle
I=\dfrac{2}{\lambda}t+\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\int\dfrac{1}{t}dt-\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\int\dfrac{1}{t+2\sqrt k}dt\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}t+\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|t|-\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|t+2\sqrt k|+C_0

Agora, basta retornarmos à variável x:

I=\dfrac{2}{\lambda}(\sqrt{e^{\lambda x}+k}-\sqrt{k})+\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|\sqrt{e^{\lambda x}+k}-\sqrt{k}|-\\-\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|(\sqrt{e^{\lambda x}+k}-\sqrt{k})+2\sqrt k|+C_0\\\\
I=\dfrac{2}{\lambda}\sqrt{e^{\lambda x}+k}-\underbrace{\dfrac{2}{\lambda}\sqrt{k}}_{C_1}+\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|\sqrt{e^{\lambda x}+k}-\sqrt{k}|-\\-\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|\sqrt{e^{\lambda x}+k}+\sqrt k|+C_0\\\\

Considerando C=C_0+C_1, chegamos à resposta final:

\boxed{I\!=\!\dfrac{2}{\lambda}\sqrt{e^{\lambda x}+k}+\!\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|\sqrt{e^{\lambda x}\!+\!k}-\!\sqrt{k}|-\dfrac{\sqrt k}{\lambda}\ln|\sqrt{e^{\lambda x}\!+\!k}+\!\sqrt k|\!+\!C}\\\\
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