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UFS – Curso de Economia Prof. Msc. Patrícia Pugliesi Carneiro
Material Didático de Apoio
INTRODUÇÃO AO ESTUDO DAS
INTEGRAIS
1.1 INTRODUÇÃO
A partir do estudo de integrais será possível obter informações como: a variação total da produção em um intervalo a partir da taxa de variação da produção; a utilidade da integral definida na determinação do cálculo de áreas em gráficos econômicos.
Se f(x) é função derivada da função F(x), então F(x) é a função primitiva de f(x), isto é, F(x) é primitiva de f(x) se: F’(x) =f(x)
Toma-se, como exemplo, a função f(x) = 3x² - 2x + 5. Uma primitiva de f(x) é a função F(x) = x³ - x² + 5x, pois F’(x) = f(x). A primitiva de uma função não é única. De fato, as funções: x³ - x² + 5x + 10 e x³ - x² + 5x – 200
Também são primitivas de f(x) = 3x² - 2x + 5, pois suas derivadas são iguais a f(x). É fácil perceber que a diferença entre as duas primitivas de uma mesma função é uma constante, pois apenas funções que diferem de uma constante podem ter derivadas iguais, uma vez que só as constantes têm derivadas nulas. Pode-se, por essa razão, indicar genericamente a primitiva de f(x) por F(x) + c, onde c é uma constante qualquer.
A notação usada para exprimir que F(x) + c é a primitiva genérica de f(x) é:
f^ ( x ) dx ^ F ( x ) c
Lê-se: a integral indefinida de f(x) é F(x) + c. A constante c é chamada constante arbitrária.
O exemplo fica, então, assim:
(^3 x^ ²^2 x ^5 ) dx x ³ x ²^5 x c
Nem sempre é fácil determinar a primitiva de uma função, mas algumas vezes podem ser determinadas de forma imediata desde que se proceda seguindo o caminho inverso ao usado pra derivar uma função.
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1.2 SIMBOLOGIA OU NOTAÇÃO
Obs.: quando integra a função o sinal some e aparece a constante arbitrária c. A variável que acompanha o sinal de integração (Ex: ) indica em relação a qual variável a função deve ser integrada.
1.3 REGRAS BÁSICAS DE INTEGRAIS INDEFINIDAS
Recebem esse nome de integrais indefinidas porque não há definição do intervalo de existência da área do gráfico das funções apresentadas. A aplicação das regras e/ou métodos fornecerá uma função como resposta, a qual corresponde a uma das primitivas da função (derivada) solicitada^1. Por questões metodológicas, as regras serão apresentadas separadamente e os seus respectivos exemplos ilustrativos serão apresentados por monômios (exercícios pontuais específicos) por ser este uma fase de apresentação, aprendizado com um primeiro contato com o conteúdo. Em momentos posteriores contemplaremos a integração de funções polinomiais que irão requerer a aplicação de regras distintas para a sua resolução.
1.3.1 – REGRA DA CONSTANTE
A integral de uma constante k é a própria constante k multiplicada pelo x mais c.
kdx ^ kx c
1.3.2 – REGRA DA POTÊNCIA
A integral de uma função exponencial cuja variável está elevada a um expoente diferente de 0 e diferente de -1 é obtida descendo o valor do expoente somado de uma
(^1) Neste material não há a dedução de fórmulas, mas apenas a apresentação das regras básicas de forma
direta. Para dedução das fórmulas consultar as referências bibliográficas indicadas no final.
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1.3.5 – REGRA DA SOMA OU DIFERENÇA
A integral da soma ou da diferença de funções é obtida pela soma ou diferença da integral de cada função.
^ f^ x ^ ^ g x ^ f xdx^ g xdx
^ x^3 ^ x ^1 dx
^ dx dx c
x Solução x dx 1 2
:
2 3
x c
x x
4 2
1.3.6 – REGRA DA CONSTANTE MULTIPLICATIVA
A integral de uma função f(x) multiplicada pela constante k é igual a constante k multiplicada pela integral da função f(x).
kf^ xdx^ k f xdx
1.4 REGRAS COMPLEMENTARES DE INTEGRAIS
A seguir são apresentadas algumas regras complementares às anteriores, porém menos usuais, em termos dos exercícios para uma graduação em Economia, quando compradas às anteriores.
1.4.1 – REGRA DA FUNÇÃO EXPONENCIAL
A integral de uma função exponencial , onde a é maior que 0 e diferente de 1, é obtida dividindo 1 por e multiplicando pela função mais c.
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1.4.2 – REGRA DA FRAÇÃO COM RELAÇÃO DE DIFERENCIAÇÃO
A integral de uma função cujo numerador é a derivada da função f(x) e o denominador é a função f(x) é obtido como da função f(x).
1.4.3 – REGRA DO LOGARITMO NEPERIANO COM BASE NA
INTEGRAL POR PARTES
1.5 REGRAS TRIGONOMÉTRICAS DE INTEGRAIS
Em virtude de um gradativo processo de matematização das abordagens econômicas e a utilização cada vez maior do conhecimento do cálculo em suas análises, são apresentadas a seguir as regras básicas de funções trigonométricas.
1.5.1 – REGRA DO SENO
A integral da função trigonométrica é igual a mais c.^2
1.5.2 – REGRA DO COSENO
A integral da função trigonométrica é igual a mais c.
(^2) Em algumas situações será necessário usar o MIS (Método de Integração por Substituição).
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1.6 MÉTODOS DE INTEGRAÇÃO
Os métodos de integração têm por objetivo transformar funções de maior complexidade em funções mais simples visando a aplicabilidade direta das regras básicas, já previamente apresentadas.
1.6.1 – Integração por Substituição:
Chama-se “por substituição” porque substitui parte da função por outra variável.
^ ^ dx f xdu^ F u c dx
du f u
Chama parte da função por outra variável (u). O objetivo é usar um artifício matemático para simplificar a função e transformá-la em outra mais fácil e de aplicação direta as regras básicas de integração. Casos típicos: Raiz de polinômios; Polinômio elevado a um expoente alto; ; Fração com polinômios; Reescreve-se a função em termos de u. para esse artificio usamos o conhecimento de derivadas^3.
Ex : 2 x ^ x ² 1 dx^ 2 x u dx
(^3) Em diversos exemplos e exercícios trabalhamos o resultado obtido da derivação de forma a
isolarmos e descobrirmos o seu significado para reescrevermos a função em termos de u.
x
du dx
x dx
du
u x
udu u c x c
x
du xu
² 12 2
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Ex : 6 x^2 x ³ 2 ^9 dx
2 9 9 3
x
du
Solução x x dx x u
1.6.2 – Integração por Partes
Chama-se “por partes” porque parte se integra e parte se deriva. Primeiro precisa-se definir quem é u e quem é dv na função. Para visualizar melhor antes de aplicar a fórmula, metodologicamente torna-se necessário que se derive u, obtendo du. Logo em seguida, que se integre dv, obtendo v. A partir de então, com todas as informações que se precisa: u, v, du e dv é só substituir na fórmula abaixo:
udv ^ uv vdu Onde: u e v = funções primitivas du e dv = funções derivadas
Ex (^) xedx : 3 x Solução :
Solução: Deriva Integra
Usa o método de integração por Substituição (M.I.S)
e x c
xe e c
xedx x e e dx
udv uv vdu
x
x x
x x x
du dx
dx
du
u x
x
x
x
v e
edx
dv edx
x
du dx
x dx
du
u x
u c x c
u du
u du
10 10
9
9
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Onde
Interpretação geométrica
Se f(x) é contínua em [a,b], então é igual à área da região acima de
[a,b] menos a área da região abaixo de [a,b].
É relevante ressaltar que um resultado negativo, em Economia, para uma integral definida significa que a área calculada localiza-se nos quadrantes inferiores, sobretudo no IV quadrante. O sinal negativo (-) simboliza que a trajetória da função no gráfico se estendeu pelo quadrante inferior (IV).
Teorema Fundamental do Cálculo
Seja f contínua em [a,b], então:
f xdx F b F a
b a
Onde F é uma antiderivada qualquer de f; isto é F’(x) = f(x). Obs.: uso da notação para o Teorema Fundamental do Cálculo:
Propriedades da Integral Definida
I.
A integral definida terá valor zero quando os limites de integração forem iguais.
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II.
A alteração de limites de integração muda o sinal da integral definida.
III.
A integral definida de uma função f(x) multiplicada pela constante k é igual a constante k multiplicada pela integral definida da função f(x).
Solução :
IV.
A integral definida da soma ou da diferença de funções é obtida pela soma ou diferença da integral definida de cada função.
2 Ex : 6 4 xdx
x c
x c
xdx
(^)
2
2
2
F F
F
F
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Então, reescrevendo tudo em função de u
1.8 INTEGRAL IMPRÓPRIA
Ocorre em situações que f(x) não esta definida, ou não é contínua em todos os pontos do intervalo [a,b] considerado ou quando o intervalo estende-se para o infinito. Está relacionada ao cálculo de áreas de regiões infinitas. É a área de uma região no gráfico que se estende infinitivamente para a direita ou para a esquerda.
Definição
Seja a um número fixo e suponha que f(x) seja uma função não negativa para
. Se , então:
Obs.: Lembrar-se de limites no infinito:
Classificação
I. Convergente: resultado final é finito. Valor algébrico ou numérico para a área da função. Obs.: se o limite existir, a integral imprópria é convergente.
II. Divergente: resultado final é infinito. Valor infinito para a área correspondente a função. Obs.: se o limite não existir.
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1.9 INTEGRAL DUPLA
Integral dupla é uma extensão natural do conceito de integral definida para as funções de duas variáveis. São utilizadas para analisar diversas situações envolvendo cálculo de áreas e volumes, determinação de grandezas físicas e outros.
Propriedades
Múltiplo constante:
Soma e diferença:
Resolução
Inicialmente será feita integração com respeito ao primeiro diferencial:
Após aplicar a integral e encontrar o resultado, esse resultado deverá ser integrado com respeito ao segundo diferencial:
f x ydydx
b a
hx g (^) x
^
1 0
2 0 Ex : x 2 dydx
xy y c
xdy dy
x dy
Solução
2 0
2 0
2 0
F F x x
F x
F x x
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1.10 APLICAÇÃO PRÁTICA EM ECONOMIA [A. P. E]
Esta parte do material visa proporcionar ao aluno uma visão da aplicação do conteúdo “puro” de integrais de forma aplicada. São questões que utilizam o instrumental do conteúdo de integrais para sua resolução. Trata-se de uma abordagem aplicada a Economia que objetiva relacionar o conteúdo matemático trabalhado a sua utilização na resolução de questões de outras disciplinas da graduação de Economia.
Integração de Funções marginais
A integral indefinida permite que se determine uma função total quando se conhece a função marginal correspondente. Sempre será necessária alguma informação a mais para que a constante de integração fique determinada. Essa informação, em certos casos, pode ser implícita ao problema que esta sendo focalizado. Ex: Suponha-se, que se tem a função Rmg 3 q ² 40 q , Cmg 16 q e Cf 200 , respectivamente, Receita Marginal, Custo Marginal e Custo Fixo para
determinado produto. A partir dessas funções, podem-se, através da integral indefinida, determinar as funções, podem-se, através da integral indefinida, determinar as funções Recita e Custo para esse mesmo produto:
R Rmg 3 q^2 40 q dq q^3 20 q^2 k 1
A constante de integração k 1 pode ser determinada se for lembrado que sempre
se deve ter R 0 0 , isto é:
0 3 20 02 k 1 k 1 0 e R q^3 20 q
De forma semelhante, pode ser determinada a função Custo Total:
C Cmg 16 q dq 8 q^2 k
Desta vez, a constante de integração k 2 pode ser determinada fazendo
C 0 Cf , uma fez que o Custo Fixo foi dado como informação adicional:
8 02 k 2 200 k 2 200
Ex.: Integral Definida: Seja p 2 q 10 a função Oferta para uma mercadoria cujo preço atual é 50. O Excedente do Produtor será calculado da seguinte forma:
20 0
2
20 0
20 0
q q
EP q dq qdq
p q q q
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Custos
Para encontrar o Custo Total através do Custo Marginal, basta integrar o Custo Marginal.
Receitas
Para encontrar a Receita Total através da Receita Marginal, basta integrar a Receita Marginal.
Ex.: Na comercialização, em reais, de certo produto, a receita marginal é dada por e o custo marginal é dado por. Considere o intervalo 1≤ q ≤ 5 e calcule: a. A variação total da receita (∆RT) b. A variação total do custo (∆CT) c. A variação total do lucro (∆LT) d. A interpretação gráfica da ∆Lt (item anterior).
Resolução a.
b.
c. RT – CT = LT 560 – 240 = 320
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Excedente do consumidor = Área = ou
Ex.: Considerando que uma pessoa está disposta a comprar calças e a quantidade a ser comprada dependerá do preço unitário das calças. Pela lei da demanda, quanto menor o preço das calças maior a quantidade a ser comprada. Lembrando que: o preço de mercado é interior ao preço que o consumidor está disposto a pagar para algumas quantidades de calças a serem compradas. Note que: a quantidade efetivamente gasta pelo consumidor será dada pela multiplicação do preço de mercado pelo número de calças compradas, ou seja: Preço de mercado X Quantidade comprada
Ex.: na compra de calças, a função demanda é dada por , pede-se: a. Achar a área equivalente ao excedente do consumidor, considerando que o preço de mercado da calça é R$60,00.
Excedente
Excedente do Produtor
Excedente do Produtor é a diferença entre o valor real obtido pelos produtores na oferta (venda) de um produto e o valor mínimo que os produtores estão dispostos a receber na oferta (venda) de um produto.
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Excedente do produtor =
Ex.: Na venda de calças, a função oferta é dada por , pede-se: a. Achar a área equivalente ao excedente do produtor, considerando que o preço de mercado da calça é R$ 50,00.
Excedente
