Substituição de Euler para primitivar expressões irracionais quadráticas II

Retomo o tópico da substituição de Euler exemplificado nesta entrada.

Na questão How to find out what changes applied to integral?, no MSE, Dracontis pretende saber como se pode calcular o seguinte integral

 \displaystyle\int{\dfrac{\sqrt{x^2+1}}{x+2}dx}

que, em Maple, se transforma neste:

\displaystyle\int\dfrac{1}{2} + \dfrac{1+3u^2+4u^3}{-2u^2+2u^4-8u^3}du

Adapto da minha resposta o seguinte cálculo.

1. Podemos usar a substituição de Euler t=\sqrt{x^{2}+1}-x para obter uma fracção racional em termos de t

\begin{aligned}I=\displaystyle\int\dfrac{\sqrt{x^{2}+1}}{x+2}\mathrm{d}x=\dfrac{1}{2}\displaystyle\int\dfrac{1+2t^{2}+t^{4}}{t^{2}\left( -1+t^{2}-4t\right) }\mathrm{d}t.  \end{aligned}

2. Dado que a função integranda é uma fracção racional, podemos decompô-la em fracções parciais e de seguida integrar cada uma dessas fracções

\dfrac{1+2t^{2}+t^{4}}{t^{2}\left( -1+t^{2}-4t\right) }=1-\dfrac{1}{t^{2}}+  \dfrac{4}{t}+\dfrac{20}{t^{2}-4t-1}.

Cálculo pormenorizado. De t=\sqrt{x^{2}+1}-x, obtemos x=\dfrac{1-t^{2}}{2t} e \dfrac{dx}{dt}=-\dfrac{t^{2}+1}{2t^{2}}. Assim temos

\begin{aligned}I&=\displaystyle\int\dfrac{\sqrt{x^{2}+1}}{x+2}\mathrm{d}x=\displaystyle\int\dfrac{t+\dfrac{1-t^{2}}{2t}}{\dfrac{1-t^{2}}{2t}+2}\left( -\dfrac{t^{2}+1}{2t^{2}}\right) \mathrm{d}t\\&=\dfrac{1}{2}\displaystyle\int\dfrac{1+2t^{2}+t^{4}}{t^{2}\left( -1+t^{2}-4t\right) }\mathrm{d}t.\end{aligned}

Decompondo nas fracções parciais indicadas acima, obtemos

\begin{aligned}2I&=\displaystyle\int 1-\dfrac{1}{t^{2}}+\dfrac{4}{t}+\dfrac{20}{t^{2}-4t-1}\mathrm{d}t\\&=\displaystyle\int 1\mathrm{d}t-\displaystyle\int\dfrac{1}{t^{2}}\mathrm{d}t+4\displaystyle\int\frac{1}{t}\mathrm{d}t+20\displaystyle\int\dfrac{1}{t^{2}-4t-1}\mathrm{d}t\\&=t+\dfrac{1}{t}+4\ln\left\vert t\right\vert -2\sqrt{5}\ln \dfrac{\sqrt{5}t-2\sqrt{5}+5}{5-\sqrt{5}t+2\sqrt{5}}+C\\&=\sqrt{x^{2}+1}-x+\dfrac{1}{\sqrt{x^{2}+1}-x}+4\ln\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right) \\&-2\sqrt{5}\ln\dfrac{\sqrt{5}\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right) -2\sqrt{5}+5}{5-\sqrt{5}\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right) +2\sqrt{5}}+C.  \end{aligned}

Logo o integral dado é igual a

\begin{aligned}I&=\dfrac{1}{2}\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right) +\dfrac{1}{2}\frac{1}{\sqrt{x^{2}+1}-x}+2\ln\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right)\\&-\sqrt{5}\ln\dfrac{\sqrt{5}\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right) -2\sqrt{5}+5}{5-\sqrt{5}\left( \sqrt{x^{2}+1}-x\right) +2\sqrt{5}}+C.  \end{aligned}

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Coincidências (parte 2)

Continuando onde havíamos parado na postagem anterior, a teoria de probabilidades nos fornece, muitas vezes, resultados fascinantes, e muitas vezes contra-intuitivos. Uma dos resultados mais impressionantes, e também um dos mais conhecidos, é o famoso Problema de Monty Hall.

O senhor Monty Hall era o simpático apresentador do Let’s Make a Deal (Em português: Vamos fazer um acordo). Nesse programa, o participante era apresentado a três portas fechadas, onde atrás dela havia um grande prêmio (em geral, um automóvel), enquanto atrás das outras duas, não havia nada. O participante, então, escolhia uma delas. Logo em seguida, Hall abria uma das portas que o participante não escolheu, sabendo que nela não está o prêmio, e pede que o participante escolha entre permanecer com a mesma porta, ou trocar de porta.
Uma pessoa comum, ou sem conhecimento de probabilidade, deve pensar que, quando estão apenas duas portas fechadas, as chances de que uma delas tenha o prêmio é de 1:2 (ou 50%), o que não é verdade.
Vamos analisar o problema probabilisticamente: Se são três portas, a probabilidade de que se escolha a correta é de 1:3 (ou 33,4%). Até aí tudo bem. Então, um evento transformador acontece. Monty Hall abre uma das portas que não possui o prêmio: a porta que ele escolhe abrir depende da porta que você escolheu, e as chances do prêmio estar na outra porta não é 1:2, mas 2:3.
Observe o diagrama:

Ele mostra que a única forma de se perder, trocando de porta, é escolhendo a porta certa no início, ou seja, com probabilidade 1:3. Dessa forma, trocando de porta, a probabilidade de vitória é 2:3, ou 66,6%
Assim, fica mostrado aqui mais um resultado a principio contra-intuitivo trazido pela matemática das probabilidades.
Bons jogos, e até a próxima!

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B. Demidovitch — Problemas e Exercícios de Análise Matemática

Adquiri hoje este livro já antigo, traduzido para português em 1977, pela editora MIR. A edição que comprei é da Escolar Editora. Lembro-me de o ter consultado por essa altura, por causa do método de Runge-Kutta de integração numérica de equações diferenciais.

Segundo já li, fazia parte da tradição da escola matemática soviética a publicação de livros de problemas bastante completos. Este, com 488 páginas, ultrapassa os 3000. Segundo se lê na contracapa, este «livro é obra de um grupo de professores de escolas técnicas superiores, autores de trabalhos já publicados sobre diferentes temas de Análise Matemática e destina-se a estudantes de Engenharia, Matemática e Física.»

Com Respostas no final do livro, os títulos dos seus 10 capítulos são: I. Introdução à Análise; II. Diferenciação de funções; III. Extremos da função e aplicações geométricas das derivadas; IV. Integral indefinida; V. Integral definida; VI. Funções de diversas variáveis; VII. Integrais múltiplas e curvilíneas; VIII. Séries; IX. Equações Diferenciais; X. Cálculos aproximados.


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Equação cúbica com coeficientes reais dada uma das raízes

Nesta questão do MSE mcb pede basicamente como determinar as raízes da equação cúbica

z^{3}-(b+6)z^{2}+8b^{2}z-7+b^{2}=0

em que b\in\mathbb{R}, sabendo que z_{1}=1+i é uma das raízes.

Tradução da minha resposta: Considere o polinómio cúbico

P(z)=z^{3}+Az^{2}+Bz+C\qquad (1),

em que os coeficientes A,B e C são números reais. Se designarmos as suas raízes por z_{1},z_{2} e z_{3}, então o polinómio decompõe-se nos factores

\begin{aligned}P(z)&=\left( z-z_{1}\right) \left( z-z_{2}\right) (z-z_{3})\\  &=z^{3}-\left( z_{1}+z_{3}+z_{2}\right) z^{2}+\left(z_{1}z_{2}+z_{2}z_{3}+z_{1}z_{3}\right) z-z_{1}z_{2}z_{3}.\end{aligned}\qquad (2)

O termo constante é

P(0)=C=-z_{1}z_{2}z_{3}.

No presente caso A=-(b+6), B=8b^{2} e C=-7+b^{2}. Dado que z_{1}=1+i é uma solução, então z_{2}=\overline{z}_{1}=\overline{1+i}=1-i é outra, como concluíu. Por isso tem-se z_{1}z_{2}=\left( 1+i\right) \left( 1-i\right)=2 e

\begin{aligned}-7+b^{2}=-2z_{3}\end{aligned},\qquad (3)

cuja solução é

z_{3}=\dfrac{7-b^{2}}{2}.\qquad (4)

Como P(z_1)=P(z_2)=0, tem-se

\begin{aligned}&\left( 1+i\right) ^{3}-(b+6)\left( 1+i\right) ^{2}+8b^{2}\left( 1+i\right) -7+b^{2}\\&=-9+9b^{2}+i\left( -10-2b+8b^{2}\right)=0,\end{aligned}\qquad (5)

\begin{aligned}&\left( 1-i\right) ^{3}-(b+6)\left( 1-i\right) ^{2}+8b^{2}\left( 1-i\right)  -7+b^{2}\\&=-9+9b^{2}+i\left( 10+2b-8b^{2}\right)=0,\end{aligned}\qquad (6)

o que significa que b verifica o sistema

\begin{aligned}\left\{\begin{array}{c}-9+9b^{2}=0\\10+2b-8b^{2}=0.\end{array}\right.\end{aligned}\qquad (7)

A solução de (7) é b=-1. Usando (4) determina-se

z_{3}=3.\qquad (8)

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Exercício de Cálculo: área da elipse

A equação de uma elipse cujos eixos coincide com os coordenados é, como se sabe,

\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1,

em que a\ge 0 e b\ge 0 são os semi-eixos. Assim, tem-se

y=\pm b\sqrt{1-\dfrac{x^{2}}{a^{2}}}

A  área delimitada pela elipse é o quádruplo da que se situa no 1.º quadrante; donde

4\displaystyle\int_{0}^{a}b\sqrt{1-\dfrac{x^{2}}{a^{2}}}\; \mathrm{d}x=4\left( \dfrac{1}{2}ba\arcsin 1\right) =ab\pi .

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Pela blogosfera, no Pieces of a Lifetime — Aulas de Matemática: «A matemática (…) [tem] vindo a descer o seu nível de exigência.»

Do blogue Pieces of a Lifetime de , linkando no fim para esta minha entrada de Junho 19, 2011.

Aulas de Matemática

« Já gostei de matemática, agora nem tanto, afinal, matemática A de 11º ano já é puxadita. Também não gosto muito do stor, não sei o que é, mas não gosto do jeito dele. Mas quando ele se põe a falar do ensino em Portugal é cada tiro, cada melro. O raio do homem acerta sempre! Coisas que nunca tinha reparado, ele põe-se a falar, lá raciocino um pouco e chego à conclusão que é mesmo isso!

Entre as várias conclusões, estão:

- até ao 9º ano é “chutar” os putos pá frente, mesmo com 3 ou mais negativas! — já vi isso acontecer! -

- o pessoal sem bases espalha-se ao comprido no 10º ou 11º, de acordo com o meu stor: “há um ano em que as pagam todas”

e melhor:

- agora com o ensino obrigatório até ao 12º ano, vai ser chutar o pessoal até à universidade — ok, esta já foi a conclusão de um colega meu -

E este país ainda quer avançar sem ter bases sólidas na educação! … porque se é esta cambada de ignorantes — se servir o barrete a alguém, digam — que eu vejo todos os dias na escola, que vai governar o país… a geração a seguir a mim está bem lixada!

A matemática, e até outras disciplinas, têm vindo a descer o seu nível de exigência. Eu aconselhava que fossem a este  site onde verdadeiramente mostra a exigência dos testes de antigamente. »

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Equivalência das definições de uma região do plano ℝ² em coordenadas cartesianas x,y e polares r,θ

Problema: R é a região de \mathbb{R}^{2} definida por

R=\left\{ \left( x,y\right)\in\mathbb{R}^{2}:(x-2)^{2}+y^{2}\leq 4\wedge y\geq 0\right\}

Mostre que  em coordenadas polares R se define por

R=\left\{ (r,\theta )\in\mathbb{R}^{2}:0\leq r\leq 4\cos\theta\wedge 0\leq \theta\leq\dfrac{\pi }{2}\right\}

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Exercício sobre convergência de um integral impróprio paramétrico

Exercício ([1, exercício 4, p. 648]) Determine a região do plano xy onde o integral a seguir indicado é convergente

I=\displaystyle\int_{0}^{\infty }\frac{1}{t^{x}\left( 1+t^{y}\right) }\;\mathrm{d}t

Resolução: decomponha-se o integral misto na soma dos dois integrais seguintes, respectivamente, de 2.ªe 1.ª espécie

I=\displaystyle\int_{0}^{1}\dfrac{1}{t^{x}\left( 1+t^{y}\right) }\;\mathrm{d}t+\displaystyle\int_{1}^{\infty }\dfrac{1}{t^{x}\left( 1+t^{y}\right) }\;\mathrm{d}t=I_{1}+I_{2}

em que

\begin{aligned}I_{1}&=&\displaystyle\int_{0}^{1}\dfrac{1}{t^{x}\left( 1+t^{y}\right) }\;\mathrm{d}t\\I_{2} &=&\displaystyle\int_{1}^{\infty }\dfrac{1}{t^{x}\left( 1+t^{y}\right) }\;\mathrm{d}t\end{aligned}

Seja f(t)=1/(t^{x}\left( 1+t^{y}\right) ) e escolha-se a função g_{1}(t)=1/t^{x}. Aplique-se o critério de convergência do limite. Como

\lim_{t\rightarrow 0^{+}}\dfrac{f(t)}{g_{1}(t)}=\lim_{t\rightarrow 0^{+}}\dfrac{1}{1+t^{y}}=1\qquad (y<0)

Ora \displaystyle\int_{0}^{1}t^{-x}\;\mathrm{d}t é convergente, se x<1, donde o integral I_{1} converge na região R_{1}=\left\{ \left( x,y\right) :x<1\wedge y>0\right\}. Seja agora g_{2}(t)=1/t^{x+y}. Então, aplicando novamente o critério do limite

\lim_{t\rightarrow \infty }\dfrac{f(t)}{g_{2}(t)}=\lim_{t\rightarrow \infty }\dfrac{t^{x+y}}{t^{x}\left( 1+t^{y}\right) }=\lim_{t\rightarrow \infty }\dfrac{t^{y}}{1+t^{y}}=1\qquad (y>0)

como, para x+y>1 o integral \displaystyle\int_{1}^{\infty }t^{-\left( x+y\right) }\;\mathrm{d}t é convergente, conclui-se que I_{2} converge na região R_{2}=\left\{ \left( x,y\right) :x+y>1\right\}. Resulta por fim que  I converge em

 R=R_{1}\cap R_{2}=\left\{ \left( x,y\right) :x<1\wedge y>1-x\right\}

ou seja, à esquerda da recta x=1 e acima da recta y=1-x.

[1] TAYLOR, Angus, Advanced Calculus, Blaisdell Publishing Company, Waltham, Massachusetts, 1955.

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