06/10/2019

Resolução da integral da secante de ax: $\displaystyle \int \sec(ax)dx$

Lembra daquelas tabelas de integrais? Quando estudamos em nossa graduação, muitas vezes somente consultamos as tabelas e tomamos o resultado. Mas como esses resultados foram obtidos?

Este artigo faz parte de uma série de resoluções de integrais que venho fazendo para demonstrar os resultados que encontramos nessas tabelas.

Primeiramente a integral é resolvida passo-a-passo e em seguida é aplicada em exemplos. Para cada integral, utiliza-se técnicas específicas para sua resolução, que pode ser por substituição, por partes, por frações parciais ou substituição trigonométrica.

Nesta postagem, vamos demonstrar que:
$$
\int \sec (ax)\ dx = \frac{\ln | \sec(ax) + \text{tg}(ax) |}{a} + C
$$

sendo $a$ uma constante diferente de zero.

resolucao-da-integral-da-secante-de-ax-integral-por-substituicao-metodos-de-integracao

Seja a integral:
$$
I=\int \sec (ax)\ dx
$$
Para o integrando $\sec (ax)$, fazemos a substituição $u=ax$. Assim, $du=a\ dx$ e $dx = \cfrac{1}{a}du$:
$$
I = \frac{1}{a} \int \sec (u)\ du
$$
Em muitos casos, a nossa experiência em resolução de integrais faz toda a diferença, no sentido de decidir qual método utilizar ou quais artifícios funcionam melhor. Neste caso, se multiplicarmos o numerador e o denominador por uma valor conveniente $\text{tg}(u)+\sec(u)$, conseguiremos simplificar a integral, por mais estranho que pareça.
$$
I = \frac{1}{a} \int \frac{\sec(u)\cdot (\sec(u)+\text{tg}(u))}{\sec(u)+\text{tg}(u)}\ du\\
\ \\
I = \frac{1}{a} \int \frac{\sec^2(u)+\sec(u)\ \text{tg}(u)}{\sec(u)+\text{tg}(u)}\ du
$$
Para o integrando $\cfrac{\sec^2(u)+\sec(u)\ \text{tg}(u)}{\sec(u)+\text{tg}(u)}$, fazemos a substituição $v=\sec(u)+\text{tg}(u)$. Assim, temos que:
$$
dv = \left(\sec^2(u) + \text{tg}(u)\ \sec(u)\right)\ du\\
\ \\
\text{e}\\
\ \\
du = \frac{dv}{\sec^2(u) + \text{tg}(u)\ \sec(u)}
$$
Assim:
$$
I = \frac{1}{a} \int \frac{\sec^2(u)+\sec(u)\ \text{tg}(u)}{v} \cdot \frac{dv}{\sec^2(u)+\sec(u)\ \text{tg}(u)}\\
\ \\
I = \frac{1}{a} \int \frac{1}{v}\ dv
$$
A integral de $\cfrac{1}{v}$ é $\ln (v)$. Assim:
$$
I = \frac{1}{a} \cdot \ln |v| + C\\
\ \\
I = \frac{\ln |v|}{a }+ C
$$
Mas, $v=\sec(u)+\text{tg}(u)$, assim:
$$
I = \frac{\ln |\sec(u)+\text{tg}(u)}{a}+C
$$
E $u=ax$. Logo:
$$
I = \frac{\ln |\sec(ax)+\text{tg}(ax)}{a}+C
$$
A curva $\sec(ax)$ gera uma família de curvas conforme o parâmetro $a$ é alterado. A imagem abaixo mostra três curvas sobrepostas:

familia-de-curvas-geradas-pela-funcao-sec(ax)

onde:
$$
\color{Green}{\Rule{20px}{12px}{0px}} \ f(x) = \sec(x)\quad
\color{Blue}{\Rule{20px}{12px}{0px}} \ g(x) = \sec(2x)\quad
\color{Red}{\Rule{20px}{12px}{0px}} \ h(x) = \sec\left(\frac{x}{2}\right)
$$

Exemplo 1:

Vamos calcular a área sob a curva $f(x)=\sec(x)$, compreendida no intervalo $[0,\pi/3]$.

Cálculo da área sob a curva f x=sec x, compreendida no intervalo de 0 a pi

Para calcularmos a área desejada, utilizaremos o conceito de integral definida, com limites de integração inferior e superior iguais a $0$ e $\pi/3$, respectivamente. Assim, podemos representar a área $A$ como:
$$
A = \int_0^{\pi/3} \sec(x)\ dx
$$
Utilizando o resultado que obtivemos logo acima para a integral de $\sec(ax)$, fazemos $a=1$, de modo que:
$$
A = \int_0^{\pi/3} \sec(x)\ dx\\
\ \\
A = \Big[ \ln | \sec(x) + \text{tg} (x)| \Big] _0^{\pi/3}\\
\ \\
A = \left[ \ln \left(\sec\left(\frac{\pi}{3}\right) + \text{tg}\left(\frac{\pi}{3}\right)\right) \right] - \left[ \ln \left( \sec(0) + \text{tg}(0) \right) \right]\\
\ \\
A = \ln (2+\sqrt{3} ) - \ln (1+0)\\
\ \\
A = \ln (2+\sqrt{3}) - \ln(1)\\
\ \\
A \approx 1,317 - 0\\
\ \\
A \approx 1,317
$$
Assim, a área desejada vale aproximadamente $1,317$ unidades de área.

Exemplo 2:

Vamos calcular a área sob a curva $f(x)=\sec\left(\cfrac{x}{2}\right)$ no intervalo de $x=0$ a $x=\cfrac{\pi}{2}$.

Área sob a curva sec(x/2)

A resolução nos remete ao conceito de integral definida:
$$
A = \int_0^{\pi/2} \sec\left(\frac{x}{2}\right)\ dx
$$
Vamos utilizar o resultado anterior para calcularmos a área desejada.
$$
\int \sec(ax) = \frac{\ln |\sec(ax)+\text{tg}(ax)|}{a}+C
$$
Neste caso, o parâmetro $a$ é igual a $1/2$. Então, o problema se resume a:
$$
A = \left[ \frac{\ln \left( \sec \left(\cfrac{x}{2}\right)+\text{tg}\left(\cfrac{x}{2}\right) \right)}{\cfrac{1}{2}} \right]_0^{\pi/2}\\
\ \\
A = 2 \cdot\left[ \ln \left( \sec \left(\cfrac{x}{2}\right)+\text{tg}\left(\cfrac{x}{2}\right) \right) \right]_0^{\pi/2}\\
\ \\
A = 2 \cdot\left[ \ln \left( \sec \left(\cfrac{\pi}{4}\right)+\text{tg}\left(\cfrac{\pi}{4}\right) \right) \right]\\
$$
A secante de $\pi/4$ é equivalente à secante de $45°$ e vale $\sqrt{2}$. A tangente de $\pi/4$ vale $1$. Assim:
$$
A = 2\cdot \ln \Big( \sqrt{2} + 1\Big) \\
\ \\
A = 1,76274\cdots
$$
Assim, a área desejada mede aproximadamente $1,76$ unidades de área.

Links para este artigo:


Veja mais:

COMO REFERENCIAR ESSE ARTIGO: Título: Resolução da integral da secante de ax: $\displaystyle \int \sec(ax)dx$. Publicado por Kleber Kilhian em 06/10/2019. URL: . Leia os Termos de uso.


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