Aula teórica 26

Primitivas.
Primitivação de funções racionais.

Material de estudo:

Nesta aula continuamos com métodos de primitivação, desta vez com a primitivação de funções racionais. O objectivo aqui é muito prático: é saber primitivar exemplos concretos. O texto abaixo vai nesse sentido. Contudo, uma exposição teórica mais completa pode ser consultada nas páginas 129-138 do texto [AB].

Reitera-se o comentário da aula anterior de que é muito importante os alunos resolverem exercícios de forma autónoma. Só assim é que o aluno fica preparado para escolher as boas opções no cálculo de uma primitiva que use os métodos dados.

Sugere-se que depois de estudado o texto em baixo vejam os exercícios 2 da lista [P], além de,claro está, resolver os exercícios das aulas de problemas.

Primitivação de funções racionais.

Funcões racionais. São funções do tipo \[f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)}\] onde \(P(x)\) e \(Q(x)\) são dois polinómios.

Contrariamente ao que acontece com a primitivação no caso geral, para esta classe de funções temos um método sistemático de calcular primitivas. Por outro lado, outras primitvas podem ser reduzidas a primitvas de funções racionais como já puderam constatar na aula anterior com o método de primitivação por partes. Na próxima aula veremos ainda outro método em que tal acontecerá: o método de substituição de variável. Podemos considerar então que, uma vez que o problema original tenha sido convertido na primitivação de uma função racional usando um daqueles métodos, ele estará já praticamente resolvido.

Começemos por algumas primitivas imediatas e quase-imediatas que já conhecemos e que vão constituir os blocos com os quais se vão construir as primitvas de todas as outras funções racionais.
NOTA: Nesta aula vamos começar a usar quase exclusivamente a notação de integral.

1. Casos importantes

  1. \(\;\displaystyle \int \dfrac{1}{x-a}\,dx=\ln |x-a|,\qquad\qquad a\in\mathbb{R}\)

    Exemplos: \(\displaystyle\;\int \frac{1}{x+2}\,dx=\ln|x+2|,\qquad\int \frac{1}{x-1}\,dx=\ln|x-1|,\)

  2. \(\;\displaystyle \int \dfrac{1}{(x-a)^n}\,dx=\frac{1}{1-n}\frac{1}{(x-a)^{n-1}}\qquad\qquad a\in\mathbb{R},\; n=2,3,\dots.\)

    Exemplos: \(\displaystyle\;\int \frac{1}{(x+1)^2}\,dx=-\frac{1}{x+1},\qquad\int \frac{1}{(x-5)^{10}}\,dx=-\frac{1}{9}\frac{1}{(x-5)^9},\)

  3. \(\;\displaystyle\int \frac{2x+a}{x^2+ax+b}\,dx=\ln|x^2+ax+b|\qquad a,b\in\mathbb{R}.\qquad\) Útil quando \(x^2+ax+b\) não tem raizes reais

    Exemplos: \(\displaystyle\;\int \frac{2x}{x^2+1}\,dx=\ln|x^2+1|,\qquad\int \frac{2x+3}{x^2+3x+4}\,dx=\ln|x^2+3x+4|,\)

  4. \(\; \displaystyle\int\frac{1}{x^2+1}\,dx=\operatorname{arctg}x,\quad\) ou mais geralmente, \(\quad \displaystyle\int\frac{u'}{u^2+1}\,dx=\operatorname{arctg}u.\;\) Vamos considerar \(u(x)\) como um um polinómio.

    Vejamos nos seguintes três exemplos seguintes como se usa este último caso:

    Exemplo: \(\; \displaystyle\int\frac{1}{x^2+3}\,dx=\frac{1}{3}\int\frac{1}{\left(\dfrac{x}{\sqrt{3}}\right)^2+1}dx =\frac{\sqrt{3}}{3}\int\frac{\left(\dfrac{x}{\sqrt{3}}\right)'}{\left(\dfrac{x}{\sqrt{3}}\right)^2+1}dx =\frac{1}{\sqrt{3}}\operatorname{arctg}\left(\dfrac{x}{\sqrt{3}}\right)\)

    No seguinte exemplo usamos a técnica "do completamento do quadrado" que consiste em escrever um polinómio quadrático \(x^2+ax+b\) na forma \((x-c)^2+d^2\) (relembre do Ensino Secundário a forma como se obteve a fórmula resolvente ds equações do 2º grau!). A ideia é identificar \(ax\) com o termo \(-2cx\), o que nos permite deduzir \(c\), somar e subtrair \(c^2\) ao polinómio original, por forma a obtermos \((x^2+ax+c^2)-c^2+b=(x-c)^2+d^2\) e daí extrairmos \(d\). Veja os dois exemplos seguintes:

    Exemplo: \(\; \displaystyle\int\frac{1}{x^2-6x+10}\,dx =\int\frac{1}{(x^2-6x+9)-9+10}\,dx=\int\frac{1}{(x-3)^2+1}\,dx =\int\frac{(x-3)'}{(x-3)^2+1}\,dx =\operatorname{arctg}\left(x-3\right)\).

    Exemplo:

    \(\; \displaystyle\begin{aligned}\int\frac{1}{x^2-6x+13}\,dx &=\int\frac{1}{(x^2-6x+9)-9+13}\,dx=\int\frac{1}{(x-3)^2+4}\,dx\\ &=\frac{2}{4}\int\frac{\left(\dfrac{x-3}{2}\right)'}{\left(\dfrac{x-3}{2}\right)^2+1}\,dx =\frac{1}{2}\operatorname{arctg}\left(\dfrac{x-3}{2}\right).\end{aligned}\)

    Como exercício pode repetir este procedimento no caso geral e obter, para \( Q(x)=x^2+ax+b\) sem raizes reais,

    \(\displaystyle \int \frac{1}{x^2+ax+b}dx=\frac{1}{d}\operatorname{arctg}\left(\frac{x-c}{d}\right),\quad\) onde \(\quad c=-\dfrac{a}{2}\quad\) e \(\quad d=\dfrac{1}{2}\sqrt{4b-a^2}\).

    Repare que a última raiz quadrada só existe no caso em que \(Q(x)\) não tem raizes (veja a fórmula resolvente...)

    Observação: Damos aqui a expressão geral mas tenha em atenção que não é para a decorar! O que é preciso é saber usar o procedimento que levou à sua obtenção, tal como nos três exemplos anteriores.

2. Redução do grau do numerador

Vamos admitir a seguinte hipótese:

\[\text{grau do polinómio }\;Q(x)\quad\gt\quad\text{ grau do polinómio }\; P(x)\]

Se esta condição não for satisfeita à partida, antes de aplicarmos os métodos desta aula temos que escrever a função racional dada na forma \[f(x)=R(x)+\frac{P(x)}{Q(x)}\] onde \(P(x),Q(x),R(x)\) são polinómios tais que: grau de \(Q(x)\;\)\(\gt\;\)grau de \(\;P(x)\).

Exemplos:

\(\displaystyle \int \frac{x}{x+1}\,dx=\int\left(1-\frac{1}{x+1}\right)dx=x-\ln|x+1|\)

\(\displaystyle \int \frac{x^2}{x^2+1}\,dx=\int\left(1-\frac{1}{x^2+1}\right)dx=x-\operatorname{arctg }x\)

\(\displaystyle \int \frac{x^3}{x^2+x-1}\,dx=\int\left((x-1)+\frac{2x-1}{x^2+x-1}\right)dx=\frac{(x-1)^2}{2}-\int \frac{2x-1}{x^2+x-1}\,dx\)

O problema é semelhante ao da divisão entre números inteiros. Recordêmo-la:

Dados dois inteiros positivos, \(N\) (o dividendo) e \(D\) (o divisor), com \(N\geqslant D\), pretende-se encontrar dois inteiros \(Q\) (o quociente) e \(R\) (o resto) tais que \(R\lt D\) e \[N=DQ+R,\qquad \text{ ou seja, }\qquad\frac{N}{D}=Q+\frac{R}{D}\,.\] Por exemplo, dados \(N=20\) e \(D=3\) temos \[20=3\cdot 6+2,\qquad \text{ ou seja, }\qquad\frac{20}{3}=6+\frac{2}{3}\,.\] com \(2\lt 3\). e, portanto, resulta \(Q=6\) e \(R=2\).

Como sabem, isto é sempre possível fazer e a solução é única. A forma prática de encontrar \(Q\) e \(R\) ("à mão"...) no caso geral é o algoritmo da divisão que já conhecem desde o ensino básico.

Falemos agora da divisão polinomial. Dados dois polinómios \(N(x)\) (o polinómio dividendo) e \(D(x)\) (o polinómio divisor) tais que \[\text{grau de } N(x)\geqslant \;\text{grau de }D(x),\] pretende-se calcular dois polinómios \(Q(x)\) (o polinómio quociente) e \(R(x)\) (o polinómio resto) tais que \[\text{grau de } R(x)\lt \;\text{grau de }D(x),\] e \[N(x)=D(x)Q(x)+R(x),\qquad \text{ ou seja, }\qquad\frac{N(x)}{D(x)}=Q(x)+\frac{R(x)}{D(x)}\,.\] Um exemplo: suponhamos que são dados \(N(x)=x^3+1\) e \(D(x)=x^2+1\). Então, como temos \[x^3+1=(x^2+1)x+ (-x+1),\qquad \text{ ou seja, }\qquad\frac{x^3+1}{x^2+1}=x+\frac{-x+1}{x^2+1}\,,\] e o grau de \(-x+1\) é inferior ao de \(x^2+1\), concluimos que \(Q(x)=x\) é o polinómio quociente e \(R(x)=-x+1\) o polinómio resto da divisão de \(x^3+1\) por \(x^2+1\).

Tal como no caso da divisão de inteiros, também na divisão polinomial a forma sistemática de proceder é recorrendo ao algoritmo da divisão. Não é de admirar que este algoritmo seja em tudo semelhante ao dos números inteiros.

Exemplo 1. Pretendemos dividir \(\;N(x)=6x^3+x^2+3\;\) por \(\;D(x)=x^2-x+1\,\). Começemos por dispor \(N(x)\) e \(D(x)\) do seguinte modo: \[ \begin{array}{rrl} 6x^3 + \phantom{6}x^2 + 0x + 3 & &|\underline{x^2 - x + 1} \\ \end{array} \] Reparem nos termos com coeficientes 0 que correspondem às potências de \(x\) que faltam nos polinómios.

Em seguida, vemos qual é o factor pelo qual é preciso multiplicar o termo de maior grau de \(D(x)\) (neste caso é \(x^2\)) de forma a dar o termo de maior grau de \(N(x)\) (neste caso é \(6x^3\)). Esse factor, neste caso é \(6x\), o qual colocamos por baixo do divisor: \[ \begin{array}{rrl} 6x^3 + \phantom{6}x^2 + 0x + 3 & &|\underline{x^2 - x + 1} \\ & &\;6x \\ \end{array} \] O passo seguinte é multiplicar o polinómio \(D(x)\) por \(6x\) e colocar o simétrico do resultado por baixo de \(N(x)\) alinhando os vários termos de acordo com as potências de \(x\): \[ \begin{array}{rrl} 6x^3 + \phantom{6}x^2 + 0x + 3 & &|\underline{x^2 - x + 1} \\ -6x^3 + 6x^2 - 6x \phantom{{}+3} & &\;6x \end{array} \] Somam-se os dois polinómios do lado esquerdo: \[ \begin{array}{rrl} \cancel{6x^3} + \phantom{6}x^2 + 0x + 3 & &|\underline{x^2 - x + 1} \\ \underline{-\cancel{6x^3} + 6x^2 - 6x \phantom{{}+3}} & &\;6x\\ 7x^2 - 6x + 3 \end{array} \] Vê-se qual é o fatcor pelo qual é preciso multiplicar o termo de maior grau de \(D(x)\) (\(x^2\)) para dar o termo de maior grau do polinómio resultante do laod esquerdo \(7x^2\). Neste caso é a constante 7 a qual adicionamos ao termo \(6x\) que já tinha sido obtido e repetimos o procedimento anterior. Completa-se então o algoritmo: \[ \begin{array}{rrl} \cancel{6x^3} + \phantom{6}x^2 + 0x + 3 & &|\underline{x^2 - x + 1} \\ \underline{-\cancel{6x^3} + 6x^2 - 6x \phantom{{}+3}} & &\;6x + 7 \\ \cancel{7x^2} - 6x + 3 \\ \underline{ -\cancel{7x^2} + 7x - 7} \\ x - 4 \end{array} \] Concluimos que o polinómio quociente é \(Q(x)=6x+7\) e o polinómio resto é \(R(x)=x-4\). Noutros termos, \[6x^3+x^2+3=(x^2-x+1)(6x+7)+x-4,\qquad \text{ ou seja, }\qquad\frac{6x^3+x^2+3}{x^2-x+1}=6x+7+\frac{x-4}{x^2-x+1}\,.\]

Exemplo 2. A divisão polinomial correspondente ao último exemplo anterior a esta nota, consiste em considerar \(N(x)=x^3\) e \(D(x)=x^2+x-1\). Confirme o algoritmo: \[ \begin{array}{rrl} \phantom{6}\cancel{x^3} + 0x^2 + 0x + 0 & &|\underline{x^2 + x - 1} \\ \underline{-\cancel{x^3} - \phantom{6}x^2 + \phantom{6}x \phantom{{}+3}} & &\;x - 1 \\ -\cancel{x^2} + x - 0 \\ \underline{ \cancel{x^2} + x - 1} \\ 2x - 1 \end{array} \] Concluimos que \(Q(x)=x-1\) e que \(R(x)=2x-1\). Logo, \[x^3=(x^2+x-1)(x-1)+2x-1,\qquad \text{ ou seja, }\qquad\frac{x^3}{x^2+x-1}=x-1+\frac{2x-1}{x^2+x-1}\,.\]

3. O método da decomposição em fracções simples

Suponhamos já que o grau de \(P(x)\) é estritamente inferior ao de \(Q(x)\).

O método da decomposição em fracções simples consiste então em escrever o polinómio \(Q(x)\) como um produto de factores, que veremos de seguida, \(Q(x)=q_1(x)q_2(x)\dots q_N(x)\) e considerar a decomposição \[f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)}=g_1(x)+g_2(x)+\dots+g_N(x)\] em que cada parcela \(g_i(x)\) está associada a um factor \(q_i(x)\) e tem a forma de uma fracção que designamos por fracção simples e cuja primitivação é imediata ou quase-imediata. Os exemplos 1.-4. do início são casos particulares de fracções simples (os casos 3. e 4. quando \(x^2+ax+b>0\), ou seja, \(Q(x)\) não tem raizes).

3.1. Todos os casos \(n=2\)

Temos então, \[f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)}=\frac{cx+d}{x^2+ax+b}\] Dependendo das constantes \(a,b\) temos 3 casos possíveis:

3.2. Caso geral

Embora os exemplos da secção anterior só completem o estudo da primitivação de funções racionais no caso \(n=2\), elas são ilustrativas dos procedimentos a seguir nos casos \(n\geqslant 2\).

Seja \(\;f(x)=\dfrac{P(x)}{Q(x)}\;\) em que \( P(x)\) e \(Q(x)\) são polinómios tais que o grau de \(Q(x)\) é estritamente maior que o grau de \(P(x)\).

Escrevendo \(\;Q(x)=q_1(x) q_2(x)\dots q_N(x)\;\) (com \(N\leqslant n\)), então, \[f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)}=g_1(x)+g_2(x)+\dots+g_N(x),\] onde, para cada \(i=1,2,\dots,N\),
  1. Se \(q_i(x)\) é da forma \((x-\alpha)^p\,,\; p\in\mathbb{N},\;\) então \( g_i(x)\) é da forma \(\displaystyle \quad\frac{A_1}{x-\alpha}+\frac{A_2}{(x-\alpha)^2}+\dots+\frac{A_p}{(x-\alpha)^p}\)
  2. Se \(q_i(x)\) é da forma \((x-c)^2+d^2\,,\;\) então \( g_i(x)\) é da forma \(\displaystyle \quad\frac{Ax+B}{(x-c)^2+d^2}\)
  3. Se \(q_i(x)\) é da forma \([(x-c)^2+d^2]^q\,,\; q\in\mathbb{N},\;\) então \( g_i(x)\) é uma soma de termos \(\displaystyle \quad\frac{A_jx+B_j}{[(x-c)^2+d^2]^j},\;j=1,\dots,q\)
É claro que estamos a considerar que para diferentes valores de \(i\) correspondem diferentes valores de \(\alpha,\; c,\;d.\)

Nota importante: Os casos 2. e 3. correspondem a factores polinomiais irredutíveis, portanto não correspondem a raizes reais de \(Q(x)\). O caso 2. é muito importante: veja os exemplos atrás no caso \(n=2\) quando \(Q(x)\) não tem raizes reais (repare que nos exemplos atrás não escrevemos exactamente nesta forma mas sim numa equivalente mais conveniente para o cálculo da primitiva). No entanto, os casos 3. são difíceis de lidar e não os consideraremos nesta cadeira. Podem consultar todos os casos nos textos da disciplina [AB] e [CF].

Vejamos os casos possíveis quando \(n=3\). Seja \(P(x)\) um polinómio arbitrário de grau \(\leqslant 2\). Então \(f(x)\) cai necessariamente num dos seguintes casos:

  1. \(\displaystyle f(x)=\frac{P(x)}{(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)}=\frac{A}{x-\alpha}+\frac{B}{x-\beta}+\frac{C}{x-\gamma} \qquad\)(\(Q(x)\) tem 3 raizes reais diferentes)
  2. \(\displaystyle f(x)=\frac{P(x)}{(x-\alpha)^2(x-\beta)}=\frac{A}{x-\alpha}+\frac{B}{(x-\alpha)^2}+\frac{C}{x-\beta} \qquad\)(\(Q(x)\) tem 2 raizes reais diferentes)
  3. \(\displaystyle f(x)=\frac{P(x)}{(x-\alpha)^3}=\frac{A}{x-\alpha}+\frac{B}{(x-\alpha)^2}+\frac{C}{(x-\alpha)^3} \qquad\)(\(Q(x)\) tem apenas 1 raiz real)
  4. \(\displaystyle f(x)=\frac{P(x)}{(x-\alpha)((x-c)^2+d^2)}=\frac{A}{x-\alpha}+\frac{Bx+C}{(x-c)^2+d^2} \qquad\)(\(Q(x)\) tem apenas 1 raiz real)

Observações:

Terminamos a aula com alguns exemplos:

Exemplo. Primitivar \(f(x)=\dfrac{x^2-2}{x(x^2-1)}.\;\)

Como \(Q(x)=x(x^2-1)=x(x+1)(x-1)\) tem 3 raizes \(0,-1,1\) a decomposição neste caso é muito simples: \[f(x)=\frac{A}{x}+\frac{B}{x+1}+\frac{C}{x-1}=\frac{A(x-1)(x+1)+Bx(x+1)+Cx(x+1)}{x(x^2-1)}\] Comparando com a expressão de \(f(x)\) dada, temos, \[A(x-1)(x+1)+Bx(x-1)+Cx(x+1)=x^2-2\] Desta igualdade polinomial obtem-se um sistema de 3 equações nas incógnitas \(A,B,C\) igualando os coeficientes de um lado e do outro da desigualdade correspondentes às mesmas potências de \(x\), (\(x^2,x^1,x^0\)). Uma forma alternativa que habitualmente conduz a menos contas é igualar \(x\) a 3 valores especiais naquela igualdade. Este método dá logo as soluções quando \(Q(x)\) tem tantas raizes quantas o seu grau, que é esta situação. Então, substituindo \(x\) pelas 3 raizes ficamos com \[\begin{aligned} x&=0\quad\Rightarrow\quad -A=-2\\ x&=-1\quad\Rightarrow\quad -2B=-1\\ x&=1\quad\Rightarrow\quad 2C=-1 \end{aligned}\] Daqui resulta, \(A=2\), \(B=\frac{1}{2}\), \(C=-\frac{1}{2}.\;\) Logo, \[\int f(x)\,dx=\int\left(\frac{2}{x}+\frac{1/2}{x+1}-\frac{1/2}{x-1}\right)\,dx=2\ln|x|+\frac{1}{2}\ln|x+1|-\frac{1}{2}\ln|x-1|.\]

Exemplo. Primitivar \(f(x)=\dfrac{x^2+x-1}{(x-1)^3}\)

Neste caso, \[f(x)=\dfrac{A}{x-1}+\frac{B}{(x-1)^2}+\frac{C}{(x-1)^3}=\frac{A(x-1)^2+B(x-1)+C}{(x-1)^3}.\] Comparando com a expressão dada de \(f(x)\) concluimos que, \[A(x-1)^2+B(x-1)+C=x^2+x-1.\] Tal como no caso anterior vamos atribuir 3 valores a \(x\). Desta vez só há uma raiz pelo que dois valores serão à nossa escola e, por isso, vamos considerar valores que conduzem a equações o mais simples possível: \[\begin{aligned} x&=1\quad\Rightarrow\quad C=1\\ x&=0\quad\Rightarrow\quad A-B+C=-1\\ x&=-1\quad\Rightarrow\quad 4A-2B+C=-1 \end{aligned}\] Substituindo \(C=1\) nas outras duas equações obtem-se o sistema \[\left\{\begin{aligned} A-B&=-2\\ 4A-2B&=-2 \end{aligned}\right. \] que é de fácil resolução dando \(B=3,\;\) \(A=1.\) Temos então, \[\int f(x)\, dx=\int\left(\dfrac{1}{x-1}+\frac{3}{(x-1)^2}+\frac{1}{(x-1)^3}\right)\,dx =\ln|x-1|-\frac{3}{x-1}-\frac{1}{2}\frac{1}{(x-1)^2}\,.\]

Exemplo. Primitivar \(f(x)=\dfrac{x+1}{(x-1)(x^2+1)}\).

Decomposição em fracções simples correspondente: \[f(x)=\frac{A}{x-1}+B\,\frac{2x}{x^2+1}+C\,\frac{1}{x^2+1}=\frac{A(x^2+1)+B2x(x-1)+C(x-1)}{(x-1)(x^2+1)}\] Comparando com a expressão dada de \(f(x)\) concluimos que, \[A(x^2+1)+B2x(x-1)+C(x-1)=x+1\,.\] Vamos atribuir valores a \(x\). Neste caso além das raizes \(x=-1\), e \(x=1\), escolhemos \(x=0\): \[\begin{aligned} x&=1\quad\Rightarrow\quad A=1\\ x&=0\quad\Rightarrow\quad A-C=1\\ x&=-1\quad\Rightarrow\quad 2A+4B-2C=0 \end{aligned}\] Daqui resulta \(A=1\), \(C=1-1=0\), \(B=\frac{1}{4}(2C-2A)=-\frac{1}{2}.\;\) Logo, \[\int f(x)\,dx=\int\left(\frac{1}{x-1}-\frac{1}{2}\,\frac{2x}{x^2+1}\right)dx=\ln|x-1|-\frac{1}{2}\ln(x^2+1)\]

Exemplo. Primitivar \(f(x)=\dfrac{4x^2}{(x^2-1)(x^2+1)}.\;\)

Decomposição em fracções simples, notando que \(Q(x)=(x+1)(x-1)(x^2+1)\): \[f(x)=\frac{A}{x+1}+\frac{B}{x-1}+C\;\frac{2x}{x^2+1}+D\;\frac{1}{x^2+1} =\frac{A(x-1)(x^2+1)+B(x^2+1)(x+1)+C2x(x^2-1)+D(x^2-1)}{(x^2-1)(x^2+1)}\] Comparando com a expressão dada de \(f(x)\) temos \[A(x-1)(x^2+1)+B(x^2+1)(x+1)+C2x(x^2-1)+D(x^2-1)=4x^2\] Dando valores a \(x\): \[\begin{aligned} x&=-1\quad\Rightarrow\quad -4A=4\\ x&=1\quad\Rightarrow\quad 4B=4\\ x&=0\quad\Rightarrow\quad -A+B-D=0\\ x&=2\quad\Rightarrow\quad 5A+15B+12C+3D=16 \end{aligned}\] Das duas primeiras equações saí de imediato, \(A=-1\), \(B=1\). Por substituição na terceira, obtemos \(D=2\). Substituindo na última equação, \(10+12C+6=16\), e resulta \(C=0.\;\) Portanto, \[\int f(x)dx=\int\left(-\frac{1}{x+1}+\frac{1}{x-1}+\frac{2}{x^2+1}\right)\,dx=-\ln|x+1|+\ln|x-1|+2\operatorname{arctg}x.\]