Definição: Se $u=g(x)$ for uma função diferenciável cuja imagem é um intervalo I e f for contínua em I, então:

$$ \int f'(g(x)).g'(x)dx= \int f'(u).du $$

A regra da substituição é a técnica equivalente na diferenciação à regra da cadeia. E utilizamos sempre que tivermos função composta.

Algumas integrais especiais que iremos utilizar nesta aula:

$\int xdx = -\cos \cos x+c$

$\int \cos \cos xdx = x+c$

Exemplos:

  1. Resolva a integral a seguir:

    $$ ∫(2x^2+2x−3)10(2x+1)dx $$

    Sempre olhe para onde a função é composta, neste caso é em: $(2x²+2x-3)^{10}$, logo fazemos a mudança de variável $u=2x²+2x-3$, derivando temos:

    Veja que 4x+2 não aparece na integral, precisamos ajustar para que apareça:

    ${du}=2(2x+1)dx$

    $\frac{du}{2}=(2x+1)dx$

    Reescrevendo a integral, temos:

    $\int (2x²+2x3)^{10}(2x+1)dx= \int (u)^{10} \frac{du}{2} = \frac{1}{2}\int(u)^{10}du$

    $\frac{1}{2}\int(u)^{10}du = \frac{1}{2}.\frac{u^{11}}{22}+c$

    Fazendo a substituição $u=2x²+2x-3$, temos:

    $\int (2x²+2x3)^{10}(2x+1)dx= \frac{(2x²+2x-3)^{11}}{22}+c$

  2. Calcule a integral indefinida de:

    $$ \int \frac{x}{\sqrt[5]{x²-1}}dx $$

    Vamos reescrever a função antes de substituir:

    $$ \int x. \frac{1}{(x²-1)^{\frac{1}{5}}}.dx = \int x.(x²-1)^{-\frac{1}{5}}.dx $$

    Fazemos a mudança de variável $u=x^2−1$, derivando temos:

    $\frac{du}{dx}=2x$

    $du=2xdx$

    Só temos que “sobra” o x, veja:

    Precisamos ajustar a derivada $du=2xdx$ passando o 2 dividindo:

    $\frac{du}{2}=xdx$

    Reescrevendo a integral, temos:

    $$ \int u^{-\frac{1}{5}}.\frac{du}{2} = \frac{1}{2} \int u^{-\frac{1}{5}}.du $$

    $$ =\frac{1}{2}.\frac{u^{\frac{4}{5}}}{\frac{4}{5}}+c $$

    $$ =\frac{5}{8}.(x²-1)^{\frac{4}{5}}+c $$

  3. Encontre:

    $$ \int x³ \cos(x⁴ +2)dx $$

    Fazemos a mudança de variável $u=x⁴+2$, derivando, temos:

    $\frac{du}{dx}=4x^3$

    $\frac{du}{4}=x^3dx$

    Reescrevendo com a substituição, temos:

    $$ \int \cos(u).\frac{du}{4} = \frac{1}{4}\int \cos(u).du $$

    $$ =\frac{1}{4}.\sin(u)+c $$

    Fazendo a substituição  $u=x⁴+2$, temos:

    $$ =\frac{1}{4}.\sin(x⁴+2)+c $$

  4. Encontre:

    $$ \int x.\sin x².dx $$

    $u=x²$

    $\frac{du}{dx}=2x$

    $\frac{du}{2}=xdx$

    $$ \int sin(u).\frac{du}{2} = \frac{1}{2} \int \sin (u).du $$

    $$ \frac{1}{2}.(-\cos (u))+c $$

    $$ =-\frac{1}{2}.\cos (x²)+c $$

  5. Calcule:

    $$ \int sin(5x).dx $$

    $u=5x$

    $\frac{du}{dx}=5$

    $\frac{du}{5}=dx$

    $$ \int sin(u).\frac{du}{5} = \frac{1}{5} \int \sin (u).du $$

    $$ =-\frac{1}{5}.\cos(u)+c $$

    $$ =-\frac{1}{5}.\cos(5x)+c $$

  6. Calcule a integral indefinida

    $$ \int x².\sqrt{1+x}dx $$

    $u=1+x \rightarrow x=u-1$

    $\frac{du}{dx}=1 \therefore du=dx$

    $$ \int (u-1)².u^{\frac{1}{2}}.du = \int (u²-2u+1).u^{\frac{1}{2}}.du $$

    $$ \int u^{\frac{5}{2}} - 2u^{\frac{3}{2}}+u^{\frac{1}{2}}.du = \frac{u^{\frac{7}{2}}}{\frac{7}{2}}-2.\frac{u^{\frac{5}{2}}}{\frac{}{2}}+\frac{u^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}}+c $$

    $$ ={\frac{2}{7}}.u^{\frac{7}{2}}-{\frac{4}{5}}u^{\frac{5}{2}}+\frac{2}{3}u^{\frac{3}{2}}+c $$

    $$ ={\frac{2}{7}}.(1+x)^{\frac{7}{2}}-{\frac{4}{5}}(1+x)^{\frac{5}{2}}+\frac{2}{3}(1+x)^{\frac{3}{2}}+c $$

  7. Calcule

    $$ \int \sqrt{3t⁴+t²}dt $$

    $\int [t²(3t²+1)]^{\frac{1}{2}}.dt$

    $\int t.(3t²+1)^{\frac{1}{2}}.dt$

    $u = 3t²+1$

    $\frac{du}{dx}=6.t$

    $\frac{du}{6}=t.dt$

    $$ \int u^{\frac{1}{2}}.\frac{du}{6} = \frac{1}{6} \int u^{\frac{1}{2}}.du $$

    $$ \frac{1}{6}. \frac{u^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}}.du+c=\frac{1}{6}.\frac{2}{3}.(3t²+1)^{\frac{3}{2}}+c $$

    $$ \quad \quad \quad =\frac{1}{9}.(3t²+1)^{\frac{3}{2}}+c $$

Atividade Extra

Entre no site da Khan Academy e no campo pesquisa digite “Integração por substituição”, clique no primeiro artigo que irá aparecer, leia a explicação e teste seus conhecimentos com os exercícios propostos com gabarito para treinar antes de fazer nossos exercícios aqui.

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https://www.youtube.com/watch?v=byiw2NxeF-4