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Gráfico de Γ(x) no intervalo ]-5,5]
A função especial beta é definida para as variáveis reais pelo integral
(1)
que é impróprio mas convergente, no caso de e
e pelo menos uma das variáveis
ou
.
A função (para
e
) relaciona-se com a função especial gama
(2)
através da conhecida identidade
(3)
que não vou demonstrar.
O que me proponho demonstrar é a chamada fórmula da reflexão ou dos complementos da função gama no domínio real, seguindo o método indicado nos exercícios não resolvidos 10 e 11 da página 683 do livro de Angus E. Taylor, Advanced Calculus, Blaisdell Publishing Company, 1955.
Proposição: Se for real, é válida a identidade seguinte
(4)
Notação: é a cosecante de
.
Demonstração: Se , tem-se
como resulta da mudança de variável . O integral
é convergente se , porque nesta condição
é convergente e
tende para 1, quando
tende para
, e, por outro lado, o integral
também nesse caso é convergente, porque converge e
tende para 1, quando
tende para
.
Outra representação integral da função beta é:
(5)
que se obtém de (1) através das substituição
.
De (5) resulta
Usando agora o desenvolvimento em série de
,
obtém-se
e
,
e integrando termo a termo a função integranda , como
e
,
depois de agrupar os termos pares da série
com os ímpares da série
obtém-se no fim a série
.
Em consequência
Ora, a série de Fourier da função , em que
, é
que assume o desenvolvimento particular para :
donde, efectivamente
Esta mesma identidade também se verifica para complexo.
ADENDA de 23-1-2009: para obtém-se
donde
(6)
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Suponhamos que temos o integral que é função do parâmetro
A sua diferenciação baseia-se na seguinte
Proposição (regra de Leibniz): Sejam uma função real definida num rectângulo
integrável em
para cada valor real de
e
a sua derivada parcial contínua em
e
no mesmo rectângulo. A derivada do integral função do parâmetro
é dada por
Neste caso os limites de integração são constantes. A generalização a um integral do tipo
em que o parâmetro ocorre também nas funções e
dos limites de integração, é uma consequência do teorema fundamental do cálculo integral para uma função, na sua forma habitual
e nesta dela derivada
bem como da regra de derivação da função composta. A derivada passa a ser
ou
Assim
Problema: determine a derivada do integral
Resolução: neste caso e
As derivadas são
e os valores da função integranda são calculados em e
donde
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Nesta minha entrada referi o método da diferenciação sob o sinal de integral exposto no post de Todd and Vishal’s blog nela indicado. Este método é também conhecido pelo nome acima. Em que consiste? Generaliza-se o integral que se pretende calcular usando um parâmetro, sendo o integral original obtido para um valor particular desse parâmetro.
No caso do integral aí calculado
a generalização através do parâmetro que é aconselhada no post mencionado (e na Wikipedia e em INTEGRATION: THE FEYNMAN WAY ) é:
da qual o integral original é o valor particular
Para aplicar este método é necessário que a função integranda e a sua derivada parcial em relação ao parâmetro sejam contínuas no intervalo de integração, quer no que diz respeito à varável de integração quer ao parâmetro
; neste caso são-no:
Depois de se ter diferenciado sob o sinal de integral, obtém-se a derivada do integral em relação ao parâmetro, calculando o integral da nova função integranda, a que se acabou de determinar:
O objectivo é tentar obter um integral simples! Continuando, vem
Fazendo a substituição recomendada por Todd Trimble transforma-se este integral noutro
que é integrável pelo método das fracções parciais:
obtendo-se
Por fim, integra-se em relação ao parâmetro
e calcula-se a constante de integração através de outro valor particular do integral; como
tem-se
donde e o integral paramétrico é
pelo que o integral original é igual a
Correcção de 6-12-2008: no integral
Por ser bastante instrutivo, vale a pena analisar o método extremamente engenhoso que Nilay Vaish, autor de uma das resoluções do integral do problema POW-10 (problem of the week 10, de Todd and Vishal’s blog), usou para lá chegar — obteve uma equação linear em relação a esse integral — bem como tomar conhecimento do da diferenciação sob o sinal de integral exposto no post.
Eu, pela minha parte, NÃO consegui determinar o integral proposto pelos métodos do cálculo integral real ou complexo, embora soubesse que o valor desse integral
era , depois de ter recorrido ao Mathematica Online Integrator para obter uma primitiva de
:
em que é o logaritmo natural e
a função dilogarítmica
da qual utilizei os seguintes valores particulares
e
uma vez que e, sendo em geral,
se tem
Usando (1), (2) e (3) tudo o que fiz foi calcular
PS. corrigido para “autor de uma das resoluções”, no primeiro parágrafo [3-12-2008, 0h42m UTC]
PPS. simplificada ligeiramente a exposição.
Adenda de 5-12-2008: acrescentado link à minha entrada de hoje sobre o método da diferenciação sob o sinal de integral.
Nesta entrada, em inglês, apresentei a seguinte solução para o Integral of the Week #2, onde se pede para calcular o integral
sem ser pelo método mais habitual, que envolve a utilização de coordenadas polares.
Resolução
- : – : -
Nota: dado que
,



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