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Técnicas de integração

Frações parciais: como decompor e integrar, passo a passo

Aprenda a decompor em frações parciais com fatores lineares distintos, repetidos e quadráticos irredutíveis, o método de cobrir e integrais resolvidas.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura

Nesta página
  1. O que é a decomposição em frações parciais?
  2. Passo 0: a fração é própria?
  3. As formas das frações parciais
  4. Caso 1: fatores lineares distintos
  5. O método de cobrir: um atalho para fatores lineares
  6. Duas maneiras de encontrar as constantes
  7. Caso 2: fatores lineares repetidos
  8. Caso 3: fatores quadráticos irredutíveis
  9. Erros comuns com frações parciais
  10. Resumo rápido: integrando cada pedaço
  11. Faça a decomposição virar segunda natureza

Você consegue somar \frac{3}{x-2} + \frac{2}{x+1} e obter \frac{5x-1}{x^2-x-2} em poucas linhas. Mas, se uma integral lhe entrega \int \frac{5x-1}{x^2-x-2}\,dx, nenhuma regra básica se aplica. As frações parciais fazem essa soma ao contrário, quebrando uma fração difícil em pedaços simples que você integra de cara.

O que é a decomposição em frações parciais?

Uma função racional é um polinômio dividido por outro. A decomposição em frações parciais reescreve uma função racional como uma soma de frações mais simples, cujos denominadores são os fatores do denominador original. Por exemplo:

\frac{5x-1}{(x-2)(x+1)} = \frac{3}{x-2} + \frac{2}{x+1}

Cada pedaço da direita se integra num logaritmo natural, então a integral vira rotina:

\int \frac{A}{x-a}\,dx = A\ln|x-a| + C

Passo 0: a fração é própria?

As frações parciais só funcionam quando o grau do numerador é menor que o grau do denominador. Se não for, use a divisão de polinômios primeiro.

Por exemplo, \frac{x^2+1}{x^2-1} tem graus iguais. Dividindo, obtemos

\frac{x^2+1}{x^2-1} = 1 + \frac{2}{x^2-1},

e só \frac{2}{x^2-1} precisa ser decomposta.

As formas das frações parciais

Fatore o denominador por completo. Cada tipo de fator contribui com seu próprio tipo de termo:

Fator no denominador Termos na decomposição
Linear distinto (x-a) \frac{A}{x-a}
Linear repetido (x-a)^2 \frac{A}{x-a} + \frac{B}{(x-a)^2}
Linear repetido (x-a)^3 \frac{A}{x-a} + \frac{B}{(x-a)^2} + \frac{C}{(x-a)^3}
Quadrático irredutível x^2+bx+c \frac{Bx + C}{x^2 + bx + c}

Um quadrático é irredutível quando não se fatora nos números reais, o que acontece quando b^2 - 4c < 0. Exemplos são x^2 + 1 e x^2 + 2x + 5.

Caso 1: fatores lineares distintos

Exemplo resolvido 1

Calcule \int \frac{5x-1}{x^2-x-2}\,dx.

Passo 1. Confira que é própria. Grau 1 sobre grau 2. Ótimo.

Passo 2. Fatore o denominador. x^2 - x - 2 = (x-2)(x+1).

Passo 3. Escreva a forma.

\frac{5x-1}{(x-2)(x+1)} = \frac{A}{x-2} + \frac{B}{x+1}

Passo 4. Elimine os denominadores. Multiplique os dois lados por (x-2)(x+1):

5x - 1 = A(x+1) + B(x-2)

Passo 5. Substitua valores convenientes. Em x = 2 o termo com B some: 9 = 3A, então A = 3. Em x = -1 o termo com A some: -6 = -3B, então B = 2.

Passo 6. Integre.

\int \left(\frac{3}{x-2} + \frac{2}{x+1}\right)dx = 3\ln|x-2| + 2\ln|x+1| + C
Gráfico de y = (5x − 1)/((x − 2)(x + 1)) com assíntotas verticais em x = 2 e x = −1
Cada fator do denominador dá uma assíntota vertical, e cada um vira sua própria fração simples: \frac{3}{x-2} + \frac{2}{x+1}.

O método de cobrir: um atalho para fatores lineares

Para um fator linear distinto (x-a), existe um atalho de uma linha. Cubra esse fator na fração original e substitua x = a no que sobrar.

Para \frac{5x-1}{(x-2)(x+1)}:

  • Para achar A sobre (x-2): cubra (x-2), sobrando \frac{5x-1}{x+1}. Em x = 2: \frac{9}{3} = 3.
  • Para achar B sobre (x+1): cubra (x+1), sobrando \frac{5x-1}{x-2}. Em x = -1: \frac{-6}{-3} = 2.

As mesmas respostas, quase sem álgebra. É exatamente o Passo 5 feito de cabeça.

Exemplo resolvido 2: método de cobrir e divisão de polinômios juntos

Decomponha \frac{2}{x^2-1} = \frac{2}{(x-1)(x+1)}.

  • Cubra (x-1) e calcule \frac{2}{x+1} em x = 1: A = 1.
  • Cubra (x+1) e calcule \frac{2}{x-1} em x = -1: B = -1.
\frac{2}{x^2-1} = \frac{1}{x-1} - \frac{1}{x+1}

Juntando com a divisão de polinômios do Passo 0:

\int \frac{x^2+1}{x^2-1}\,dx = x + \ln|x-1| - \ln|x+1| + C = x + \ln\left|\frac{x-1}{x+1}\right| + C

Dica: o método de cobrir dá o coeficiente de qualquer fator linear distinto e da maior potência de um fator repetido. Para as potências menores de um fator repetido e para os fatores quadráticos, use outro método.

Exemplo resolvido 3: três fatores lineares distintos

Calcule \int \frac{2x^2+6x-2}{x^3+x^2-2x}\,dx.

Passo 1. Fatore o denominador. Coloque x em evidência e fatore o quadrático:

x^3 + x^2 - 2x = x(x^2 + x - 2) = x(x-1)(x+2)

Passo 2. Escreva a forma.

\frac{2x^2+6x-2}{x(x-1)(x+2)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x-1} + \frac{C}{x+2}

Passo 3. Cubra cada fator.

  • Cubra x e calcule \frac{2x^2+6x-2}{(x-1)(x+2)} em x = 0: \frac{-2}{(-1)(2)} = 1, então A = 1.
  • Cubra (x-1) e calcule \frac{2x^2+6x-2}{x(x+2)} em x = 1: \frac{6}{3} = 2, então B = 2.
  • Cubra (x+2) e calcule \frac{2x^2+6x-2}{x(x-1)} em x = -2: \frac{-6}{6} = -1, então C = -1.

Passo 4. Integre.

\int \left(\frac1x + \frac{2}{x-1} - \frac{1}{x+2}\right)dx = \ln|x| + 2\ln|x-1| - \ln|x+2| + C

Com três fatores lineares, resolver um sistema de equações levaria várias linhas. O método de cobrir leva três cálculos rápidos.

Exemplo resolvido 4: uma integral definida

Calcule \int_2^3 \frac{2}{x^2-1}\,dx.

Pelo exemplo 2, \frac{2}{x^2-1} = \frac{1}{x-1} - \frac{1}{x+1}, então

\int_2^3 \frac{2}{x^2-1}\,dx = \Big[\ln|x-1| - \ln|x+1|\Big]_2^3 = (\ln 2 - \ln 4) - (\ln 1 - \ln 3)

Simplifique com as propriedades dos logaritmos: \ln 2 - \ln 4 = -\ln 2 e \ln 1 - \ln 3 = -\ln 3, então o valor é -\ln 2 + \ln 3 = \ln\frac32 \approx 0.405.

Repare que o intervalo [2, 3] fica longe das assíntotas em x = \pm 1. Se um dos limites de integração estivesse numa assíntota, isso seria uma integral imprópria e precisaria de um limite.

Duas maneiras de encontrar as constantes

Você já viu os dois métodos padrão. Vale saber quando cada um é mais rápido.

  • Substituir as raízes (ou cobrir). Substitua a raiz de cada fator linear na equação sem denominadores. Cada substituição zera todos os termos menos um, então você lê uma constante na hora. É o método mais rápido para fatores lineares distintos.
  • Igualar coeficientes. Expanda o lado direito, agrupe as potências de x e iguale cada coeficiente ao correspondente do lado esquerdo. Isso sempre funciona, e é a única opção para fatores quadráticos e para as potências menores de um fator repetido.

Na prática, a maioria dos estudantes combina os dois: substitui raízes para obter o máximo de constantes possível e depois iguala um ou dois coeficientes para terminar.

Caso 2: fatores lineares repetidos

Exemplo resolvido 5

Calcule \int \frac{4x}{(x-1)(x+1)^2}\,dx.

Passo 1. Escreva a forma. O fator (x+1) está ao quadrado, então ganha dois termos:

\frac{4x}{(x-1)(x+1)^2} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x+1} + \frac{C}{(x+1)^2}

Passo 2. Elimine os denominadores.

4x = A(x+1)^2 + B(x-1)(x+1) + C(x-1)

Passo 3. Substitua as raízes. Em x = 1: 4 = 4A, então A = 1. Em x = -1: -4 = -2C, então C = 2.

Passo 4. Iguale um coeficiente para a última constante. Os termos em x^2 do lado direito são Ax^2 + Bx^2, e o lado esquerdo não tem termo em x^2, então A + B = 0 e B = -1.

Passo 5. Integre cada pedaço. O último termo é uma potência, não um logaritmo:

\int \left(\frac{1}{x-1} - \frac{1}{x+1} + \frac{2}{(x+1)^2}\right)dx = \ln|x-1| - \ln|x+1| - \frac{2}{x+1} + C

O termo (x+1)^{-2} se integra em \frac{(x+1)^{-1}}{-1}, e é daí que vem -\frac{2}{x+1}.

Caso 3: fatores quadráticos irredutíveis

Exemplo resolvido 6

Calcule \int \frac{2x^2+2x+1}{x(x^2+1)}\,dx.

Passo 1. Escreva a forma. x^2 + 1 não pode ser fatorado, então ganha um numerador linear:

\frac{2x^2+2x+1}{x(x^2+1)} = \frac{A}{x} + \frac{Bx + C}{x^2+1}

Passo 2. Elimine os denominadores e expanda.

2x^2 + 2x + 1 = A(x^2+1) + (Bx+C)x = (A+B)x^2 + Cx + A

Passo 3. Iguale os coeficientes. Termo constante: A = 1. Termo em x: C = 2. Termo em x^2: A + B = 2, então B = 1.

Passo 4. Divida o pedaço quadrático.

\int \left(\frac{1}{x} + \frac{x}{x^2+1} + \frac{2}{x^2+1}\right)dx

O pedaço do meio é uma substituição com u = x^2+1, que dá \tfrac12\ln(x^2+1). O último pedaço é um arco tangente padrão.

Passo 5. Junte tudo.

\int \frac{2x^2+2x+1}{x(x^2+1)}\,dx = \ln|x| + \tfrac12\ln(x^2+1) + 2\arctan x + C

Dica: se o quadrático for algo como x^2 + 2x + 5, complete o quadrado para obter (x+1)^2 + 4 e use \int \frac{du}{u^2 + a^2} = \frac1a\arctan\frac{u}{a} + C.

Erros comuns com frações parciais

  1. Pular a divisão de polinômios. Se a fração for imprópria, a forma da decomposição está errada e as constantes não vão fechar.
  2. Dar um só termo a um fator repetido. (x+1)^2 precisa de \frac{B}{x+1} e de \frac{C}{(x+1)^2}.
  3. Usar uma constante sobre um quadrático. Um quadrático irredutível precisa de Bx + C no numerador, não só de B.
  4. Integrar \frac{1}{(x+1)^2} como logaritmo. É uma potência: -\frac{1}{x+1}.
  5. Não fatorar por completo. x^3 - x = x(x-1)(x+1) tem três fatores lineares, não um linear e um quadrático.
  6. Esquecer os módulos dentro dos logaritmos.

Resumo rápido: integrando cada pedaço

Pedaço Integral
\frac{A}{x-a} A\ln\lvert x-a\rvert + C
\frac{A}{(x-a)^n}, n\ge 2 \frac{-A}{(n-1)(x-a)^{n-1}} + C
\frac{x}{x^2+a^2} \tfrac12\ln(x^2+a^2) + C
\frac{1}{x^2+a^2} \frac1a\arctan\frac{x}{a} + C

Faça a decomposição virar segunda natureza

Frações parciais são um procedimento, e procedimentos se fixam pela repetição. Depois de montar uma dúzia de decomposições, escolher a forma certa e usar o atalho de cobrir vai parecer automático. Experimente a lição interativa abaixo: ela confere cada constante enquanto você avança e mostra exatamente onde a montagem deu errado.

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Frações parciais

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Perguntas frequentes

O que é a decomposição em frações parciais?

É o inverso de somar frações. Uma única função racional como \frac{5x-1}{(x-2)(x+1)} é reescrita como uma soma de frações mais simples, aqui \frac{3}{x-2} + \frac{2}{x+1}, cada uma fácil de integrar.

Quando usar frações parciais para integrar?

Use frações parciais para uma função racional (um polinômio dividido por outro) cujo denominador se fatora e em que a substituição não funciona diretamente. Se o numerador já for a derivada do denominador, uma substituição simples é mais rápida.

O que fazer se o grau do numerador for alto demais?

Se o grau do numerador for maior ou igual ao do denominador, divida primeiro usando a divisão de polinômios. Você obtém um polinômio mais uma fração própria, e só a fração própria precisa de frações parciais.

Como funciona o método de cobrir?

Para um fator linear distinto (x-a), cubra-o na fração original e calcule o que sobra em x = a. O resultado é a constante A sobre (x-a). Só funciona para fatores lineares que não se repetem, ou para a maior potência de um fator repetido.

Como tratar um fator quadrático irredutível?

Dê a ele um numerador linear: \frac{Bx+C}{x^2+bx+c}. Na hora de integrar, divida-o num pedaço que se integra num logaritmo por substituição e num pedaço que se integra num arco tangente, completando o quadrado se necessário.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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