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Potências, raízes e funções racionais

Integral de x/(x² + 1): fórmula, passo a passo e exemplos

A integral de x/(x² + 1) é ½ ln(x² + 1) + C. Veja a substituição passo a passo, por que o módulo não é necessário e integrais parecidas como 1/(x² + 1).

Potências, raízes e funções racionais Atualizado 2 min de leitura

Visão geral

\int \frac{x}{x^2 + 1}\,dx = \frac{1}{2}\ln\left(x^2 + 1\right) + C
Primitiva
\dfrac{1}{2}\ln\left(x^2 + 1\right) + C
Método
Substituição com u = x^2 + 1
Módulo
Não é necessário, pois x^2 + 1 > 0
Intervalo simétrico
\int_{-a}^{a}\dfrac{x}{x^2 + 1}\,dx = 0
Compare
\int \dfrac{1}{x^2 + 1}\,dx = \arctan x + C
Nesta página
  1. Gráfico de x/(x² + 1) e de sua primitiva
  2. A substituição, passo a passo
  3. Verificação por derivação
  4. Integrais definidas
  5. Integrais relacionadas
  6. Erros comuns

A integral de \dfrac{x}{x^2 + 1} é \dfrac{1}{2}\ln\left(x^2 + 1\right) + C. É o exemplo clássico de livro de uma substituição (mudança de variável) que resulta num logaritmo.

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

Gráfico de x/(x² + 1) e de sua primitiva

Área sob y = x/(x² + 1) de 0 a 2, com a primitiva y = ½ ln(x² + 1)
A área sombreada é \frac{1}{2}\ln 5 \approx 0.805. A função é ímpar e sua primitiva é par: a curva tracejada é simétrica em relação ao eixo y, com mínimo em x = 0.

A substituição, passo a passo

  1. Perceba que a derivada do denominador, 2x, coincide com o numerador a menos de uma constante.
  2. Seja u = x^2 + 1. Então du = 2x\,dx, logo x\,dx = \frac{1}{2}du.
  3. Reescreva: \displaystyle\int \frac{x}{x^2 + 1}\,dx = \frac{1}{2}\int\frac{1}{u}\,du.
  4. Integre com a integral de 1/x: \frac{1}{2}\ln\lvert u\rvert + C.
  5. Volte à variável original: \frac{1}{2}\ln\lvert x^2 + 1\rvert + C.
  6. Como x^2 + 1 \ge 1 > 0, tire as barras: \frac{1}{2}\ln(x^2 + 1) + C.

O padrão geral é \int\frac{f'(x)}{f(x)}\,dx = \ln\lvert f(x)\rvert + C. Aqui o numerador é \frac{1}{2}f'(x), o que gera o fator \frac{1}{2}.

Verificação por derivação

\frac{d}{dx}\left[\frac{1}{2}\ln(x^2 + 1)\right] = \frac{1}{2}\cdot\frac{2x}{x^2 + 1} = \frac{x}{x^2 + 1} \checkmark

Integrais definidas

Exemplo 1. \int_0^1 \frac{x}{x^2 + 1}\,dx = \frac{1}{2}\ln 2 \approx 0.347.

Exemplo 2. \int_{-3}^{3}\frac{x}{x^2 + 1}\,dx = 0. O integrando é ímpar, então a área à esquerda cancela a área à direita.

Exemplo 3: mudando os limites. Com u = x^2 + 1, os limites x = 0 e x = 2 viram u = 1 e u = 5:

\int_0^2 \frac{x}{x^2 + 1}\,dx = \frac{1}{2}\int_1^5\frac{du}{u} = \frac{1}{2}\ln 5

Integrais relacionadas

Pequenas mudanças no integrando mudam completamente o método:

Integral Método Resposta
\int\frac{x}{x^2 + 1}\,dx u = x^2 + 1 \frac{1}{2}\ln(x^2 + 1) + C
\int\frac{1}{x^2 + 1}\,dx fórmula conhecida \arctan x + C
\int\frac{x}{(x^2 + 1)^2}\,dx u = x^2 + 1 -\frac{1}{2(x^2 + 1)} + C
\int\frac{x}{x^2 + a^2}\,dx u = x^2 + a^2 \frac{1}{2}\ln(x^2 + a^2) + C
\int\frac{x^3}{x^2 + 1}\,dx dividir antes \frac{x^2}{2} - \frac{1}{2}\ln(x^2 + 1) + C

Na última linha, a divisão de polinômios dá \frac{x^3}{x^2 + 1} = x - \frac{x}{x^2 + 1}.

Exemplo 4: separe o numerador.

\int\frac{2x + 3}{x^2 + 1}\,dx = \int\frac{2x}{x^2 + 1}\,dx + 3\int\frac{1}{x^2 + 1}\,dx = \ln(x^2 + 1) + 3\arctan x + C

A segunda parte usa a integral de 1/(1 + x²).

Erros comuns

  1. Esquecer o \frac{1}{2}. du = 2x\,dx, então x\,dx é só metade de du.
  2. Responder \arctan x. Essa é a integral de \frac{1}{x^2 + 1}, sem o x no numerador.
  3. Escrever \ln\lvert x\rvert\cdot\ln\lvert x^2 + 1\rvert ou separar a fração como \frac{x}{x^2} + \frac{x}{1}. Não se separa uma fração quando a soma está no denominador.
  4. Integrar \frac{x}{x^2 - 1} do mesmo jeito e tirar as barras. Essa dá \frac{1}{2}\ln\lvert x^2 - 1\rvert + C, e o módulo faz diferença.

Mais prática: exercícios de substituição.

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Substituição (mudança de variável)

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Perguntas frequentes

Qual é a integral de x/(x² + 1)?

É \frac{1}{2}\ln(x^2 + 1) + C. Use u = x^2 + 1, de modo que x\,dx = \frac{1}{2}du.

Qual é a integral de 2x/(x² + 1)?

É \ln(x^2 + 1) + C. O numerador é exatamente a derivada do denominador, então a resposta é o logaritmo do denominador.

Qual é a integral de x/(x² + 1) de 0 a 1?

É \frac{1}{2}\ln 2 - \frac{1}{2}\ln 1 = \frac{1}{2}\ln 2 \approx 0.347.

A integral de x/(x² + 1) de 0 ao infinito converge?

Não. \frac{1}{2}\ln(b^2 + 1) \to \infty quando b \to \infty, então a integral diverge. Para x grande, o integrando se comporta como \frac{1}{x}.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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