Integral na reta com Álgebra Linear: caso particular

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1 Universidade Estadual de Maringá - Departamento de Matemática Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 20 anos c Publicação Eletrônica do KIT Integral na reta com Álgebra Linear: caso particular Ânderson da Silva Vieira anderdsvieira@gmail.com Fatec-Carapicuíba e Faculdade Mário Schenberg, Cotia, SP Resumo: O objetivo principal desse material é apresentar ao leitor uma maneira de calcular a integral na reta, para um caso particular, usando as definições e resultados que são desenvolvidos em um curso de Álgebra Linear. Palavras-chave: Integral, Bases, Geradores, Transformação Linear, Operador Inverso. Sumário Introdução 2 Álgebra Linear: Breves definições e resultados 2 Integração com o operador inverso 8 4 Exercícios 0 Introdução Quando o professor de matemática inicia um conceito em sua aula, é muito comum surgir a pergunta de um de seus alunos: Onde vamos aplicar esse conceito? Muitas vezes precisamos de tantos pré-requisitos para fazer uma aplicação, mesmo em um caso bem particular, mas a emoção de poder fazê-la é inexplicável.

2 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 2 Se sabemos resolver sistemas lineares, Boldrini (ver []) nos apresenta exemplos aplicados em balanceamento de reações químicas e em circuito elétrico. Por outro lado, se sabemos os conceitos de operadores invertíveis, podemos calcular algumas integrais para um caso particular. O método que descreveremos foi apresentado por David Poole (ver [2]). Quanto à organização desse material, temos o seguinte: na Seção 2 recordamos um pouco dos assuntos estudados em Álgebra Linear que serão importantes; na Seção teremos a resposta para o objetivo desse material; finalizamos com Seção 4 deixando exercícios para que o leitor aplique a técnica às outras situações. 2 Álgebra Linear: Breves definições e resultados Nesta seção, os conjuntos U e V serão sempre espaços vetoriais (ver []) sobre R. Apenas apresentaremos as definições que nos serão úteis no desenvolver da técnica. Iniciaremos com as definições sobre os espaços vetoriais. Consideremos subconjunto S = {u,, u n } V. seguinte subconjunto de V construído a partir de S: Indicaremos por [S] o [S] = {α u + + α n u n α,, α n R}. Observação 2.. [S] é subespaço vetorial de V. Definição 2.. O subespaço [S] é chamado subespaço vetorial gerado por S. Cada elemento de [S] é chamado combinação linear de u,, u n. Definição 2.2. Seja S = {u,, u n } V. Consideremos a equação α u + + α n u n = 0. (2.) O conjunto S diz-se linearmente independente, caso a equação (2.), admite apenas a solução trivial, α = = α n = 0. Se existem soluções α i = 0, diz-se que o conjunto S é linearmente dependente.

3 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência Definição 2.. Um conjunto S = {u,, u n } V é uma base do V se (I) S é linearmente independente; (II) V = [S]. Definição 2.4. Se V possui uma base com n vetores, então V tem dimensão n e denotamos dim V = n. Agora, passaremos a rever as definições com transformações lineares. Definição 2.5. Uma aplicação F : U V é chamada transformação linear de U em V se, e somente se, (a) F(u + u 2 ) = F(u ) + F(u 2 ), u, u 2 V; (b) F(αu) = αf(u), α R e u U. linear. Quando U = V, uma transformação linear F : U V é chamada de operador Para aplicarmos os resultados de Álgebra Linear, precisamos ter uma aplicação que é uma transformação linear. Sendo assim, a seguir, veremos uma proposição que nos garantirá que o operador diferencial D : P n (R) P n (R) definido por D(p(t)) = p (t), para todo polinômio p(t) P n (R), é um operador linear. Proposição 2.. Mostre que D é um operador linear. Demonstração. Sejam p(t), q(t) P n (R) e α R. Desta forma, D(p(t) + q(t)) = (p(t) + q(t)) = p (t) + q (t) = D(p(t)) + D(q(t));

4 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 4 além disso, D(αp(t)) = (αp(t)) = αp (t) = αd(p(t)). Portanto, D é um operador linear. Indicaremos por L(U, V) o conjunto das transformações lineares de U em V. Se U = V, o conjunto dos operadores lineares de U será denotado por L(U). Como vamos precisar da matriz associada à transformação linear, apresentaremos os passos de como obtê-la. Suponhamos que β = {u, u 2,, u n } e β = {v, v 2,, v m } sejam bases de U e V, respectivamente. Dado u U, podemos escrevê-lo como x u = x u + x 2 u x n u n [u] β = 2 (2.2). x n e como T(u) V, então y y T(u) = y v + y 2 v y m v m [T(u)] β = 2. (2.). x y m Como T(u j ) W, j n, então T(u j ) = α j v + α 2j v α mj v m [T(u j )] β = α j α 2j. α mj.

5 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 5 Então, a partir de algumas contas obtemos em forma matricial y α α 2 α n x y 2 α = 2 α 22 α 2n x y m α m α m2 α mn x n desta forma, se escrevemos [T] β β = = temos α α 2 α n α 2 α 22 α 2n α m α m2 α mn [ ] [T(u )] β [T(u 2 )] β [T(u n )] β [T(u)] β = [T] β β [v] β. (2.4) A matriz [T] β β é chamada matriz de T em relação às β e β. Note que a ordem da matriz [T] β β é dim U dim V. Exemplo 2.. Seja D : P (R) P 2 (R) a transformação D(p(t)) = p (t). Sejam β = {, x, x 2, x } e β = {, x, x 2 } sejam bases de P (R) e P 2 (R), respectivamente. (a) Encontre a matriz [D] β β. Note que D() = 0 = x + 0 x 2 ; D(x) = = + 0 x + 0 x 2 ; D(x 2 ) = 2x = x + 0 x 2 ; D(x ) = x 2 = x + x 2 ; ou seja, [D] β β =

6 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 6 (b) Usando o item (a), calcule D(5 x 2x ) e D(a + bx + cx 2 + dx ). Neste item, queremos aplicar a equação (2.4). Inicialmente, temos que 5 a [5 x 2x ] β = e [a + bx + cx 2 + dx b ] β =. 0 c 2 d Logo, [D(5 x 2x )] β = [D] β β [(5 x 2x ] β = = e [D(a + bx + cx 2 + dx )] β = [D] β β [a + bx + cx 2 + dx ] β a b b = = 2c c d d Portanto, D(5 x 2x ) = + 0 x + ( 6) x 2 = 6x 2 e D(a + bx + cx 2 + dx ) = b + 2c x + d x 2 = b + 2cx + dx 2. Observação 2.2. O exemplo anterior, tem como objetivo calcular a derivada de um polinômio usando matriz de uma transformação linear. Claramente, se utilizamos as regras de derivação obtemos o desejado. O próximo exemplo terá como proposta: trabalhar com um operador linear. Exemplo 2.2. Seja D o espaço vetorial de todas as funções deriváveis. Considere o subespaço W de D dado por W = [e x, xe x, x 2 e x ].

7 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 7 (a) Mostre que β = {e x, xe x, x 2 e x } é linearmente independente. Sejam α, α 2, α R tais que α e x + α 2 xe x α x 2 e x = 0, x R. Como e x nunca se anula para qualquer valor real para x, então α + α 2 x + α x 2 = 0, x R. Sabendo que a equação acima vale para todo número real x; em particular, vale para os seguintes valores de x: 0,-,. Sendo assim, teremos um sistema homogêneo de três equações e três incógnitas que apresenta a única solução α = α 2 = α = 0. Portanto, β é linearmente independente. (b) Mostre que o operador diferencial D(p(x)) = p (x) aplica W em W. Seja p(x) W, sendo assim p(x) = ae x + bxe x + cx 2 e x. Então, D(p(x)) = (ae x + bxe x + cx 2 e x ) = (a + b)e x + (b + 2c)xe x + (c)x 2 e x. Como D(p(x)) é uma combinação linear dos elementos de que geram W, então D(p(x)) W. (c) Encontre [D] β. Do item (a), já temos que D(ae x + bxe x + cx 2 e x ) = (a + b)e x + (b + 2c)xe x + (c)x 2 e x, logo 0 [D(e x )] β = 0, [D(xex )] β = e [D(x2 e x )] β = 2 ; 0 0 isto é, [D] β β = (d) Calcule D(5e x + 2xe x x 2 e ex ) indiretamente usando (a).

8 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 8 Note que [D(5e x + 2xe x x 2 e ex )] β = [D] β β [5ex + 2xe x x 2 e ex ] β = 0 2 = 4 ; 0 0 d então D(5e x + 2xe x x 2 e ex ) = 7e x + 4xe x x 2 e ex. Agora recordaremos algumas propriedades dos operadores. (I) Se T é invertível e T é seu inverso, então T T = T T = I. (II) T é invertível se, e somente se, ker(t) = {0} (III) Se T é invertível e β é uma base de V, então T : V V é linear e [ T ] β = [T] β Note que T é invertível se, e somente se, det[t] β = 0. Integração com o operador inverso Quando damos início ao estudo de integrais, o começo do desenvolvimento da teoria é pensar em primitivas/antiderivadas e percebemos que a integral é o caminho inverso da derivada. Sendo assim, se temos que o operador linear diferencial D(p(x)) = p (x) é invertível, então podemos dizer que D (p (x)) = p (x) dx = p(x). Evidentemente, sabemos que deveria aparece uma constante; por outro lado, como estamos com operadores, sabemos que o operador linear (transformação linear) associa o vetor nulo ao vetor nulo. Por isso neste caso, a constante é nula. A seguir, veremos como calcular a integral utilizando o operador linear inverso.

9 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 9 Exemplo.. Seja D o espaço vetorial de todas as funções deriváveis. Considere o subespaço W de D dado por W = [e x, xe x, x 2 e x ]. Sejam operador diferencial T(p(x)) = p (x) em W e β = {e x, xe x, x 2 e x } a base de W. (a) Mostre que D é invertível. Vimos no Exemplo 2.2 que [D] β β = ( ) Observe que det [D] β β = 27 = 0, então D é um operador invertível e [D ] β β = (b) Calcule x 2 e x dx. Veja que [x 2 e x ] β = 0 0. Então, portanto, [ x 2 e x dx] β = [ ] D (x 2 e x ) β = [D ] β β [x2 e x ] β = x 2 e x dx = 2 27 ex 2 9 xex + x2 e x. Observação.. Veremos como é calculada a integral Cálculo. Usando a integração por partes, sejam = ; x 2 e x dx usando as ferramentas do u = x 2 = du = 2x dx dv = e x dx = v = ex.

10 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 0 Então, x 2 e x dx = x 2 ex 2x ex ex dx = x2 2 xe x dx. Para calcular xe x dx, mais uma vez vamos utilizar a integração por partes. Sejam Logo, onde c é uma constante. Desta forma, u = x = du = dx dv = e x dx = v = ex. xe x dx = x ex e x ex dx = x ex 9 + c, x 2 e x dx = x 2 ex 2 xe x dx = x2 e x 2 ] [x ex ex 9 + c = x2 e x 2 9 xex ex + c = 2 27 ex 2 9 xex + x2 e x + c. 4 Exercícios. Seja D o espaço vetorial de todas as funções deriváveis. Considere o subespaço W de D dado por W = [sin(x), cos(x)]. Sejam operador diferencial T(p(x)) = p (x) em W e β = {sin(x), cos(x)} a base de W. (a) Mostre que β = {sin(x), cos(x)} é linearmente independente. (b) Mostre que o operador diferencial D(p(x)) = p (x) aplica W em W. (c) Encontre [D] β. (d) Calcule D( sin(x) 5 cos(x)) indiretamente usando (a). (e) Mostre que D é invertível e determine [D ] β β. (f) Calcule sin(x) cos(x) dx. 2. Seja D o espaço vetorial de todas as funções deriváveis. Considere o subespaço W de D dado por W = [e 2x, e 2x ]. Sejam operador diferencial T(p(x)) = p (x) em W e β = {e 2x, e 2x } a base de W.

11 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência (a) Mostre que β = {e 2x, e 2x } é linearmente independente. (b) Mostre que o operador diferencial D(p(x)) = p (x) aplica W em W. (c) Encontre [D] β. (d) Calcule D(e 2x e 2x ) indiretamente usando (a). (e) Mostre que D é invertível e determine [D ] β β. (f) Calcule 5e 2x dx.. Seja D o espaço vetorial de todas as funções deriváveis. Considere o subespaço W de D dado por W = [e 2x, e 2x sin(x), e 2x cos(x)]. Sejam operador diferencial T(p(x)) = p (x) em W e β = {e 2x, e 2x sin(x), e 2x cos(x)} a base de W. (a) Mostre que β = {e 2x, e 2x sin(x), e 2x cos(x)} é linearmente independente. (b) Mostre que o operador diferencial D(p(x)) = p (x) aplica W em W. (c) Encontre [D] β. (d) Calcule D(e 2x + 2e 2x sin(x) e 2x cos(x)) indiretamente usando (a). (e) Mostre que D é invertível e determine [D ] β β. (f) Calcule 2e 2x sin(x) + e 2x cos(x) dx. 4. Seja D o espaço vetorial de todas as funções deriváveis. Considere o subespaço W de D dado por W = [sin(x), cos(x), x sin(x), x cos(x)]. Sejam operador diferencial T(p(x)) = p (x) em W e β = {sin(x), cos(x), x sin(x), x cos(x)} a base de W. (a) Mostre que β = {sin(x), cos(x), x sin(x), x cos(x)} é linearmente independente. (b) Mostre que o operador diferencial D(p(x)) = p (x) aplica W em W. (c) Encontre [D] β. (d) Calcule D(cos(x) + 2x cos(x)) indiretamente usando (a). (e) Mostre que D é invertível e determine [D ] β β. (f) Calcule x sin(x) + x cos(x) dx.

12 c KIT Cálculo Diferencial e Integral: um KIT de Sobrevivência 2 Referências [] Jose Luiz Boldrini. Álgebra linear. HARBRA, [2] David Poole. Álgebra Linear. Cengage Learning, São Paulo,