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Ca´lculo Diferencial e Integral I Teorema Fundamental do Ca´lculo Luiz C. M. de Aquino aquino.luizclaudio@gmail.com http://sites.google.com/site/lcmaquino http://www.youtube.com/LCMAquino Teorema Fundamental do Ca´lculo Introduc¸a˜o Nas aulas anteriores aprendemos como utilizar uma integral definida para calcular a´reas. No´s vimos que para calcular essas integrais foi necessa´rio determinar o limite de uma Soma de Riemann. O problema com essa te´cnica e´ que calcular o limite dessa soma e´ algo bastante trabalhoso. Para contornar esse problema vamos aprender a usar o Teorema Fundamental do Ca´lculo. Ele nos permitira´ calcular integrais definidas de uma maneira bem conveniente. Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I Se f e´ cont´ınua em [a, b], enta˜o a func¸a˜o F definida por F (x) = ∫ x a f (t) dt (com a ≤ x ≤ b), e´ cont´ınua em [a, b], diferencia´vel em (a, b) e F ′(x) = f (x). Observac¸a˜o Note que podemos escrever [∫ x a f (t) dt ]′ = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I Se f e´ cont´ınua em [a, b], enta˜o a func¸a˜o F definida por F (x) = ∫ x a f (t) dt (com a ≤ x ≤ b), e´ cont´ınua em [a, b], diferencia´vel em (a, b) e F ′(x) = f (x). Observac¸a˜o Note que podemos escrever [∫ x a f (t) dt ]′ = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o As hipo´teses sa˜o: f e´ cont´ınua em [a, b]; a func¸a˜o F e´ definida como F (x) = ∫ x a f (t) dt, com a ≤ x ≤ b. E as teses sa˜o: F e´ cont´ınua em [a, b]; F diferencia´vel em (a, b); F ′(x) = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o As hipo´teses sa˜o: f e´ cont´ınua em [a, b]; a func¸a˜o F e´ definida como F (x) = ∫ x a f (t) dt, com a ≤ x ≤ b. E as teses sa˜o: F e´ cont´ınua em [a, b]; F diferencia´vel em (a, b); F ′(x) = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Por definic¸a˜o de derivada, sabemos que F ′(x) = lim h→0 F (x + h)− F (x) h = lim h→0 ∫ x+h a f (t) dt − ∫ x a f (t) dt h . Considerando os limites laterais e as propriedades da integral definida, temos dois casos: (i) lim h→0+ (∫ x a f (t) dt + ∫ x+h x f (t) dt ) − ∫ x a f (t) dt h (ii) lim h→0− ∫ x+h a f (t) dt − (∫ x+h a f (t) dt + ∫ x x+h f (t) dt ) h Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Por definic¸a˜o de derivada, sabemos que F ′(x) = lim h→0 F (x + h)− F (x) h = lim h→0 ∫ x+h a f (t) dt − ∫ x a f (t) dt h . Considerando os limites laterais e as propriedades da integral definida, temos dois casos: (i) lim h→0+ (∫ x a f (t) dt + ∫ x+h x f (t) dt ) − ∫ x a f (t) dt h (ii) lim h→0− ∫ x+h a f (t) dt − (∫ x+h a f (t) dt + ∫ x x+h f (t) dt ) h Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Por definic¸a˜o de derivada, sabemos que F ′(x) = lim h→0 F (x + h)− F (x) h = lim h→0 ∫ x+h a f (t) dt − ∫ x a f (t) dt h . Considerando os limites laterais e as propriedades da integral definida, temos dois casos: (i) lim h→0+ (∫ x a f (t) dt + ∫ x+h x f (t) dt ) − ∫ x a f (t) dt h (ii) lim h→0− ∫ x+h a f (t) dt − (∫ x+h a f (t) dt + ∫ x x+h f (t) dt ) h Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o No caso (i), temos lim h→0+ 1 h ∫ x+h x f (t) dt. Como f e´ cont´ınua no intervalo [x , x + h], existem p e q nesse intervalo tais que f (p) e´ m´ınimo e f (q) e´ ma´ximo. Podemos escrever que hf (p) ≤ ∫ x+h x f (t) dt ≤ hf (q). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o No caso (i), temos lim h→0+ 1 h ∫ x+h x f (t) dt. Como f e´ cont´ınua no intervalo [x , x + h], existem p e q nesse intervalo tais que f (p) e´ m´ınimo e f (q) e´ ma´ximo. Podemos escrever que hf (p) ≤ ∫ x+h x f (t) dt ≤ hf (q). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o No caso (i), temos lim h→0+ 1 h ∫ x+h x f (t) dt. Como f e´ cont´ınua no intervalo [x , x + h], existem p e q nesse intervalo tais que f (p) e´ m´ınimo e f (q) e´ ma´ximo. Podemos escrever que hf (p) ≤ ∫ x+h x f (t) dt ≤ hf (q). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Rescrevendo a u´ltima inequac¸a˜o, podemos dizer que f (p) ≤ 1 h ∫ x+h x f (t) dt ≤ f (q). Por outro lado, sabemos que lim h→0+ f (p) = lim p→x+ f (p) = f (x), lim h→0+ f (q) = lim q→x+ f (q) = f (x). Pelo Teorema do Confronto, segue que lim h→0+ 1 h ∫ x+h x f (t) dt = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Rescrevendo a u´ltima inequac¸a˜o, podemos dizer que f (p) ≤ 1 h ∫ x+h x f (t) dt ≤ f (q). Por outro lado, sabemos que lim h→0+ f (p) = lim p→x+ f (p) = f (x), lim h→0+ f (q) = lim q→x+ f (q) = f (x). Pelo Teorema do Confronto, segue que lim h→0+ 1 h ∫ x+h x f (t) dt = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Rescrevendo a u´ltima inequac¸a˜o, podemos dizer que f (p) ≤ 1 h ∫ x+h x f (t) dt ≤ f (q). Por outro lado, sabemos que lim h→0+ f (p) = lim p→x+ f (p) = f (x), lim h→0+ f (q) = lim q→x+ f (q) = f (x). Pelo Teorema do Confronto, segue que lim h→0+ 1 h ∫ x+h x f (t) dt = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Utilizando uma ideia ana´loga, podemos justificar que lim h→0− 1 h ∫ x+h x f (t) dt = f (x). Logo, temos que F ′(x) = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte I - Demonstrac¸a˜o Utilizando uma ideia ana´loga, podemos justificar que lim h→0− 1 h ∫ x+h x f (t) dt = f (x). Logo, temos que F ′(x) = f (x). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II Se f e´ cont´ınua em [a, b], enta˜o∫ b a f (x) dx = F (b)− F (a), sendo F uma antiderivada de f . Isto e´, F ′(x) = f (x). Observac¸a˜o E´ comum representarmos a subtrac¸a˜o F (b)− F (a) por F (x)|ba . Ou ainda, por [F (x)]ba . Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II Se f e´ cont´ınua em [a, b], enta˜o∫ b a f (x) dx = F (b)− F (a), sendo F uma antiderivada de f . Isto e´, F ′(x) = f (x). Observac¸a˜o E´ comum representarmos a subtrac¸a˜o F (b)− F (a) por F (x)|ba . Ou ainda, por [F (x)]ba . Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II – Nota Vejamos um exemplo que ilustra o quanto e´ razoa´vel a Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo. Sabemos que a velocidade e´ a taxa de variac¸a˜o do espac¸o sobre o tempo (isto e´, v(t) = s ′(t)). No´s vimos em aulas anteriores que∫ b a v(t) dt fornecia o deslocamento ocorrido no intervalo de tempo [a, b]. Ora, se calcularmos s(b)− s(a) tambe´m temos o deslocamento ocorrido nesse intervalo. Desse modo, e´ razoa´vel pensar que ∫ b a v(t) dt = s(b)− s(a). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II – Nota Vejamos um exemplo que ilustra o quanto e´ razoa´vel a Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo. Sabemos que a velocidade e´ a taxa de variac¸a˜o do espac¸o sobre o tempo (isto e´, v(t) = s ′(t)). No´s vimos em aulas anteriores que∫ b a v(t) dt fornecia o deslocamento ocorrido no intervalo de tempo [a, b]. Ora, se calcularmos s(b)− s(a) tambe´m temos o deslocamento ocorrido nesse intervalo. Desse modo, e´ razoa´vel pensar que ∫ b a v(t) dt = s(b)− s(a). Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o A hipo´tese e´: f e´ cont´ınua em [a, b]; E a tese e´:∫ b a f (x) dx = F (b)− F (a), com F antiderivada de f . Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o A hipo´tese e´: f e´ cont´ınuaem [a, b]; E a tese e´:∫ b a f (x) dx = F (b)− F (a), com F antiderivada de f . Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o Seja a func¸a˜o g(u) = ∫ u a f (x) dx , com a ≤ u ≤ b. Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(u) = f (u). Sabemos que se F e´ outra antiderivada de f , enta˜o F (u) = g(u) + c, com c uma constante real. Desse modo, temos que F (b)− F (a) = [g(b) + c]− [g(a) + c] = ∫ b a f (x) dx − ∫ a a f (x) dx = ∫ b a f (x) dx Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o Seja a func¸a˜o g(u) = ∫ u a f (x) dx , com a ≤ u ≤ b. Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(u) = f (u). Sabemos que se F e´ outra antiderivada de f , enta˜o F (u) = g(u) + c, com c uma constante real. Desse modo, temos que F (b)− F (a) = [g(b) + c]− [g(a) + c] = ∫ b a f (x) dx − ∫ a a f (x) dx = ∫ b a f (x) dx Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o Seja a func¸a˜o g(u) = ∫ u a f (x) dx , com a ≤ u ≤ b. Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(u) = f (u). Sabemos que se F e´ outra antiderivada de f , enta˜o F (u) = g(u) + c, com c uma constante real. Desse modo, temos que F (b)− F (a) = [g(b) + c]− [g(a) + c] = ∫ b a f (x) dx − ∫ a a f (x) dx = ∫ b a f (x) dx Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o Seja a func¸a˜o g(u) = ∫ u a f (x) dx , com a ≤ u ≤ b. Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(u) = f (u). Sabemos que se F e´ outra antiderivada de f , enta˜o F (u) = g(u) + c, com c uma constante real. Desse modo, temos que F (b)− F (a) = [g(b) + c]− [g(a) + c] = ∫ b a f (x) dx − ∫ a a f (x) dx = ∫ b a f (x) dx Teorema Fundamental do Ca´lculo Parte II - Demonstrac¸a˜o Seja a func¸a˜o g(u) = ∫ u a f (x) dx , com a ≤ u ≤ b. Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(u) = f (u). Sabemos que se F e´ outra antiderivada de f , enta˜o F (u) = g(u) + c, com c uma constante real. Desse modo, temos que F (b)− F (a) = [g(b) + c]− [g(a) + c] = ∫ b a f (x) dx − ∫ a a f (x) dx = ∫ b a f (x) dx Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 1: Seja a func¸a˜o g definida por g(x) = ∫ x 0 t cos t dt. Calcule g ′′(pi). Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(x) = x cos x . Caculando a segunda derivada de g , obtemos g ′′(x) = cos x − x sen x . Desse modo, facilmente calculamos que g ′′(pi) = −1. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 1: Seja a func¸a˜o g definida por g(x) = ∫ x 0 t cos t dt. Calcule g ′′(pi). Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(x) = x cos x . Caculando a segunda derivada de g , obtemos g ′′(x) = cos x − x sen x . Desse modo, facilmente calculamos que g ′′(pi) = −1. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 1: Seja a func¸a˜o g definida por g(x) = ∫ x 0 t cos t dt. Calcule g ′′(pi). Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(x) = x cos x . Caculando a segunda derivada de g , obtemos g ′′(x) = cos x − x sen x . Desse modo, facilmente calculamos que g ′′(pi) = −1. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 1: Seja a func¸a˜o g definida por g(x) = ∫ x 0 t cos t dt. Calcule g ′′(pi). Pela Parte I do Teorema Fundamental do Ca´lculo, sabemos que g ′(x) = x cos x . Caculando a segunda derivada de g , obtemos g ′′(x) = cos x − x sen x . Desse modo, facilmente calculamos que g ′′(pi) = −1. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 2: Use a Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo para justificar que ∫ 1 0 x2 dx = 1 3 . Sabemos que F (x) = 13x 3 e´ uma antiderivada de f (x) = x2. Sendo assim, pela Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo segue que∫ 1 0 x2 dx = [ 1 3 x3 ]1 0 = 1 3 · 13 − 1 3 · 03 = 1 3 . Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 2: Use a Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo para justificar que ∫ 1 0 x2 dx = 1 3 . Sabemos que F (x) = 13x 3 e´ uma antiderivada de f (x) = x2. Sendo assim, pela Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo segue que∫ 1 0 x2 dx = [ 1 3 x3 ]1 0 = 1 3 · 13 − 1 3 · 03 = 1 3 . Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 2: Use a Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo para justificar que ∫ 1 0 x2 dx = 1 3 . Sabemos que F (x) = 13x 3 e´ uma antiderivada de f (x) = x2. Sendo assim, pela Parte II do Teorema Fundamental do Ca´lculo segue que∫ 1 0 x2 dx = [ 1 3 x3 ]1 0 = 1 3 · 13 − 1 3 · 03 = 1 3 . Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 3: Determine a a´rea da regia˜o delimitada pelo gra´fico das func¸o˜es f (x) = −x2 + 9x − 8 e g(x) = −12x + 7. Fazendo um esboc¸o do gra´fico dessas func¸o˜es, obtemos a figura abaixo. A a´rea desejada sera´ dada por∫ b a f (x)− g(x) dx . Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 3: Determine a a´rea da regia˜o delimitada pelo gra´fico das func¸o˜es f (x) = −x2 + 9x − 8 e g(x) = −12x + 7. Fazendo um esboc¸o do gra´fico dessas func¸o˜es, obtemos a figura abaixo. A a´rea desejada sera´ dada por∫ b a f (x)− g(x) dx . Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Note que a e b correspondem aos valores de x tais que f (x) = g(x). Isto e´, temos que a e b sa˜o as ra´ızes da equac¸a˜o −x2 + 9x − 8 = −1 2 x + 7. Rosolvendo essa equac¸a˜o, obtemos x1 = 2 e x2 = 15 2 . Sendo assim, temos que a = 2 e b = 152 . Agora, basta calcular ∫ 15 2 2 (−x2 + 9x − 8)− ( −1 2 x + 7 ) dx = ∫ 15 2 2 −x2 + 19 2 x − 15 dx = [ −1 3 x3 + 19 4 x2 − 15x ] 15 2 2 = 1.331 48 Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Note que a e b correspondem aos valores de x tais que f (x) = g(x). Isto e´, temos que a e b sa˜o as ra´ızes da equac¸a˜o −x2 + 9x − 8 = −1 2 x + 7. Rosolvendo essa equac¸a˜o, obtemos x1 = 2 e x2 = 15 2 . Sendo assim, temos que a = 2 e b = 152 . Agora, basta calcular ∫ 15 2 2 (−x2 + 9x − 8)− ( −1 2 x + 7 ) dx = ∫ 15 2 2 −x2 + 19 2 x − 15 dx = [ −1 3 x3 + 19 4 x2 − 15x ] 15 2 2 = 1.331 48 Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Note que a e b correspondem aos valores de x tais que f (x) = g(x). Isto e´, temos que a e b sa˜o as ra´ızes da equac¸a˜o −x2 + 9x − 8 = −1 2 x + 7. Rosolvendo essa equac¸a˜o, obtemos x1 = 2 e x2 = 15 2 . Sendo assim, temos que a = 2 e b = 152 . Agora, basta calcular ∫ 15 2 2 (−x2 + 9x − 8)− ( −1 2 x + 7 ) dx = ∫ 15 2 2 −x2 + 19 2 x − 15 dx = [ −1 3 x3 + 19 4 x2 − 15x ] 15 2 2 = 1.331 48 Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Note que a e b correspondem aos valores de x tais que f (x) = g(x). Isto e´, temos que a e b sa˜o as ra´ızes da equac¸a˜o −x2 + 9x − 8 = −1 2 x + 7. Rosolvendo essa equac¸a˜o, obtemos x1 = 2 e x2 = 15 2 . Sendo assim, temos que a = 2 e b = 152 . Agora, basta calcular ∫ 15 2 2 (−x2 + 9x − 8)− ( −1 2 x + 7 ) dx = ∫ 15 2 2 −x2 + 19 2 x − 15 dx = [ −1 3 x3 + 19 4 x2 − 15x ] 15 2 2 = 1.331 48 Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 4: Utilizando o Teorema Fundamental do Ca´lculo, mostre que a a´rea do triaˆngulo retaˆngulo de catetos medindo 3 cm e 4 cm e´ igual a 6 cm2. Dos conhecimentos de Geometria Plana, ja´ esperamos que a a´rea desse triaˆngulo seja A = 4·32 = 6 cm 2. TeoremaFundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Exemplo 4: Utilizando o Teorema Fundamental do Ca´lculo, mostre que a a´rea do triaˆngulo retaˆngulo de catetos medindo 3 cm e 4 cm e´ igual a 6 cm2. Dos conhecimentos de Geometria Plana, ja´ esperamos que a a´rea desse triaˆngulo seja A = 4·32 = 6 cm 2. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Se f (x) = ax + b e´ a reta que passa pelos pontos (0, 3) e (4, 0), enta˜o a a´rea do triaˆngulo retaˆngulo sera´ correspondente a∫ 4 0 ax + b dx . Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Para determinar a reta que passa por aqueles pontos, precisamos resolver o sistema{ f (0) = 3 f (4) = 0 ⇒ { b = 3 4a + b = 0 . A soluc¸a˜o desse sistema e´ a = −34 e b = 3. Sendo assim, a reta e´ dada por f (x) = −34x + 3. Basta agora resolver∫ 4 0 −3 4 x + 3 dx = [ −3 8 x2 + 3x ]4 0 = 6. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Para determinar a reta que passa por aqueles pontos, precisamos resolver o sistema{ f (0) = 3 f (4) = 0 ⇒ { b = 3 4a + b = 0 . A soluc¸a˜o desse sistema e´ a = −34 e b = 3. Sendo assim, a reta e´ dada por f (x) = −34x + 3. Basta agora resolver∫ 4 0 −3 4 x + 3 dx = [ −3 8 x2 + 3x ]4 0 = 6. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Para determinar a reta que passa por aqueles pontos, precisamos resolver o sistema{ f (0) = 3 f (4) = 0 ⇒ { b = 3 4a + b = 0 . A soluc¸a˜o desse sistema e´ a = −34 e b = 3. Sendo assim, a reta e´ dada por f (x) = −34x + 3. Basta agora resolver∫ 4 0 −3 4 x + 3 dx = [ −3 8 x2 + 3x ]4 0 = 6. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Para determinar a reta que passa por aqueles pontos, precisamos resolver o sistema{ f (0) = 3 f (4) = 0 ⇒ { b = 3 4a + b = 0 . A soluc¸a˜o desse sistema e´ a = −34 e b = 3. Sendo assim, a reta e´ dada por f (x) = −34x + 3. Basta agora resolver∫ 4 0 −3 4 x + 3 dx = [ −3 8 x2 + 3x ]4 0 = 6. Teorema Fundamental do Ca´lculo Exerc´ıcio Para determinar a reta que passa por aqueles pontos, precisamos resolver o sistema{ f (0) = 3 f (4) = 0 ⇒ { b = 3 4a + b = 0 . A soluc¸a˜o desse sistema e´ a = −34 e b = 3. Sendo assim, a reta e´ dada por f (x) = −34x + 3. Basta agora resolver∫ 4 0 −3 4 x + 3 dx = [ −3 8 x2 + 3x ]4 0 = 6.
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