- Departamento de Matemática Aplicada (GMA) Notas de aula Prof a. Marlene Dieguez Fernandez. Integral definida
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- João Guilherme Barroso Belmonte
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1 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene Deprtmento de Mtemáti Aplid (GMA) Nots de ul Pro. Mrlene Dieuez Fernndez Interl deinid Oservção: esse teto ontém pens prte teóri desse ssunto, não estão qui os eemplos e eeríios que são prte interntes desse ssunto. Começremos introduzindo luns novos termos e nomenlturs neessários pr o entendimento d interl deinid. Prtição de um intervlo ehdo e limitdo Esolh números i, i =,,n no intervlo [,], d seuinte orm: = < 1 < 2 < 3 < < n 1 < n = = n 1 n = Dess orm o intervlo [,] iou dividido em n su-intervlos do tipo [ i 1, i ], i = 1,,n. (Oserve que os omprimentos desses intervlos não são neessrimente iuis) O onjunto desses n su-intervlos é denomindo prtição do intervlo [, ] e denotdo por P. Comprimento ou norm de um prtição. Denotmos por: i = i i 1 = m{ i, i = 1,,n} Verii-se que n o omprimento de d intervlo d prtição. norm ou omprimento d prtição A Som de Riemnn de um unção om prtição P do intervlo [,] Considere um unção : [,] R Esolh um prtição P de [,] om n su-intervlos de omprimentos i. Oserve n Fi. 1 os vlores i no eio horizontl. Esolh em d [ i 1, i ] um vlor i tl que i 1 i i. Pr d i podemos lulr ( i ). Oserve n Fi. 1 que s ordends ( i ) podem ser positivs ou netivs. =() 1 2 n = 1 2 n 1 n= Fi. 1 Deine-se Som de Riemnn de um unção om prtição P do intervlo [,] por: S = n ( i ) i A interl deinid de um unção no intervlo [,] Considere um unção : [,] R om prtição P e Som de Riemnn S. Se eiste o seuinte limite, lim S = lim n ( i ) i diz-se que o limite é interl deinid de um unção no intervlo [,] e denot-se por ()d.
2 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene Isto é, se eiste o limite, diz-se que é interável em [,] e podemos esrever: lim S = lim n ( i ) i Oserve qu Som de Riemnn pode resultr em vlor positivo, netivo ou nulo, portnto interl deinid tmém pode ser um número positivo, netivo ou nulo. Denomin-se de limite de interção inerior e de limite de interção superior. Teorem Considere um unção : [,] R. Se é ontínuem [,] então é interávelem [,]. Justiitiv: A teori pr demonstrção desse teorem não z prte de Cálulo I-A. Um plição eométri d interl deinid Considere um reião pln im do eio horizontl, so o ráio de um unção interável = (), deinid no intervlo [,]. N Fi. 2, o intervlo [,] = [.5, 3]. Como poderímos lulr proimdmente áre dess reião? Podemos trçr retânulos dequdmente e então somr s áres desses retânulos. N Fi. 3 trçmos 7 retânulos. =() =() Fi. 2 Fi. 3 Poderímos tmém trçr mis retânulos, omo n Fi. 4, e então somr s áres desses retânulos. 2 =() N Fi. 4 trçmos 14 retânulos. A som ds áres dos 14 retânulos d Fi. 4 é um proimção melhor do que som ds áres dos 7 retânulos d Fi Fi. 4 Se ontinurmos om esse proesso de umentr o número de retânulos e somr s sus áres, estremos lulndo números d vez mis próimos d áre d reião. Pr um número n de retânulos, oserve: i = se de d retânulo; ( i ) = ltur de d retânulo. n Portnto Som de Riemnn = ( i ) i = som ds áres de todos os retânulos. Aor, st zer n Som de Riemnn e otemos: áre so o ráio de.
3 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene A Interl Deinid de dus unções prtiulres: ()d = (justiitiv: n Som de Riemnn todos os vloresde ( i ) são nulos. Geometrimente, todos osretânulos têm ltur e áre nul) (1)d = d = = omprimento do intervlo [,]. (justiitiv: n Som de Riemnn todos os termos são os omprimentos dos su-intervlos) Interpretções eométris: Considere unção = () deinid e interável em [,]. Considere tmém A = áre d reião delimitd pelo ráio de, pelo eio e pels rets = e =. 1. Se () [,] então A = Aqui diz-se que é áre so o ráio, ver Fi. 5 ()d e (justiitiv: é plição eométi vist nteriormente) 2. Se () [,] então A = Aqui diz-se que é áre sore o ráio, ver Fi. 6 ()d e ()d ()d (justiitiv: s lturs dos retânulos n Som de Riemnn são iuis ( i ) ) =() =() Fi. 5 Fi. 6 Áre A = 2 2 ()d Áre A = 3 ()d A seuir, veremos proprieddes, teorems e novs deinições que serão stnte úteis pr s simpliições do álulo de interis deinids. Proprieddes d Interl Deinid Considere s unções = () e = () deinids e interáveis em [,] e um onstnte rel. Vlem s seuintes propieddes: 1. (()+())d = ()d (justiitiv: usr s proprieddes omuttiv e ssoitiv n Som de Riemnn) 2. ()d (justiitiv: usr propriedde distriutiv n Som de Riemnn) 3. Se () () [,] então ()d ()d (justiitiv: () () () () ()+( 1)() ()d +( 1) ()d ()d ()d. (()+( 1)())d.q.d.
4 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene Teorem d deomposição Considere um unção : [,] R. =() Se é interável em [,] então pr todo tl que < < temos que: ()d Fi. 7 Interpretção: sempre podemos deompor um interl deinid omo som de dus outrs interis deinids, ver Fi. 7. Justiitiv: Pr demonstrr, st onsiderr = k, tl que 1 < k < n e seprr Som de Riemnn d seuinte orm: n k n S = ( i ) i = ( i ) i + ( i ) i Os dois somtórios do ldo direito orrespondem às prtições dos intervlos [, ] e [, ]. Clulndo os limites, enontrm-se s interis deinids nestes intervlos. i=k+1 Dus novs deinições Até qui, n interl Deine-se: 1., ()d oi onsiderdo <. por eemplo, 2. Se unção é interável em [,]. ()d 4 por eemplo, é interável em [2,3], temos ()d Os. : no so d deinição 2, dizemos que o trormos os limites de interção, interl mud de sinl. Novo Teorem d deomposição Considere um unção : I R, onde I é um intervlo ehdo e limitdo Se é interável em I então pr quisquer números,,, todos pertenentes I e <, temos que: ()d Atenção: este teorem é dierente do teorem nterior porque qui o número pode estr em qulquer ordem em relção e. Justiitiv. Temos 5 sos onsiderr: (i) < <, pelo teorem d deomposição, ()d interl tro de sinl e otemos (ii) =< <, podemos esrever e otemos ()d. + ()d. Loo Invertendo ordem de interção n interl mis à direit, ()d. Loo, omo, temos ()d ()d. Aor omo =, sustituimos por ns interis do ldo direito ()d
5 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene (iii) < <, ess é hipótese do teorem d deomposição, loo (iv) < =, podemos esrever e otemos. Loo, omo, temos ()d ()d. Aor omo =, sustituimos por ns interis do ldo direito (v) < <, pelo teorem d deomposição, ()d tro de sinl e otemos ()d ()d. Loo ()d. Invertendo ordem de interção n interl mis à direit, interl ()d. Teorem do Vlor Médio pr Interis Considere um unção : [,] R. Se é ontínu em [,] então eiste um vlor, om < < e tl que ()d = ( ) Um interpretção eométri desse teorem: Se () em [,], interl do numerdor é áre d reião so urv e o denomindor é se dess iur. O quoiente é iul ltur de um retânulo uj se e áre são s mesms dess reião. O teorem rnte que eiste um vlor tl que ( ) é etmente o vlor d ltur desse retânulo. O teorem im é prtiulrmente útil n demonstrção do ímportntíssimo teorem seuir. Teorem Fundmentl do Cálulo Considere um unção : I R t (t) 1. prte: onde I é um intervlo ehdo e limitdo e é ontínu em I. Pr um vlor onstnte ddo e vriável, e em I, deinimos um nov unção F() = (t)dt Nests ondições, F é um nti-derivd de (), isto é, F () = () 2. prte: Se G() é um nti-derivd qulquer de () então Oservções: Um outr mneir de esrever 1. prte é G() G(). Se é um unção ontínu no intervlo ehdo e limitdo I então dmite um unção primitiv ou nti-derivd. Um primitiv de é F() = (t)dt, onde é um ontrnte, I. Ns mesms ondições sore, pelo que já oi visto de interl indeinid, podemos esrever () d = (t)dt+c
6 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene Demonstrção do Teorem do Vlor Médio pr Interis Como hipótese é que é ontínu no intervlo [,], podemos plir o Teorem dos Vlores Etremos: eistem dois vlores mín e má, tis que ( mín ) = mínimo de e ( má ) = máimo de. Loo, [,] temos que ( mín ) () ( má ). Como é ontínu, é tmém interável, pel propriedde de interl deinid lulndo-se interl deinid, desiuldde não se lter, otemos ( mín )d ()d de interl deinid, temos ( mín ) Lemrndo que e otemos ( má )d. Aor, omo ( mín ) e ( má ) são onstntes, por propriedde d ()d ( má ) porque, podemos dividir todos os termos ds desiulddes por ( mín ) ()d ( má )d. Ms Donde, é ontínu em [,] e ( mín ) k ( má ). d. ()d = onstnte = k. Assim, podemospliroteoremdovlorintermediárioeonluirque entre mín e má tlque ( ) = k. Ms mín [,], má [,] e, inlmente onluímos que, < < tl que ( ) = k = Demonstrção do Teorem Fundmentl do Cálulo - Prte I Com hipótese ontínu no intervlo I, onstnte e vriável, deinimos F() = (t)dt e queremos provr que F () = (). Lemrndo, deinição de derivd de F() é F () = lim primeiro F + F(+ ) F() () = lim. Fi omo eeríio determinr F + Sustituindo pel deinição de F, F + () = lim (t)dt, plindo propriedde de deomposiçãonprimeirinterl, F +() = lim (t)dt+ (t)dt + ()d. F(+ ) F(). Vmos determinr (t)dt () = lim F(+ ) F() (t)dt = lim + + (t)dt. Oservndo que o denomindor = (+ ) () e omo é ontínu em [,+ ], podemos plir o TVM pr interl, isto é,, < < + tl que + Ms, < < +, pelo Teorem do Snduíhe, lim ) =. +( Isto é, F () = lim + + (t)dt = lim + ( ) = (). Demonstrção do Teorem Fundmentl do Cálulo - Prte II (t)dt = ( ). Hipóteses: ontínu em I, I e I onstntes e G() é nti-derivd de, isto é, G () = ()..q.d. N unção F d prte I temos tmém F () = (). Loo G () = F () G () F () = (G() F()) = G() F() = C G() = F()+C. Loo G() = F()+C e G() = F()+C e portnto G() G() = F() F(). Usndo deinição de F, G() G() = (t)dt (t)dt = (t)dt.q.d.
7 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene Mudnç de Vriável n Interl Deinid Oservção: Este tópio será visto depois de estudrmos téni de interção por sustituição simples (ou por mudnç de vriável), pr enontrr um primitiv de. Considere u = () deinid em [,], invertível e diereniável em (,). Se (u) é ontínu em [(),()], então vle seuinte órmul de mudnç de vriável: (()) ()d = () () (u)du Interl de unção pr em intervlo simétrio. Considere () um unção deinid e interável no intervlo [, ]. Vle seuinte simpliição: se é pr então 2 ()d Justiitiv. Queremos lulr Como é pr, temos que () = ( ), portnto ()d. (*) ( )d. Aoroserveque se tommosu = = () podemos plirórmulde mudnçde vriávelninterldeinid. Preismossustituir du = d; qundo =, u = ( ) = ( ) = ; qundo =, u = () =. Loo ( )d = (u)( 1)du = (u)du = Aor, sustituindo últim interl em (*), otemos Interl de unção ímpr em intervlo simétrio. (u)du = Considere () um unção deinid e interável no intervlo [, ]. ()d. 2 ()d. Vle seuinte simpliição: se é ímpr então Justiitiv. Queremos lulr Como é ímpr, temos que ( ) = () ou () = ( ) portnto, ()d. (*) ( )d. Aoroserveque se tommosu = = () podemos plirórmulde mudnçde vriávelninterldeinid. Preismossustituir du = d; qundo =, u = ( ) = ( ) = ; qundo =, u = () =. Loo ( )d = (u)( 1)du = Aor, sustituindo últim interl em (*), otemos (u)du = (u)du = ()d..
8 Interl Deinid Nots de ul - pro. Mrlene Cálulo de áre de reiões plns Cso 1 Sej R um reião ompreendid entre o ráio de dus unções = () e () deinids em [,], Ver Fi. 8. Se () () então órmul d áre A d reião R é A = (() ())d Fi. 8 Justiitiv. Temos três sos onsiderr pr s posições dos ráios de e em relção o eio. Considere A 1 = áre entre o eio e o ráio de = (), A 2 = áre entre o eio e o ráio de = (). 1. () () pr. Ver Fi. 9. Neste so A = A 2 A 1, A 1 = ()d e A 2 = ()d. LooA = ()d ()d. 2. () () pr. Ver Fi. 1. Neste so A = A 1 +A 2, A 1 = Loo A = ()d e A 2 = ()d. ()d = ()d ()d. 3. () () pr. Ver Fi. 11. Neste so A = A 1 A 2, A 1 = Loo A = ()d e A 2 = ()d ( ) ()d. ()d = ()d ()d. Fi. 9 Fi. 1 Fi. 11 Cso 2 Sej R um reião ompreendid entre os ráios ds unções = () e () deinids em [,]. Oserve que qui não há restrição pr posição reltiv entre os ráios de = () e = (). Neste so é preiso enontrr todos os vlores de orrespondentes às interseções dos ráios e deteminr os intervlos em que () () e em que () (). Feito isso, áre d reiãor será som ds interis nesses intervlos, sempre d unção de mior vlor menos unção de menor vlor. A Fi. 12 represent um possível reião ompreendid entre os ráios de dus unções interáveis em [, ] que possuem três interseções: = 2, = 3, = 4 =. Aqui izemos = 1. A 1 = áre de R 1 A 2 = áre de R 2 A 3 = áre de R 3 R 1 R2 R A = áre entre e A = A 1 +A 2 +A 3 Loo A = (() ())d+ (() ())d+ (() ())d Fi. 12
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