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Teoremas del cálculo integral

Teorema Fundamental del Cálculo, parte 2: cálculo de integrales

TFC parte 2: la integral definida de f de a a b es F(b) − F(a) para cualquier antiderivada F. Enunciado, gráfica, un contraejemplo clave y ejemplos resueltos.

Teoremas del cálculo integral Actualizado 3 min de lectura

De un vistazo

\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)
También llamado
Regla de Barrow, fórmula de Newton-Leibniz, teorema de evaluación
Hipótesis
f es continua en [a, b], y F es cualquier antiderivada de f en ese intervalo (F' = f)
Conclusión
\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)
Notación
\big[F(x)\big]_a^b = F(b) - F(a)
Forma de cambio neto
\int_a^b F'(x)\,dx = F(b) - F(a)
Curso
Cálculo 1
En esta página
  1. Enunciado del TFC, parte 2
  2. Qué significa el TFC 2
  3. Por qué importa la continuidad
  4. Ejemplos resueltos
  5. Errores comunes
  6. Cómo se relaciona el TFC 2 con el TFC 1

El Teorema Fundamental del Cálculo, parte 2 (TFC 2), también llamado regla de Barrow o teorema de evaluación, dice que una integral definida se puede calcular hallando una antiderivada y restando sus valores en los extremos del intervalo. Sustituye el límite de sumas de Riemann por una sola línea de álgebra.

Enunciado del TFC, parte 2

Supongamos que

  1. f es continua en [a, b], y
  2. F es cualquier antiderivada de f en [a, b], es decir, F'(x) = f(x).

Entonces

\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)

El lado derecho se escribe a menudo como \big[F(x)\big]_a^b o F(x)\Big|_a^b.

Qué significa el TFC 2

La integral definida suma f(x)\,dx a lo largo del intervalo. Si f es la tasa de cambio de F, sumar todos los pequeños cambios F'(x)\,dx da el cambio total de F, que es F(b) - F(a). Este es el teorema del cambio neto: integra la velocidad para obtener el desplazamiento, integra un caudal para obtener el volumen total.

TFC parte 2: el área bajo y = sin(x) de 0 a π es igual a 2
Con la antiderivada F(x) = -\cos x, el área sombreada es F(\pi) - F(0) = 1 - (-1) = 2.

Por qué importa la continuidad

Considera \int_{-1}^{1}\frac{1}{x^2}\,dx. Una antiderivada de x^{-2} es -\frac{1}{x}, y aplicar la fórmula a ciegas da

\left[-\frac{1}{x}\right]_{-1}^{1} = -1 - 1 = -2

Pero \frac{1}{x^2} > 0 en todas partes, así que su integral no puede ser negativa. El error: \frac{1}{x^2} no es continua en [-1, 1] porque se dispara en x = 0, así que el TFC 2 no se aplica. Tratada correctamente como una integral impropia, diverge a \infty. Comprueba siempre si hay discontinuidades dentro del intervalo antes de sustituir.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: un polinomio. Calcula \int_1^3 (2x + 1)\,dx.

Paso 1. Una antiderivada es F(x) = x^2 + x.

Paso 2. F(3) = 9 + 3 = 12 y F(1) = 1 + 1 = 2.

Paso 3. \int_1^3 (2x + 1)\,dx = 12 - 2 = 10.

Comprobación con geometría: la región es un trapecio con lados paralelos f(1) = 3 y f(3) = 7 y anchura 2, así que su área es \frac{3 + 7}{2}\cdot 2 = 10.

Ejemplo 2: una integral trigonométrica. Calcula \int_0^\pi \sin x\,dx.

\int_0^\pi \sin x\,dx = \big[-\cos x\big]_0^\pi = -\cos\pi - (-\cos 0) = 1 + 1 = 2

Es el área bajo un arco de la curva del seno, que se muestra en la gráfica de arriba.

Ejemplo 3: un logaritmo. Calcula \int_1^e \frac{1}{x}\,dx.

\frac{1}{x} es continua en [1, e], y una antiderivada es \ln x. Así que

\int_1^e \frac{1}{x}\,dx = \ln e - \ln 1 = 1 - 0 = 1

Ejemplo 4: cambio neto. Un depósito se llena a razón de r(t) = 3t^2 litros por minuto. Entre t = 1 y t = 2 minutos, el volumen aumenta en

\int_1^2 3t^2\,dt = \big[t^3\big]_1^2 = 8 - 1 = 7 \text{ liters}

Errores comunes

  1. Restar en el orden equivocado. Es F(b) - F(a), primero el límite superior.
  2. Quitar los paréntesis. Con F(x) = x^2 - 3x, escribe F(b) - F(a) = (b^2 - 3b) - (a^2 - 3a). Si pierdes los paréntesis, cambian los signos.
  3. Ignorar las discontinuidades. Como se vio arriba, un integrando que se dispara dentro de [a, b] requiere las técnicas de integrales impropias.
  4. Confundir área con área con signo. El TFC 2 da el área con signo: las regiones por debajo del eje x cuentan como negativas. Para el área total, divide donde f cambia de signo, como en el área entre curvas.

Cómo se relaciona el TFC 2 con el TFC 1

La parte 1 del TFC dice que G(x) = \int_a^x f(t)\,dt es una antiderivada de f. Cualquier otra antiderivada difiere de G en una constante (una consecuencia del Teorema del Valor Medio), así que F(b) - F(a) = G(b) - G(a) = \int_a^b f(t)\,dt. Esa es toda la demostración de la parte 2.

Para hallar antiderivadas, consulta antiderivadas y sustitución (cambio de variable). Para ver las dos partes del teorema con más ejemplos, lee la guía del Teorema Fundamental del Cálculo.

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Preguntas frecuentes

¿Qué dice el segundo teorema fundamental del cálculo?

Si f es continua en [a, b] y F es cualquier antiderivada de f, entonces \int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a). Una integral definida se puede calcular con una antiderivada en lugar de con un límite de sumas de Riemann.

¿Por qué no hace falta la +C en una integral definida?

Si usas F(x) + C, el resultado es (F(b) + C) - (F(a) + C) = F(b) - F(a). La constante se cancela, así que cualquier antiderivada da la misma respuesta.

¿Puede el teorema fundamental del cálculo dar una respuesta incorrecta?

Solo si ignoras su hipótesis. Para \int_{-1}^{1}\frac{1}{x^2}\,dx el cálculo ingenuo da -2, algo imposible con un integrando positivo. El integrando no es continuo en 0, así que el teorema no se aplica y la integral en realidad diverge.

¿Se usa la parte 1 o la parte 2 del teorema fundamental del cálculo para calcular integrales?

La parte 2. La parte 1 trata de derivar una integral con un límite variable, mientras que la parte 2 es la fórmula F(b) - F(a) que se usa para calcular integrales definidas.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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