Teorema Fundamental do Cálculo: partes 1 e 2 com exemplos
Aprenda as duas partes do Teorema Fundamental do Cálculo: calcule integrais definidas com antiderivadas e derive integrais com limites variáveis.
Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura
Nesta página
- O que o Teorema Fundamental do Cálculo diz
- Por que funciona: a área se acumula a uma taxa igual à altura
- Como calcular uma integral definida (parte 2 do TFC)
- Área com sinal: quando a integral é negativa
- Derivadas de integrais (parte 1 do TFC)
- Referência rápida
- Erros comuns com o Teorema Fundamental
- Pratique o cálculo de integrais
Calcular a área sob y = x^2 com somas de Riemann exige uma página de álgebra e um limite. O Teorema Fundamental do Cálculo faz isso em uma linha: \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = \frac{8}{3}. É por causa dele que as integrais são práticas, e ele une as duas metades do cálculo num único assunto.
O que o Teorema Fundamental do Cálculo diz
Em linguagem simples: derivação e integração são processos inversos. O teorema tem duas partes, uma para cada sentido.
Parte 1 (derivada de uma integral). Se f é contínua em [a, b], então a função área g(x) = \int_a^x f(t)\,dt é diferenciável e
Parte 2 (cálculo de integrais). Se f é contínua em [a, b] e F é qualquer antiderivada de f (ou seja, F' = f), então
Escrevemos F(b) - F(a) de forma abreviada como \Big[F(x)\Big]_a^b.
A maioria dos livros numera as partes assim, embora alguns troquem os rótulos. O que importa é reconhecer qual tarefa você está fazendo: calcular um número ou derivar uma integral.
Por que funciona: a área se acumula a uma taxa igual à altura
Imagine a área sob y = f(t) de a até x, e empurre x um pouquinho para a direita, de h. A área extra é uma faixa fina de largura h e altura aproximada f(x), então
Quando h \to 0, isso vira g'(x) = f(x): a taxa com que a área cresce é a altura da curva. Essa é a parte 1. A parte 2 vem em seguida: g é uma antiderivada de f, qualquer outra antiderivada F difere dela por uma constante, e \int_a^b f = g(b) - g(a) = F(b) - F(a).
Como calcular uma integral definida (parte 2 do TFC)
- Encontre uma antiderivada F(x). Dispense o +C, ele se cancela.
- Calcule F(b), no limite superior.
- Calcule F(a), no limite inferior.
- Subtraia: F(b) - F(a).
Exemplo resolvido 1: um polinômio
Calcule \int_0^2 x^2\,dx.
Passo 1. Uma antiderivada de x^2 é \frac{x^3}{3}.
Passo 2. F(2) = \frac{8}{3}.
Passo 3. F(0) = 0.
Passo 4.
Esse é exatamente o limite das somas de Riemann calculado pelo caminho longo, sem precisar de notação de somatório.
Exemplo resolvido 2: raízes e constantes
Calcule \int_1^4 (3\sqrt{x} - 2)\,dx.
Passo 1. Escreva 3\sqrt{x} = 3x^{1/2}. Sua antiderivada é 3\cdot\frac{x^{3/2}}{3/2} = 2x^{3/2}, e a antiderivada de -2 é -2x. Então F(x) = 2x^{3/2} - 2x.
Passo 2. F(4) = 2(4)^{3/2} - 2(4) = 2(8) - 8 = 8.
Passo 3. F(1) = 2(1) - 2(1) = 0.
Passo 4.
Exemplo resolvido 3: a área sob um arco do seno
Calcule \int_0^{\pi} \sin x\,dx.
Passo 1. Uma antiderivada de \sin x é -\cos x.
Passos 2 a 4.
Os dois sinais de menos são onde a maioria dos erros acontece. Escreva os colchetes por extenso, como acima, todas as vezes.
Exemplo resolvido 4: um logaritmo
Calcule \int_1^e \frac{1}{x}\,dx.
Exemplo resolvido 5: exponenciais e uma constante que não some
Calcule \int_0^1 (e^x + 2x)\,dx.
Passo 1. Uma antiderivada é F(x) = e^x + x^2.
Passo 2. F(1) = e + 1.
Passo 3. F(0) = e^0 + 0 = 1. Atenção aqui: e^0 é 1, não 0, então o limite inferior não desaparece.
Passo 4.
Área com sinal: quando a integral é negativa
Uma integral definida conta a área acima do eixo x como positiva e a área abaixo como negativa. Por exemplo,
O arco acima do eixo (área 2) cancela o arco abaixo (área 2). Se a questão pedir a área total, e não a integral, divida nos zeros e some os valores absolutos: 2 + 2 = 4.
Exemplo resolvido 6: deslocamento e distância percorrida
A mesma ideia aparece em problemas de movimento, em que a parte 2 costuma ser chamada de teorema da variação total: integrar uma taxa dá a variação total. Uma partícula se move com velocidade v(t) = 3t^2 - 6t m/s. Encontre seu deslocamento e a distância total percorrida de t = 0 até t = 3.
Passo 1. Deslocamento. Uma antiderivada de v é t^3 - 3t^2, então
A partícula termina onde começou.
Passo 2. Descubra onde ela inverte o sentido. v(t) = 3t(t - 2) é negativa em (0, 2) e positiva em (2, 3).
Passo 3. Distância. Integre |v| dividindo em t = 2:
Ela se move 4 m para trás e depois 4 m para a frente, então a distância total é 8 m, embora o deslocamento seja 0.
Derivadas de integrais (parte 1 do TFC)
A parte 1 permite derivar uma integral sem calculá-la, o que importa quando o integrando não tem antiderivada simples.
Exemplo resolvido 7: x no limite superior
Encontre \frac{d}{dx}\int_1^x \sqrt{t^3 + 1}\,dt.
Não existe antiderivada simples de \sqrt{t^3 + 1}, e você não precisa de uma. Pela parte 1, troque t por x:
O limite inferior 1 não importa. Mudá-lo só desloca a função área por uma constante.
Exemplo resolvido 8: uma função no limite superior
Encontre \frac{d}{dx}\int_0^{x^2}\cos t\,dt.
Aqui o limite superior é u = x^2, então a regra da cadeia acrescenta um fator u' = 2x:
Confira calculando primeiro: \int_0^{x^2}\cos t\,dt = \sin(x^2) - \sin 0 = \sin(x^2), e \frac{d}{dx}\sin(x^2) = 2x\cos(x^2). Confere.
A regra geral é
Exemplo resolvido 9: x no limite inferior
Encontre \frac{d}{dx}\int_x^3 e^{t^2}\,dt.
Passo 1. Inverta os limites. Trocar os limites muda o sinal: \int_x^3 e^{t^2}\,dt = -\int_3^x e^{t^2}\,dt.
Passo 2. Aplique a parte 1.
Se os dois limites dependem de x, divida a integral numa constante: \frac{d}{dx}\int_{u(x)}^{v(x)} f(t)\,dt = f(v(x))\,v'(x) - f(u(x))\,u'(x).
Referência rápida
| Tarefa | Regra |
|---|---|
| Calcular \int_a^b f(x)\,dx | F(b) - F(a) em que F' = f |
| \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt | f(x) |
| \frac{d}{dx}\int_a^{u(x)} f(t)\,dt | f(u(x))\,u'(x) |
| \frac{d}{dx}\int_{x}^{a} f(t)\,dt | -f(x) |
| \frac{d}{dx}\int_{u(x)}^{v(x)} f(t)\,dt | f(v(x))\,v'(x) - f(u(x))\,u'(x) |
| Inverter os limites | \int_b^a f = -\int_a^b f |
Erros comuns com o Teorema Fundamental
- Subtrair na ordem errada. É F(\text{cima}) - F(\text{baixo}). Inverter muda o sinal da resposta.
- Esquecer parênteses com negativos. No exemplo 3, (-\cos\pi) - (-\cos 0) precisa de todos os parênteses. Escrever -\cos\pi - \cos 0 dá 0 em vez de 2.
- Esquecer o fator da regra da cadeia. \frac{d}{dx}\int_0^{x^2}\cos t\,dt é 2x\cos(x^2), e não \cos(x^2).
- Integrar quando a parte 1 se aplica. Se a questão pede a derivada de uma integral, raramente é preciso encontrar uma antiderivada.
- Confundir integral com área total. Se a curva desce abaixo do eixo, \int_a^b f não é a área. Divida nos zeros.
- Aplicar o teorema sobre uma descontinuidade. \int_{-1}^1 \frac{1}{x^2}\,dx não é \left[-\frac{1}{x}\right]_{-1}^1 = -2. O integrando explode em 0, então o teorema não se aplica. Isso é uma integral imprópria.
Pratique o cálculo de integrais
Depois que o teorema faz sentido, toda integral definida vira uma antiderivada mais uma aritmética cuidadosa. A maioria dos erros é de sinal, então repetir com feedback é o caminho mais rápido para ganhar confiança. A lição interativa abaixo confere cada resposta na hora e mostra todo o trabalho com os colchetes sempre que um sinal escapa. Para integrandos mais difíceis, o próximo passo é a substituição (mudança de variável).
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