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Integrais

Somas de Riemann: à esquerda, à direita e ponto médio, com exemplos

Aprenda somas de Riemann passo a passo: retângulos à esquerda, à direita e no ponto médio, notação sigma, erro por excesso ou falta e a integral definida.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura

Nesta página
  1. O que é uma soma de Riemann?
  2. Somas de Riemann à esquerda, à direita e no ponto médio
  3. Exemplo resolvido 1: área sob y = x² de 0 a 2
  4. Por excesso ou por falta?
  5. Exemplo resolvido 2: uma função decrescente
  6. Exemplo resolvido 3: somas de Riemann a partir de uma tabela
  7. Escrevendo somas de Riemann em notação sigma
  8. Das somas de Riemann à integral definida
  9. Erros comuns com somas de Riemann
  10. Pratique com retângulos

Achar a área de um retângulo é fácil. Achar a área sob uma curva como y = x^2 não é, porque a borda de cima se curva. As somas de Riemann resolvem isso preenchendo a região com retângulos finos e somando-os, e são a ideia sobre a qual toda a integral definida é construída.

O que é uma soma de Riemann?

Uma soma de Riemann é uma estimativa, feita com retângulos, da área sob y = f(x) num intervalo [a, b]:

  1. Divida [a, b] em n pedaços iguais, cada um com largura
\Delta x = \frac{b - a}{n}
  1. Em cada pedaço, escolha um ponto amostral x_i^* e use f(x_i^*) como altura do retângulo.
  2. Some as áreas, altura vezes largura:
\sum_{i=1}^{n} f(x_i^*)\,\Delta x

A única escolha que você faz é onde, em cada pedaço, tomar a altura. Essa escolha dá as três regras padrão.

Somas de Riemann à esquerda, à direita e no ponto médio

Com x_0 = a, x_1 = a + \Delta x, x_2 = a + 2\Delta x e assim por diante até x_n = b:

Regra Ponto amostral no pedaço i Soma
Soma à esquerda extremidade esquerda, x_{i-1} = a + (i-1)\Delta x L_n = \Delta x\,[f(x_0) + f(x_1) + \cdots + f(x_{n-1})]
Soma à direita extremidade direita, x_i = a + i\,\Delta x R_n = \Delta x\,[f(x_1) + f(x_2) + \cdots + f(x_n)]
Soma no ponto médio meio, a + (i - \frac{1}{2})\Delta x M_n = \Delta x\,[f(m_1) + f(m_2) + \cdots + f(m_n)]

Repare que a soma à esquerda usa todos os pontos menos o último, e a soma à direita usa todos os pontos menos o primeiro.

Exemplo resolvido 1: área sob y = x² de 0 a 2

Estime \int_0^2 x^2\,dx com n = 4 usando as somas à esquerda, à direita e no ponto médio.

Passo 1. Largura. \Delta x = \frac{2 - 0}{4} = 0.5. Os pontos de divisão são 0, 0.5, 1, 1.5, 2.

Área sob y = x² de 0 a 2 com alturas nas extremidades direitas de 4 retângulos
Cada pedaço tem largura 0.5. Os pontos marcam as alturas nas extremidades direitas, 0.25, 1, 2.25 e 4. A área exata sombreada é \frac{8}{3}.

Passo 2. Soma à esquerda. Alturas em 0, 0.5, 1, 1.5:

L_4 = 0.5\,[0 + 0.25 + 1 + 2.25] = 0.5(3.5) = 1.75

Passo 3. Soma à direita. Alturas em 0.5, 1, 1.5, 2:

R_4 = 0.5\,[0.25 + 1 + 2.25 + 4] = 0.5(7.5) = 3.75

Passo 4. Soma no ponto médio. Pontos médios 0.25, 0.75, 1.25, 1.75:

M_4 = 0.5\,[0.0625 + 0.5625 + 1.5625 + 3.0625] = 0.5(5.25) = 2.625

A área exata (que vamos confirmar mais abaixo) é \frac{8}{3} \approx 2.667. A soma à esquerda fica muito abaixo, a soma à direita muito acima, e a soma no ponto médio erra por apenas 0.04.

Por excesso ou por falta?

Numa função crescente como x^2 em [0, 2], a extremidade esquerda de cada pedaço é o ponto mais baixo, então todo retângulo à esquerda fica abaixo da curva: as somas à esquerda subestimam. A extremidade direita é o ponto mais alto, então as somas à direita superestimam. Numa função decrescente, troque as duas.

A regra do ponto médio depende da concavidade. Numa curva com concavidade para cima como x^2, a soma no ponto médio subestima (só um pouco), e numa curva com concavidade para baixo ela superestima.

Formato da função Soma à esquerda Soma à direita Soma no ponto médio
Crescente Falta Excesso (veja a concavidade)
Decrescente Excesso Falta (veja a concavidade)
Concavidade para cima Falta
Concavidade para baixo Excesso

A média das somas à esquerda e à direita dá a regra dos trapézios: \frac{1.75 + 3.75}{2} = 2.75. Numa curva com concavidade para cima, a regra dos trapézios superestima, então o valor verdadeiro fica entre as estimativas do ponto médio e dos trapézios: 2.625 < \frac{8}{3} < 2.75.

Exemplo resolvido 2: uma função decrescente

Estime \int_1^3 \frac{1}{x}\,dx com n = 4 usando as três regras.

Passo 1. Largura. \Delta x = \frac{3 - 1}{4} = 0.5. Pontos de divisão: 1, 1.5, 2, 2.5, 3.

Passo 2. Soma à esquerda. Alturas f(1) = 1, f(1.5) \approx 0.6667, f(2) = 0.5, f(2.5) = 0.4:

L_4 = 0.5\,[1 + 0.6667 + 0.5 + 0.4] \approx 1.2833

Passo 3. Soma à direita. Alturas em 1.5, 2, 2.5, 3:

R_4 = 0.5\,[0.6667 + 0.5 + 0.4 + 0.3333] = 0.5(1.9) = 0.95

Passo 4. Soma no ponto médio. Os pontos médios 1.25, 1.75, 2.25, 2.75 dão as alturas 0.8, 0.5714, 0.4444, 0.3636:

M_4 \approx 0.5(2.1795) \approx 1.0898

O valor exato é \ln 3 \approx 1.0986. Desta vez a função é decrescente, então a soma à esquerda fica grande demais e a soma à direita pequena demais: o contrário do exemplo 1. A curva tem concavidade para cima, então a soma no ponto médio fica de novo um pouco abaixo.

Exemplo resolvido 3: somas de Riemann a partir de uma tabela

A velocidade de um carro é registrada a cada segundo:

t (s) 0 1 2 3 4
v (m/s) 0 4 7 9 10

Estime a distância percorrida de t = 0 a t = 4.

A distância é a área sob a curva da velocidade, e \Delta t = 1.

Soma à esquerda: 1 \cdot (0 + 4 + 7 + 9) = 20 m.

Soma à direita: 1 \cdot (4 + 7 + 9 + 10) = 30 m.

A velocidade só aumenta na tabela, então (supondo que ela também aumente entre as leituras) a distância verdadeira fica entre 20 e 30 metros. Aqui não dá para usar uma soma no ponto médio com n = 4, porque a tabela não tem leituras em t = 0.5, 1.5, \ldots. Com n = 2 daria: os pontos médios t = 1 e t = 3 dão 2 \cdot (4 + 9) = 26 m.

Escrevendo somas de Riemann em notação sigma

Para uma soma à direita em [a, b] com n pedaços, os pontos amostrais são x_i = a + i\,\Delta x, então

R_n = \sum_{i=1}^{n} f\!\left(a + i\,\frac{b - a}{n}\right)\frac{b - a}{n}

Para somas à esquerda, troque i por i - 1; para pontos médios, troque por i - \frac{1}{2}.

Exemplo resolvido 4: a área exata como limite

Encontre \int_0^2 x^2\,dx como limite de somas à direita.

Passo 1. Monte. \Delta x = \frac{2}{n} e x_i = \frac{2i}{n}, então f(x_i) = \frac{4i^2}{n^2}.

Passo 2. Escreva a soma.

R_n = \sum_{i=1}^{n} \frac{4i^2}{n^2} \cdot \frac{2}{n} = \frac{8}{n^3}\sum_{i=1}^{n} i^2

Passo 3. Use a fórmula da soma dos quadrados \sum_{i=1}^{n} i^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}:

R_n = \frac{8}{n^3}\cdot\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} = \frac{4}{3}\left(1 + \frac{1}{n}\right)\left(2 + \frac{1}{n}\right)

Passo 4. Calcule o limite. Quando n \to \infty, os dois termos \frac{1}{n} tendem a 0:

\lim_{n\to\infty} R_n = \frac{4}{3}(1)(2) = \frac{8}{3}

Então a área exata é \frac{8}{3}. Com n = 4, a fórmula dá \frac{4}{3}(1.25)(2.25) = 3.75, o mesmo resultado do exemplo resolvido 1.

Das somas de Riemann à integral definida

A conta acima é exatamente como a integral definida é definida:

\int_a^b f(x)\,dx = \lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n} f(x_i^*)\,\Delta x

A notação até imita a soma: \int é um "S" esticado de soma, f(x) é a altura e dx é a largura infinitamente fina. Onde f é negativa, os retângulos têm altura negativa, então a integral mede a área com sinal: a área acima do eixo conta como positiva e a área abaixo, como negativa.

Calcular um limite de somas toda vez seria penoso. O Teorema Fundamental do Cálculo mostra que dá para pular isso: \int_0^2 x^2\,dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = \frac{8}{3}, usando antiderivadas. As somas de Riemann continuam sendo a forma de aproximar integrais a partir de dados ou de funções sem antiderivada simples.

Erros comuns com somas de Riemann

  1. Usar n + 1 alturas. Com n = 4 há 5 pontos de divisão, mas só 4 retângulos. A soma à esquerda descarta o último ponto; a soma à direita descarta o primeiro.
  2. Esquecer de multiplicar por \Delta x. Somar as alturas dá 7.5 no exemplo 1, não a área 3.75.
  3. Pontos médios errados. O ponto médio de [1, 1.5] é 1.25. Calcule f(1.25), não a média de f(1) e f(1.5) (isso é a regra dos trapézios).
  4. Larguras desiguais numa tabela. Se os dados não forem igualmente espaçados, cada retângulo precisa de sua própria largura. Não use um único \Delta x.
  5. Confundir excesso com falta. Crescente ou decrescente decide as somas à esquerda e à direita; a concavidade decide as regras do ponto médio e dos trapézios.

Pratique com retângulos

As somas de Riemann recompensam uma rotina constante: encontrar \Delta x, listar os pontos amostrais, calcular, somar, multiplicar. A lição interativa abaixo permite montar somas à esquerda, à direita e no ponto médio com feedback imediato, para você ver exatamente qual altura ou largura saiu errada e corrigir na próxima tentativa.

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Área com retângulos

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Perguntas frequentes

O que é uma soma de Riemann?

Uma soma de Riemann aproxima a área sob uma curva cortando o intervalo em pedaços, construindo um retângulo sobre cada pedaço e somando as áreas dos retângulos. Mais pedaços dão uma estimativa melhor e, no limite, você obtém a área exata, a integral definida.

Qual é a diferença entre a soma de Riemann à esquerda e à direita?

Elas usam alturas diferentes. A soma de Riemann à esquerda toma a altura de cada retângulo no valor da função na extremidade esquerda do pedaço, e a soma à direita, na extremidade direita. No mesmo intervalo e com o mesmo n, elas compartilham todas as alturas menos uma.

A regra do ponto médio é mais precisa que as somas à esquerda e à direita?

Geralmente sim, e por muito. A regra do ponto médio toma as alturas no meio de cada pedaço, então o excesso de um lado de cada retângulo compensa aproximadamente a falta do outro. Seu erro costuma ser cerca de metade do erro da regra dos trapézios e muito menor que o das somas à esquerda ou à direita.

Como saber se uma soma de Riemann é uma estimativa por excesso ou por falta?

Nas somas à esquerda e à direita, veja se a função é crescente ou decrescente. Se f é crescente, as somas à esquerda ficam pequenas demais e as somas à direita, grandes demais. Na regra do ponto médio, olhe a concavidade: concavidade para cima significa que a soma no ponto médio fica pequena demais.

Como as somas de Riemann se relacionam com as integrais?

A integral definida é definida como o limite das somas de Riemann: \int_a^b f(x)\,dx = \lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n f(x_i^*)\,\Delta x. O Teorema Fundamental do Cálculo então dá um atalho para calcular esse limite com antiderivadas.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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