Capítulo 22 - Instituto de Matemática - UFRJ
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<strong>Capítulo</strong> <strong>22</strong><br />
O Teorema Fundamental do Cálculo e<br />
Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
<strong>22</strong>.1 Introdução<br />
Calcular integrais usando somas <strong>de</strong> Riemann, tal qual vimos no capítulo anterior, é um trabalho penoso e por vezes<br />
muito difícil (ou quase impossível). Felizmente, existe um método muito eficiente e po<strong>de</strong>roso que permite calcular<br />
integrais <strong>de</strong> uma maneira muito mais simples. Este método, <strong>de</strong>senvolvido separadamente por Newton e Leibniz, mostra<br />
que se uma <strong>de</strong>terminada quantida<strong>de</strong> po<strong>de</strong> ser calculada por exaustão (somas <strong>de</strong> Riemann, por exemplo), então po<strong>de</strong><br />
ser calculada muito mais facilmente com o uso <strong>de</strong> anti<strong>de</strong>rivação, entendida como o processo <strong>de</strong> achar uma função<br />
conhecendo-se a sua <strong>de</strong>rivada. Este importante resultado é <strong>de</strong>nominado teorema fundamental do cálculo e é um dos<br />
mais importantes <strong>de</strong> toda a matemática. Este teorema relaciona <strong>de</strong>rivadas e integrais e mostra que elas são, <strong>de</strong> uma<br />
certa maneira, “operações inversas”.<br />
Este fato é evi<strong>de</strong>nciado pela seguinte situação física. Consi<strong>de</strong>re uma partícula <strong>de</strong>slocando-se em linha reta, com<br />
velocida<strong>de</strong> conhecida v(t) ≥ 0, em cada instante t, com t variando em um intervalo <strong>de</strong> tempo [a, b]. Se s(t) fornece<br />
a posição da partícula em cada instante t, o espaço total percorrido pela partícula em um intervalo <strong>de</strong> tempo [a, b] é<br />
dado por s(b) − s(a).<br />
Consi<strong>de</strong>re agora uma partição P do intervalo [a, b] em n subintervalos iguais. O espaço percorrido pela partícula,<br />
em cada subintervalo <strong>de</strong> tempo [ ti−1, ti], <strong>de</strong> comprimento ∆ t, da partição P , po<strong>de</strong> ser aproximado por v(ci) ∆ t, on<strong>de</strong><br />
ci é um ponto do subintervalo consi<strong>de</strong>rado. Assim, o espaço total percorrido pela partícula no intervalo <strong>de</strong> tempo [a,<br />
n∑<br />
b], po<strong>de</strong> ser aproximado pela soma v(ci) ∆ t. Esta aproximação será cada vez melhor à medida que ∆ t for cada<br />
i=1<br />
vez menor. Assim, temos que o valor exato do espaço percorrido será dado pelo limite da soma acima, ou seja,<br />
s(b) − s(a) = lim<br />
n→∞<br />
n∑<br />
v(ci) ∆ t =<br />
Este resultado é o chamado teorema fundamental do cálculo .<br />
<strong>22</strong>.2 O teorema fundamental do cálculo<br />
i=1<br />
∫ b<br />
a<br />
v(t) dt =<br />
∫ b<br />
a<br />
s ′ (t) dt .<br />
A abordagem <strong>de</strong> Newton do problema do cálculo <strong>de</strong> áreas parece, à primeira vista, paradoxal e consiste em substituir<br />
o problema do cálculo da área <strong>de</strong> uma região fixa (figura à esquerda) pelo cálculo da área <strong>de</strong> uma região variável,<br />
produzida quando a extremida<strong>de</strong> direita do intervalo é consi<strong>de</strong>rada móvel, <strong>de</strong> modo que a área seja uma função <strong>de</strong> x,<br />
como é ilustrado no diagrama da figura à direita.<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2 2.<strong>22</strong>.42.62.8 3<br />
x<br />
4.<br />
2.<br />
0<br />
4.<br />
2.<br />
0<br />
1.<br />
1.<br />
2.<br />
2.<br />
4.<br />
2.<br />
0<br />
4.<br />
2.<br />
0<br />
1.<br />
1.<br />
2.<br />
2.<br />
4.<br />
2.<br />
0<br />
4.<br />
2.<br />
0<br />
1.<br />
1.<br />
2.<br />
2.
302 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
É fácil <strong>de</strong>scobrir qual é a função que nos dá a área da região variável, como mostra a primeira parte da <strong>de</strong>monstração<br />
do teorema fundamental do cálculo enunciado a seguir.<br />
Teorema fundamental do cálculo:<br />
Seja f uma função contínua <strong>de</strong>finida no intervalo fechado [a, b].<br />
1. Se a função A é <strong>de</strong>finida em [a, b] por<br />
A(x) =<br />
∫ x<br />
a<br />
f(t) dt ,<br />
então, A ′ (x) = f(x) para todo x em [a, b]. Uma função com tal proprieda<strong>de</strong> é chamada <strong>de</strong> primitiva ou anti<strong>de</strong>rivada<br />
<strong>de</strong> f.<br />
2. Se F é uma primitiva <strong>de</strong> f em [a, b], então<br />
∫ b<br />
a<br />
f(x) dx = F (b) − F (a) .<br />
Antes <strong>de</strong> <strong>de</strong>monstrarmos o teorema, vamos salientar alguns aspectos geométricos da fórmula do item 2. Se f é positiva<br />
em [a, b], então a função A <strong>de</strong>finida em 1, representa a área sob o gráfico <strong>de</strong> f <strong>de</strong>s<strong>de</strong> t = a até t = x (figura seguinte à<br />
esquerda).<br />
É claro que A cresce com x. Se ∆ x > 0, a diferença ∆ A = A(x + ∆ x) − A(x) é a área sob o gráfico <strong>de</strong> f <strong>de</strong> x até<br />
x + ∆ x, que correspon<strong>de</strong> a área da faixa mostrada na figura seguinte à direita.<br />
a x b<br />
a x x+ Δ x b<br />
Mostraremos que<br />
A(x + ∆ x) − A(x)<br />
= f(c) ,<br />
∆ x<br />
on<strong>de</strong> c está entre x e x + ∆ x. Intuitivamente percebemos que se ∆ x ten<strong>de</strong> a zero, então c → x e f(c) → f(x), que é<br />
o resultado que queremos provar. Este resultado nos diz, simplesmente, que a taxa <strong>de</strong> variação da área A em relação<br />
a x é igual ao comprimento do lado esquerdo da região.<br />
Demonstração<br />
1. Seja ∆ x > 0. Se x e x + ∆ x pertencem a [a, b] então, pela <strong>de</strong>finição da função A(x) e pelas proprieda<strong>de</strong>s das<br />
integrais <strong>de</strong>finidas, temos que<br />
A(x + ∆ x) − A(x) =<br />
Assim, po<strong>de</strong>mos escrever<br />
=<br />
∫ x+∆ x<br />
a<br />
∫ x+∆ x<br />
x<br />
f(t) dt −<br />
f(t) dt<br />
∫ x<br />
A(x + ∆ x) − A(x)<br />
∆ x<br />
a<br />
f(t) dt =<br />
= ( 1<br />
∆ x )(<br />
∫ x<br />
a<br />
∫ x+∆ x<br />
x<br />
f(t) dt +<br />
∫ x+∆ x<br />
x<br />
f(t) dt) .<br />
f(t) dt −<br />
∫ x<br />
a<br />
f(t) dt<br />
Como f é contínua, pelo teorema do valor médio para integrais, sabemos que existe um número c (que <strong>de</strong>pen<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> ∆ x) no intervalo (x, x + ∆ x), tal que<br />
e, portanto,<br />
∫ x+∆ x<br />
x<br />
f(t) dt = f(c) ∆ x<br />
A(x + ∆ x) − A(x)<br />
∆ x<br />
= f(c) .
W.Bianchini, A.R.Santos 303<br />
Como x < c < x + ∆ x, segue que lim<br />
∆ x→0 +<br />
f(c) = lim<br />
c→x +<br />
f(c) = f(x) e daí, pela igualda<strong>de</strong> anterior,<br />
lim<br />
∆ x→0 +<br />
Se ∆ x < 0, <strong>de</strong>monstra-se, analogamente, que lim<br />
∆ x→0− Os limites laterais acima implicam que<br />
o que queríamos <strong>de</strong>monstrar.<br />
2. Seja A(x) =<br />
∫ x<br />
dA<br />
dx<br />
= lim<br />
∆ x→0<br />
A(x + ∆ x) − A(x)<br />
∆ x<br />
= f(x) .<br />
A(x + ∆ x) − A(x)<br />
∆ x<br />
A(x + ∆ x) − A(x)<br />
∆ x<br />
f(t) dt como <strong>de</strong>finida em 1. Então, A(a) = 0 e A(b) =<br />
= f(x) ,<br />
= f(x) .<br />
a<br />
a<br />
Pela parte 1, A ′ (x) = f(x). Por hipótese, temos também que F ′ (x) = f(x). Logo, pelo corolário 2 do teorema do<br />
valor médio, as funções A e F diferem por uma constante, isto é,<br />
A(x) = F (x) + C .<br />
Para x = a, temos 0 = A(a) = F (a) + C, isto é, C = −F (a).<br />
Assim, A(x) = F (x) − F (a). Logo, para x = b,<br />
e o teorema está <strong>de</strong>monstrado.<br />
Observações<br />
A(b) =<br />
∫ b<br />
a<br />
f(t) dt = F (b) − F (a)<br />
∫ b<br />
f(t) dt.<br />
1. A igualda<strong>de</strong> A ′ (x) = f(x) que aparece na parte 1 do teorema fundamental do cálculo po<strong>de</strong> ser reescrita como<br />
d<br />
dx<br />
∫ x<br />
a<br />
f(t) dt = f(x)<br />
e nos mostra que a <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong>sta função é, simplesmente, o valor do integrando calculado no limite superior da<br />
integral. Temos também que<br />
∫ x ∫ x<br />
d<br />
f(t) dt = F (t) dt<br />
a<br />
a dt<br />
e por sua vez<br />
∫ x<br />
d<br />
F (t) dt = F (x) − F (a)<br />
dt<br />
a<br />
Neste sentido, diz-se que as operações <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivação e integração são inversas uma da outra.<br />
2. Usa-se a notação F (x)| b a para representar a diferença F (b) − F (a). Assim, escrevemos<br />
∫ b<br />
f(x) dx = F (x)|<br />
a<br />
b a = F (b) − F (a) .<br />
3. Qualquer primitiva <strong>de</strong> f(x) servirá para o cálculo da ∫ b<br />
f(x) dx. A veracida<strong>de</strong> <strong>de</strong>sta afirmação é facilmente<br />
a<br />
comprovada se lembrarmos que quaisquer duas primitivas <strong>de</strong> f diferem por uma constante. Assim, se F é uma<br />
primitiva <strong>de</strong> f, então qualquer outra primitiva <strong>de</strong>sta função é obtida adicionando-se uma conveniente constante<br />
C à função F para obter F + C. Deste modo, como<br />
(F (x) + C)| b<br />
a = (F (b) + C) − (F (a) + C) = F (b) − F (a) ,<br />
a constante arbitrária C não tem efeito sobre o resultado, portanto, po<strong>de</strong>mos sempre escolher C = 0, quando<br />
estamos achando primitivas com o propósito <strong>de</strong> calcular integrais <strong>de</strong>finidas.
304 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
4. Este teorema torna o difícil problema <strong>de</strong> calcular integrais <strong>de</strong>finidas por meio do cálculo do limite <strong>de</strong> somas num<br />
problema muito mais fácil <strong>de</strong> encontrar primitivas. Portanto, para achar o valor <strong>de</strong> ∫ b<br />
f(x) dx não precisamos<br />
a<br />
mais calcular limites <strong>de</strong> somas <strong>de</strong> Riemann; simplesmente achamos, da maneira que for possível (por inspeção,<br />
por algum cálculo inteligente, por inspiração divina, procurando numa tabela, usando o Maple), uma primitiva<br />
F da função que queremos integrar e calculamos o número F (b) − F (a).<br />
5. A tarefa <strong>de</strong> encontrar primitivas <strong>de</strong> funções não é trivial e, em alguns casos, é impossível <strong>de</strong>terminar primitivas<br />
em termos <strong>de</strong> funções elementares – polinômios, senos e cossenos, logaritmos e exponenciais, ou combinações e<br />
composições <strong>de</strong>stas funções. No entanto, a função A(x) <strong>de</strong>finida no teorema fundamental do cálculo, existe sempre<br />
que o integrando for uma função contínua no intervalo [a, x], mesmo que não saibamos calculá-la explicitamente,<br />
e é contínua, pois é <strong>de</strong>rivável. Neste sentido, por exemplo, o problema <strong>de</strong> se achar uma fórmula explícita para a<br />
integral<br />
∫ x<br />
a<br />
sen(x 2 ) dx<br />
está fora do nosso alcance. Entretanto, se em vez <strong>de</strong> procurarmos uma fórmula explícita para esta integral<br />
quisermos apenas uma função bem <strong>de</strong>finida, a expressão F (x) = ∫ x<br />
a sen(x2 ) dx servirá como uma boa <strong>de</strong>finição<br />
para a função procurada. (Veja o Exemplo 5.)<br />
Exemplo 1<br />
Se n é um inteiro positivo, calcule uma primitiva <strong>de</strong> x n e use este resultado para calcular ∫ 2<br />
−1 x5 dx.<br />
Solução Como d<br />
( ) (n+1) x<br />
dx n + 1<br />
cálculo obtemos:<br />
Exemplo 2 Calcule<br />
∫ 2<br />
−1<br />
= x n , temos que x6<br />
6<br />
∫ 2<br />
−1<br />
<br />
x 2 − x dx .<br />
x 5 dx = x6<br />
6<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
é a primitiva procurada. Assim, pelo teorema fundamental do<br />
−1<br />
= 26<br />
6<br />
− (−1)6<br />
6<br />
= 63<br />
6 .<br />
Solução: Como x 2 − x ≤ 0 em (0, 1) e x 2 − x ≥ 0 em (−1, 0) e (1, 2), usando as proprieda<strong>de</strong>s da integral <strong>de</strong>finida,<br />
temos<br />
∫ 2<br />
−1<br />
<br />
x 2 − x dx =<br />
=<br />
∫ 0<br />
−1<br />
[ x 3<br />
3<br />
= −( (−1)3<br />
3<br />
x 2 − x dx +<br />
]0<br />
x2<br />
− +<br />
2 −1<br />
∫ 1<br />
0<br />
[ x 2<br />
2<br />
(−1)2<br />
− ) + (<br />
2<br />
1<br />
2<br />
x − x 2 dx +<br />
]1<br />
x3<br />
− +<br />
3 0<br />
Exemplo 3 Consi<strong>de</strong>re a função f(x) = 2 x3 + 2 x2 − 4 x .<br />
(a) Calcule ∫ 1<br />
f(x) dx.<br />
−2<br />
(b) Ache a área da região limitada pelo gráfico <strong>de</strong> f e o eixo x.<br />
Solução (a) Como a função F (x) = x4<br />
f(x) = 2 x 3 + 2 x 2 − 4 x, tem-se que<br />
∫ 1<br />
−2<br />
2 x 3 + 2 x 2 − 4 x dx = x4<br />
2<br />
2<br />
∫ 2<br />
1<br />
[ x 3<br />
3<br />
x 2 − x dx<br />
]2<br />
x2<br />
−<br />
2 1<br />
1 <strong>22</strong><br />
− ) + [23 − − (1<br />
3 3 2 3<br />
+ 2 x3<br />
3 − 2 x2 é uma primitiva <strong>de</strong><br />
+ 2 x3<br />
3<br />
(b) Observe o o seguinte gráfico da função f:<br />
<br />
<br />
− 2 x2<br />
<br />
1<br />
−2<br />
1 11<br />
− )] =<br />
2 6 .<br />
= 1 2<br />
2 (−2)3<br />
+ − 2 − ((−2)4 + − 2 (−2)<br />
2 3 2 3<br />
2 ) = 9<br />
2
W.Bianchini, A.R.Santos 305<br />
R1<br />
5<br />
4<br />
3<br />
y<br />
2<br />
1<br />
–3 –2 –1 0<br />
–1<br />
R2 1 x 2 3<br />
A região limitada pelo gráfico <strong>de</strong> f e o eixo x é composta <strong>de</strong> duas regiões R1 e R2. A área <strong>de</strong> R1 é dada por<br />
∫ 0<br />
2 x 3 + 2 x 2 − 4 x dx = x4<br />
0<br />
(<br />
2 x3 <br />
4<br />
+ − 2 x2<br />
(−2) 2 (−2)3<br />
2 3 = − + − 2 (−2)<br />
2 3<br />
2<br />
)<br />
= 16<br />
3<br />
−2<br />
–2<br />
–3<br />
No intervalo (0, 1) a função é negativa, <strong>de</strong> modo que, para obter a área (positiva) da região R2, <strong>de</strong>vemos mudar o<br />
sinal da integral <strong>de</strong> f neste intervalo. Assim, a área <strong>de</strong> R2 será dada por<br />
∫ 1<br />
− 2 x 3 + 2 x 2 [ ]1<br />
4 x 2 x3<br />
− 4 x dx = − + − 2 x2 = −(<br />
2 3 1 2 5<br />
+ − 2) =<br />
2 3 6 .<br />
0<br />
Logo, a área R da região pedida será<br />
R = R1 + R2 = 16 5 37<br />
+ =<br />
3 6 6 .<br />
Este raciocínio é equivalente a integrarmos o valor absoluto <strong>de</strong> f no intervalo consi<strong>de</strong>rado, pois<br />
∫ 1<br />
−2<br />
| f(x) | dx =<br />
∫ 0<br />
−2<br />
−2<br />
f(x) dx −<br />
∫ 1<br />
0<br />
0<br />
f(x) dx ,<br />
e esta soma fornece a área que queremos calcular. Esta conclusão é ilustrada pelo gráfico <strong>de</strong> y = | f(x) |, mostrado a<br />
seguir. Compare este gráfico com o <strong>de</strong> y = f(x) traçado anteriormente.<br />
Exemplo 4<br />
Calcule dy<br />
, se<br />
dx<br />
(a) y = f(x) =<br />
∫ x<br />
0<br />
5<br />
4<br />
3<br />
y<br />
2<br />
1<br />
–3 –2 –1 0<br />
–1<br />
1 x 2 3<br />
t 3 sen(t) dt (b) y = h(x) =<br />
–2<br />
–3<br />
∫ x 2<br />
0<br />
t 3 sin(t) dt<br />
Solução (a) A primeira parte do teorema fundamental do cálculo afirma que a <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> uma integral em<br />
relação ao seu limite superior é igual ao valor do integrando naquele limite. Assim, se y(x) = ∫ x<br />
0 t3 sen(t) dt, temos,<br />
imediatamente, que dy<br />
dx = x3 sen(x).<br />
(b) Este caso é um pouco mais complicado, pois o limite superior da integral é uma função da variável em relação<br />
a qual <strong>de</strong>sejamos <strong>de</strong>rivar a função dada. Neste caso, seja u = g(x) = x2 . Assim, se<br />
então, h(x) = (F ◦ g)(x). Pela regra da ca<strong>de</strong>ia,<br />
F (u) =<br />
∫ u<br />
0<br />
t 3 sen(t) dt<br />
dh dF du<br />
=<br />
dx du dx = u3sen(u)2x = x 6 sen(x 2 ) 2x = 2x 7 sen(x 2 )<br />
Exemplo 5<br />
A integral S(x) = ∫ x<br />
0 sen<br />
( )<br />
2<br />
π t<br />
2 dt é chamada função <strong>de</strong> Fresnel e apareceu pela primeira vez no trabalho do físico<br />
francês Augustin Fresnel (1788-1827), famoso por suas contribuições em ótica sobre a difração <strong>de</strong> ondas <strong>de</strong> luz.
306 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
(a) Para que valores <strong>de</strong> x esta função tem máximos locais.<br />
(b) Em que intervalos esta função é côncava para cima?<br />
Solução (a) A primeira parte do teorema fundamental do Cálculo nos mostra que<br />
S ′ ( ) 2 π x<br />
(x) = sen .<br />
2<br />
A partir <strong>de</strong>sta informação, po<strong>de</strong>mos aplicar os métodos do cálculo diferencial para analisar esta função. Como S ′ é<br />
contínua em toda a reta, os pontos críticos <strong>de</strong> S só po<strong>de</strong>rão ocorrer on<strong>de</strong> S ′ ( )<br />
2<br />
π x (x) = 0, ou seja, on<strong>de</strong> sen = 0. Daí,<br />
<strong>de</strong>corre que x = ± √ 2 k, para k = 0, 1, 2 . . ..<br />
Para <strong>de</strong>cidir quais <strong>de</strong>stes pontos são máximos locais, vamos aplicar o teste da <strong>de</strong>rivada segunda. Assim, como<br />
S ′′ ( )<br />
2<br />
π x (x) = π x cos , temos que, para valores ímpares <strong>de</strong> k, S ′′ ( √ 2 k) será negativa e, portanto, os pontos x = √ 2 k<br />
2<br />
(k ímpar) serão máximos locais da função S.<br />
A análise é análoga para o caso em que x = − √ 2 k. O ponto (0, 0) é um ponto <strong>de</strong> inflexão da função S. (Confira!)<br />
O item (b) é <strong>de</strong>ixado como exercício para o leitor.<br />
Veja abaixo, à esquerda o gráfico <strong>de</strong>sta função traçado com a ajuda do Maple e abaixo à direita um <strong>de</strong>talhe do<br />
mesmo (para x variando <strong>de</strong> 0 até 2,5) traçado em conjunto com a sua <strong>de</strong>rivada. Observe que as conclusões obtidas<br />
acima coinci<strong>de</strong>m com os gráficos apresentados.<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
–4 –3 –2 –1 0 1 2 3 4<br />
x<br />
–0.2<br />
–0.4<br />
–0.6<br />
<strong>22</strong>.3 Integrais in<strong>de</strong>finidas<br />
Uma integral como<br />
∫ b<br />
a<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
–0.2<br />
–0.4<br />
–0.6<br />
–0.8<br />
1<br />
–1<br />
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4<br />
x<br />
f(x) dx é chamada integral <strong>de</strong>finida <strong>de</strong> f. Uma função F , tal que F ′ (x) = f(x) é uma primitiva<br />
<strong>de</strong> f(x), assim como F (x) + C, on<strong>de</strong> C é uma constante real qualquer. À medida que variamos C, obtemos o conjunto<br />
<strong>de</strong> todas as primitivas <strong>de</strong> f. Po<strong>de</strong>mos representar este conjunto por<br />
∫<br />
f(x) dx = F (x) + C.<br />
A integral que aparece nesta expressão é chamada integral in<strong>de</strong>finida <strong>de</strong> f e é usada para especificar a primitiva<br />
mais geral <strong>de</strong> f. Assim, ∫<br />
f(x) dx = F (x) + C se e somente se F ′ (x) = f(x)<br />
e po<strong>de</strong>mos escrever que<br />
∫<br />
d<br />
dx<br />
f(x) dx = d<br />
(F (x) + C) = f(x)<br />
dx<br />
e<br />
∫<br />
f(x) dx =<br />
∫<br />
d<br />
F (x) dx = F (x) + C .<br />
dx<br />
A constante C é chamada <strong>de</strong> constante <strong>de</strong> integração. Para cada valor <strong>de</strong> C temos uma primitiva <strong>de</strong> f. Veja a<br />
figura a seguir, on<strong>de</strong> traçamos o gráfico <strong>de</strong> várias primitivas da função f(x) = (x − 2) 2 , obtidas pela variação do valor<br />
da constante C.<br />
4<br />
y<br />
2<br />
0<br />
–2<br />
–4<br />
c =3<br />
c = 2<br />
c = 1<br />
c = 0<br />
c = –1<br />
1 2<br />
x<br />
3 4<br />
c = –2<br />
2
W.Bianchini, A.R.Santos 307<br />
Em geral, não se explicita o domínio <strong>de</strong> F . Supõe-se sempre escolhido um intervalo em que f seja integrável. Tal<br />
como no caso <strong>de</strong> integrais <strong>de</strong>finidas, aqui também é irrelevante o símbolo adotado para a variável <strong>de</strong> integração, por<br />
exemplo, ∫ f(t) dt, ∫ f(u) du, etc. originam sempre a mesma função F . Como a integral in<strong>de</strong>finida <strong>de</strong> f é uma primitiva<br />
<strong>de</strong>sta função, o teorema fundamental do cálculo nos dá a seguinte relação entre integrais <strong>de</strong>finidas e in<strong>de</strong>finidas:<br />
∫ b<br />
a<br />
[∫<br />
f(x) dx =<br />
] b<br />
f(x) dx<br />
a<br />
Assim, conhecida a integral in<strong>de</strong>finida <strong>de</strong> uma função f, po<strong>de</strong>mos calcular qualquer integral <strong>de</strong>finida <strong>de</strong>sta mesma<br />
função. Além disso, a partir das proprieda<strong>de</strong>s operatórias <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivação, po<strong>de</strong>mos estabelecer algumas regras básicas<br />
para as integrais in<strong>de</strong>finidas. Por exemplo, a proprieda<strong>de</strong> operatória para <strong>de</strong>rivar somas <strong>de</strong> funções po<strong>de</strong> ser traduzida<br />
em termos <strong>de</strong> integrais in<strong>de</strong>finidas como<br />
∫<br />
∫<br />
(f(x) + g(x)) dx =<br />
Da mesma forma, se C é uma constante arbitrária,<br />
∫<br />
∫<br />
C f(x) dx = C<br />
∫<br />
f(x) dx +<br />
f(x) dx<br />
g(x) dx<br />
Assim, tal como no caso <strong>de</strong> integrais <strong>de</strong>finidas, toda regra <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivação po<strong>de</strong> ser transformada em uma regra <strong>de</strong><br />
integração. Por exemplo, como<br />
d<br />
(√ )<br />
∫<br />
x<br />
x<br />
x2 + 5 = √ ⇒ √ dx =<br />
dx<br />
x2 + 5 x2 + 5 √ x2 + 5 + C<br />
Esta observação nos permite construir uma tabela <strong>de</strong> integrais “invertendo” uma tabela <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivadas, como é feito nos<br />
exemplos a seguir.<br />
Exemplo 1 A regra da potência para integrais <strong>de</strong>finidas é dada por<br />
∫<br />
x n dx = x(n+1)<br />
+ C, para todo racional n ̸= −1.<br />
n + 1<br />
Exemplo 2 Da mesma maneira, valem as regras<br />
∫<br />
sen(x) dx = −cos(x) + C<br />
∫<br />
cos(x) dx = sen(x) + C<br />
∫<br />
sec2 (x) dx = tg(x) + C<br />
∫<br />
cossec2 (x) dx = −cotg(x) + C<br />
∫<br />
∫<br />
1<br />
dx = arctg(x) + C<br />
1 + x2 1<br />
√ dx = arcsen(x) + C<br />
1 − x2 Como já dissemos, a tarefa <strong>de</strong> encontrar primitivas e, portanto, <strong>de</strong> calcular integrais in<strong>de</strong>finidas, não é trivial. Nos<br />
próximos capítulos, <strong>de</strong>senvolveremos métodos que serão úteis no cálculo <strong>de</strong> integrais in<strong>de</strong>finidas.<br />
<strong>22</strong>.4 Exercícios<br />
1. Calcule as integrais abaixo usando o teorema fundamental do cálculo:<br />
(a)<br />
(b)<br />
∫ 3<br />
∫1 π<br />
0<br />
x 2 dx<br />
sen(x) dx<br />
(c)<br />
(d)<br />
∫ π<br />
cos(x) dx<br />
0<br />
∫ 1<br />
5 x<br />
0<br />
3 − 4 x 2 + 2 dx<br />
(e)<br />
∫ π<br />
4<br />
0<br />
sec 2 x dx<br />
2. Use o teorema fundamental do cálculo e as proprieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> integral para calcular as integrais abaixo:<br />
∫ 1<br />
(a) 5 x<br />
−1<br />
5 + 3 x 3 ∫ 4 √ 1<br />
+ sen(2 x) dx (d) 3 x − √x dx<br />
∫ 2<br />
∫ π<br />
∫ 2<br />
x<br />
π<br />
(g)<br />
(b) sen(x) cos(x) dx<br />
(e) cos(5 x) dx<br />
1<br />
∫ 0<br />
9 √<br />
(c) 3 x − 2 dx<br />
∫0 3<br />
5 2<br />
(f) − dx<br />
x4 x3 3 + x4 dx<br />
∫ x<br />
π<br />
(h)<br />
0<br />
2 x cos(x 2 ) dx<br />
1<br />
1
308 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
3. Usando as proprieda<strong>de</strong>s das integrais <strong>de</strong>finidas e o teorema fundamental do cálculo, prove que a integral <strong>de</strong> um<br />
polinômio <strong>de</strong> grau n é dada por:<br />
4. Seja f(x) =<br />
∫ b<br />
a<br />
n∑<br />
ci x i dx =<br />
i=0<br />
{ ∫ 1<br />
x + 1 x < 0<br />
. Calcule f(x) dx.<br />
cos(x) x ≥ 0 −1<br />
n∑<br />
i=0<br />
(<br />
ci<br />
i + 1<br />
)<br />
x (i+1)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
5. Em cada um dos itens abaixo, <strong>de</strong>termine um número c que satisfaça a conclusão do teorema do valor médio para<br />
integrais <strong>de</strong>finidas:<br />
(a)<br />
(b)<br />
∫ 4<br />
∫0 1<br />
−1<br />
√ x + 1 dx<br />
(2 x + 1) 2 dx<br />
(c)<br />
(d)<br />
∫ 2<br />
−1 ∫ 9<br />
1<br />
3 x 3 + 2 dx<br />
3<br />
dx<br />
x2 6. (a) Se f(x) = x 2 + 1, <strong>de</strong>termine a área da região sob o gráfico <strong>de</strong> f <strong>de</strong> −1 a 2.<br />
(b) Se f(x) = x 3 , <strong>de</strong>termine a área da região sob o gráfico <strong>de</strong> f <strong>de</strong> 1 a 3.<br />
7. Use integração para calcular a área do triângulo <strong>de</strong>limitado pela reta y = 2 x, pelo eixo x e pela reta x = 3.<br />
Confira sua resposta usando geometria.<br />
8. Use uma integral <strong>de</strong>finida para provar que a área <strong>de</strong> um triângulo retângulo <strong>de</strong> base b e altura a é dada por ab<br />
2. .<br />
9. Cada uma das curvas a seguir tem um arco acima do eixo x. Calcule a área da região sob o arco.<br />
(a) y = −x 3 + 4 x<br />
(b) y = x 3 − 9 x<br />
(c) y = 2 x 2 − x 3<br />
(d) y = x 4 − 6 x 2 + 8 .<br />
10. Ache a fórmula geral para F (x) = ∫ x<br />
0 t2 + 2 t + 5 dt. I<strong>de</strong>m para ∫ x<br />
a t5 − 2 t 3 + 1 dt.<br />
11. Ache a primeira e a segunda <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> cada uma das funções dadas abaixo<br />
∫ x<br />
(a) f(x) = t<br />
5<br />
2 dt<br />
∫ x<br />
(b) g(x) = t 3 ∫ x √<br />
(c) h(x) = 1 + t8 dt<br />
+ 1 dt<br />
−4<br />
∫ 3<br />
(d) g(x) = (1 + t 3 ) 100 dt<br />
(e) f(x) =<br />
<strong>22</strong>.5 Problemas<br />
π<br />
x<br />
b<br />
a<br />
∫ 5<br />
x<br />
1<br />
dt, para x > 0.<br />
t<br />
1. Ache a área sob o gráfico <strong>de</strong> y = x<br />
√ x 2 +1 <strong>de</strong>s<strong>de</strong> x = 1 até x = 2.<br />
(A menos que você consiga se lembrar <strong>de</strong> alguma função cuja <strong>de</strong>rivada seja x<br />
√ x 2 +1 , você não terá como resolver este<br />
problema. O radical no <strong>de</strong>nominador sugere que, <strong>de</strong> alguma forma, você <strong>de</strong>ve tentar usar a fórmula ( √ f) ′ =<br />
2. Calcule<br />
∫ 1<br />
−1<br />
f ′<br />
2 √ f .<br />
t<br />
√ t 2 + 1 dt. Sugestão: Esboce o gráfico <strong>de</strong>sta função e explique por que o valor <strong>de</strong>sta integral po<strong>de</strong><br />
ser <strong>de</strong>terminado sem ser necessário fazer nenhum cálculo!<br />
3. Calcule<br />
∫ π<br />
2<br />
− π<br />
2<br />
sen(x) (cos(x) + 3 x 2 − x sen(x)) dx.<br />
(Se você achou este problema difícil, use o Maple para traçar o gráfico do integrando e conclua porque não é<br />
necessário nenhum cálculo para resolver esta integral!)<br />
4. (a) Se f(x) é uma função ímpar, isto é, f(−x) = −f(x), mostre, geométrica e analiticamente, que ∫ a<br />
f(x) dx = 0.<br />
−a<br />
(b) Se f(x) é uma função par, isto é f(−x) = f(x), mostre geometrica e analiticamente, que ∫ a<br />
f(x) dx =<br />
−a<br />
2 ∫ a<br />
f(x) dx<br />
0<br />
5. O gráfico <strong>de</strong> y = x2 , x ≥ 0, po<strong>de</strong> ser consi<strong>de</strong>rado como sendo o gráfico <strong>de</strong> x = √ y, y ≥ 0. Mostre, por geometria,<br />
que isto implica a valida<strong>de</strong> da equação ∫ a<br />
0 x2 dx + ∫ a 2 √ 3 y dy = a , a > 0. Confira este resultado calculando as<br />
0<br />
integrais.
W.Bianchini, A.R.Santos 309<br />
6. Para calcular a integral ∫ 1<br />
−1<br />
Seja F (x) = − 1<br />
x . Como F ′ (x) = 1<br />
x 2 , temos que<br />
1<br />
x 2 dx, um aluno <strong>de</strong> Cálculo I raciocinou da seguinte maneira:<br />
∫ 1<br />
−1<br />
1<br />
1<br />
dx = F (1) − F (−1) = −1 − (− ) = −2.<br />
x2 −1<br />
O resultado acima representa, geometricamente, a área sob o gráfico da curva y = 1<br />
x 2 , <strong>de</strong> x = −1 até x = 1 que,<br />
evi<strong>de</strong>ntemente, não po<strong>de</strong> ser negativa. Qual a falha no raciocínio <strong>de</strong>ste aluno?<br />
7. (a) Seja um ponto P que se move com velocida<strong>de</strong> contínua v numa reta coor<strong>de</strong>nada. Mostre que a velocida<strong>de</strong><br />
média <strong>de</strong>ste ponto, no intervalo [a, b], é igual à média <strong>de</strong> v em [a, b].<br />
(b) Se f tem <strong>de</strong>rivada contínua em [a, b], mostre que a taxa média <strong>de</strong> variação <strong>de</strong> f(x) em relação a x em [a,b],<br />
é igual ao valor médio <strong>de</strong> f ′ em [a,b].<br />
8. Uma pedra cai <strong>de</strong> um edifício <strong>de</strong> 40 metros <strong>de</strong> altura. Ache a velocida<strong>de</strong> média da pedra se ela <strong>de</strong>mora 18<br />
segundos para atingir o solo.<br />
9. A temperatura média da praia <strong>de</strong> Copacabana em um dia <strong>de</strong> verão das 8 da manhã às 6 da tar<strong>de</strong> é dada,<br />
π t<br />
aproximadamente, por T (t) = 25 + 16 sen( 10 ). Consi<strong>de</strong>rando t = 0 às oito da manhã, calcule a temperatura<br />
média da areia no período <strong>de</strong> 10 horas discriminado acima.<br />
10. Os itens abaixo se referem à função F (x) = ∫ x<br />
0<br />
(a) Ache F (0) e F ′ (1).<br />
(b) Justifique por que F (3) − F (1) < 1.<br />
1<br />
1+t 4 dt, qualquer que seja x real.<br />
(c) Justifique por que F (x) + F (−x) = 0, qualquer que seja o número real x.<br />
−1<br />
d F (d) Mostre que F é invertível em toda a reta e calcule ( dx )(1).<br />
11. (a) Ache a área A, como uma função <strong>de</strong> k, da região no primeiro quadrante limitada pelo eixo y, pela reta y =<br />
k , k > 0, e pelo gráfico da função y = x 3 .<br />
(b) Qual o valor <strong>de</strong> A quando k = 1?<br />
(c) Se a reta y = k está se movendo para cima a uma taxa constante <strong>de</strong> 1<br />
10 unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> comprimento por<br />
segundo, qual a taxa <strong>de</strong> variação <strong>de</strong> A quando k = 1?<br />
12. Seja g(x) = ∫ x<br />
4<br />
f(t) dt, on<strong>de</strong> f é a função cujo gráfico é mostrado a seguir.<br />
(a) Calcule g(4), g(−4), g(−3), g(0) e g(2).<br />
(b) Em que intervalos g é crescente?<br />
(c) Em que ponto g atinge o seu valor máximo?<br />
(d) Esboce o gráfico <strong>de</strong> g.<br />
(e) Use o gráfico obtido no item anterior para esboçar o gráfico <strong>de</strong> g ′ . Compare o gráfico assim obtido com o<br />
gráfico <strong>de</strong> g.<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
–4 –2 2 4<br />
–0.2<br />
–0.4<br />
–0.6<br />
–0.8<br />
1<br />
–1<br />
13. Suponha que g ′ (x) < 0 para todo x ≥ 0 e seja F (x) = ∫ x<br />
0 t g′ (t) dt, para todo x ≥ 0. Justifique a veracida<strong>de</strong> ou<br />
a falsida<strong>de</strong> das afirmações:<br />
(a) F é negativa para todo x ≥ 0.<br />
(b) F é contínua para todo x ≥ 0.<br />
(c) F ′ (x) existe para todo x > 0.<br />
(d) F é uma função crescente.
310 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
14. Seja f(x) uma função duas vezes diferenciável tal que f ′′ é contínua em toda a reta. Sabendo que f(0) = −4,<br />
f(1) = 3, f ′ (0) = 5, f ′ (1) = 2, f ′′ (0) = 3 e f ′′ (1) = 1, calcule ∫ 1<br />
0 f ′′ (x) dx e ∫ 1<br />
0 f ′ (x) dx.<br />
15. Mostre que d<br />
( ∫ )<br />
u2(x)<br />
f(t) dt = f(u2(x))<br />
dx u1(x)<br />
( ∫ 3<br />
x<br />
d 1<br />
dx t dt<br />
)<br />
x 2<br />
( )<br />
d u2<br />
− f(u1(x))<br />
dx<br />
<strong>22</strong>.6 Um pouco <strong>de</strong> história: A integral <strong>de</strong> Lebesgue<br />
( )<br />
d u1<br />
. Use este resultado para calcular<br />
dx<br />
O método <strong>de</strong> calcular áreas e volumes <strong>de</strong> figuras geométricas complicadas por meio <strong>de</strong> áreas e volumes <strong>de</strong> figuras mais<br />
simples, já era usado por Arquime<strong>de</strong>s (287-212 A.C.). Tal idéia foi o germe do que se convencionou chamar <strong>de</strong> cálculo<br />
infinitesimal. Embora esta idéia seja tão antiga, sua formalização matemática, <strong>de</strong>nominada teoria da integração, teve<br />
seu apogeu no século atual. Po<strong>de</strong>mos afirmar que o conceito <strong>de</strong> integral aparece, <strong>de</strong> fato, em forma embrionária,<br />
nos trabalhos <strong>de</strong> Arquime<strong>de</strong>s, ao utilizar o Método da Exaustão criado por Eudoxo (408-355 A.C.), no cálculo <strong>de</strong><br />
comprimento <strong>de</strong> curvas, <strong>de</strong> áreas e <strong>de</strong> volumes <strong>de</strong> figuras geométricas. Um dos resultados obtidos por Arquime<strong>de</strong>s<br />
com o emprego <strong>de</strong>ste método é <strong>de</strong>scrito no projeto Arquime<strong>de</strong>s e a quadratura da parábola.<br />
Ainda que os conceitos <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivada como coeficiente angular da tangente e da integral <strong>de</strong>finida como área sob<br />
uma curva fossem familiares a muitos pensadores <strong>de</strong>s<strong>de</strong> a Antiguida<strong>de</strong>, dizemos que Newton e Leibniz lançaram as<br />
bases do cálculo diferencial e integral porque eles, trabalhando quase ao mesmo tempo e in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntemente um do<br />
outro, foram os principais <strong>de</strong>scobridores do teorema fundamental do cálculo e aqueles que primeiro compreen<strong>de</strong>ram<br />
a sua importância, começando a construir a necessária teoria para o estabelecimento <strong>de</strong>stas noções em bases sólidas,<br />
aplicando os seus resultados, com sucesso espetacular, a problemas <strong>de</strong> mecânica e geometria.<br />
Entretanto, Newton e Leibniz não possuíam com clareza a noção <strong>de</strong> limite, <strong>de</strong>ixando duvidosos e obscuros vários<br />
pontos <strong>de</strong> seus trabalhos, com a introdução do conceito <strong>de</strong> infinitésimo.<br />
Posteriormente, com os trabalhos <strong>de</strong> Cauchy (1789-1857) e Riemann (1826-1866), o conceito <strong>de</strong> integral foi estabelecido<br />
em bases matemáticas rigorosas, tornando-se para a época um instrumento po<strong>de</strong>roso na resolução <strong>de</strong> inúmeros<br />
problemas.<br />
Durante muito tempo foi <strong>de</strong>senvolvida uma teoria <strong>de</strong> integração baseada nas idéias <strong>de</strong> Riemann. Esta teoria, entretanto,<br />
contém certos inconvenientes que a tornam ina<strong>de</strong>quada ao estudo <strong>de</strong> vários problemas da análise matemática.<br />
Na seção Para você Meditar, <strong>de</strong>ste capítulo, focalizamos um <strong>de</strong>sses inconvenientes.<br />
Como a noção <strong>de</strong> integral <strong>de</strong> Riemann apresenta certas <strong>de</strong>ficiências que a tornam ineficaz para a resolução <strong>de</strong> um<br />
gran<strong>de</strong> número <strong>de</strong> problemas, fez-se necessária a reformulação <strong>de</strong> tal conceito, com o objetivo <strong>de</strong> se obter uma integral<br />
sem as <strong>de</strong>ficiências da integral <strong>de</strong> Riemann e a contendo como um caso particular. Dito <strong>de</strong> outro modo, <strong>de</strong>ver-se-ia<br />
obter uma integral tal que a nova classe <strong>de</strong> funções integráveis contivesse a classe <strong>de</strong> funções integráveis a Riemann<br />
(on<strong>de</strong> as duas integrais <strong>de</strong>veriam coincidir) e na qual os inconvenientes da integral <strong>de</strong> Riemann <strong>de</strong>saparecessem ou,<br />
pelo menos, fosse minimizados.<br />
O passo <strong>de</strong>cisivo no sentido <strong>de</strong> se obter uma <strong>de</strong>finição <strong>de</strong> integral que eliminasse as <strong>de</strong>ficiências existentes na integral<br />
<strong>de</strong> Riemann foi dado por Henri Lebesgue (1875-1941), quando em 1902 publicou sua famosa tese <strong>de</strong> doutoramento,<br />
intitulada “Intégrale, longuer, aire”, que atualmente está contida no livro “Leçons sur l’Integration et la Recherche<br />
<strong>de</strong>s Fonctions Primitives”. O conceito <strong>de</strong> integral originalmente proposto por Lebesgue baseia-se na noção <strong>de</strong> medida<br />
<strong>de</strong> conjuntos, e as suas idéias se afastaram tanto dos cânones da época que foram, em princípio, refutadas e severamente<br />
criticadas. Todavia, a originalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> suas idéias encontrou crescente reconhecimento, vindo a completar<br />
<strong>de</strong>finitivamente certas lacunas inerentes à integral <strong>de</strong> Riemann.<br />
A integral <strong>de</strong> Lebesgue foi a primeira tentativa frutífera <strong>de</strong> organização matemática da noção <strong>de</strong> integral. Neste<br />
sentido, costuma-se dizer que a teoria <strong>de</strong> integração foi criada no século XX.<br />
<strong>22</strong>.7 Para você meditar: Uma conclusão intuitiva ou um erro teórico?<br />
Dizemos que uma função u:(a, b) → R é uma função escada quando existe uma partição do intervalo (a, b) tal que<br />
u é constante em cada subintervalo <strong>de</strong>sta partição. No capítulo anterior, utilizamos áreas <strong>de</strong> retângulos inscritos (ou<br />
circunscritos) a uma região para obter aproximações para áreas sob gráficos <strong>de</strong> funções f positivas. Observe o gráfico<br />
a seguir e conclua que, se mi é o menor valor da função f em cada subintervalo da partição, a área dos retângulos<br />
inscritos é a área sob o gráfico <strong>de</strong> uma função escada que assume o valor mi em cada subintervalo consi<strong>de</strong>rado.
W.Bianchini, A.R.Santos 311<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2<br />
x<br />
No capítulo anterior concluímos, também, que o valor exato da área sob uma curva po<strong>de</strong>ria ser obtido tomando-se<br />
o limite das áreas <strong>de</strong>sses retângulos. Seguindo o mesmo raciocínio, po<strong>de</strong>mos observar que à medida que o número<br />
<strong>de</strong> intervalos consi<strong>de</strong>rados na partição aumenta, a seqüência <strong>de</strong> funções escadas un associadas, da maneira <strong>de</strong>scrita<br />
acima, a cada subintervalo das partições, converge para a função f, isto é, lim<br />
n→∞ un = f e <strong>de</strong>sse modo,<br />
lim<br />
n→∞<br />
∫ b<br />
Estas afirmações são ilustradas no diagrama:<br />
a<br />
un(x) dx =<br />
∫ b<br />
Consi<strong>de</strong>re agora a seqüência <strong>de</strong> funções gn <strong>de</strong>finidas por<br />
⎧<br />
Observe os gráficos <strong>de</strong> g1(x) e g2(x):<br />
1<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
⎪⎨<br />
gn(x) =<br />
⎪⎩<br />
0,<br />
0.2 0.4 x 0.6 0.8 1<br />
0<br />
a<br />
lim<br />
n→∞ un(x) dx =<br />
∫ b<br />
2 n 2 x, 0 ≤ x ≤ 1<br />
2 n<br />
2 n − 2 n2 1<br />
1<br />
x, 2 n ≤ x ≤ n<br />
3<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
0.5<br />
0<br />
a<br />
1<br />
n ≤ x ≤ 1<br />
1<br />
f(x) dx .<br />
0.2 0.4 x 0.6 0.8 1<br />
É fácil ver que, à medida que n cresce, para cada x fixado, a seqüência gn(x) converge para zero. Assim, po<strong>de</strong>mos<br />
dizer que lim<br />
n→∞ gn(x) = 0. No entanto, para cada n, temos que ∫ 1<br />
0 gn(x) dx = 1<br />
2 (por quê?) e, portanto<br />
∫ 1<br />
lim gn(x) dx =<br />
n→∞<br />
1<br />
∫ 1<br />
̸= 0 = lim<br />
2 n→∞ gn(x) dx<br />
∫ b<br />
• E agora, será que a nossa <strong>de</strong>finição <strong>de</strong> área sob uma curva está errada, pois não é verda<strong>de</strong> que lim<br />
n→∞<br />
0<br />
∫ b<br />
a<br />
un(x) dx =<br />
lim<br />
a<br />
n→∞ un(x) dx?<br />
• Se a conclusão no primeiro exemplo apresentado acima é correta, qual a diferença entre os dois exemplos dados?<br />
Por que no primeiro caso vale a igualda<strong>de</strong><br />
lim<br />
n→∞<br />
∫ b<br />
a<br />
un(x) dx =<br />
∫ b<br />
a<br />
lim<br />
n→∞ un(x) dx
312 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
e no segundo este resultado não se aplica?<br />
(Sugestão: O cerne <strong>de</strong>ste problema está na <strong>de</strong>finição <strong>de</strong> convergência para seqüência <strong>de</strong> funções. O modo como as<br />
seqüências acima convergem para a função limite é diferente nos dois casos apresentados. Tente enten<strong>de</strong>r on<strong>de</strong> está<br />
esta diferença!)<br />
<strong>22</strong>.8 Projetos<br />
<strong>22</strong>.8.1 Arquime<strong>de</strong>s e a quadratura da parábola<br />
Vamos examinar o procedimento utilizado por Arquime<strong>de</strong>s para calcular a área <strong>de</strong> um segmento parabólico, isto é, a<br />
área da região limitada por uma parábola e pela reta AB como mostra a figura à esquerda.<br />
Para calcular a área <strong>de</strong>sta região, Arquime<strong>de</strong>s utilizou triângulos da maneira <strong>de</strong>scrita a seguir. Sua primeira<br />
aproximação foi o triângulo ABC, on<strong>de</strong> o vértice C é escolhido como o ponto em que a tangente à parábola é paralela<br />
à reta AB. (Veja figura à direita).<br />
A<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
–3 –2 –1 0 1 x 2 3<br />
B<br />
A<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
C<br />
–3 –2 –1 0 1 x 2 3<br />
Sua segunda aproximação foi obtida juntando-se ao triângulo ABC os dois triângulos ACD e BCE, on<strong>de</strong> o vértice<br />
D é o ponto em que a tangente é paralela à reta AC e o vértice E é o ponto em que a tangente é paralela à reta BC,<br />
continuando com este processo, até “exaurir” a área do segmento parabólico.<br />
Desta maneira, Arquime<strong>de</strong>s calculou a área do segmento parabólico e mostrou que existe uma relação entre esta<br />
área e a área do primeiro triângulo utilizado para este cálculo.<br />
O objetivo <strong>de</strong>ste projeto é utilizar conhecimentos <strong>de</strong> cálculo, para <strong>de</strong>scobrir no procedimento <strong>de</strong>scrito acima a<br />
relação existente entre as áreas do segmento parabólico e do primeiro triângulo utilizado por Arquime<strong>de</strong>s em um caso<br />
particular.<br />
1. Consi<strong>de</strong>re a reta y = m x + b e a parábola y = x 2 . Determine o ponto P no arco AOB da parábola que maximize<br />
a área do triângulo APB, on<strong>de</strong> A e B são os pontos <strong>de</strong> interseção da reta e da parábola e O é a origem do sistema<br />
<strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas.<br />
2. Relacione a área <strong>de</strong>ste triângulo ótimo com a área da região <strong>de</strong>limitada pela reta e pela parábola.<br />
3. Usando o teorema do valor médio, mostre que no ponto P a reta tangente à parábola é paralela à reta AB.<br />
4. Use os itens anteriores para concluir qual a relação estabelecida por Arquime<strong>de</strong>s no seu trabalho sobre a<br />
quadratura da parábola.<br />
<strong>22</strong>.8.2 Separação <strong>de</strong> variáveis, velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape e buracos negros<br />
Gran<strong>de</strong> parte da inspiração original para o <strong>de</strong>senvolvimento do Cálculo veio da Física, mais especificamente, da<br />
Mecânica e estas ciências continuam ligadas até hoje. A Mecânica é baseada em certos princípios básicos que foram<br />
formulados por Newton. O enunciado <strong>de</strong>stes princípios requer o conceito <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivada, e suas inúmeras aplicações<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>m do conceito <strong>de</strong> integral aplicado à resolução <strong>de</strong> equações diferenciais: equações que envolvem uma função e<br />
suas <strong>de</strong>rivadas.<br />
Resolver uma equação diferencial significa encontrar uma função incógnita a partir <strong>de</strong> informações dadas a respeito<br />
<strong>de</strong> sua taxa <strong>de</strong> variação. Essas equações aparecem tão freqüentemente em problemas físicos, biológicos e químicos que<br />
seu estudo, hoje, constitui-se num dos principais ramos da matemática.<br />
No projeto Estudando a queda dos corpos - Movimento uniformemente acelerado, vimos, como a partir <strong>de</strong> leis<br />
físicas (no caso a segunda Lei <strong>de</strong> Newton), foi possível obter uma equação diferencial que mo<strong>de</strong>la a queda livre <strong>de</strong><br />
corpos e então <strong>de</strong>duzir várias fórmulas para este movimento que usamos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> o segundo grau, sem uma justificativa<br />
mais profunda.<br />
Nos exemplos estudados naquele projeto, tratamos a aceleração da gravida<strong>de</strong> como se fora uma constante e vimos<br />
que esta hipótese é razoável para corpos que se movem próximos à superfície da Terra. No entanto, para estudar o<br />
B
W.Bianchini, A.R.Santos 313<br />
movimento <strong>de</strong> um corpo que se move para fora da Terra, no espaço, <strong>de</strong>vemos levar em conta que a força da gravida<strong>de</strong><br />
varia inversamente com o quadrado da distância do corpo à Terra.<br />
Esta lei, conhecida como lei da gravitação <strong>de</strong> Newton, em homenagem ao gran<strong>de</strong> matemático e físico que a<br />
estabeleceu, afirma que duas partículas quaisquer <strong>de</strong> matéria no universo se atraem com uma força proporcional a<br />
suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. O objetivo <strong>de</strong>ste projeto é utilizar esta<br />
lei e nossos conhecimentos sobre integrais para estabelecer a velocida<strong>de</strong> necessária para que um foguete escape da<br />
atração gravitacional da Terra.<br />
Equações diferenciais e separação <strong>de</strong> variáveis<br />
Vimos que a equação ∫ f(x) dx = F (x) é equivalente a F ′ (x) = f(x). Esta afirmação po<strong>de</strong> ser interpretada <strong>de</strong> duas<br />
maneiras.<br />
(a) Po<strong>de</strong>mos pensar no símbolo ∫ . dx operando sobre a função f(x) para produzir sua primitiva. Dessa maneira,<br />
o sinal <strong>de</strong> integral e o símbolo dx são, juntos, parte <strong>de</strong> um mesmo símbolo. O sinal <strong>de</strong> integral especifica a<br />
operação, e o único papel <strong>de</strong> dx é assinalar qual é a variável <strong>de</strong> integração.<br />
(b) Uma segunda interpretação para a equivalência acima é baseada na notação e no conceito <strong>de</strong> diferencial <strong>de</strong><br />
uma função introduzido no Cap. 20. Usando diferenciais, a igualda<strong>de</strong> F ′ (x) = f(x) po<strong>de</strong> ser escrita como<br />
dF (x) = f(x) dx, on<strong>de</strong> f(x) dx é encarada como a diferencial da função F (x). Segundo este ponto <strong>de</strong> vista, o<br />
sinal <strong>de</strong> integral po<strong>de</strong> ser entendido como um operador que age sobre a diferencial <strong>de</strong> uma função, ou seja, sobre<br />
f(x) dx, retornando, como resultado, a própria função. Assim, o símbolo <strong>de</strong> integral significa a operação que é<br />
a inversa da diferenciação.<br />
Esta segunda interpretação é particularmente conveniente para a resolução <strong>de</strong> certas equações diferenciais simples.<br />
Como dissemos na introdução, uma equação diferencial é uma equação que envolve uma função (a incógnita do<br />
problema) e suas <strong>de</strong>rivadas. A or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> uma equação diferencial é a or<strong>de</strong>m da maior <strong>de</strong>rivada que ocorre na equação.<br />
Ao integrarmos uma função qualquer, estamos resolvendo uma equação diferencial <strong>de</strong> primeira or<strong>de</strong>m. Assim, usando<br />
notação diferencial, a equação dy<br />
dx = 3 x2 é equivalente a dy = 3 x 2 dx. Para resolver esta equação diferencial, basta<br />
integrarmos ∫<br />
∫<br />
dy =<br />
3 x 2 dx ⇒ y = x 3 + C<br />
Esta solução é chamada solução geral da equação diferencial dada, e escolhas diferentes para a constante <strong>de</strong><br />
integração C fornecem soluções particulares.<br />
De um modo geral, se uma equação diferencial po<strong>de</strong> ser escrita na forma<br />
g(y) dy = f(x) dx<br />
com as variáveis x e y “separadas” em diferentes membros da igualda<strong>de</strong> acima, po<strong>de</strong>mos integrar ambos os lados da<br />
i<strong>de</strong>ntida<strong>de</strong> para obter a solução da equação.<br />
Velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape<br />
Suponha que um foguete seja lançado para cima com velocida<strong>de</strong> inicial v0 e <strong>de</strong>pois disso se mova sem nenhum gasto<br />
posterior <strong>de</strong> energia. Para valores gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong> v0, este foguete sobe bastante antes <strong>de</strong> atingir o repouso e iniciar sua<br />
queda <strong>de</strong> volta à Terra. O problema que propomos é o <strong>de</strong> calcular a menor velocida<strong>de</strong> v0 para que o foguete jamais<br />
atinja o repouso e, por causa disso, escape da atração gravitacional da Terra.<br />
M m<br />
De acordo com a lei da gravitação <strong>de</strong> Newton, a força F que atrai o foguete para a Terra é dada por F = −G( s2 ),<br />
on<strong>de</strong> G é uma constante positiva, M e m são as massas da Terra e do foguete, respectivamente, e s é a distância do<br />
foguete ao centro da Terra (neste caso toda a massa da Terra está concentrada no seu centro). Como pela segunda lei<br />
do movimento <strong>de</strong> Newton, F = m a, temos que<br />
(∗) m( d2 s<br />
m<br />
2 ) = −G(M<br />
dt s2 ) ⇒ d2 s M<br />
2 = −G<br />
dt s2 Esta equação nos diz que o movimento do foguete não <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> da sua massa. Além disso, po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar o<br />
valor da constante G se lembrarmos que, quando s = R (raio da Terra), a aceleração d2 s<br />
dt 2 é igual a −g (aceleração a<br />
gravida<strong>de</strong>).<br />
Então, temos que GM = gR 2 , e como d2 s<br />
dt 2 = dv<br />
dt<br />
(∗∗)<br />
, po<strong>de</strong>mos escrever (*) como<br />
dv<br />
dt<br />
= −gR2 .<br />
s2
314 Cap. <strong>22</strong>. O Teorema Fundamental do Cálculo e Integrais In<strong>de</strong>finidas<br />
Como, pela regra da ca<strong>de</strong>ia, dv<br />
dt<br />
= ( dv<br />
ds<br />
)( ds<br />
dt<br />
dv ) = ( ds )(v), a equação (**) se transforma em<br />
v dv<br />
ds<br />
= −gR2 .<br />
s2 1. Separe as variáveis e integre para obter a solução geral <strong>de</strong>sta equação diferencial.<br />
2. Use a condição inicial v = v0, quando s = R, para <strong>de</strong>terminar, <strong>de</strong>ntre todas as soluções possíveis da equação, a<br />
solução particular que nos interessa, isto é, <strong>de</strong>termine o valor da constante <strong>de</strong> integração a fim <strong>de</strong> que a solução<br />
encontrada satisfaça os dados iniciais do problema em estudo.<br />
3. Examinando a solução encontrada, <strong>de</strong>termine a velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape da Terra. (Lembre-se <strong>de</strong> que a velocida<strong>de</strong><br />
do foguete <strong>de</strong>ve ser sempre positiva, pois se a velocida<strong>de</strong> se anular, o foguete pára e, então, cai <strong>de</strong> volta à Terra.)<br />
4. Estime o valor da velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape usando para g o valor <strong>de</strong> 9,8 m/s 2 e para R, 6, 37 × 10 6 m.<br />
5. Como vimos na discussão acima, a lei da gravitação <strong>de</strong> Newton implica que a gravida<strong>de</strong> na superfície <strong>de</strong> um planeta<br />
ou qualquer outro corpo celeste é diretamente proporcional à massa do planeta e inversamente proporcional<br />
ao quadrado do seu raio.<br />
(a) Se gL <strong>de</strong>nota a aceleração <strong>de</strong>vido à gravida<strong>de</strong> da Lua, use o fato <strong>de</strong> que a Lua tem, aproximadamente, 3<br />
11<br />
do raio e 1<br />
81 da massa da Terra para mostrar que gL é aproximadamente igual a g<br />
6 .<br />
(b) Calcule a velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape para a Lua.<br />
(c) Explique por que se o raio <strong>de</strong> um corpo diminui e sua massa se mantém constante a velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape<br />
para este corpo cresce.<br />
Buracos negros<br />
A maioria das estrelas normais é mantida em seu estado gasoso em virtu<strong>de</strong> da pressão <strong>de</strong> radiação <strong>de</strong> <strong>de</strong>ntro, que é<br />
gerada pela queima <strong>de</strong> combustível nuclear. Quando o combustível nuclear se distribui, a estrela sofre um colapso<br />
gravitacional, transformando-se numa esfera muito menor com, essencialmente, a mesma massa.<br />
A matéria comprimida e <strong>de</strong>generada <strong>de</strong>ssas estrelas que caíram em colapso po<strong>de</strong>m alcançar dois tipos <strong>de</strong> equilíbrio,<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ndo da massa da estrela. As estrelas anãs brancas são as que se formam quando a massa é menor que cerca<br />
<strong>de</strong> 1,3 massas solares, e estrelas <strong>de</strong> nêutrons aparecem quando a massa está entre 1,3 e 2 massas solares. Para estrelas<br />
mais pesadas, o equilíbrio não é possível e o colapso continua até que a velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape na superfície atinja a<br />
velocida<strong>de</strong> da luz. Estrelas em colapso <strong>de</strong>ste tipo são completamente invisíveis, pois não emitem nenhuma radiação.<br />
Estes são os chamados buracos negros.<br />
• Se o sol pu<strong>de</strong>sse ser concentrado numa esfera menor com a mesma massa, qual seria um valor aproximado do seu raio<br />
para que a velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> escape em sua superfície fosse igual à velocida<strong>de</strong> da luz (aproximadamente 300000 km/s)?