18 O Teorema Fundamental do Cálculo Sumário 18.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 18.2 O Teorema do Valor Intermediário para Integrais . . 3 18.3 Primeira Parte do Teorema Fundamental do Cálculo 4 18.4 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 18.5 Segunda Parte do Teorema Fundamental do Cálculo 8 18.6 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 18.7 O Teorema Fundamental do Cálculo e a Função Logaritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 18.8 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 18.9 A Função Exponencial . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 18.10Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1 Unidade 18 Introdução A grande rio, grande ponte! 18.1 Introdução A unidade anterior apresentou a teoria das Somas de Riemann, que permite estabelecer, para uma função contínua f : [a, b] −→ R, o limite Z b f (x) dx = a lim kPk→0 n X f (ci ) ∆xi , i=1 a integral denida de f no intervalo [a, b]. Se f é uma função positiva, este número é usado para denir a área da região limitada pelo eixo Ox, pelo gráco da função f e pelas retas verticais x = a e x = b. Observou-se também várias propriedades deste limite. Em particular, se M é o valor máximo e m o valor mínimo de f em [a, b], então Z m(b − a) ≤ b f (x) dx ≤ M (b − a). a Este limite tem um importante papel teórico, mas mesmo nos casos mais simples, é no mínimo trabalhoso calculá-lo. O objetivo desta unidade é apresentar o Teorema Fundamental do Cálculo que, no seu aspecto mais prático, nos fornecerá uma maneira simples de fazer isso. Além disso, ele responderá a uma das questões colocadas na introdução da unidade anterior, a saber, sob quais condições uma dada função é uma função derivada. Definição 1 Seja f : I ⊂ R −→ R uma função denida em um intervalo aberto I . Dizemos que F : I ⊂ R −→ R é uma primitiva de f se, para todo x ∈ I , F 0 (x) = f (x). Exemplo 2 As funções F (x) = sen 2 (x) e G(x) = − cos2 x são ambas primitivas da função f (x) = 2 cos x sen x, como pode ser diretamente vericado. 2 O Teorema Fundamental do Cálculo 18.2 Unidade 18 O Teorema do Valor Intermediário para Integrais Iniciaremos com um teorema que é uma aplicação do Teorema do Valor Intermediário, para funções contínuas, e será útil nas argumentações ao longo da unidade. Se f : [a, b] −→ R é uma função contínua, então existe c ∈ [a, b] tal que Z b 1 f (c) = f (x) dx. b−a a Teorema 3 Veja, na gura, a interpretação do resultado, em um caso no qual a função f é positiva. f (b) f (c) f (a) a O teorema arma que Z b c b f (x) dx (a área sob o gráco de f ) é igual a a f (c) (b − a) (a área do retângulo de base [a, b] e altura f (c)). Isto é, a área que falta ao retângulo de base base [a, c] é igual à área que excede ao retângulo de base [c, b]. O Teorema de Weierstrass para Valores Extremos arma a existência de números x1 , x2 ∈ [a, b], tais que para todo x ∈ [a, b], f (x1 ) ≤ f (x) ≤ f (x2 ). 3 Demonstração Unidade 18 Primeira Parte do Teorema Fundamental do Cálculo Integrando de a até b, temos Z b Z b Z b f (x1 ) dx ≤ f (x) dx ≤ f (x2 ) dx. a a a Como f (x1 ) e f (x2 ) são constantes e Z b K dx = K (b − a), obtemos a Z b f (x) dx ≤ f (x2 ) (b − a). f (x1 ) (b − a) ≤ a Dividindo por b − a > 0, obtemos a desigualdade Z b 1 f (x1 ) ≤ f (x) dx ≤ f (x2 ). b−a a O Teorema do Valor Intermediário garante a existência de c ∈ [a, b] tal que Z b 1 f (x) dx. f (c) = b−a a 18.3 Primeira Parte do Teorema Fundamental do Cálculo Aqui formularemos a parte prática do Teorema Fundamental do Cálculo que terá muitas aplicações nos cálculos das integrais denidas. Teorema 4 Seja f : I −→ R é uma função contínua denida no intervalo aberto I e seja F : I −→ R uma primitiva de f . Então, se [a, b] ⊂ I , Z b f (x) dx = F (b) − F (a). a Estabelecemos a notação b F (x) := F (b) − F (a). a 4 O Teorema Fundamental do Cálculo x3 É imediato vericar que F (x) = é uma primitiva de f (x) = x2 . Então, 3 o teorema permite calcular 3 Z 3 3 x 33 03 x2 dx = − = 9. = 3 3 3 0 Unidade 18 Exemplo 5 0 Note que o cálculo independe da escolha da primitiva. Se tomarmos, por x3 + 15, uma outra primitiva da função f , o resultado será exemplo, G(x) = 3 o mesmo, pois ao fazermos G(3) − G(0), a constante 15, somada a ambas as parcelas, será cancelada. Sabemos que o cálculo do limite Z b n X f (x) dx = lim f (ci ) ∆xi kPk→0 a i−1 independe da escolha dos ci ∈ [xi−1 , xi ]. Vamos então fazer uma escolha muito especial. Seja P a partição a = x0 < x1 < x2 < · · · < xn−1 < xn = b. A função F é diferenciável e, portanto, contínua. Podemos então aplicar o Teorema do Valor Médio para F restrita a cada subintervalo [xi−1 , xi ] e escolher ci ∈ [xi−1 , xi ] tal que F (xi ) − F (xi−1 ) F (xi ) − F (xi−1 ) F 0 (ci ) = = . xi − xi−1 ∆xi Ou seja, F (xi ) − F (xi−1 ) = F 0 (ci ) ∆xi . Para essa escolha de ci 's, temos n X f (ci ) ∆xi = i−1 n X 0 F (ci ) ∆xi = i−1 n X [F (xi ) − F (xi−1 )] = F (b) − F (a). i−1 Fazendo essa escolha especial para cada partição P , temos Z b f (x) dx = a lim kPk→0 n X i−1 f (ci ) ∆xi = lim [F (b) − F (a)] = F (b) − F (a). kPk→0 5 Demonstração Unidade 18 Exemplo 6 Primeira Parte do Teorema Fundamental do Cálculo Vamos calcular a área da região delimitada pelo gráco da função f (x) = sen x e pelo eixo Ox, ao longo de um período completo, digamos x ∈ [0, 2π]. A funçãoZ F (x) = − cos x é uma primitiva de f (x) = sen x. Observe que, 2π sen x dx, pelo Teorema Fundamental do Cálculo, obtemos se zermos 0 Z 0 2π 2π sen x dx = − cos x = − cos(2π) + cos(0) = 0. 0 Esse número certamente não é a área esperada, pois essa integral representa a soma orientada das áreas das duas regiões que, devido à simetria, são iguais. Para calcular a área esperada devemos fazer Z 2π Z π sen x dx = [− cos(π)+cos 0]−[− cos(2π)+cos(π)] = 4. sen x dx − A= 0 π 6 O Teorema Fundamental do Cálculo 18.4 1. Exercícios Verique, nos casos a seguir, se a função F é uma primitiva de f : (a) F (x) = sen x − x cos x e f (x) = x sen x; √ 3x ; (b) F (x) = −(x + 2) 1 − x e f (x) = √ 2 1−x x2 (c) F (x) = x − arctan x e f (x) = ; 1 + x2 (d) F (x) = (x2 − 2) sen x + 2x cos x e f (x) = x2 cos x. 2. Use primitivas das funções para calcular as seguintes integrais: Z 2 x2 dx; (a) (b) (c) (d) −1 1 Z √ − 2 Z π − π2 Z 2 3. 3 x3 dx; cos x dx; 1 √ dx. 2 x Calcule a área da região compreendida pelo eixo Ox, pela reta denida 1 por x = 1 e pelo gráco da função f (x) = . 1 + x2 7 Unidade 18 Unidade 18 Segunda Parte do Teorema Fundamental do Cálculo 18.5 Segunda Parte do Teorema Fundamental do Cálculo Vamos agora considerar a questão da existência de primitivas. Ou seja, sob quais condições uma função f : I −→ R, denida em um intervalo aberto I da reta, admite funções primitivas? Teorema 7 Se f : I −→ R é uma função contínua, denida no intervalo aberto I , então existe F : I −→ R, uma primitiva de f . Isto é, existe uma função derivável F : I −→ R tal que, se x ∈ I , F 0 (x) = f (x). A demonstração deste teorema consiste na construção de uma função F que satisfaz a condição F 0 (x) = f (x), para todo x ∈ I . Demonstração Começamos com a denição de F : escolha a ∈ I e dena, para cada t ∈ I , t Z F (t) = f (x) dx. a Como f é contínua, F (t) está bem denido como o limite das Somas de Riemann, a integral denida de f no intervalo de extremos a e t. Em particular, F (a) = 0. Veja na gura a seguir um exemplo no qual t > a e f é uma função positiva. a t 8 O Teorema Fundamental do Cálculo Unidade 18 Vamos calcular a derivada de F em um ponto t ∈ I . Para isso, estudaremos o quociente de Newton "Z # Z t t+h 1 F (t + h) − F (t) = f (x) dx − f (x) dx . h h a a Para facilitar, suponhamos h > 0, uma vez que argumentação análoga pode ser feita para o caso h < 0. Observe que, devido a propriedade de integral denida, podemos escrever Z t+h Z t Z t+h f (x) dx = f (x) dx + f (x) dx. a a t Assim, o quociente de Newton pode ser escrito como Z 1 t+h F (t + h) − F (t) f (x) dx. = h h t Sejam s1 e s2 respectivamente os pontos de mínimo e de máximo de f no intervalo [t, t + h]. Então, Z t+h f (s1 ) h ≤ f (x) dx ≤ f (s2 ) h. t Como h > 0, temos 1 f (s1 ) ≤ h Z t+h f (x) dx ≤ f (s2 ). t Ora, se h → 0, então s1 → t e s2 → t. A continuidade de f e o Teorema do Confronto garantem que Z 1 t+h lim f (x) dx = f (t). h→0 h t Isso é, F 0 (t) = f (t). Seja f : R −→ R a função denida por Z 2x+1 f (x) = sen (t2 ) dt. 0 9 Exemplo 8 Unidade 18 Segunda Parte do Teorema Fundamental do Cálculo Vamos calcular f 0 (x). Como g(x) = sen (x2 ) é uma função contínua, o Teorema Fundamental do Cálculo garante a existência de primitivas. Poderíamos tomar uma dessas primitivas, calcular uma expressão para f e usar as regras de derivação para determinar f 0 (x). No entanto, essa é precisamente a diculdade. Em muitos casos, como nesse particular exemplo, sabemos da existência da primitiva, mas não conhecemos uma formulação explícita. De qualquer forma, para calcular essa derivada bastará a garantia da existência. Seja G : R −→ R uma primitiva de g(x) = sen (x2 ). Então Z 2x+1 f (x) = sen (t2 ) dt = G(2x + 1) − G(0). 0 Derivando a expressão f (x) = G(2x+1)−G(0) obtemos f 0 (x) = 2 G0 (2x+ 1), devido à Regra da Cadeia. Assim, usando G0 (x) = g(x), temos f 0 (x) = 2 sen ((2x + 1)2 ). 10 O Teorema Fundamental do Cálculo 18.6 1. 2. Exercícios Calcule a derivada das funções a seguir: Z x2 cos2 t dt; (a) F (x) = 0 Z 1 1 (b) G(x) = dt. −x2 3 + sen t Z 2x cos t2 dt. Calcule a equação da reta tangente ao Seja f (x) = 1 + 0 gráco de f −1 no ponto de abscissa 0. 11 Unidade 18 O Teorema Fundamental do Cálculo e a Função Logaritmo Unidade 18 18.7 O Teorema Fundamental do Cálculo e a Função Logaritmo Como vimos no exemplo anterior, em muitos casos sabemos da existência de primitivas, mas não conhecemos uma fórmula explícita para as mesmas. Em alguns casos notórios, abreviamos a fórmula dada pelo Teorema Fundamental do Cálculo usando alguma nomenclatura adequada e lidamos com a função primitiva através das informações que obtemos de suas características. A função logaritmo natural é um desses casos muito especiais, como veremos a seguir. Definição 9 Seja ln : (0, +∞) −→ R a primitiva da função f : (0, +∞) −→ R, 1 denida por f (x) = , tal que ln 1 = 0. x Em outras palavras, Z ln x = 1 e x 1 dt t 0 1 ln x = . x Interpretação Geométrica de ln x Como a função f (x) = x1 é estritamente positiva no intervalo (0, +∞), ln x é positiva, se x > 1 e ln x é negativa, se 0 < x < 1. Veja as guras. 1 x Z x x 1 1 dt é igual a área da região hachurada na gura da 1 t Z x 1 esquerda. Se 0 < x < 1, ln x = dt é igual ao negativo da área da região 1 t hachurada na gura da direita. Se x > 1, ln x = 12 O Teorema Fundamental do Cálculo Unidade 18 Propriedades da Função Logaritmo O que essencialmente caracteriza a função logaritmo é a propriedade a seguir: Se a e b são números reais positivos, então Propriedade 1: ln ab = ln a + ln b. O fato crucial para a sua demonstração é o lema a seguir: Lema 10 Se a e b são números positivos, então Z ab Z b 1 1 dx = dx. x a 1 x Veja a representação geométrica dessa armação, nas guras a seguir, no caso em que a > 1 e b > 1. 1 b a ab O lema arma que as áreas dessas duas regiões são iguais. Essencialmente, a expansão provocada na base, pela multiplicação de [1, b] por a, é compensada por uma compressão na altura da gura, devido à forma da curva y = x1 . Veja a demonstração: Usaremos partições adequadas para calcular os limites Z a ab 1 dx e x Z 1 a 1 dx x e vericaremos que são iguais. Realmente, dada uma partição P de [1, b], digamos 1 = x0 < x1 < · · · < xn = b, e feitas as escolhas de ci ∈ [xi−1 , xi ], i = 1, 2, . . . n, tomamos a 13 Demonstração O Teorema Fundamental do Cálculo e a Função Logaritmo Unidade 18 partição aP de [a, ab], dada por a = y0 = ax0 < y1 = ax1 < · · · < yn = axn = ab, com as escolhas de di = aci ∈ [yi−1 , yi ], i = 1, 2, . . . n. Assim, b Z 1 n X 1 dx = lim f (ci ) ∆xi kPk→0 x i=1 e ab Z a Mas f (di ) = Portanto, n X lim kaPk→0 n X 1 dx = lim f (di ) ∆yi . kaPk→0 x i=1 1 1 1 = = f (ci ) e ∆yi = yi − yi−1 = axi − axi−1 = a∆xi . di aci a n X 1 f (di ) ∆yi = lim kaPk→0 i=1 i=1 a f (ci ) a∆xi = lim n X kaPk→0 f (ci ) ∆xi . i=1 Como k aP k→ 0 se, e somente se, k P k→ 0, temos Z ab a Demonstração Z a 1 dx. x 1 [Demonstração da Propriedade:] Vamos mostrar que ln ab = ln a + ln b. Realmente, Z ln ab = 1 Corolário 11 1 dx = x ab 1 dt = t Z 1 a 1 dt + t Z a ab 1 dt = t Z 1 a 1 dt + t Se a e b são números positivos, então ln a = ln a − ln b. b 14 Z 1 b 1 dt = ln a + ln b. t O Teorema Fundamental do Cálculo Aplicando a Propriedade 1 na equação ln ab b, obtemos: ln a = ln Unidade 18 Demonstração a a b = ln + ln b. b b Veremos como a derivada é uma ferramenta poderosa. Propriedade 2: Sejam a > 0 e r ∈ Q. Então, ln ar = r ln a. Consideremos as funções f, g : (0, +∞) −→ R, denidas por f (x) = ln xr e g(x) = r ln x. Usando as regras de derivação, especialmente a Regra da Cadeia, temos 1 1 f 0 (x) = r r xr−1 = r x x e 1 g 0 (x) = r . x 0 Logo, para todo x ∈ (0, +∞), f (x) = g 0 (x). Isto é, existe C ∈ R tal que f (x) = g(x) + C . Como f (1) = g(1) = 0, concluímos que as duas funções coincidem. O Gráco de f (x) = ln x Veremos agora que temos elementos sucientes para esboçar o gráco da função f (x) = ln x. É evidente da denição que, se a > b > 0, então ln a > ln b. No entanto, esta informação pode ser deduzida da derivada, assim como a concavidade voltada para baixo do gráco, resultado da análise da segunda derivada: f 0 (x) = 1 1 > 0 e f 00 (x) = − 2 < 0, x x para todo x ∈ (0, +∞). Veremos agora o comportamento da função nos extremos de seu domínio. 15 Demonstração Unidade 18 O Teorema Fundamental do Cálculo e a Função Logaritmo Lema 12 lim ln x = +∞ Demonstração lim ln x = −∞. e x→+∞ x→0+ O fato que nos dará essas informações, 1 < ln 2 < 1, 2 é geometricamente evidente: 1 1 2 1 2 Analiticamente, observe que, se 1 < x < 2, então 1 = 2 Demonstração Z 1 2 1 dx < 2 2 Z 1 1 dx < x Z 1 1 < < 1. Portanto. 2 x 2 dx = 1. 1 Demonstração do lema: Vamos mostrar que limx→+∞ ln x = +∞. Dado N > 0, escolha n0 > 22N . Então, se x > n0 , ln x > ln 22N = 2N ln 2 > 2N 1 = N. 2 Fica como exercício para o leitor mostrar a outra armação do lema. Podemos então Z x esboçar o gráco de f : (0, +∞) −→ R, denida por 1 f (x) = ln x = dt, função invertível, pois é crescente. 1 t 16 O Teorema Fundamental do Cálculo 1 Observe que o crescimento da função logaritmo é diferente do crescimento mesmo das funções polinomiais, quando x → +∞. Isto é, apesar da gura, para qualquer número a >> 0, a reta y = a interseta o gráco da função. 17 Unidade 18 Unidade 18 Exercícios 18.8 1. Exercícios Calcule a derivada das funções a seguir: (a) f (x) = x ln x; (b) g(x) = x2 ln x; (c) h(x) = x ln x2 ; (d) k(x) = ln(cos x); (e) l(x) = ln(ln(x2 )x; 1 x − . (f) m(x) = x − ln x x 2. 3. 4. Verique que a curva normal à curva denida por xy = ln(1 + x2 + y), na origem, é uma reta vertical. 1 Calcule a área da região delimitada pela curva y = , pelo eixo Ox, reta x y = x e x = 4. 1 Verique que as áreas das regiões delimitadas pela curva y = , eixo Ox, x sobre os intervalos [ 12 , 1] e [1, 2], são iguais. 18 O Teorema Fundamental do Cálculo 18.9 Unidade 18 A Função Exponencial Vamos agora considerar a função inversa de f (x) = ln x, denida por Exp : R −→ R, tal que Exp(x) = y se, e somente se, ln y = x. Em particular, Exp(0) = 1, pois ln 1 = 0. Propriedades da Exponencial A principal propriedade da função logaritmo se traduz na seguinte propriedade da exponencial: Propriedade: Sejam a e b números reais. Então, Exp(a + b) = Exp(a) · Exp(b). Sejam A e B números positivos tais que ln A = a e ln B = b. Então, Exp(a + b) = Exp(ln A + ln B) = Exp(ln AB) = AB = Exp(a) · Exp(b) pois, A = Exp(a) e B = Exp(b). Analogamente, o leitor pode provar as armações a seguir: (a) Se a e b são números reais positivos, então Exp(a − b) = Exp(a) . Exp(b) r (b) Se r ∈ Q e a ∈ R, então Exp(r a) = Exp(a) . A Derivada da Exponencial Como a função exponencial é a função inversa do logaritmo, podemos usar o Teorema da Função Inversa para calcular a sua derivada. Exp0 (x) = 1 = ln (Exp(x)) 0 1 1 Exp(x) = Exp(x). Ou seja, a derivada da exponencial é a propria exponencial. Além disso, para todo x ∈ R, Exp(x) > 0. Portanto, a função exponencial é estritamente 19 Demonstração Unidade 18 A Função Exponencial crescente e seu gráco é sempre côncavo para cima. Devido aos dois limites fundamentais do logaritmo, lim ln x = +∞ lim ln x = −∞, e x→+∞ x→0+ vale o seguinte lema, cuja demonstração ca a cargo do leitor. Lema 13 lim Exp(x) = +∞ x→+∞ e lim Exp(x) = 0. x→−∞ Temos então todos os elementos para esboçar o gráco da função exponencial: 1 O Número e e Expoentes Irracionais Você deve ter notado que temos usado a notação Exp(x) para o que normalmente é denotado ex . Na verdade, o número e é o único número real tal que ln e = 1. 1 Isto é, e é o único número tal que a área da região sob o gráco de y = e x entre as retas verticais x = 1 e x = e é 1. Na gura, a área da região hachurada é igual a 1. 20 O Teorema Fundamental do Cálculo 1 Unidade 18 e Até o momento, só dispomos de denição para potências racionais de números positivos. As propriedades de logaritmo e exponencial, a saber, se a > 0 e r ∈ Q, então ln ar = r ln a e r Exp(r a) = Exp(a) , permitem escrever ar = Exp(r ln a). Ou seja, dispomos de uma fórmula que nos permite estender a noção de potências racionais para potências de irracionais. Sejam a > 0 um número real e x ∈ R \ Q um número irracional. Então, denimos ax := Exp(x ln a). √ π 3 √ = Exp( 3 ln π). Fica como exercício para o leitor mostrar que as propriedades de expoentes, válidas para os números racionais, também são verdadeiras no caso dos irracionais. Por exemplo, ax+y = Exp((x + y) ln a) = Exp(x ln a + y ln a) = Exp(x ln a) · Exp(y ln a) = ax · ay . 21 Definição 14 Exemplo 15 Unidade 18 A Função Exponencial Com essa denição podemos escrever Exp(x) = Exp(x ln e) = ex , uma vez que ln e = 1. Assim, podemos resumir: para todo x ∈ R, y = ex ⇐⇒ 22 x = ln y. O Teorema Fundamental do Cálculo 18.10 1. Exercícios Calcule a derivada das funções a seguir: (a) f (x) = x ex ; (b) g(x) = ex cos x 2 (c) h(x) = ecos 2x + e sen 2x ; √ (d) k(x) = cos ex + 1 + ex . 2. 3. 4. ex + e−x ex − e−x e senh (x) = . Mostre que 2 2 cosh2 (x) − senh 2 (x) ≡ 1. Calcule (cosh(x))0 , (cosh(x))00 , ( senh (x))0 e ( senh (x))00 . Esboce os grácos de ambas as funções. Dena cosh(x) = Use a denição ax := Exp(x ln a) para derivar as funções f (x) = 3x e √ g(x) = ( 2)2x . Sejam a > 0 e b > 0 tal que b 6= 1, números reais. Dena o logaritmo de a na base b usando a equação logb a = ln a . ln b Verique a equação de mudança de base, para c > 0 tal que c 6= 1, dada por logb a logc a = . logc b Calcule as derivadas até ordem 2 das funções f (x) = log3 x e g(x) = log 1 x e esboce os seus grácos. 3 23 Unidade 18