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GeoGebraTarefa

Cálculo da área de uma região R delimitada por uma função f(x).

Cálculo da área de uma região R delimitada pela função f(x) e as retas x=a, x=b e y=0.

Explore o recurso para assimilar a ideia de soma integrada.

Historicamente a noção de integral brotou da necessidade de calcular áreas de figuras planas cujos contornos não são segmentos de reta. Vejamos o exemplo 1: Use retângulos para estimar a área sob a parábola f(x)=x² com x variando no intervalo [0, 1], a região parabólica S ilustrada pela construção 1. Instruções para obter o solicitado:        i.  Inserir no campo Função=x²    ii.  Marcar para obter a somas superior e inferior    iii.  Inserir para os valores a=0 e b=1 do intervalo [a, b] a ser calculada a região, bem como o n=14, ou seja, definir a partição do intervalo em quatorze subintervalos de mesma amplitude (Clicar no ícone AMPLIAR, do Geogebra, para uma melhor visualização dos retângulos inferiores e superiores). Em primeiro lugar aproximamos a região S por retângulos e depois tomamos o limite das áreas desses retângulos à medida que aumentamos o número de retângulos. É importante salientar que as retas x=0, x=1,e y=0 são delimitadoras da região sob o gráfico de f(x)=x². Obtemos como resultados aproximados para a soma inferior s=0,3 e superior S=0,37. Note que o controle deslizante n está configurado para até 100 partições do intervalo [a, b], se deslocamos o valor de n para 100 partições, as áreas inferior e superior, serão respectivamente 0,33 e 0,34, ou seja, se aproximará cada vez mais da área correta que é 1/3. Portanto o valor real da área A está compreendido no intervalo 0,33<A<0,34. Então é possível perceber que quanto maior o nº de partições, a área vai tender a área delimitada por f(x). Fica a curiosidade, porque afirmar que a área é 1/3? Será o nosso objeto de estudo. Para a região R do Exemplo 1, mostre que a soma das áreas dos retângulos aproximantes superiores tende a 1/3, ou seja,

Fica a curiosidade, porque afirmar que a área é 1/3? Será o nosso objeto de estudo.Solução: An é a soma das áreas dos n retângulos no exemplo 1. Cada retângulo tem largura 1/n, e as alturas são os valores da função f(x)=x2 nos pontos 1/n, 2/n, 3/n,...., n/n; isto é, as alturas são (1/n)2, (2/n)2, (3/n)2,....,(n/n)2.

Assim Necessitamos aqui da fórmula da soma dos quadrados dos n primeiros inteiros positivos: Talvez você já tenha visto essa fórmula antes. Então substituindo a fórmula (I) em nossa expressão para , obtemos Assim temos

Introdução da ideia de Integral.

2 – Definição: A área A da região da região S que está sob o gráfico de uma função contínua f é o limite das somas das áreas dos retângulos aproximantes: Pode ser provado que o limite da Definição 2 sempre existe, uma vez que estamos supondo que f seja contínua. Pode também ser provado que obtemos o mesmo valor se usarmos os extremos esquerdos dos subintervalos: Ou seja, também podemos reescrever a área a região A da seguinte maneira: Vamos determinar a área A da região que está sob o gráfico de no intervalo [0, 2]. Usando os extremos direitos, vamos determinar uma expressão para A como um limite, não vamos computar o limite. Note que usar o extremo direito é mostrar a soma pela esquerda. Considerando Solução: Uma vez que a=0 e b=2, a largura de intervalo um intervalo é Logo , , , e . A soma das áreas dos retângulos aproximantes é De acordo com a Definição 2, a área é Usando a notação de somatório podemos escrever É difícil computar esse limite diretamente à mão, mas com a ajuda da janela  Cas isso não é tão complicado. Com n=4 os subintervalos com a mesma largura (lembre-se que no Geogebra 0,5 é representado por 0.5) são [0, 0.5], [0.5, 1], [1, 1.5], [1.5, 2]. Os pontos médios desses intervalos são , , , , a soma das áreas dos quatro retângulos aproximantes é Logo uma estimativa para a área é . Agora tente fazer uma estimativa com n=10 os subintervalos e seus pontos médios. Ex: [0, 0.2] e ponto médio igual a 0.1. Use a construção 1 para obter a resposta aproximada.

Utilize a construção para verificar os conceitos estudados. Observe a evolução que cada método apresenta.

3 - Integral Definida

A derivada e a integral são dois conceitos básicos em torno dos quais se desenvolve todo o Cálculo. Vimos, no Capítulo 1, que a derivada tem origem geométrica: está ligada ao problema de traçar a tangente a uma curva. A integral também tem uma origem geométrica: está ligada ao problema de determinar a área de uma figura plana delimitada por uma curva qualquer. Definição: Seja f uma função definida no intervalo [a,b] e seja P uma partição qualquer de [a,b]. A integral definida de f de a até b é denotada por: Se é dada por Se existe, dizemos que f é integrável em [a, b] Da notação, os números a e b são chamados limites de integração ( a= limite inferior e b= limite superior) Se f é integrável em [a,b], então . Isto é, podemos usar qualquer símbolo para representar a variável independente. Quando a função f é contínua e não negativa em [a, b], a definição  da integral definida coincide com a definição de área. Nesse caso a integral definida é a área da região sob o gráfico de f de a até b. Daí a) Se , então , se a integral existir. b) Se a=b, então . Surge uma interrogação, como verificar se uma função é integrável ou não. Então vamos explicitar alguns teoremas que auxiliem tal verificação. Teorema 1: Toda função monótona é integrável. Teorema 2: Toda função contínua é integrável.

A ideia da Antiderivada, em seguida alguns exercícios para fixar os conceitos estudados até o momento.

Utilize esta construção para verificar os exercícios a seguir.

1. (Cálculo – Volume I – James Stewart , 2008, 5ª edição, p.378): Área sob o gráfico de uma função f(x).

(a) Estime a área aproximada sob o gráfico de f(x)= 1+x² de x=-1 até x=2 usando três retângulos aproximantes e extremos direitos. Então aperfeiçoe sua estimativa utilizando seis retângulos aproximantes. Esboce o gráfico e os retângulos aproximantes. (b) Repita a parte (a) usando extremos esquerdos. (c) Repita a parte (a) empregando os pontos médios. (d) De seus esboços das partes (a), (b) e (c), qual aparenta ser a melhor estimativa?

2. (Cálculo – Volume I – James Stewart , 2008, 5ª edição, p.379): Área sob o gráfico de uma função f(x).

Use a Definição 2 para determinar uma expressão para a área sob o gráfico de f como um limite. Não calcule o limite: (a) (b)

3. (Cálculo – Volume I – James Stewart , 2008, 5ª edição, p.379): Área sob o gráfico de uma função f(x).

(a) Expresse a área sob a curva y=x5 de 0 até 2 como um limite. (b) Use um sistema algébrico computacional para encontrar a soma em sua expressão da parte (a). Sugestão: Janela Cas do Geogebra. (c) Calcule o limite da parte (a).

4. (Cálculo – Volume I – James Stewart , 2008, 5ª edição, p.391): Integral definida.

Expresse o limite como uma integral definida no intervalo dado .

5. (Fundamentos de Cálculo – Muniz Neto, 2015, 1ª edição, p. , Coleção PROFMAT: Integral definida.

Se é uma função constante, digamos f(x)=c para todo , mostre que .

Algumas aplicações básicas de derivada e integral para a Física I