Capitulo4 pdf

El Teorema Fundamental del Cálculo

Indice
1. Introducción
2. Algunas Fórmulas generales para encontrar áreas e integrales.
3. La Integral como función del extremo superior
4. El Teorema Fundamental del Cálculo (TFC).
5. Cálculo de integrales definidas mediante el TFC.
6. Corolario al Teorema Fundamental del Cálculo
7. La Integral Indefinida.
8. Tabla básica de Integrales
9. Ejercicios

1. Introducción.

El Teorema fundamental del Cálculo, como su nombre lo indica es un importante resultado
que relaciona el Cálculo Diferencial con el Cálculo Integral. En este capítulo se estudiarán
las bases que permiten diseñar técnicas para el cálculo de integrales.

Regresar al índice

2. Algunas Fórmulas generales para encontrar áreas e integrales.

El mismo procedimiento que utilizamos para encontrar las integrales definidas en intervalos
[a, b] del capitulo anterior puede aplicarse en forma más general. Por ejemplo es posible
deducir ciertas fórmulas para predecir las áreas, por medio de las cuales se puede
determinar del área de cualquier región bajo una curva fácil y rápidamente.

x
Ejemplo 1. Utilizando sumas superiores encuentre
∫ 0
t 2 dt , para x > 0

Solución. Dividamos el intervalo [0, x] en n partes iguales, cada una de longitud x/n.
Sobre cada uno de los subintervalos determinado por esta partición, tomamos como altura
la imagen del extremo derecho, por ser creciente la función.

0, x/n 2x/n 3x/n . . . nx/n = x

La suma superior Sn nos queda como:
x x x 2x x 3x x nx
S n = ( ) 2 + ( ) 2 + ( ) 2 + ... + ( ) 2
n n n n n n n n

x3 2 x 3 n(n + 1)(2n + 1) x 3 n + 1 2n + 1
Sn = (1 + 2 2 + 32 + ... + n 2 ) = 3 = ( )( )
n3 n 6 6 n n

y el valor de la integral será:

x
x 3 n + 1 2n + 1 x3 x3
∫ 0
t 2 dt = lim
n →∞ 6
(
n
)(
n
)=
6
(1)(2) =
3

es decir
x
x3
∫ 0
t 2 dt =
3

Observación. Esta fórmula general nos permite encontrar rápidamente que:

3 5 1

∫ ∫ ∫ t dt = 3 ,
125 1
t 2 dt = 9 , t 2 dt = , y en particular 2
0 0 3 0

esta última calculada con sumas superiores e inferiores en el capítulo anterior.

x
x4
Ejemplo 2. Utilizando sumas superiores encuentre que
∫ 0
t 3 dt =
4
, para x >0

Solución. Se deja como ejercicio

x
Ejemplo 3. Utilizando sumas inferiores, encuentre
∫ 0
(4 − t 2 )dt

Solución. Por ser decreciente la función, las alturas serán las imágenes de los extremos
derechos de los intervalos. En la gráfica se muestra la función para un valor de x > 2

nx/n = x

0, x/n 2x/n ...

quedando la suma inferior como:

x x2 x 22 x 2 x 32 x 2 x n2 x2
Sn = (4 − 2 ) + (4 − 2 ) + (4 − 2 ) + ... + (4 − 2 )
n n n n n n n n

x x3 x 3 n(n + 1)(2n + 1) x 3 n + 1 2n + 1
Sn = (4n) − 3 (12 + 2 2 + 3 2 + ... + n 2 ) = 4 x − 3 = 4x − ( )( )
n n n 6 6 n n
y el valor de la integral será:

x
x 3 n + 1 2n + 1 x3 x3
∫ (4 − t ) dt = lim 4 x − ( ) = 4 x − (1)(2) = 4 x −
2
)(
0 n →∞ 6 n n 6 3

es decir
x
x3
∫ (4 − t ) dt = 4 x −
2
0 3

Observación. De nuevo con esta fórmula general podemos encontrar integrales como:

1 2 3 4

∫ ∫ ∫ ∫
11 16 16
(4 − t 2 ) dt = , (4 − t 2 ) dt = , (4 − t 2 ) dt = 3 , (4 − t 2 ) dt = −
0 3 0 3 0 0 3

las dos primeras representando el área bajo la curva, por ser la función positiva en los
correspondientes intervalos de integración, no sucediendo lo mismo en las otras dos, en
cuyos intervalos la función toma valores positivos y negativos.

x
Ejemplo 4. Utilizando sumas superiores, encuentre
∫ 0
sent dt , para x ∈ [0, π/2]

Solución. Por ser creciente la función, las alturas serán las imágenes de los extremos
derechos de los intervalos, como se observa en la siguiente gráfica.

0, x/n 2x/n 3x/n . . . nx/n = x

Calculemos la suma superior correspondiente:

x x 2x 3x nx 
Sn =  sen( n ) + sen( n ) + sen( n ) + ... + sen( n )
n 

x
multiplicamos y dividimos el lado derecho por 2 sen( ) , tenemos que:
2n

x/n  x x 2x x nx x 
Sn =  2 sen( n ) sen( 2n ) + 2 sen( n ) sen( 2n ) + ... + 2 sen( n ) sen( 2n )
2 sen( x / 2n )  

utilizando la identidad trigonométrica 2senU senV = cos(U-V) - cos(U+V), obtenemos:

x/n  x 3x 3x 5x (2n − 1) x (2n + 1) x 
Sn = cos( 2n ) − cos( 2n ) + cos( 2n ) − cos( 2n ) + ... + cos( 2n ) − cos( 2n )
2 sen( x / 2n)  

cancelando:

x / 2n  x (2n + 1) x 
Sn = cos( 2n ) − cos( 2n )
sen( x / 2n)  

h
utilizando el hecho de que lim =1
h→0 senh

x
x / 2n  (2n + 1) x 
∫
x
sent dt = lim cos( 2n ) − cos( 2n ) = 1(1 − cos x)
0 n →∞ sen( x / 2n)  

es decir
x

∫ 0
sent dt = 1 − cos x

Regresar al índice

3. La Integral como función del extremo superior

Cada una de las fórmulas generales obtenidas puede considerarse como una función de la
variable x y por lo tanto es susceptible de analizarse con las herramientas del Cálculo
Diferencial, como la continuidad, límites, derivación, etc.

x
x3 x
x4 x

∫ 0
t 2 dt =
3
,
∫ 0
t 3 dt =
4
,
∫ sent dt = 1 − cos x
0

Algo en común que puede observarse en cada una de estas funciones es que son continuas,
derivables y además la derivada de cada una, es la función que se está integrando, es decir,

x x x

∫ ∫ ∫ sent dt = senx ,
d d d
t 2 dt = x 2 , t 3 dt = x 3 ,
dx 0 dx 0 dx 0

Si le llamamos G(x) a la integral y f(t) al integrando, para estas integrales se cumple:

x
G ( x) =
∫ 0
f (t ) dt ⇒ G ' ( x) = f ( x )

o bien
x

∫ f (t ) dt = f ( x)
d
dx 0

Un poco más adelante demostraremos que salvo ciertas precisiones, lo anteriormente dicho
es válido para f continua y lo estableceremos como uno de los teoremas más importantes
del Cálculo, el que establece la relación entre los conceptos fundamentales de Derivada e
Integral.

Sea f:[a, b]→ R una función monótona y por lo tanto integrable.

Definimos G:[a, b]→ R como:
x
G ( x) =
∫ a
f (t ) dt

Si la función es positiva G(x) representa el área desde a hasta x.

La primera propiedad interesante de la integral como función es que si la función f es
integrable, entonces la función G es continua, pues intuitivamente podemos ver que si
variamos "un poco" la x, el valor de G(x) no cambia sensiblemente, aún cuando el
integrando no sea una función continua. Esto lo podemos apreciar en el siguiente caso
particular y posteriormente lo demostraremos en general.

Sea f:[0, 6]→ R la función cuya gráfica es:

4 y = f(t)

3

0 4 6

x
x2
a) Si 0 ≤ t ≤ 4 , el valor de la integral de esta función es: G ( x) =
∫ 0
f (t )dt =
2
x
b) Si 4 < t ≤ 6 , el valor de la integral es: G ( x) =
∫ 0
f (t )dt = 8 + 3( x − 4) = 3 x − 4

Así pues G:[0, 6] → R estará dada por la siguiente función continua.

y = G(x)

4 6

En el siguiente Teorema, probaremos la relación antes mencionada entre la derivada y la
integral, que nos permitirá calcular integrales con la herramienta del Cálculo Diferencial sin
recurrir a la definición de integral como límite de sumas.

Regresar al índice

4. El Teorema Fundamental del Cálculo.

Si f:[a, b] → R integrable es continua en xo ∈ [a, b], entonces
x
G ( x) =
∫ a
f (t )dt

es derivable en xo y G '(xo) = f(xo).

En notación de Leibnitz podemos expresar el resultado de este teorema como
d x
∫ ∫
d
f (t ) dt = f ( x) ó bien f = f
dx a dx
que de una manera más clara muestra la relación, entre la Derivada y la Integral, como
operaciones inversas

Demostración.
Primer caso: Sea h > 0:

x0 + h x0 x0 + h
G ( x o + h) − G ( xo ) =
∫ a
f (t )dt −
∫ a
f (t )dt =
∫
x0
f (t )dt

por el teorema del valor medio para integrales en el intervalo [xo, xo+h], tenemos que

x0 + h

∫ x0
f (t )dt = f ( x h ) • h

para algún valor xh entre xo y xo+h y en consecuencia

G ( x o + h) − G ( x o ) = f ( x h ) • h

Para calcular la derivada de G en xo , calculamos el siguiente límite:

G ( x o + h) − G ( x o )
G ' ( xo ) = lim = lim f ( x h ) = f ( xo )
h →0 h h →0

pero cuando h se aproxima a cero el punto xh se aproxima a xo y en consecuencia

G ' ( xo ) = f ( x o )

que es lo que deseábamos demostrar.

Segundo caso: Sea h < 0:

x0 x0 + h x0
G ( x o ) − G ( xo + h) =
∫ a
f (t )dt −
∫ a
f (t )dt =
∫
x0 + h
f (t )dt

por el teorema del valor medio para integrales en el intervalo [xo+h, xo], de longitud (-h),
tenemos que

x0

∫ x0 + h
f (t )dt = f ( x h ) • (−h)

para algún valor xh entre xo+h y xo y en consecuencia

G ( x o ) − G ( x o + h) = f ( x h ) • ( − h )

0, bien multiplicando por -1 en ambos lados:

G ( x o + h ) − G ( x o ) = f ( x h ) • ( h)

y como en el caso anterior para calcular la derivada de G en xo, calculamos el siguiente
límite:

G ( xo + h) − G ( xo )
G ' ( xo ) = lim = lim f ( x h ) = f ( xo )
h→0 h h→0

obteniendo lo que deseábamos demostrar.

Regresar al índice

5. Cálculo de integrales definidas mediante el Teorema Fundamental del Cálculo.
3
Ejemplo1. Utilizando el T.F.C., encuentre
∫ 2
t 3 dt .

Solución: En el cálculo de integrales por este método, realizaremos los siguientes cuatro
pasos:
Paso 1: Consideramos a la integral como función del extremo superior.
x
G ( x) =
∫ 2
t 3 dt .

y posteriormente tratar de encontrar una expresión "más operativa" para G(x), pues la
integral buscada es G(3).

Paso 2: Utilizamos el T.F.C.
Por el T.F.C., G ' ( xo ) = xo , para todo xo ∈ [2, 3], lo cual lo escribiremos genéricamente
3

como G ' ( x) = x 3 , es decir este Teorema nos da información sobre la derivada de la
x4
función buscada, en este caso sabemos que es una función cuya derivada es x3, pero en
4
general la derivada no se altera si le sumamos una constante arbitraria, lo cual nos lleva a
x4
que G ( x) = + k . En general de manera esquemática diremos:
4
x4
G ' ( x) = x 3 ⇒ G ( x ) = +k
4
lo cual salvo la constante por determinar, nos da una expresión "más operativa" para G(x).

Paso 3: Determinamos la constante k.
Nótese que tenemos dos expresiones para G(x):
x4 x
G ( x) =
4
+k y G ( x) =
∫ 2
t 3 dt .

Para determinar la constante k, debemos conocer a la integral en algún valor del intervalo,
que en este caso es x = 2, es decir
2
G ( 2) =
∫ 2
t 3 dt = 0 .

Y por la otra expresión G(2) = 4 + k.

Igualando ambas expresiones obtenemos
4+k=0
obteniendo el valor de k = -4

Paso 4: Evaluamos G(3) para obtener la integral.
Una vez determinada la constante de integración k, queda completamente determinada la
expresión para G:
x4
G ( x) = −4
4
y en consecuencia:

3
34
∫
65
t 3 dt = G (3) = −4= .
2 4 4
Es decir
3

∫
65
t 3 dt =
2 4

π
Ejemplo2. Utilizando el TFC, encuentre
∫ 0
sentdt .

Solución: Cada una de las siguiente tres expresiones corresponden a los primeros tres pasos
del ejercicio anterior:
x
G ( x) =
∫ sent dt
0
⇒ G ' ( x) = senx ⇒ G ( x) = − cos x + k .

Para determinar la constante, evaluamos en 0
0
G (0) =
∫ sent dt = 0 .
0
Y por la otra expresión G(0) = -1 + k.

Igualando ambas expresiones obtenemos
-1 + k = 0
obteniendo el valor de k = 1, y en consecuencia
π

∫ sent dt = G(π ) = − cos π + 1 = 2
0
es decir
π

∫ sent dt = 2
0

Observación. Como se habrá notado en el cálculo de las integrales anteriores usando el
TFC, la parte medular del procedimiento es encontrar una función que al derivarse nos da la
función f que queremos integrar, a la que llamaremos ANTIDERIVADA de f . El valor de
la constante es la antiderivada evaluada en el extremo izquierdo del intervalo de integración
y finalmente el valor de la integral es la antiderivada evaluada en el extremo derecho menos
la antiderivada evaluada en el extremo izquierdo, como se asienta en el siguiente:
Regresar al índice

6. Corolario al Teorema Fundamental del Cálculo

Si f:[a,b]→R integrable es continua en el intervalo [a, b] y g:[a,b]→R, es una antiderivada
de f, es decir satisface g'(x) = f(x) , entonces

b

∫ a
f (t )dt = g (b) − g (a )

Demostración. La prueba de este resultado consiste en dar los mismos pasos que en los
casos particulares
x
G ( x) =
∫ a
f (t ) dt ⇒ G ' ( x) = f ( x) ⇒ G ( x) = g ( x) + k .

Para determinar la constante evaluamos en x = a en las dos expresiones para G(x)

a
G (a ) =
∫ a
f (t ) dt = 0 y G (a ) = g (a ) + k ⇒ g(a) + k =0 ⇒ k = -g(a) y por lo tanto

G ( x) = g ( x) − g (a ) .
Y el valor de la integral
b

∫ a
f (t )dt = G (b) = g (b) − g (a )

que es lo que deseábamos demostrar.

A continuación resolveremos la integral del ejemplo 2 utilizando este corolario.
3
Ejemplo 3. Utilizando el corolario al TFC, encuentre
∫ 2
x 3 dx .

Solución. Sólo hay que encontrar una función g que satisfaga g'(x) = x3 y una de tales
funciones es:
x4
g ( x) =
4
y en consecuencia:
3
3 4 2 4 81 − 16 65
2 ∫
x 3 dx = g (3) − g (2) =
4
−
4
=
4
=
4
.

Observación. Dada una función f, en este caso f(x) = x3, existen una infinidad de
x4
antiderivadas, todas ellas de la forma g ( x) = + K Si tomamos cualquiera de ellas
4
como por ejemplo
x4
g ( x) = +8
4
obtenemos el mismo resultado
3
34 24 81 − 16 65
∫2
x 3 dx = g (3) − g (2) = ( + 8) − ( + 8) =
4 4 4
=
4
.

Regresar al índice

7. La Integral Indefinida.

La parte medular para encontrar integrales definidas, es encontrando una función que al
derivarla nos dé el integrando.

Si g es una función tal que g'(x) = f(x), diremos que es una PRIMITIVA para f y a la
expresión f(x) + k le llamaremos LA INTEGRAL INDEFINIDA DE f, y la denotaremos
por

∫ f ( x) dx = g ( x) + k
Observación. Nótese que al escribir la integral indefinida escribimos la variable x
tanto en el integrando como en la primitiva, en virtud de no existir confusión, debido a
que no se escriben los límites de integración.

Tomando en cuenta que la derivada y la integral son operaciones inversas, de cualquier
fórmula de derivación, podemos extraer una fórmula de integración, simplemente
invirtiéndola, por ejemplo:

∫ cos x dx = senx + k
d
senx = cos x ⇔
dx

∫
d 1 1
ln x = ⇔ dx = ln x + k para x > 0
dx x x

En este último ejemplo, debemos hacer unas precisiones. La función f(x) =1/x está definida
para todo x ≠ 0, sin embargo la función g(x) = lnx sólo está definida para los positivos.
¿Cómo obtener por ejemplo la integral de g en el intervalo [-3, -1] si el logaritmo natural no
está definido para los números negativos?.

Primeramente calcularemos la integral en el intervalo [1,3] y por la simetría de f(x) =1/x, la
integral en el intervalo [-3, -1] será el negativo de ésta, como se aprecia en la siguiente
ilustración.

f(x)

−1 3
dx = −[ln(3) − ln(1)] = ln(1) − ln(3)
∫ ∫
1 1
dx = −
−3 x 1 x

lo cual nos sugiere considerar

∫
1
dx = ln(− x) + k para x < 0
x

en general podemos expresar a la integral indefinida de esta función como:

∫
1
dx = ln | x | + k
x

fórmula válida también para números negativos, pues derivando para x < 0

d d 1 1
ln | x | = ln(− x) = (−1) =
dx dx −x x

Observación. Al utilizar el corolario al T.F.C. debe tenerse cuidado de verificar las
condiciones bajo las cuales se cumple dicho teorema, por ejemplo, es fácil caer en el
siguiente error si no se tiene este cuidado:

2

∫
1
dx = ln(2) − ln(3)
−3 x
Esta expresión no tiene sentido ya que la función no es acotada en el intervalo de
integración y por lo tanto no tendría sentido el cálculo de las sumas superiores o inferiores
en un intervalo de la partición que contenga al cero. La función en cuestión no es integrable
en [-3,2].

Con esta observación podemos construir nuestra primera tabla de integrales, a partir de la
cual y mediante algunos métodos de integración, podremos encontrar integrales de
funciones más complicadas.

Regresar al índice

8 Tabla Básica de Integrales.

x α +1
∫ ∫
1
1. xα dx = +k si α ≠ −1 2. dx = ln | x | + k
α +1 x

3.
∫ cos x dx = senx + k 4.
∫ senx dx = − cos x + k
∫ sec x dx = tan x + k
∫ csc dx = − cot + k
2 2
5. 6.

∫ 1+ x ∫
dx dx
7. 2
= arctan x + k 8. = arcsenx + k
1− x 2

ax
9.
∫ e x dx = e x + k 10
∫ a x dx =
ln a
+k

Regresar al índice

Ejercicios
I. Dada la función f(x) como en la siguiente gráfica, encuentre la función
x
G(x) =
∫
1
f (t ) dt , grafíquela y verifique que G es continua.

5

4

1

1 3 6

II. Dada la función f(x) como en la siguiente gráfica, encuentre la función
x
G(x) =
∫ 0
f (t ) dt , grafíquela y verifique que cumple con el Teorema

Fundamental dl Cálculo.

5

4

1

1 3 6

III. Dada la función f(x) como en la siguiente gráfica, encuentre la función
x
G(x) =
∫ 0
f (t ) dt , grafíquela y verifique que cumple con el Teorema

Fundamental del Cálculo.

5

y = x2

1 2 5

IV. Utilizando el Teorema Fundamental del Cálculo, encuentre el valor de las
siguientes integrales.

1 b

∫ (5t 3 − 7)dt
∫ t dt
3
1) 2)
0 a

2 3

∫ ∫
1
3) t 5 dt 4) dt
1 2 t4

π 9

∫ ∫
2
5) cos t dt 6) t dt
π 4
4

1 1

∫ e t dx
∫ sec t dt
2
7) 8)
0 −1

1
2
t2 + t3 − t 3 3
1− t
9)
∫1
3
dt 10)
∫ 2 t
dt
t2

2π π
11)
∫ 0
sent dt 12)
∫ cos t dt
0

π π

∫ ∫
2 4
13) sent dt 14) cos t dt
0 0

V. Utilizando el Teorema Fundamental del Cálculo, encuentre en cada caso f ' (x).

x2 5 x −4

1) f ( x) =
∫ sent dt 2) f ( x) =
∫ cos
3
t dt
3 3

x3 2x

∫ ∫
2
3) f ( x) = 5
t dt 4) f ( x) = e t dt
2 x +3 3

Regresar al índice

Capitulo4 pdf

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (18)

Similar a Capitulo4 pdf (20)

Capitulo4 pdf