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% (find-LATEX "2020-1-C2-TFCs.tex") % (defun c () (interactive) (find-LATEXsh "lualatex -record 2020-1-C2-TFCs.tex" :end)) % (defun D () (interactive) (find-pdf-page "~/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf")) % (defun d () (interactive) (find-pdftools-page "~/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf")) % (defun e () (interactive) (find-LATEX "2020-1-C2-TFCs.tex")) % (defun u () (interactive) (find-latex-upload-links "2020-1-C2-TFCs")) % (defun v () (interactive) (find-2a '(e) '(d)) (g)) % (find-pdf-page "~/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf") % (find-sh0 "cp -v ~/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf /tmp/") % (find-sh0 "cp -v ~/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf /tmp/pen/") % file:///home/edrx/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf % file:///tmp/2020-1-C2-TFCs.pdf % file:///tmp/pen/2020-1-C2-TFCs.pdf % http://angg.twu.net/LATEX/2020-1-C2-TFCs.pdf % (find-LATEX "2019.mk") % «.title» (to "title") % «.formadas-por-segmentos» (to "formadas-por-segmentos") % «.exercicio-1» (to "exercicio-1") % «.exercicio-2» (to "exercicio-2") % «.na-direcao-errada» (to "na-direcao-errada") % «.exercicio-3» (to "exercicio-3") % «.exercicio-4» (to "exercicio-4") % «.exercicio-5» (to "exercicio-5") % «.exercicio-6» (to "exercicio-6") \documentclass[oneside,12pt]{article} \usepackage[colorlinks,citecolor=DarkRed,urlcolor=DarkRed]{hyperref} % (find-es "tex" "hyperref") \usepackage{amsmath} \usepackage{amsfonts} \usepackage{amssymb} \usepackage{pict2e} \usepackage[x11names,svgnames]{xcolor} % (find-es "tex" "xcolor") \usepackage{colorweb} % (find-es "tex" "colorweb") %\usepackage{tikz} % % (find-dn6 "preamble6.lua" "preamble0") %\usepackage{proof} % For derivation trees ("%:" lines) %\input diagxy % For 2D diagrams ("%D" lines) %\xyoption{curve} % For the ".curve=" feature in 2D diagrams % \usepackage{edrx15} % (find-LATEX "edrx15.sty") \input edrxaccents.tex % (find-LATEX "edrxaccents.tex") \input edrxchars.tex % (find-LATEX "edrxchars.tex") \input edrxheadfoot.tex % (find-LATEX "edrxheadfoot.tex") \input edrxgac2.tex % (find-LATEX "edrxgac2.tex") % %\usepackage[backend=biber, % style=alphabetic]{biblatex} % (find-es "tex" "biber") %\addbibresource{catsem-slides.bib} % (find-LATEX "catsem-slides.bib") % % (find-es "tex" "geometry") \usepackage[a6paper, landscape, top=1.5cm, bottom=.25cm, left=1cm, right=1cm, includefoot ]{geometry} % \begin{document} \catcode`\^^J=10 \directlua{dofile "dednat6load.lua"} % (find-LATEX "dednat6load.lua") %L dofile "edrxtikz.lua" -- (find-LATEX "edrxtikz.lua") %L dofile "edrxpict.lua" -- (find-LATEX "edrxpict.lua") \pu % «defs» (to ".defs") % (find-LATEX "edrx15.sty" "colors-2019") \long\def\ColorRed #1{{\color{Red1}#1}} \long\def\ColorViolet#1{{\color{MagentaVioletLight}#1}} \long\def\ColorViolet#1{{\color{Violet!50!black}#1}} \long\def\ColorGreen #1{{\color{SpringDarkHard}#1}} \long\def\ColorGreen #1{{\color{SpringGreenDark}#1}} \long\def\ColorGreen #1{{\color{SpringGreen4}#1}} \long\def\ColorGray #1{{\color{GrayLight}#1}} \long\def\ColorGray #1{{\color{black!30!white}#1}} \long\def\ColorBrown #1{{\color{Brown}#1}} \long\def\ColorBrown #1{{\color{brown}#1}} \long\def\ColorShort #1{{\color{SpringGreen4}#1}} \long\def\ColorLong #1{{\color{Red1}#1}} \def\frown{\ensuremath{{=}{(}}} \def\True {\mathbf{V}} \def\False{\mathbf{F}} \def\drafturl{http://angg.twu.net/LATEX/2020-1-C2.pdf} \def\drafturl{http://angg.twu.net/2020.1-C2.html} \def\draftfooter{\tiny \href{\drafturl}{\jobname{}} \ColorBrown{\shorttoday{} \hours}} \unitlength=10pt % (find-angg ".emacs" "c2q192") % _____ _ _ _ % |_ _(_) |_| | ___ _ __ __ _ __ _ ___ % | | | | __| |/ _ \ | '_ \ / _` |/ _` |/ _ \ % | | | | |_| | __/ | |_) | (_| | (_| | __/ % |_| |_|\__|_|\___| | .__/ \__,_|\__, |\___| % |_| |___/ % % «title» (to ".title") % (c2m201tfcsp 1 "title") % (c2m201tfcs "title") \thispagestyle{empty} \begin{center} \vspace*{1.2cm} {\bf \Large Cálculo 2 - 2020.1} \bsk Aula 9: TFC1 (o primeiro Teorema Fundamental do Cálculo) \bsk Eduardo Ochs - RCN/PURO/UFF \url{http://angg.twu.net/2020.1-C2.html} \end{center} \newpage % «formadas-por-segmentos» (to ".formadas-por-segmentos") % (c2m201tfcsp 2 "formadas-por-segmentos") % (c2m201tfcs "formadas-por-segmentos") {\bf Funções formadas por segmentos} \ssk Uma \ColorRed{função escada} é uma função cujo gráfico é formado por um número finito de segmentos horizontais e de pontos isolados. Essa terminologia é padrão. Nesta aula vamos usar algumas funções como a abaixo, cujo gráfico é formado por um número finito de segmentos {\sl não necessariamente horizontais} e de pontos isolados. Acho que não há um termo padrão para funções deste tipo, então vou chamá-las de \ColorRed{funções formadas por segmentos}. % $$ \unitlength=8pt % f(x) \;\; = \;\; \vcenter{\hbox{% \beginpicture(0,-5)(5,5) \pictgrid% \pictpiecewise{(0,0)c--(1,1)c (1,-1)o--(2,-2)o (2,1)c (2,2)o--(3,3)c (3,-3)c--(4,-4)c (4,4)o--(5,5)c}% \pictaxes% \end{picture}% }} $$ \newpage % (find-books "__analysis/__analysis.el" "apex-calculus") % (find-apexcalculuspage (+ 10 236) "5.4 The Fundamental Theorem of Calculus") % (c2m201escadasp 9 "spoiler") % (c2m201escadas "spoiler") Na aula passada nós conseguimos calcular a função % $$G(b) = \Intx{1}{b}{g(x)}$$ para a função $g(x)$ abaixo. Obtivemos: % $$ g(x) \;\; = \;\; \vcenter{\hbox{% \beginpicture(0,-2)(10,6) \pictgrid% \pictpiecewise{(0,1)--(2,1)o (2,0)c (2,2)o--(4,2)o (4,0)c--(6,0)o (6,-1)c--(8,-1)c (8,1)o--(10,1)}% \pictaxes% \end{picture}% }} % \qquad % G(b) \;\; = \;\; \vcenter{\hbox{% \beginpicture(0,-2)(10,6) \pictgrid% \pictpiecewise{(1,0)c--(2,1)c--(4,5)c--(6,5)c--(8,3)c--(10,5)}% \pictaxes% \end{picture}% }} $$ \newpage ...e vimos que: \begin{enumerate} \item $G(1) = \Intx{1}{1}{g(x)} = 0$. \item $G'(x) = g(x)$ ``sempre que isto faz sentido'', isto é, para todos os valores de $x$ nos quais $G(x)$ é derivável. \item $G'(x) = g(x)$ em todo $x$ no qual $g(x)$ é contínua. Isto é uma condição mais forte que a 2. \item $G(x)$ é contínua --- inclusive nos valores de $x$ nos quais as condições 2 e 3 não se aplicam. \end{enumerate} \newpage % «exercicio-1» (to ".exercicio-1") % (c2m201tfcsp 5 "exercicio-1") % (c2m201tfcs "exercicio-1") {\bf Exercício 1.} \ssk a) Faça uma cópia no papel do gráfico da $g(x)$ do slide 3 e represente nele as áreas $\Intx{1}{3}{g(x)}$ e $\Intx{1}{4}{g(x)}$. b) Agora visualize a diferença $\Intx{1}{4}{g(x)} - \Intx{1}{3}{g(x)}$, cancelando na região $\Intx{1}{4}{g(x)}$ a região $\Intx{1}{3}{g(x)}$. Represente graficamente esta diferença $\Intx{1}{4}{g(x)} - \Intx{1}{3}{g(x)}$ e verifique que ela é exatamente a área $\Intx{3}{4}{g(x)}$. c) Calcule no olhômetro \ColorRed{sem fazer nenhuma conta no papel} o valor de cada subexpressão das igualdades abaixo e verifique que as duas igualdades são verdade. Lembre que você pode obter $G(3)$ e $G(4)$ pelo gráfico da $G$ do slide 3. % $$\begin{array}{rcl} \Intx{3}{4}{g(x)} &=& \Intx{1}{4}{g(x)} - \Intx{1}{3}{g(x)} \\[5pt] &=& G(4) - G(3) \end{array} $$ \newpage % «exercicio-2» (to ".exercicio-2") % (c2m201tfcsp 6 "exercicio-2") % (c2m201tfcs "exercicio-2") {\bf Exercício 2.} \ssk Dá pra generalizar o ``$\Intx{3}{4}{g(x)} = G(4) - G(3)$'' do final do exercício 1. O caso geral vai ser: \msk Se $F(b) = \Intx{a}{b}{f(x)}$ então $\Intx{c}{d}{f(x)} = F(d) - F(c)$, \msk e isto vai valer para qualquer função integrável $f$ e quaisquer valores de $a$, $c$ e $d$. Isto é um pouco mais difícil de interpretar quando a função $f$ assume valores negativos em alguns trechos. Neste exercício você vai tentar interpretar isto nas nossas funções $g$ e $G$ em alguns casos complicados. a) Visualize cada subexpressão de % $$\begin{array}{rcl} \Intx{7}{8}{g(x)} &=& \Intx{1}{8}{g(x)} - \Intx{1}{7}{g(x)} \\[5pt] &=& G(8) - G(7) \end{array} $$ e descubra como lidar com a parte abaixo do eixo horizontal. \newpage % «na-direcao-errada» (to ".na-direcao-errada") % (c2m201tfcsp 7 "na-direcao-errada") % (c2m201tfcs "na-direcao-errada") {\bf Integrais ``na direção errada''} \ssk Até agora nós só lidamos com integrais da forma $\Intx{a}{b}{f(x)}$ nas quais tínhamos $a≤b$... mas os matemáticos acham estas duas propriedades aqui \msk 1. Se $F(b) = \Intx{a}{b}{f(x)}$ então $\Intx{c}{d}{f(x)} = F(d) - F(c)$ 2. $\Intx{a}{c}{f(x)} = \Intx{a}{b}{f(x)} + \Intx{b}{c}{f(x)}$ \msk TÃO legais que eles decidiram que elas têm que valer sempre... e pra elas valerem sempre a gente precisa encontrar o significado ``certo'' para integrais da forma $\Intx{a}{b}{f(x)}$ onde $a>b$, isto é, integrais em que o intervalo de integração está ``expresso na ordem errada''. \newpage % «exercicio-3» (to ".exercicio-3") % (c2m201tfcsp 8 "exercicio-3") % (c2m201tfcs "exercicio-3") {\bf Exercício 3.} \ssk Descubra o \ColorRed{valor certo} e depois a \ColorRed{interpretação geométrica} da integral ``na direção errada'' em cada uma das igualdades abaixo. Obs: ainda estamos usando as funções $g$ e $G$ do slide 3. \msk a) $\Intx{1}{4}{g(x)} + \Intx{4}{3}{g(x)} = \Intx{1}{3}{g(x)}$ \msk b) $\Intx{1}{8}{g(x)} + \Intx{8}{7}{g(x)} = \Intx{1}{7}{g(x)}$ \newpage Agora leia as duas primeiras seções desta página: \ssk {\footnotesize % https://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_fundamental_do_c%C3%A1lculo \url{https://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_fundamental_do_c\%C3\%A1lculo} } \ssk e veja a figura da Parte 2 da demonstração. \msk Como nós estamos usando principalmente funções formadas por segmentos e que podem ser descontínuas nós vamos precisar de uma versão do TFC1 um pouco mais geral do que a dessa página da Wikipedia. \msk Digamos que $f:[a,b]→\R$ seja uma função integrável. Uma \ColorRed{antiderivada} para $f$ é uma função $F:[a,b]→\R$ tal que $F'(x)=f(x)$ em todo $x∈[a,b]$ no qual a $f(x)$ é contínua. Uma \ColorRed{antiderivada contínua} para $f$ é uma função $F:[a,b]→\R$ tal que $F'(x)=f(x)$ em todo $x∈[a,b]$ no qual a $f(x)$ é contínua --- e que além disso esta $F$ é \ColorRed{contínua}. Ou seja, nos pontos $x$ em que $f(x)$ não é contínua a $F(x)$ não precisa ser derivável, mas precisa ser contínua. \newpage % «exercicio-4» (to ".exercicio-4") % (c2m201tfcsp 10 "exercicio-4") % (c2m201tfcs "exercicio-4") {\bf Exercício 4.} Seja $f:[0,5]→\R$ esta função: $$ \unitlength=10pt % f(x) \;\; = \;\; \vcenter{\hbox{% \beginpicture(0,-2)(5,2) \pictgrid% \pictpiecewise{(0,1)c--(2,1)c (2,-1)o--(5,-1)c}% \pictaxes% \end{picture}% }} $$ a) Encontre uma antiderivada contínua para $f$. b) Encontre uma antiderivada para $f$ que não é contínua. c) Encontre uma antiderivada contínua para $f$ que obedeça $F(0)=0$. d) Encontre uma antiderivada contínua para $f$ que obedeça $F(1)=0$. \newpage A versão do TFC1 que vamos usar é esta aqui: \bsk Digamos que $f:[a,c]→\R$ seja integrável. Seja $F:[a,c]→\R$ \ColorRed{uma} antiderivada contínua de $f$ que obedeça $F(a)=0$. Seja $G: [a,c] → \R$ a função $G(b) := \Intx{a}{b}{f(x)}$. \ColorRed{Então as funções $F$ e $G$ são iguais.} \bsk Ou seja, dá pra encontrar a função $G(b) := \Intx{a}{b}{f(x)}$ só encontrando uma antiderivada contínua! Na aula passada nós levamos horas pra encontra a $G$, mas agora quando a $f$ é uma função escada simples você deve ser capaz de encontrar uma antiderivada contínua dela no olhômetro BEM rápido. \newpage % «exercicio-5» (to ".exercicio-5") % (c2m201tfcsp 12 "exercicio-5") % (c2m201tfcs "exercicio-5") {\bf Exercício 5.} \ssk Seja $f:\R→\R$ esta função: $$ \unitlength=10pt % f(x) \;\; = \;\; \vcenter{\hbox{% \beginpicture(0,-2)(6,3) \pictgrid% \pictpiecewise{(0,2)--(2,2)c (2,1)o--(3,1)c (3,0)o--(4,0)c (4,-1)o--(6,-1)}% \pictaxes% \end{picture}% }} $$ \msk Seja $F:\R→\R$ uma antiderivada contínua de $f$ que obedeça $F(1)=0$. \msk a) Desenhe o gráfico da $F$ \ColorRed{no olhômetro, sem fazer contas}. \ssk Agora você tem dois jeitos de calcular $\Intx{1}{6}{f(x)}$, que tem que dar o mesmo resultado... \ssk b) Calcule $\Intx{1}{6}{f(x)}$ pelo gráfico da $f$. c) Calcule $\Intx{1}{6}{f(x)}$ pelo gráfico da $F$. \newpage % «exercicio-6» (to ".exercicio-6") % (c2m201tfcsp 13 "exercicio-6") % (c2m201tfcs "exercicio-6") {\bf Exercício 6.} \ssk Seja $f:\R→\R$ a nossa função preferida das primeiras aulas: $$\begin{array}{rcl} f(x) &=& 4 - (x-2)^2 \\ &=& 4 - (x^2 -4x + 4) \\ &=& -x^2 +4x \\ \end{array} $$ a) Encontre uma antiderivada para $f$. b) Encontre uma antiderivada para $f$ \phantom{!!!!} \ColorRed{que obedeça $F(0)=0$.} c) Use a sua resposta do item anterior para calcular % $$\Intx{0}{4}{f(x)}.$$ %\printbibliography \end{document} % __ __ _ % | \/ | __ _| | _____ % | |\/| |/ _` | |/ / _ \ % | | | | (_| | < __/ % |_| |_|\__,_|_|\_\___| % % <make> * (eepitch-shell) * (eepitch-kill) * (eepitch-shell) # (find-LATEXfile "2019planar-has-1.mk") make -f 2019.mk STEM=2020-1-C2-TFCs veryclean make -f 2019.mk STEM=2020-1-C2-TFCs pdf % Local Variables: % coding: utf-8-unix % ee-tla: "c2m201tfcs" % End: