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% (find-LATEX "2020-1-C2-def-integral.tex") % (defun c () (interactive) (find-LATEXsh "lualatex -record 2020-1-C2-def-integral.tex" :end)) % (defun D () (interactive) (find-pdf-page "~/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf")) % (defun d () (interactive) (find-pdftools-page "~/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf")) % (defun e () (interactive) (find-LATEX "2020-1-C2-def-integral.tex")) % (defun u () (interactive) (find-latex-upload-links "2020-1-C2-def-integral")) % (defun v () (interactive) (find-2a '(e) '(d)) (g)) % (find-pdf-page "~/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf") % (find-sh0 "cp -v ~/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf /tmp/") % (find-sh0 "cp -v ~/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf /tmp/pen/") % file:///home/edrx/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf % file:///tmp/2020-1-C2-def-integral.pdf % file:///tmp/pen/2020-1-C2-def-integral.pdf % http://angg.twu.net/LATEX/2020-1-C2-def-integral.pdf % (find-LATEX "2019.mk") % «.defs» (to "defs") % «.title» (to "title") % «.exercicio-1» (to "exercicio-1") % «.exercicio-2» (to "exercicio-2") % «.exercicio-3» (to "exercicio-3") % «.def-integral» (to "def-integral") % «.def-integral-2» (to "def-integral-2") % «.exercicio-4» (to "exercicio-4") % «.exercicio-5» (to "exercicio-5") \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\Q {\mathbb{Q}} \def\sumiN#1{\sum_{i=1}^N #1 (b_i-a_i)} \def\mname#1{\text{[#1]}} \def\ointpx #1#2{\overline \int_{#1} #2 \, dx} \def\uintpx #1#2{\underline\int_{#1} #2 \, dx} \def\dintpx #1#2{ \ointpx{#1}{#2} - \uintpx{#1}{#2} } \def\pdintpx#1#2{\left( \ointpx{#1}{#2} - \uintpx{#1}{#2} \right)} \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}} % (find-angg ".emacs" "c2q192") % _____ _ _ _ % |_ _(_) |_| | ___ _ __ __ _ __ _ ___ % | | | | __| |/ _ \ | '_ \ / _` |/ _` |/ _ \ % | | | | |_| | __/ | |_) | (_| | (_| | __/ % |_| |_|\__|_|\___| | .__/ \__,_|\__, |\___| % |_| |___/ % % «title» (to ".title") % (c2m201defintp 1 "title") % (c2m201defint "title") \thispagestyle{empty} \begin{center} \vspace*{1.2cm} {\bf \Large Cálculo 2 - 2020.1} \bsk Aulas 5 e 6: A definição de integral como limite de somas de retângulos \bsk Eduardo Ochs - RCN/PURO/UFF \url{http://angg.twu.net/2020.1-C2.html} \end{center} \newpage Na última aula nós aprendemos como o ``método do sup'' nos dá a melhor aproximação por retângulos por cima para a integral de $y=f(x)$ e o ``método do inf'' nos dá a melhor aproximação por retângulos por baixo... a figura é esta (de novo!): % (find-books "__analysis/__analysis.el" "hernandez") % (find-c2crishernandezpage (+ 10 2) "") % (find-latexgimp-links "2020-1-C2/area-hernandez-1") \includegraphics[width=7cm]{2020-1-C2/area-hernandez-1.png} \newpage ...e as definições formais são: % $$\begin{array}{ccl} \mname{sup} &=& \sumiN {\sup (f([a_i,b_i]) } \\ \mname{inf} &=& \sumiN {\inf (f([a_i,b_i]) } \\ \end{array} $$ Vamos definir: % $$\begin{array}{ccl} \displaystyle \ointpx{P}{f(x)} &=& \mname{sup} \\[10pt] \displaystyle \uintpx{P}{f(x)} &=& \mname{inf} \\ \end{array} $$ % pra podermos escrever isto, ao invés de $\mname{inf} ≤ \Intx{a}{b}{f(x)} ≤ \mname{sup}$: % $$\displaystyle \uintpx{P}{f(x)} ≤ \Intx{a}{b}{f(x)} ≤ \ointpx{P}{f(x)} $$ \newpage A nossa pronúncia para estas expressões novas vai ser: \msk $\ointpx{P}{f(x)}$ é a ``a aproximação da integral de $f(x)$ por retângulos por cima na particão $P$'', ou ``\ColorRed{a integral por cima de $f(x)$ na partição $P$}''. \msk $\uintpx{P}{f(x)}$ é a ``a aproximação da integral de $f(x)$ por retângulos por baixo na particão $P$'', ou ``\ColorRed{a integral por baixo de $f(x)$ na partição $P$}''. \msk Uma das pronúncias possíveis para $\Intx{a}{b}{f(x)}$ é ``\ColorRed{a integral de $f(x)$ no intervalo $[a,b]$}''. Lembra que uma partição $P$ nos dá valores para $a$ e $b$ -- $a$ é o primeiro ponto de $P$ e $b$ é o último. % Dizer que estamos integrando ``na partição $P$'' nos dá mais % informação do que \newpage A interpretação \ColorRed{geométrica} de % $$\displaystyle \ointpx{P}{f(x)} - \uintpx{P}{f(x)} $$ % vai ser a região em rosa claro na figura do slide 2 -- ou seja, um \ColorRed{subconjunto de $\R^2$} formado pela \ColorRed{união} dos \ColorRed{retângulos} em rosa claro. \msk A interpretação \ColorRed{numérica} da expressão acima vai ser a área desse subconjunto. Às vezes vamos escrevê-la como: % $$\displaystyle \Area\left( \ointpx{P}{f(x)} - \uintpx{P}{f(x)} \right) $$ \newpage % «exercicio-1» (to ".exercicio-1") % (c2m201defintp 6 "exercicio-1") % (c2m201defint "exercicio-1") {\bf Exercício 1.} Sejam $f$ a nossa função preferida das aulas anteriores, isto é, $f(x) = 4-(x-2)^2$, e $P = \{0,1,2,3.5\}$. \msk a) Represente graficamente % $$ \uintpx{P}{f(x)} ≤ \Intx{a}{b}{f(x)} ≤ \ointpx{P}{f(x)} $$ b) Represente graficamente o conjunto $\setofst{(x,f(x))}{x∈[0,3.5]}$. c) É verdade que % $$\setofst{(x,f(x))}{x∈[0,3.5]} ⊆ \left(\ointpx{P}{f(x)} - \uintpx{P}{f(x)} \right) \;\; ? $$ \newpage % «exercicio-2» (to ".exercicio-2") % (c2m201defintp 7 "exercicio-2") % (c2m201defint "exercicio-2") {\bf Exercício 2.} \msk Sejam $P_2 = \{0,1,2\}$, $P_3 = \{0,\frac23,\frac43,2\}$, $P_4 = \{0,0.5,1,1.5,2\}$. Repare que cada $P_N$ divide o intervalo $[0,2]$ em $N$ subintervalos iguais. Sejam $D_N = \pdintpx{P_N}{f(x)}$ para $N=2,3,4$. \msk a) Desenhe $D_2$ e $D_3$ de algum modo que deixe claro pro seu leitor que $D_2 \, \ColorRed{\not\supseteq} \, D_3$. \ssk b) Desenhe $D_2$ e $D_4$ de algum modo que deixe claro pro seu leitor que $D_2 \, \ColorRed{\supseteq} \, D_4$. (Dica: use um gráfico só.) \msk c) Defina $P_8$ e $D_8$ seguindo os padrões acima. Desenhe $D_4$ e $D_8$ de algum modo que deixe claro pro seu leitor que $D_4 \, \ColorRed{\supseteq} \, D_8$. (Dica: use um gráfico só.) \newpage % «exercicio-3» (to ".exercicio-3") % (c2m201defintp 8 "exercicio-3") % (c2m201defint "exercicio-3") Repare que podemos escrever as partições do intervalo $[a,b]$ em $N$ subintervalos desta forma: \ssk \def\atowb#1#2{a+\frac{#1(b-a)}{#2}} $\begin{array}{ll} \{a,b\} & \text{(um subintervalo)} \\ \{a,\atowb12,b\} & \text{(dois subintervalos)} \\ \{a,\atowb13,\atowb23,b\} & \text{(três subintervalos)} \\ \{a,\atowb14,\atowb24,\atowb34,b\} & \text{(quatro subintervalos)} \\ \vdots & \vdots \\ \{a,\atowb1N,\atowb2N,\ldots,b\} & \text{($N$ subintervalos)} \\ \end{array} $ \ssk A \ColorRed{a nossa sequência de partições preferida para o intervalo $[a,b]$} vai ser a sequência $(P_1, P_2, \ldots)$ na qual cada $P_k$ divide o intervalo $[a,b]$ em $2^k$ subintervalos iguais. \ssk {\bf Exercício 3.} Digamos que $[a,b]=[5,12]$ e que $(P_1, P_2, \ldots)$ seja a nossa sequência preferida de partições para este intervalo. Calcule os três primeiros pontos de $P_4$. \newpage % «def-integral» (to ".def-integral") % (c2m201defintp 9 "def-integral") % (c2m201defint "def-integral") {\bf Uma primeira definição pra integral} \ssk Digamos que queremos calcular $\Intx{a}{b}{f(x)}$. Agora a função $f$ é uma função qualquer, não necessariamente a nossa $f$ preferida, e $[a,b]$ é um intervalo qualquer. Seja $(P_1, P_2, \ldots)$ a nossa sequência preferida de partições do intervalo $[a,b]$. % Vamos definir: % $\ointpx{}{f(x)} = \lim_{k→∞} \ointpx{P_k}{f(x)}$ \bsk Todas estas desigualdades aqui são fáceis de visualizar: $\begin{array}{r} \ointpx{P_1}{f(x)} ≥ \ointpx{P_2}{f(x)} ≥ \ldots ≥ \lim_{k→∞} \ointpx{P_k}{f(x)} \\ \begin{array}{c} \rotatebox{90}{$≤$} \\ \Intx{a}{b}{f(x)} \\ \rotatebox{90}{$≤$} \\ \end{array} \\ \uintpx{P_1}{f(x)} ≤ \uintpx{P_2}{f(x)} ≤ \ldots ≤ \lim_{k→∞} \uintpx{P_k}{f(x)} \\ \end{array} $ \newpage % «def-integral-2» (to ".def-integral-2") {\bf Uma primeira definição pra integral (2)} Todas estas desigualdades aqui são fáceis de visualizar: $\begin{array}{r} \ointpx{P_1}{f(x)} ≥ \ointpx{P_2}{f(x)} ≥ \ldots ≥ \lim_{k→∞} \ointpx{P_k}{f(x)} \\ \begin{array}{c} \rotatebox{90}{$≤$} \\ \Intx{a}{b}{f(x)} \\ \rotatebox{90}{$≤$} \\ \end{array} \\ \uintpx{P_1}{f(x)} ≤ \uintpx{P_2}{f(x)} ≤ \ldots ≤ \lim_{k→∞} \uintpx{P_k}{f(x)} \\ \end{array} $ Nós vamos dizer que a função $f$ é \ColorRed{integrável no intervalo $[a,b]$} se os dois limites da direita dão o mesmo resultado. Vamos encurtar a notação um pouquinho, definindo: $$\begin{array}{rcl} \ointpx{[a,b]}{f(x)} & := & \lim_{k→∞} \ointpx{P_k}{f(x)} \\ \uintpx{[a,b]}{f(x)} & := & \lim_{k→∞} \uintpx{P_k}{f(x)} \\ \end{array} $$ \newpage {\bf Uma primeira definição pra integral (3)} \ssk Se $\begin{array}[t]{rcl} \ointpx{[a,b]}{f(x)} & \ColorRed{=} & \uintpx{[a,b]}{f(x)} \\[5pt] \Intx{a}{b}{f(x)} & := & \uintpx{[a,b]}{f(x)}. \\ \end{array} $ então \msk Se $\begin{array}[t]{rcl} \ointpx{[a,b]}{f(x)} & \ColorRed{\not=} & \uintpx{[a,b]}{f(x)} \\[5pt] \Intx{a}{b}{f(x)} & := & \ColorRed{\text{ERRO}}, \\[5pt] \end{array} $ então e dizemos que $f$ \ColorRed{não é integrável neste intervalo}. \bsk Toda função $f:[a,b]→\R$ contínua é integrável em $[a,b]$. Isto é meio óbvio visualmente -- vamos ver um esboço de uma prova formal disso na próxima aula. \newpage % «exercicio-4» (to ".exercicio-4") % (c2m201defintp 12 "exercicio-4") % (c2m201defint "exercicio-4") {\bf Uma função-escada e um exercício} \ssk % (find-es "tex" "cases") Seja % $g(x) = \begin{cases} 2 & \text{quando $x≤1$}, \\ 5 & \text{quando $1<x$}. \\ \end{cases} $ Seja $[a,b]=[0,3]$. Seja $D_k = \ointpx{P_k}{g(x)} - \uintpx{P_k}{g(x)}$, onde $(P_1, P_2, \ldots)$ é a nossa sequência de partições preferida. \msk {\bf Exercício 4.} a) Desenhe o gráfico da função $g$. b) Represente graficamente e calcule $D_2$. c) Represente graficamente e calcule $D_3$. d) Calcule $D_{10}$. Dicas: $D_{10}$ tem um retângulo só. Qual é a largura da sua base? Qual é a sua altura? Qual é a sua área? \newpage % «exercicio-5» (to ".exercicio-5") % (c2m201defintp 13 "exercicio-5") % (c2m201defint "exercicio-5") {\bf Uma função não integrável} \ssk % (find-es "tex" "cases") Seja % $h(x) = \begin{cases} 2 & \text{quando $x ∈ \Q$}, \\ 5 & \text{quando $x \not∈ \Q$}. \\ \end{cases} $ Seja $[a,b]=[0,3]$. Seja $D_k = \ointpx{P_k}{h(x)} - \uintpx{P_k}{h(x)}$, onde $(P_1, P_2, \ldots)$ é a nossa sequência de partições preferida. \msk {\bf Exercício 5.} a) Desenhe o gráfico da função $h$. b) Represente graficamente e calcule $D_2$. c) Represente graficamente e calcule $D_3$. d) Calcule $D_{10}$. e) Calcule $\Intx{a}{b}{h(x)}$. %\printbibliography % (find-latexinkscape-links "2020-1-C2/parts-preferidas-1") \end{document} % __ __ _ % | \/ | __ _| | _____ % | |\/| |/ _` | |/ / _ \ % | | | | (_| | < __/ % |_| |_|\__,_|_|\_\___| % % <make> * (eepitch-shell) * (eepitch-kill) * (eepitch-shell) # (find-LATEXfile "2019planar-has-1.mk") make -f 2019.mk STEM=2020-1-C2-def-integral veryclean make -f 2019.mk STEM=2020-1-C2-def-integral pdf % Local Variables: % coding: utf-8-unix % ee-tla: "c2m201defint" % End: