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Matemágica

Integral definida: somas de Riemann e teorema fundamental

Aproxime a área sob uma curva com retângulos, trapézios ou parábolas (Simpson), compare o erro com n e veja a função área F(x) confirmar o teorema fundamental do cálculo.

Nível 3 · Avançado Ferramenta Origem: nova

Integral definida e somas de Riemann

A integral definida de f de a até b, ∫ₐᵇ f(x) dx, é a área com sinal entre o gráfico de f e o eixo x: área acima do eixo conta positivo, abaixo conta negativo. Para calcular, aproxima-se a área por retângulos finos e soma-se. Com mais retângulos, a aproximação melhora; o limite desse processo é a integral.

Os métodos

Com n subintervalos de largura h = (b − a)/n:

A ordem de erro é diferente: somas à esquerda e à direita erram proporcionalmente a 1/n; ponto médio e trapézio erram proporcionalmente a 1/n²; Simpson, a 1/n⁴. Ao dobrar n, o erro dos dois primeiros cai pela metade (ou quase), e o de Simpson cai cerca de 16 vezes. A ferramenta mostra o erro para n = 10, 100 e 1000 para confirmar isso.

Simpson é exato para polinômios de grau até 3, porque a parábola interpolada coincide com o polinômio.

Valor de referência

O valor "exato" da ferramenta é uma integração numérica adaptativa de alta precisão, não uma primitiva simbólica. Ela serve de referência para medir o erro das somas.

Teorema fundamental do cálculo

Seja F(x) = ∫ₐˣ f(t) dt, a função área. O teorema diz que F é derivável e F′(x) = f(x) em todo ponto onde f é contínua. Isso liga os dois grandes temas do cálculo: integrar é o processo inverso de derivar. A ferramenta mostra o gráfico de F e, em x₀, a inclinação numérica de F comparada com f(x₀).

Consequência prática: para calcular uma integral, basta achar uma primitiva G de f. Então ∫ₐᵇ f(x) dx = G(b) − G(a).

Aplicações

Integrais calculam áreas, volumes e comprimentos de curva; o trabalho de uma força é a integral da força ao longo do deslocamento; a probabilidade em estatística é a área sob uma densidade; e o total acumulado de uma taxa, como a distância percorrida a partir da velocidade, é uma integral. Somas de Riemann são exatamente como computadores aproximam essas quantidades quando não há fórmula fechada.

Desafios

  1. Para ∫₀¹ x² dx, quantos subintervalos a soma do ponto médio precisa para errar menos que 10⁻⁴? E o Simpson?

    Dica

    Use a tabela de erro com n = 10, 100 e 1000 e escolha n maior que os tentados até o erro cair.

  2. Por que o Simpson com n = 2 é exato para qualquer polinômio de grau até 3?

    Dica

    Compare o resultado do Simpson com o valor exato para x³ no intervalo [0, 2].

  3. Escolha f e a, b para que a integral dê zero, embora |f| não seja zero. Explique a diferença com ∫|f|.

    Dica

    Uma área positiva e uma negativa de mesmo tamanho se cancelam.

  4. Mova x₀ e verifique que a inclinação de F coincide com f(x₀). Por que isso vale para toda função contínua?

    Dica

    A derivada de uma integral com limite superior variável é o integrando nesse limite.

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Conceitos

Cada conceito leva à lista de aulas que o usam, por disciplina.