Seminario de Resolución de Problemas: El teorema fundamental del cálculo

Introducción

Ya platicamos de continuidad, diferenciabilidad e integrales, así como de otros temas de cálculo. En esta sección reuniremos varias de estas ideas a través de uno de los resultados más importantes: el teorema fundamental del cálculo. Este teorema nos exhibe la relación que hay entre la derivada y la integral, distinguiéndolas como procedimientos inversos el uno del otro.

El teorema nos dice que si tenemos una función F(x) derivable sobre un intervalo [a, b], entonces

    \begin{equation*}\int_{a}^{b} \! F^\prime(t) \, dt = F(b)-F(a).\end{equation*}

Ahora bien, si nuestra función F(t) es derivable en [0,x], tenemos que

    \begin{equation*}\int_{0}^{x} \! F^\prime(t) \, dt = F(x)-F(0),\end{equation*}

a lo que le sigue que

    \begin{equation*}F(x)=\int_{0}^{x} \! F^\prime(t) \, dt + F(0).\end{equation*}

Esto nos recuerda a la constante de integración

    \begin{equation*}F(x)=\int_{0}^{x} \! F^\prime(t) \, dt + C.\end{equation*}

Es decir, tenemos que C=F(0).

Aquí en el blog, en la entrada “Teoremas fundamentales de los cuadraditos” damos la intuición acerca de este teorema, comenzando con el caso discreto. Puedes leerlo antes de continuar.

Usar el teorema fundamental del cálculo para obtener una identidad trigonométrica

Veamos un ejemplo. Tenemos que la derivada de la función F(t)=\sin^2 t es F^\prime (t)=2\cos t\sin t. Por el teorema fundamental del cálculo, la integral de F'(t) en el intervalo [0,x] está dada por

    \begin{equation*}\int_{0}^{x}\! 2 \sin t \cos t \, dt=\sin^2x,\end{equation*}

en donde usamos que F(0)=\sin^2(0)=0.

Por otro lado, resolviendo la integral utilizando el cambio de variable u=\cos t, tenemos que

    \begin{equation*}\int_{0}^{x}\! 2 \sin t \cos t \, dt= \left -\cos^2t \right |_0^x= -\cos^2x+1\end{equation*}

Igualando ambos valores de la integral, tenemos que \sin^2x=-\cos^2 x+1. De aquí obtenemos la identidad trigonométrica pitagórica \sin^2 x+\cos^2x=1 para toda x.

Veamos ahora un problema en el que, mediante el problema fundamental del cálculo,

Problema. Aplicando el teorema fundamental del calculo halla

    \[\int_{a}^{b}\! \sec x\, dx.\]

Sugerencia pre-solución. Formula un problema equivalente multiplicando y dividiendo la expresión por \sec x + \tan x. Intenta identificar la expresión resultante como la derivada de otra función.

Solución. Para resolver este problema tenemos que hallar una función F(x) de tal forma que F^\prime (x)= \sec x.

Para ello, tenemos que notar que

    \begin{align*}\sec x &=\sec x \left(\frac{ \sec x + \tan x}{\sec x+ \tan x}\right)\\ &=\frac{\sec^2x+\sec x \tan x}{\sec x+\tan x}.\end{align*}

Y entonces la derivada de \ln (\sec x + \tan x) es igual a

    \begin{align*}\left(\frac{1}{\sec x + \tan x}\right)&(\sec^2x+\sec x \tan x)\\&=\frac{\sec^2x+\sec x \tan x}{\sec x+\tan x}\\&=\sec x.\end{align*}

Proponemos a la función

    \begin{equation*}F(x)=\ln (\sec x + \tan x)\end{equation*}

dado que

    \begin{equation*}F^\prime (x)=\sec x.\end{equation*}

Ahora, aplicando el teorema fundamental del cálculo tenemos que

    \begin{align*}\int_{a}^{b}\! \sec x\, dx&=F(b)-F(a)\\&=\ln (\sec b + \tan b)-\ln (\sec a + \tan a)\end{align*}

\square

Segundo teorema fundamental del cálculo

Veamos una implicación del teorema fundamental del cálculo, que también se le conoce como el “segundo teorema fundamental del cálculo”.

Para una función f: [a,b] \to \mathbb{R} continua en el intervalo [a,b] se tiene que:

    \begin{equation*}\frac{d}{dx}\left(\int_{a}^{x}\! f(t)\, dt\right)=f(x)\end{equation*}

Problema. Determina

    \[\frac{d}{dx}\left(\int_{3x-1}^{0} \! \frac{1}{t+4}\, dt\right).\]

Sugerencia pre-solución. Usa el segundo teorema fundamental del cálculo y la regla de la cadena.

Solución. Como

    \[\int_{3x-1}^{0} \! \frac{1}{t+4}\, dt=-\int_{0}^{3x-1} \! \frac{1}{t+4}\, dt,\]

tenemos entonces que

    \[\frac{d}{dx}\left(\int_{3x-1}^0 \frac{1}{t+4} \, dt\right)= - \frac{d}{dx}\left(\int_{0}^{3x-1} \frac{1}{t+4} \, dt\right).\]

Por otro lado, consideremos las funciones

    \begin{align*}f(x)&=\int_{0}^{x} \! \frac{1}{t+4}\, dt \quad \text{y}\\g(x)&=3x-1.\end{align*}

Aplicando el teorema fundamental del cálculo y derivando tenemos que

    \begin{align*}f^\prime (x)&=\frac{1}{x+4} \quad \text{y}\\g^\prime (x)&=3.\end{align*}

Notemos que

    \begin{align*}(f \circ g)(x)&=f( g(x) )\\&=f(3x-1)\\&=\int_{0}^{3x-1}\! \frac{1}{t+4}\, dt.\end{align*}

Así, aplicando la regla de la cadena, tenemos que

    \begin{align*} -\frac{d}{dx}\left(\int_{0}^{3x-1} \! \frac{1}{t+4}\, dt\right)&=-\frac{d}{dx}(f(g(x))\\&=-f^\prime (g(x)) g^\prime(x)\\&=-\frac{1}{(3x-1)+4}\cdot 3\\&=-\frac{1}{x+1}.\end{align*}

\square

Veamos un último problema en el que se usa la segunda forma del teorema fundamental del cálculo.

Problema: Supongamos que f es una función continua para toda x, la cual satisface la ecuación

(1)   \begin{equation*}\int_{0}^{x} \! f(t)\, dt= \int_{x}^{1} \! t^2f(t) \, dt +\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{9}+C,\end{equation*}

donde C es una constante. Encuentra la forma explícita de la función f(x) y determina el valor de la constante C.

Sugerencia pre-solución.

Solución. De la ecuación, tenemos lo siguiente

    \begin{equation*}\frac{d}{dx}\left(\int_{0}^{x} \! f(t)\, dt\right)= \frac{d}{dx}\left(\int_{x}^{1} \! t^2f(t) \, dt +\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{9}+C \right)\end{equation*}

Como f es continua para toda x, por el teorema fundamental del cálculo en su segunda forma tenemos que

    \begin{equation*}\frac{d}{dx} \left( \int_{0}^{x} \! f(t)\, dt \right)= f(x)\end{equation*}

y

    \begin{align*}\frac{d}{dx} \left( \int_{x}^{1} \! t^2f(t)\, dt \right)&= - \frac{d}{dx} \left( \int_{1}^{x} \! t^2f(t)\, dt \right)\\&= -x^2f(x).\end{align*}

Entonces, derivando ambos lados de la expresión original nos resulta la ecuación

    \begin{equation*}f(x)=-x^2f(x)+2x^{15}+2x^{17},\end{equation*}

de la cual se obtiene

    \begin{align*}f(x) (x^2+1)&=2x^{15}+2x^{17}\\&=2x^{15}(x^2+1)\end{align*}

Así, tenemos que

    \begin{equation*}f(x)=2x^{15}.\end{equation*}

Sustituyendo f(t)=2t^{15} en la ecuación (1), tenemos que

    \begin{equation*}\int_{0}^{x} \! 2t^{15}\, dt= \int_{x}^{1} \! t^2(2t^{15}) \, dt +\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{9}+C\end{equation*}

Así,

    \begin{equation*}\begin{align*}\int_{0}^{x} \! 2t^{15}\, dt= \int_{x}^{1} \! t^2(2t^{15}) \, dt +\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{9}+C\\\int_{0}^{x} \! 2t^{15}\, dt= -\int_{1}^{x} \! 2t^{17} \, dt +\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{9}+C\\\left \frac{2t^{16}}{16} \right|_{0}^{x}= - \left \left(\frac{2t^{18}}{18} \right) \right|_{1}^{x}+\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{9}+C\\\frac{x^{16}}{8}= - \left( \frac{x^{18}}{9}-\frac{1}{9}\right)+\frac{x^{16}}{8}+\frac{x^{18}}{19}+C\\\end{align*}\end{equation*}

Con ello, tenemos que

    \begin{equation*}C+\frac{1}{9}=0\end{equation*}

Por lo tanto la función que satisface la ecuación es f(x)=2x^{15} y el valor de la constante es C= - \frac{1}{9}.

\square

Más problemas

Hay más ejemplos de problemas relacionados con la aplicación del teorema fundamental del cálculo en la Sección 6.9 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

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