Math ClubMath Club
v1 · padrão canônico

Lição 83 — Teorema Fundamental do Cálculo

TFC Parte 1 e Parte 2. A ponte entre derivada e integral. Regra de Leibniz para limites variáveis. Newton e Leibniz, séc. XVII.

Used in: 3.º ano do EM (17 anos) · Equiv. Math II japonês cap. 6 · Equiv. Klasse 12 alemã

abf(x)dx=F(b)F(a),F(x)=f(x)\int_a^b f(x)\, dx = F(b) - F(a), \quad F'(x) = f(x)
Choose your door

Rigorous notation, full derivation, hypotheses

命題と証明

TFC — 第1部:積分を導出する

「TFC1は、上の極限が可変な積分で定義された関数の導関数が、上の極限での被積分関数の値に等しいことを述べています。」— OpenStax Calculus Vol. 1, §5.3

TFC1の証明。 導関数の定義により:

G(x)=limh0G(x+h)G(x)h=limh01hxx+hf(t)dt.G'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{G(x+h) - G(x)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{1}{h} \int_x^{x+h} f(t)\, dt.

積分の平均値定理により、xxx+hx+h の間に chc_h が存在して xx+hf(t)dt=f(ch)h\int_x^{x+h} f(t)\, dt = f(c_h) \cdot h です。したがって:

G(x)=limh0f(ch).G'(x) = \lim_{h \to 0} f(c_h).

h0h \to 0 のとき chxc_h \to x であり、ff は連続であるから、f(ch)f(x)f(c_h) \to f(x) です。したがって G(x)=f(x)G'(x) = f(x) です。 \square

TFC — 第2部:積分を計算する

TFC2の証明。 TFC1により、G(x)=axf(t)dtG(x) = \int_a^x f(t)\, dtG=fG' = f を満たします。また F=fF' = f であるから、FGF - G(a,b)(a, b) で導関数がゼロであり、したがってある定数 CC に対して F(x)=G(x)+CF(x) = G(x) + C です。すると:

F(b)F(a)=[G(b)+C][G(a)+C]=G(b)G(a)=abf0=abf.F(b) - F(a) = [G(b) + C] - [G(a) + C] = G(b) - G(a) = \int_a^b f - 0 = \int_a^b f. \quad \square

ライプニッツ則(可変な極限)

解かれた例

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Understanding 2Modeling 3Challenge 4Proof 1
  1. Ex. 83.1Application

    TFC2を使用して 032xdx\int_0^3 2x\, dx を計算します。

  2. Ex. 83.2Application

    12x3dx\int_{-1}^2 x^3\, dx を計算します。

  3. Ex. 83.3Application

    0πsinxdx\int_0^\pi \sin x\, dx を計算します。

  4. Ex. 83.4Application

    02exdx\int_0^2 e^x\, dx を計算します。

  5. Ex. 83.5Application

    02(x24x+1)dx\int_0^2 (x^2 - 4x + 1)\, dx を計算します。

  6. Ex. 83.6Application

    1e1xdx\int_1^e \frac{1}{x}\, dx を計算します。

  7. Ex. 83.7Application

    G(x)=0x(t2+1)dtG(x) = \int_0^x (t^2 + 1)\, dt の場合、TFC1によって G(x)G'(x) を計算します。

  8. Ex. 83.8Application

    ddx0x2sintdt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^2} \sin t\, dt を計算します。

  9. Ex. 83.9Application

    0π/4sec2xdx\int_0^{\pi/4} \sec^2 x\, dx を計算します。

  10. Ex. 83.10Application

    19xdx\int_1^9 \sqrt{x}\, dx を計算します。

  11. Ex. 83.11Application

    ddx0x31+t2dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^3} \sqrt{1 + t^2}\, dt を計算します。

  12. Ex. 83.12Application

    0π(cosx+sinx)dx\int_0^\pi (\cos x + \sin x)\, dx を計算します。

  13. Ex. 83.13Application

    01(x42x2+1)dx\int_0^1 (x^4 - 2x^2 + 1)\, dx を計算します。

  14. Ex. 83.14UnderstandingAnswer key

    G(x)=axf(t)dtG(x) = \displaystyle\int_a^x f(t)\, dt の場合、TFC1によって G(x)G'(x) は何ですか。

  15. Ex. 83.15Understanding

    F(x)=f(x)F'(x) = f(x) の場合、TFC2によって abf(x)dx\int_a^b f(x)\, dx の正しい式は何ですか。

  16. Ex. 83.16ApplicationAnswer key

    ddxx1t3dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_x^1 t^3\, dt を計算します。

  17. Ex. 83.17Application

    0111+x2dx\int_0^1 \frac{1}{1+x^2}\, dx を計算します。

  18. Ex. 83.18ModelingAnswer key

    オブジェクトの速度は v(t)=t24t+3v(t) = t^2 - 4t + 3 m/s です。t=0t = 0 から t=4t = 4 s までの正味変位と走行距離を計算します。

  19. Ex. 83.19ApplicationAnswer key

    ddxxx2et2dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_x^{x^2} e^{t^2}\, dt を計算します。

  20. Ex. 83.20Application

    02(2x33x2)dx\int_0^2 (2x^3 - 3x^2)\, dx を計算します。

  21. Ex. 83.21Modeling

    工場の限界コストは C(q)=2q+50C'(q) = 2q + 50 実レアルです。 最初の100ユニットを生産するための総コストを計算します。

  22. Ex. 83.22ChallengeAnswer key

    G(x)=1x(2t1)dtG(x) = \int_1^x (2t - 1)\, dt を定義します。 明示的に G(x)G(x) を計算し、G(x)=2x1G'(x) = 2x - 1 であることを検証し、G(1)G(1)G(3)G(3) を評価します。

  23. Ex. 83.23ApplicationAnswer key

    05f(x)dx=12\int_0^5 f(x)\, dx = 12 および 02f(x)dx=5\int_0^2 f(x)\, dx = 5 であることがわかっている場合、25f(x)dx\int_2^5 f(x)\, dx を計算します。

  24. Ex. 83.24Challenge

    y=x2xy = x^2 - xxx 軸で囲まれた領域の面積を [0,1][0, 1] で計算します。

  25. Ex. 83.25Application

    22(x21)dx\int_{-2}^2 (x^2 - 1)\, dx を計算します。

  26. Ex. 83.26Application

    原始関数を計算せずに ddx0xcos(t2)dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^x \cos(t^2)\, dt を計算します。

  27. Ex. 83.27ModelingAnswer key

    工場の電気出力は P(t)=3+0.5tP(t) = 3 + 0.5t kW(tt は時間)です。最初の12時間の消費電気エネルギーを計算し、1 kWhあたりR$ 0.85の費用を計算します。

  28. Ex. 83.28Challenge

    ddxsinxcosxt2dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{\sin x}^{\cos x} t^2\, dt を計算します。

  29. Ex. 83.29Challenge

    f(x)=x2f(x) = x^2[0,3][0, 3] で計算し、積分TVM によって保証されたポイント cc を見つけます。

  30. Ex. 83.30Proof

    TFC1からTFC2を証明します:F=fF' = fff[a,b][a,b] で連続なら、abf(x)dx=F(b)F(a)\int_a^b f(x)\, dx = F(b) - F(a)

出典

Updated on 2026-05-06 · Author(s): Clube da Matemática

Found an error? Open an issue on GitHub or submit a PR — open source forever.