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Lição 32 — Propriedades da Integral Definida

Propriedades algébricas e de ordem da integral definida: linearidade, aditividade em intervalos, comparação e estimativas. Valor médio integral e teorema do valor médio para integrais.

Used in: Cálculo 1 — Unidade 4 · USP MAC0105 · ITA MA-011

ab[αf(x)+βg(x)]dx=αabf(x)dx+βabg(x)dx\int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)]\,dx = \alpha\int_a^b f(x)\,dx + \beta\int_a^b g(x)\,dx
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

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Exemplos


Exercícios

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 19Understanding 9Modeling 2
  1. Ex. 32.1Application

    Calcule 03(3x)dx\int_0^3 (3-x)\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    O integrando 3x3 - x é linear e positivo em [0,3][0,3] (zero em x=3x=3). O gráfico é um triângulo de base 3 e altura 3, logo área =1233=92= \frac{1}{2}\cdot 3\cdot 3 = \frac{9}{2}.
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    1. Reconheça que f(x)=3xf(x) = 3-x forma um triângulo com o eixo xx em [0,3][0,3].
    2. Base = 3, altura = f(0)=3f(0)=3.
    3. Área =1233=92= \frac{1}{2}\cdot 3\cdot 3 = \frac{9}{2}.
  2. Ex. 32.2Application

    Calcule 23(3x)dx\int_2^3 (3-x)\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    Em [2,3][2,3], 3x3-x vai de 1 (em x=2x=2) a 0 (em x=3x=3). Triângulo de base 1 e altura 1: área =1211=12= \frac{1}{2}\cdot 1\cdot 1 = \frac{1}{2}.
  3. Ex. 32.3Application

    Calcule 33(3x)dx\int_{-3}^{3} (3-|x|)\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    O gráfico de 3x3 - |x| em [3,3][-3,3] é um triângulo simétrico com vértice em (0,3)(0,3), base 6, altura 3. Área =1263=9= \frac{1}{2}\cdot 6\cdot 3 = 9.
  4. Ex. 32.4Application

    Calcule 06(3x3)dx\int_0^6 (3-|x-3|)\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    O gráfico de 3x33 - |x-3| em [0,6][0,6] é triângulo com vértice em (3,3)(3,3), base 6, altura 3. Área =1263=9= \frac{1}{2}\cdot 6\cdot 3 = 9.
  5. Ex. 32.5Application

    Calcule 224x2dx\int_{-2}^{2} \sqrt{4-x^2}\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    O integrando 4x2\sqrt{4-x^2} é a metade superior do círculo de raio 2. Em [2,2][-2,2] temos um semicírculo de raio 2: área =π42=2π= \frac{\pi\cdot 4}{2} = 2\pi.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Reconheça y=4x2y = \sqrt{4-x^2} como semicírculo superior de raio r=2r=2.
    2. Área do semicírculo: 12πr2=12π4=2π\frac{1}{2}\pi r^2 = \frac{1}{2}\cdot\pi\cdot 4 = 2\pi.
  6. Ex. 32.6Application

    Calcule 154(x3)2dx\int_1^5 \sqrt{4-(x-3)^2}\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    O integrando 4(x3)2\sqrt{4-(x-3)^2} é a metade superior do círculo de raio 2 centrado em x=3x=3. Em [1,5][1,5] temos um semicírculo completo de raio 2: área =π42=2π= \frac{\pi\cdot 4}{2} = 2\pi.
  7. Ex. 32.7ApplicationAnswer key

    Calcule 01236(x6)2dx\int_0^{12} \sqrt{36-(x-6)^2}\,dx usando fórmula de área geométrica.

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    O integrando 36(x6)2\sqrt{36-(x-6)^2} é a metade superior do círculo de raio 6 centrado em x=6x=6. Em [0,12][0,12] temos um semicírculo completo de raio 6: área =π362=18π= \frac{\pi\cdot 36}{2} = 18\pi.
  8. Ex. 32.8Understanding

    Suponha que 04f(x)dx=5\int_0^4 f(x)\,dx = 5, 02f(x)dx=3\int_0^2 f(x)\,dx = -3, 04g(x)dx=1\int_0^4 g(x)\,dx = -1 e 02g(x)dx=2\int_0^2 g(x)\,dx = 2. Calcule 04[f(x)+g(x)]dx\int_0^4 [f(x)+g(x)]\,dx.

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    Por aditividade, 04(f+g)=04f+04g=5+(1)=4\int_0^4(f+g) = \int_0^4 f + \int_0^4 g = 5 + (-1) = 4.
  9. Ex. 32.9UnderstandingAnswer key

    Usando os dados 04f=5\int_0^4 f = 5, 02f=3\int_0^2 f = -3, 04g=1\int_0^4 g = -1, 02g=2\int_0^2 g = 2, calcule 24[f(x)g(x)]dx\int_2^4 [f(x)-g(x)]\,dx.

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    Por aditividade: 24f=04f02f=5(3)=8\int_2^4 f = \int_0^4 f - \int_0^2 f = 5-(-3) = 8. Analogamente 24g=04g02g=12=3\int_2^4 g = \int_0^4 g - \int_0^2 g = -1-2 = -3. Logo 24(fg)=8(3)=11\int_2^4(f-g) = 8 - (-3) = 11.
  10. Ex. 32.10Understanding

    Usando os dados 04f=5\int_0^4 f = 5, 02f=3\int_0^2 f = -3, 04g=1\int_0^4 g = -1, 02g=2\int_0^2 g = 2, calcule 02[f(x)g(x)]dx\int_0^2 [f(x) - g(x)]\,dx.

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    Usando aditividade: 02f02g=32=5\int_0^2 f - \int_0^2 g = -3 - 2 = -5. Linearidade da integral garante 02(fg)=02f02g\int_0^2(f-g) = \int_0^2 f - \int_0^2 g.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Propriedade de linearidade: 02(fg)=02f02g\int_0^2(f-g) = \int_0^2 f - \int_0^2 g.
    2. Substituindo os dados: 32=5-3 - 2 = -5.
  11. Ex. 32.11Application

    Usando os dados 02f=3\int_0^2 f = -3 e 02g=2\int_0^2 g = 2, calcule 02[3f(x)4g(x)]dx\int_0^2 [3f(x) - 4g(x)]\,dx.

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    Linearidade: 302f402g=3(3)4(2)=98=173\int_0^2 f - 4\int_0^2 g = 3(-3) - 4(2) = -9 - 8 = -17.
  12. Ex. 32.12Application

    Usando os dados 04f=5\int_0^4 f = 5, 02f=3\int_0^2 f = -3, 04g=1\int_0^4 g = -1, 02g=2\int_0^2 g = 2, calcule 24[4f(x)3g(x)]dx\int_2^4 [4f(x) - 3g(x)]\,dx.

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    Aditividade: 24f=04f02f=5(3)=8\int_2^4 f = \int_0^4 f - \int_0^2 f = 5 - (-3) = 8 e 24g=04g02g=12=3\int_2^4 g = \int_0^4 g - \int_0^2 g = -1 - 2 = -3. Logo 483(3)=32+9=414\cdot 8 - 3\cdot(-3) = 32 + 9 = 41.
  13. Ex. 32.13Understanding

    Use a identidade AAf(x)dx=A0f+0Af\int_{-A}^{A} f(x)\,dx = \int_{-A}^0 f + \int_0^A f para calcular ππsint1+t2dt\int_{-\pi}^\pi \frac{\sin t}{1+t^2}\,dt.

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    O integrando h(t)=sint1+t2h(t) = \frac{\sin t}{1+t^2} é ímpar: h(t)=sint1+t2=h(t)h(-t) = \frac{-\sin t}{1+t^2} = -h(t). Pela propriedade de funções ímpares em intervalo simétrico: ππh(t)dt=0\int_{-\pi}^\pi h(t)\,dt = 0.
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    1. Verifique que h(t)=sint1+t2h(t) = \frac{\sin t}{1+t^2} é ímpar: h(t)=sin(t)1+(t)2=sint1+t2=h(t)h(-t) = \frac{\sin(-t)}{1+(-t)^2} = \frac{-\sin t}{1+t^2} = -h(t).
    2. Propriedade: se hh é ímpar, AAh(t)dt=0\int_{-A}^A h(t)\,dt = 0.
  14. Ex. 32.14UnderstandingAnswer key

    Calcule ππt1+costdt\int_{-\pi}^\pi \frac{t}{1+\cos t}\,dt usando propriedade de funções ímpares.

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    O integrando g(t)=t1+costg(t) = \frac{t}{1+\cos t}: verifique paridade. g(t)=t1+cos(t)=t1+cost=g(t)g(-t) = \frac{-t}{1+\cos(-t)} = \frac{-t}{1+\cos t} = -g(t). Função ímpar em intervalo simétrico: integral é 0.
  15. Ex. 32.15Application

    Dado que 01xdx=12\int_0^1 x\,dx = \frac{1}{2}, 01x2dx=13\int_0^1 x^2\,dx = \frac{1}{3} e 01x3dx=14\int_0^1 x^3\,dx = \frac{1}{4}, calcule 01(1+x+x2+x3)dx\int_0^1(1+x+x^2+x^3)\,dx.

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    Dado 01xdx=1/2\int_0^1 x\,dx = 1/2, 01x2dx=1/3\int_0^1 x^2\,dx = 1/3, 01x3dx=1/4\int_0^1 x^3\,dx = 1/4, pela linearidade: 01(1+x+x2+x3)dx=1+1/2+1/3+1/4=2512\int_0^1(1+x+x^2+x^3)\,dx = 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 = \frac{25}{12}.
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    1. Linearidade: 01(1+x+x2+x3)=011+01x+01x2+01x3\int_0^1(1+x+x^2+x^3) = \int_0^1 1 + \int_0^1 x + \int_0^1 x^2 + \int_0^1 x^3.
    2. Substitui os valores dados: 1+12+13+14=12+6+4+312=25121 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} = \frac{12+6+4+3}{12} = \frac{25}{12}.
  16. Ex. 32.16Application

    Usando os mesmos valores integrais, calcule 01(1x+x2x3)dx\int_0^1(1-x+x^2-x^3)\,dx.

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    Linearidade com dados 01x=1/2\int_0^1 x = 1/2, 01x2=1/3\int_0^1 x^2 = 1/3, 01x3=1/4\int_0^1 x^3 = 1/4: 11/2+1/31/4=126+4312=7121 - 1/2 + 1/3 - 1/4 = \frac{12-6+4-3}{12} = \frac{7}{12}.
  17. Ex. 32.17ApplicationAnswer key

    Calcule 01(1x)2dx\int_0^1(1-x)^2\,dx expandindo e usando os valores 01x=1/2\int_0^1 x = 1/2, 01x2=1/3\int_0^1 x^2 = 1/3.

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    Expanda: (1x)2=12x+x2(1-x)^2 = 1 - 2x + x^2. Então 01(1x)2dx=1212+13=11+13=13\int_0^1(1-x)^2\,dx = 1 - 2\cdot\frac{1}{2} + \frac{1}{3} = 1 - 1 + \frac{1}{3} = \frac{1}{3}.
  18. Ex. 32.18Application

    Calcule 01(12x)3dx\int_0^1(1-2x)^3\,dx expandindo e usando 01x=1/2\int_0^1 x = 1/2, 01x2=1/3\int_0^1 x^2 = 1/3, 01x3=1/4\int_0^1 x^3 = 1/4.

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    Expanda: (12x)3=16x+12x28x3(1-2x)^3 = 1 - 6x + 12x^2 - 8x^3. Logo 01(12x)3dx=1612+1213814=13+42=0\int_0^1(1-2x)^3\,dx = 1 - 6\cdot\frac{1}{2} + 12\cdot\frac{1}{3} - 8\cdot\frac{1}{4} = 1 - 3 + 4 - 2 = 0.
  19. Ex. 32.19Application

    Calcule 01 ⁣(6x43x2)dx\int_0^1\!\left(6x - \frac{4}{3}x^2\right)dx usando linearidade.

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    Linearidade: 601x4301x2=6124313=349=2749=2396\int_0^1 x - \frac{4}{3}\int_0^1 x^2 = 6\cdot\frac{1}{2} - \frac{4}{3}\cdot\frac{1}{3} = 3 - \frac{4}{9} = \frac{27-4}{9} = \frac{23}{9}.
  20. Ex. 32.20Application

    Calcule 01(75x3)dx\int_0^1(7 - 5x^3)\,dx usando a linearidade e os valores 01x3=1/4\int_0^1 x^3 = 1/4.

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    Linearidade: 7011dx501x3dx=71514=754=2854=2347\int_0^1 1\,dx - 5\int_0^1 x^3\,dx = 7\cdot 1 - 5\cdot\frac{1}{4} = 7 - \frac{5}{4} = \frac{28-5}{4} = \frac{23}{4}.
  21. Ex. 32.21Understanding

    Use o teorema de comparação para mostrar que 03(x26x+9)dx0\int_0^3(x^2-6x+9)\,dx \ge 0. Qual das afirmações justifica corretamente esse resultado?

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    Observe que x26x+9=(x3)20x^2 - 6x + 9 = (x-3)^2 \ge 0 para todo xx. Pela propriedade de monotonicidade (P3): (x3)2003(x3)2dx030dx=0(x-3)^2 \ge 0 \Rightarrow \int_0^3 (x-3)^2\,dx \ge \int_0^3 0\,dx = 0.
  22. Ex. 32.22Understanding

    Use o teorema de comparação para mostrar que 23(x3)(x+2)dx0\int_{-2}^3(x-3)(x+2)\,dx \le 0. Qual afirmação justifica?

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    Os zeros do produto são x=2x=-2 e x=3x=3. Em (2,3)(-2,3) ambos os fatores têm sinais opostos: (x3)<0(x-3) < 0 e (x+2)>0(x+2) > 0. Logo (x3)(x+2)0(x-3)(x+2) \le 0 em [2,3][-2,3]. Por P3: 23(x3)(x+2)dx0\int_{-2}^3 (x-3)(x+2)\,dx \le 0.
  23. Ex. 32.23UnderstandingAnswer key

    Use o teorema de comparação para mostrar que 0π/2sintdtπ4\int_0^{\pi/2}\sin t\,dt \ge \frac{\pi}{4}. Qual propriedade justifica?

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    Em [0,π/2][0,\pi/2], a função sint\sin t está acima da corda linear 2tπ\frac{2t}{\pi} (pois seno é côncavo nesse intervalo). Logo sint2tπ\sin t \ge \frac{2t}{\pi}. Por P3: 0π/2sintdt0π/22tπdt=2ππ2/41=π4\int_0^{\pi/2}\sin t\,dt \ge \int_0^{\pi/2}\frac{2t}{\pi}\,dt = \frac{2}{\pi}\cdot\frac{\pi^2/4}{1} = \frac{\pi}{4}.
  24. Ex. 32.24Understanding

    Use o teorema de comparação para mostrar que π/4π/4costdtπ24\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\cos t\,dt \ge \frac{\pi^2}{4}. Qual afirmação é a correta justificativa?

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    Em [π/4,π/4][-\pi/4, \pi/4], o mínimo de cost\cos t é atingido nos extremos: cos(±π/4)=22\cos(\pm\pi/4) = \frac{\sqrt{2}}{2}. Logo cost22\cos t \ge \frac{\sqrt{2}}{2} no intervalo. Por P5: π/4π/4costdt22π2=π24>π24\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\cos t\,dt \ge \frac{\sqrt{2}}{2}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\pi\sqrt{2}}{4} > \frac{\pi^2}{4} ... na verdade a estimativa direta dá 22π2\frac{\sqrt{2}}{2}\cdot\frac{\pi}{2}. A afirmação que justifica a desigualdade pedida é que cost22\cos t \ge \frac{\sqrt{2}}{2}.
  25. Ex. 32.25Application

    Encontre o valor médio de f(x)=x2f(x)=x^2 em [1,1][-1,1] e o ponto cc onde f(c)=fmedf(c) = f_{\text{med}}.

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    Valor médio: fmed=11(1)11x2dx=1223=13f_{\text{med}} = \frac{1}{1-(-1)}\int_{-1}^1 x^2\,dx = \frac{1}{2}\cdot\frac{2}{3} = \frac{1}{3}. Ponto cc: resolva c2=1/3c^2 = 1/3, logo c=13(1,1)c = \frac{1}{\sqrt{3}} \in (-1,1) (tomando o valor positivo).
    Show step-by-step (with the why)
    1. Calcule 11x2dx=[x33]11=1313=23\int_{-1}^1 x^2\,dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_{-1}^1 = \frac{1}{3} - \frac{-1}{3} = \frac{2}{3}.
    2. Valor médio: 1223=13\frac{1}{2}\cdot\frac{2}{3} = \frac{1}{3}.
    3. TVM-I: c2=13c=13c^2 = \frac{1}{3} \Rightarrow c = \frac{1}{\sqrt{3}}.
  26. Ex. 32.26ApplicationAnswer key

    Encontre o valor médio de f(x)=x5f(x)=x^5 em [1,1][-1,1] e o ponto cc do TVM-I.

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    f(x)=x5f(x) = x^5 é ímpar em [1,1][-1,1], logo 11x5dx=0\int_{-1}^1 x^5\,dx = 0. Valor médio =0= 0. TVM-I: c5=0c=0c^5 = 0 \Rightarrow c = 0.
  27. Ex. 32.27Application

    Encontre o valor médio de f(x)=4x2f(x)=4-x^2 em [0,2][0,2] e o ponto cc do TVM-I.

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    Calcule: 02(4x2)dx=[4xx33]02=883=163\int_0^2(4-x^2)\,dx = \left[4x - \frac{x^3}{3}\right]_0^2 = 8 - \frac{8}{3} = \frac{16}{3}. Valor médio: 12163=83\frac{1}{2}\cdot\frac{16}{3} = \frac{8}{3}. TVM-I: 4c2=83c2=43c=23(0,2)4-c^2 = \frac{8}{3} \Rightarrow c^2 = \frac{4}{3} \Rightarrow c = \frac{2}{\sqrt{3}} \in (0,2). \checkmark
  28. Ex. 32.28Application

    Encontre o valor médio de f(x)=sinxf(x) = \sin x em [0,2π][0, 2\pi].

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    Calcule 02πsinxdx=[cosx]02π=(1)(1)=0\int_0^{2\pi}\sin x\,dx = [-\cos x]_0^{2\pi} = (-1) - (-1) = 0. Valor médio: 02π=0\frac{0}{2\pi} = 0. Isso reflete o período completo do seno.
  29. Ex. 32.29Modeling

    Mostre que o valor médio de sin2t\sin^2 t em [0,2π][0,2\pi] é 12\frac{1}{2}. Qual é esse valor?

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    O valor médio de sin2t\sin^2 t em [0,2π][0,2\pi] é 12π02πsin2tdt\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\sin^2 t\,dt. Usando sin2t=1cos2t2\sin^2 t = \frac{1-\cos 2t}{2}: 02πsin2tdt=π\int_0^{2\pi}\sin^2 t\,dt = \pi. Valor médio =π2π=12= \frac{\pi}{2\pi} = \frac{1}{2}. Por simetria, o mesmo vale em [0,π][0,\pi].
    Show step-by-step (with the why)
    1. Use identidade: sin2t=1cos2t2\sin^2 t = \frac{1-\cos 2t}{2}.
    2. Integre: 02π1cos2t2dt=12[tsin2t2]02π=122π=π\int_0^{2\pi}\frac{1-\cos 2t}{2}\,dt = \frac{1}{2}[t - \frac{\sin 2t}{2}]_0^{2\pi} = \frac{1}{2}\cdot 2\pi = \pi.
    3. Valor médio: π/(2π)=1/2\pi/(2\pi) = 1/2.
  30. Ex. 32.30ModelingAnswer key

    É verdade que aa+1sin(2πt)dt=0\int_a^{a+1}\sin(2\pi t)\,dt = 0 para todo aa? Qual afirmação justifica corretamente?

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    Show solution
    A função sin(2πt)\sin(2\pi t) tem período 1. Para qualquer aa, o intervalo [a,a+1][a, a+1] tem comprimento igual a um período completo. Por periodicidade (propriedade: aa+Tf=0Tf\int_a^{a+T} f = \int_0^T f para funções periódicas de período TT), aa+1sin(2πt)dt=01sin(2πt)dt=[cos(2πt)2π]01=0\int_a^{a+1}\sin(2\pi t)\,dt = \int_0^1 \sin(2\pi t)\,dt = [-\frac{\cos(2\pi t)}{2\pi}]_0^1 = 0.

Updated on 2026-05-23 · Author(s): Clube da Matemática

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