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

陈述与证明

TFC — 第 1 部分:对积分求导

"TFC1 指出由上限可变的积分定义的函数的导数等于被积函数在上限处的值。" — OpenStax Calculus Vol. 1, §5.3

TFC1 的证明。 由导数的定义:

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.

由积分中值定理,存在 chc_hxxx+hx+h 之间,使得 xx+hf(t)dt=f(ch)h\int_x^{x+h} f(t)\, dt = f(c_h) \cdot h。因此:

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

由于当 h0h \to 0chxc_h \to x,且 ff 连续,所以 f(ch)f(x)f(c_h) \to f(x)。因此 G(x)=f(x)G'(x) = f(x)\square

TFC — 第 2 部分:计算积分

TFC2 的证明。 由 TFC1,G(x)=axf(t)dtG(x) = \int_a^x f(t)\, dt 满足 G=fG' = f。因为 F=fF' = f 也成立,所以 FGF - G(a,b)(a, b) 上的导数为零,因此 F(x)=G(x)+CF(x) = G(x) + C(其中 CC 为常数)。则:

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

莱布尼茨法则(变量极限)

已解决的例子

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

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

    通过 TFC2 计算 032xdx\int_0^3 2x\, dx

  2. Ex. 83.2Application

    计算 12x3dx\int_{-1}^2 x^3\, dx

  3. Ex. 83.3Application

    计算 0πsinxdx\int_0^\pi \sin x\, dx

  4. Ex. 83.4Application

    计算 02exdx\int_0^2 e^x\, dx

  5. Ex. 83.5Application

    计算 02(x24x+1)dx\int_0^2 (x^2 - 4x + 1)\, dx

  6. Ex. 83.6Application

    计算 1e1xdx\int_1^e \frac{1}{x}\, dx

  7. Ex. 83.7Application

    G(x)=0x(t2+1)dtG(x) = \int_0^x (t^2 + 1)\, dt,通过 TFC1 计算 G(x)G'(x)

  8. Ex. 83.8Application

    计算 ddx0x2sintdt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^2} \sin t\, dt

  9. Ex. 83.9Application

    计算 0π/4sec2xdx\int_0^{\pi/4} \sec^2 x\, dx

  10. Ex. 83.10Application

    计算 19xdx\int_1^9 \sqrt{x}\, dx

  11. Ex. 83.11Application

    计算 ddx0x31+t2dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^3} \sqrt{1 + t^2}\, dt

  12. Ex. 83.12Application

    计算 0π(cosx+sinx)dx\int_0^\pi (\cos x + \sin x)\, dx

  13. Ex. 83.13Application

    计算 01(x42x2+1)dx\int_0^1 (x^4 - 2x^2 + 1)\, dx

  14. Ex. 83.14UnderstandingAnswer key

    G(x)=axf(t)dtG(x) = \displaystyle\int_a^x f(t)\, dt,由 TFC1 计算 G(x)G'(x) 是什么?

  15. Ex. 83.15Understanding

    F(x)=f(x)F'(x) = f(x),由 TFC2 计算 abf(x)dx\int_a^b f(x)\, dx 的正确表达式是什么?

  16. Ex. 83.16ApplicationAnswer key

    计算 ddxx1t3dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_x^1 t^3\, dt

  17. Ex. 83.17Application

    计算 0111+x2dx\int_0^1 \frac{1}{1+x^2}\, dx

  18. Ex. 83.18ModelingAnswer key

    一个物体的速度为 v(t)=t24t+3v(t) = t^2 - 4t + 3 m/s。计算从 t=0t = 0t=4t = 4 s 的净位移和总走过的距离。

  19. Ex. 83.19ApplicationAnswer key

    计算 ddxxx2et2dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_x^{x^2} e^{t^2}\, dt

  20. Ex. 83.20Application

    计算 02(2x33x2)dx\int_0^2 (2x^3 - 3x^2)\, dx

  21. Ex. 83.21Modeling

    一家工厂的边际成本为 C(q)=2q+50C'(q) = 2q + 50 元/单位。计算生产前 100 单位的总成本。

  22. Ex. 83.22ChallengeAnswer key

    定义 G(x)=1x(2t1)dtG(x) = \int_1^x (2t - 1)\, dt。显式计算 G(x)G(x)、验证 G(x)=2x1G'(x) = 2x - 1,并求值 G(1)G(1)G(3)G(3)

  23. Ex. 83.23ApplicationAnswer key

    已知 05f(x)dx=12\int_0^5 f(x)\, dx = 1202f(x)dx=5\int_0^2 f(x)\, dx = 5,计算 25f(x)dx\int_2^5 f(x)\, dx

  24. Ex. 83.24Challenge

    计算 y=x2xy = x^2 - xxx 轴在 [0,1][0, 1] 上围成的面积。

  25. Ex. 83.25Application

    计算 22(x21)dx\int_{-2}^2 (x^2 - 1)\, dx

  26. Ex. 83.26Application

    计算 ddx0xcos(t2)dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^x \cos(t^2)\, dt,不需要求反导数。

  27. Ex. 83.27ModelingAnswer key

    一家工厂的电功率随 P(t)=3+0,5tP(t) = 3 + 0{,}5t kW 变化(tt 为小时)。计算前 12 小时的能耗,并按每 kWh 0.85 元的价格计算成本。

  28. Ex. 83.28Challenge

    计算 ddxsinxcosxt2dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{\sin x}^{\cos x} t^2\, dt

  29. Ex. 83.29Challenge

    计算 f(x)=x2f(x) = x^2[0,3][0, 3] 上的平均值,并找到积分 TVM 保证的点 cc

  30. Ex. 83.30Proof

    从 TFC1 证明 TFC2:若 F=fF' = fff[a,b][a,b] 上连续,则 abf(x)dx=F(b)F(a)\int_a^b f(x)\, dx = F(b) - F(a)

资源

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.