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Universidad · Cálculo I
Cálculo integral · Integral definida

Teorema fundamental y funciones integrales

Un depósito se llena con un caudal $f(t)$ que cambia con el tiempo. Si $F(x)$ es el volumen acumulado hasta el instante $x$, ¿a qué ritmo crece $F$ justo en ese instante? Y si no existe una fórmula elemental para $F$, ¿puedes saber igualmente cuándo crece, cuándo se frena y cuánto vale entre dos instantes? El teorema fundamental del cálculo responde a todo esto: acumular y derivar son operaciones inversas.

La función integral

Piensa en $F(x)$ como el área con signo acumulada bajo $f$ desde $a$ hasta $x$. Al mover $x$, el área crece si $f>0$ y decrece si $f<0$.

Animación de la gráfica de una función f: el extremo x se desplaza por el eje hacia la derecha y luego hacia la izquierda, y el área acumulada entre a y x, que representa F(x), crece y decrece siguiendo a x junto con la línea vertical discontinua. a x F(x) f
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Sea $F(x)=\int_0^x(t-1)\,dt$. Encuentra $F(0)$, $F'(1)$ y el mínimo global de $F$. La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

Sea $F(x)=\int_0^x(t-1)\,dt$. Encuentra $F(0)$, $F'(1)$ y el mínimo global de $F$.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

t y −1 0 1 2 x 3 2 1 −1 −2 f(t) = t − 1 Signo − Signo +
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Sea $F(x)=\int_0^x\lvert t\rvert\,dt$. Determina $F$, $F'$ y si $F''(0)$ existe.

Sea $F(x)=\int_0^x\lvert t\rvert\,dt$. Determina $F$, $F'$ y si $F''(0)$ existe.

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Primer teorema fundamental: derivar una integral

El resultado es notable: $\int_0^x\cos(t^2)\,dt$ no tiene primitiva elemental, y aun así sabes su derivada exacta, $\cos(x^2)$.

Esquema de una integral con límite inferior v(x) y superior u(x), donde la derivada suma lo que entra por el extremo superior y resta lo que sale por el inferior. v(x) u(x) resta f(v)·v' suma f(u)·u'
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Sea $F(x)=\int_0^x\cos(t^2)\,dt$. Calcula $F'(x)$ sin buscar una primitiva elemental.

Sea $F(x)=\int_0^x\cos(t^2)\,dt$. Calcula $F'(x)$ sin buscar una primitiva elemental.

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Calcula $G'(x)$ para $G(x)=\int_1^{x^2}\ln(1+t^2)\,dt$.

Calcula $G'(x)$ para $G(x)=\int_1^{x^2}\ln(1+t^2)\,dt$.

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Para $F(x)=\int_{x}^{2x}\sqrt{1+t^2}\,dt$, calcula $F'(x)$ y $F'(0)$.

Para $F(x)=\int_{x}^{2x}\sqrt{1+t^2}\,dt$, calcula $F'(x)$ y $F'(0)$.

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Segundo teorema fundamental: evaluar con primitivas

La integral definida es un número (área con signo); una primitiva es una familia de funciones. La constante $C$ desaparece en la resta.

Animación de la gráfica de una primitiva G entre a y b: un punto parte de a, sube por la curva hasta b y la barra naranja crece con la diferencia de alturas G(b) menos G(a), que es la integral de f. a b G(b) − G(a) G
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Evalúa $\int_0^2(3x^2-2x)\,dx$ y distingue el valor de la integral de la variación de una primitiva.

Evalúa $\int_0^2(3x^2-2x)\,dx$ y distingue el valor de la integral de la variación de una primitiva.

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Calcula $\int_0^1 2x/(1+x^2)\,dx$ y expresa el resultado como variación de una función conocida.

Calcula $\int_0^1 2x/(1+x^2)\,dx$ y expresa el resultado como variación de una función conocida.

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Estudiar funciones integrales sin primitiva

Como $F'=f$ (TFC1), el comportamiento de $F$ se lee en el de $f$: el signo de $f$ da la monotonía de $F$, y el de $f'$ (si existe), su convexidad.

Dos gráficas alineadas: arriba la función f(t)=t-1, que cambia de signo en t=1, y abajo su función integral F, que decrece hasta t=1, donde alcanza su mínimo. f F t = 1: mínimo de F
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Sea $H(x)=\int_x^3e^{-t^2}\,dt$. Calcula $H'(x)$ y determina si $H$ es creciente o decreciente.

Sea $H(x)=\int_x^3e^{-t^2}\,dt$. Calcula $H'(x)$ y determina si $H$ es creciente o decreciente.

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Estudia crecimiento y extremos de $F(x)=\int_0^x(t^2-1)\,dt$.

Estudia crecimiento y extremos de $F(x)=\int_0^x(t^2-1)\,dt$.

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Sea $F(x)=\int_1^x\ln t\,dt$, con $x>0$. Estudia crecimiento y convexidad sin evaluar primero la integral.

Sea $F(x)=\int_1^x\ln t\,dt$, con $x>0$. Estudia crecimiento y convexidad sin evaluar primero la integral.

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Sea $F(x)=\int_0^x(t^3-3t)\,dt$. Determina todos sus puntos de inflexión y los intervalos de convexidad, justificando el cambio de signo. La figura ilustra los datos y…

Sea $F(x)=\int_0^x(t^3-3t)\,dt$. Determina todos sus puntos de inflexión y los intervalos de convexidad, justificando el cambio de signo.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

t y −2 −1 0 1 2 2 −2 f(t) = t³ − 3t
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Límites, desigualdades y valor medio con TFC

Valor medio de f en un intervalo pequeño de extremos a y a+h: la altura del rectángulo de igual área se aproxima a f(a) al reducir h. a a+h valor medio f
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Calcula $\lim_{h\to0}\frac1h\int_2^{2+h}\sqrt{1+t^2}\,dt$ y justifica el caso $h<0$.

Calcula $\lim_{h\to0}\frac1h\int_2^{2+h}\sqrt{1+t^2}\,dt$ y justifica el caso $h<0$.

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Determina $\lim_{x\to0}\frac{\int_0^x\sin(t^2)\,dt}{x^3}$ mediante TFC y una regla de límites que justifiques.

Determina $\lim_{x\to0}\frac{\int_0^x\sin(t^2)\,dt}{x^3}$ mediante TFC y una regla de límites que justifiques.

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Sean $f,g$ continuas en $[0,1]$ con $g>0$. Demuestra que existe $c\in[0,1]$ tal que $\int_0^1fg=f(c)\int_0^1g$. Aplica a $f(x)=x$, $g(x)=1+x$ y encuentra $c$.

Sean $f,g$ continuas en $[0,1]$ con $g>0$. Demuestra que existe $c\in[0,1]$ tal que $\int_0^1fg=f(c)\int_0^1g$. Aplica a $f(x)=x$, $g(x)=1+x$ y encuentra $c$.

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Demostraciones y casos delicados

Muchas veces no se pide calcular, sino justificar propiedades de $F$ a partir de $f$.

Gráfica de e elevado a menos t al cuadrado entre 0 y 1, siempre por debajo de la recta y igual a 1, de modo que el área bajo la curva es menor que 1. 0 1 F(1) y = 1
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Define $f(t)=0$ para $t<1$ y $f(t)=2$ para $t\ge1$, y $F(x)=\int_0^xf(t)\,dt$. Estudia continuidad y derivabilidad de $F$ en $1$. La figura ilustra los datos y…

Define $f(t)=0$ para $t<1$ y $f(t)=2$ para $t\ge1$, y $F(x)=\int_0^xf(t)\,dt$. Estudia continuidad y derivabilidad de $F$ en $1$.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

t f(t) 0 1 2 1 2 f(t) = 0 f(t) = 2
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Calcula $\frac{d}{dx}\int_0^{\sin x}e^{t^2}\,dt$ y determina dónde se anula esa derivada.

Calcula $\frac{d}{dx}\int_0^{\sin x}e^{t^2}\,dt$ y determina dónde se anula esa derivada.

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Demuestra que $F(x)=\int_0^x e^{-t^2}\,dt$ es estrictamente creciente y que $F(1)<1$, sin calcular una primitiva.

Demuestra que $F(x)=\int_0^x e^{-t^2}\,dt$ es estrictamente creciente y que $F(1)<1$, sin calcular una primitiva.

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Vuelve al principio: el ritmo al que crece el volumen acumulado $F(x)=\int_a^x f$ en el instante $x$ es exactamente el caudal $f(x)$ (TFC1), y el volumen entre dos instantes es la variación de una primitiva (TFC2).

Resumen

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