Vés al contingut

Teorema fonamental del càlcul

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure

En Matemàtiques, el teorema fonamental del càlcul integral relaciona els conceptes de derivació i d'integració d'una funció, i bàsicament estableix que són operacions inverses.[1] Aquest teorema és central en la branca de les Matemàtiques anomenada Càlcul infinitesimal.

La primera part del teorema, o Primer Teorema fonamental del càlcul, estableix que la funció definida mitjançant una integral d'una funció contínua és diferenciable, i aleshores, permet trobar una primitiva o antiderivada d'una funció contínua a partir de la seva integral.

La segona part del teorema, o Segon Teorema fonamental del càlcul, també anomenat regla de Barrow[2], en honor d'Isaac Barrow, permet calcular la integral d'una funció utilitzant l'antiderivada de la funció que s'ha d'integrar.

Encara que els antics matemàtics grecs com Arquímedes ja disposaven de mètodes aproximats per al càlcul de volums, àrees i longituds corbes va ser gràcies a una idea originalment desenvolupada pel matemàtic anglès Isaac Barrow i les aportacions d'Isaac Newton i Gottfried Leibniz que aquest teorema va poder ser enunciat i demostrat.

Història

[modifica]

El teorema fonamental del càlcul relaciona la diferenciació i la integració, mostrant que les dues operacions són essencialment l'inversa l'una de l'altra. Abans del descobriment d'aquest teorema, no es reconeixia que aquestes dues operacions estaven relacionades. Els matemàtics grecs antics sabien com calcular l'àrea a partir d'infinitesimals, una operació que avui en dia anomenaríem integració. De manera similar, els orígens de la diferenciació són diversos segles anteriors al teorema fonamental del càlcul; per exemple, en el segle XIV les nocions de continuïtat de funcions i de moviment van ser estudiades pels calculadors de Merton College i altres acadèmics. La rellevància històrica del teorema fonamental del càlcul no és l'habilitat de calcular aquestes operacions, sinó la presa de consciència que aquestes dues operacions que semblen diferents (càlcul d'àrees geomètriques i càlcul de gradients) estan de fet estretament relacionades.

El càlcul es va iniciar com a teoria unificada d'integració i diferenciació a partir de la conjectura i la demostració del teorma fonamental del càlcul. El primer enunciat i demostració d'una versió rudimentària del teorema fonamental, de caràcter marcadament geomètric,[3] s'atribueix a James Gregory (1638–1675).[4][5] Isaac Barrow (1630–1677) va demostrar una versió més generalitzada del teorema,[6] mentre que el seu alumne Isaac Newton (1642–1727) va completar el desenvolupament de la teoria matemàtica en què s'emmarca. Gottfried Leibniz (1646–1716) va sistematitzar el coneixement en el càlcul de quantitats infinitesimals i va introduir la notació que s'utilitza avui en dia.

Els teoremes fonamentals del càlcul integral

[modifica]

Primer teorema fonamental

[modifica]

Enunciat

[modifica]

Donada una funció integrable, definim per . Aleshores, si és contínua en el punt , llavors és derivable en i . Si , aleshores es sobeenten que és la derivada per la dreta o l'esquerra de .[7]

Demostració

[modifica]

Lema important:

Suposem que és integrable sobre i que:

Llavors

Comença la demostració

Hipòtesi:

Sigui . (Els casos es demostren de manera similar.)
Sigui una funció integrable sobre l'interval i contínua a c.
Sigui la funció sobre definida per .

Tesi:

Per definició tenim: .

Suposem que h>0, llavors .

Definim i com:

,

Aplicant el lema veiem que:

.

Aleshores,

Ara suposem que , siguin:

,
.

Aplicant el lema veiem que:

.

Com:

,

Llavors:

.

Donat que , llavors tenim que:

.

I com és contínua a c tenim que:

,

i això porta a:

.

Exemples

[modifica]
.
, on s'utilitza la regla de la cadena.
, on també s'utilitza la regla de la cadena.

Observacions

1. Informalment, el teorema es pot enunciar a partir d'una funció integrable i la seva integral [8]: si és integrable i contínua en el punt , aleshores Per aquest motiu és diu que el Primer teorema fonamental del càlcul tracta de "derivar una integral".
Figura 1. La funció és discontínua en el punt
Figura 2. La funció no és diferenciable en el punt
2. La condició que sigui contínua en un punt per tal que sigui derivable en aquest punt no es pot suprimir. Per exemple, la funció és discontínua en el punt , vegeu al Figura 1. Aquesta funció és integrable, però la funcióno és diferenciable en el punt , vegeu la Figura 2.


3. Recordem que donada una funció definida en un interval , s'anomena una primitiva o antiderivada o integral indefinida de la funció en si Del Teorema del valor mitjà es dedueix que si i són dues primitives de , aleshores existeix una constant tal que .
4. Del primer teorema fonamental del càlcul deduïm que si és contínua, llavors és una primitiva de . Ara bé, això no vol dir que la primitiva sigui expressable en termes de funcions elementals (polinomis, funcions racionals, trigonomètriques, exponencials,..); un exemple d'una funció d'aquestes característiques és [9] (vegeu un comentari sobre la demostració a [10]). En general, la teoria diferencial de Galois estudia quan una funció elemental té una primitiva expressable en funcions elementals.
5. No tota funció integrable té primitiva. Per exemple, la funció és integrable però no hi ha cap funció tal que la seva derivada sigui .

Corol·lari

[modifica]

Enunciat

[modifica]

Donada una funció contínua i sigui qualsevol funció primitiva de , és a dir , llavors: [11]


Demostració

[modifica]

Hipòtesi:

Sigui una funció contínua.
Sigui una funció diferenciable tal que .

Tesi:

Demostració:

Sigui

.

Tenim pel primer teorema fonamental del càlcul que:

.

Per tant, pel Teorema del valor mitjà,

tal que .

Observem que:

I d'aquí se segueix que ; per tant:

.

I en particular si tenim que:

Segon teorema fonamental del càlcul o regla de Barrow

[modifica]

Enunciat

[modifica]

Sigui una funció integrable i una primitiva de , és a dir, Aleshores [12]


Demostració

[modifica]

Utilitzarem les sumes superiors i inferiors de Darboux, i les integrals inferiors i superiors que s'han definit als articles integral de Riemann o integral de Darboux.

Donada una funció fitada, i una partició de l'interval amb considerem l'ínfim i el suprem de en l'interval :

Figura 3. Suma inferior de Darboux
Figura 4. Suma superior de Darboux

Es defineix la suma inferior i la suma superior (de Darboux) de respecte de per respectivament, vegeu les Figures 3 i 4.

Retornem a la demostració del teorema.

Pas 1. Pel teorema del valor mitjà, per a , existirà tal que Aleshores, com que i són l'ínfim i el suprem de en l'interval ,o, equivalentment, sumand respecte , tindrem que Però el sumatori dóna . Per tant,

Pas 2. Es defineix la integral inferior (de Darboux) de per

i la integral superior Degut a la desigualtat (1) tenim que Però una funció fitada és integrable si i només si (Vegeu les propietats de la integral),i, en aquest cas, la integral de coincideix amb la integral inferior i la superior: De les expressions (2) i (3) es dedueix que


Extensió de la segona part del teorema fonamental del càlcul a funcions no diferenciables en un nombre finit de punts. Tenim aquesta versió del teorema que és molt útil:

Teorema. [13] [14] Sigui una funció integrable i una funció tal que

  1. és contínua en tots els punts.
  2. és diferenciable en tots els punts excepte, com a màxim, en un nombre finit de punts .
  3. Per tot , ,

Aleshores

Demostració. Es comença provant que en la demostració del Segon teorema fonamental del càlcul, la condició que la funció sigui derivable en els punts i no es necessària. Això és degut a que en el pas 1, el teorema del valor mitjà només demana que en cadascun dels intervals la funció sigui contínua en i diferenciable en , la qual cosa es compleix en tots els intervals, inclòs els primer i l'últim . El resultat que volem demostrar s'obté descomponent l'interval en unió disjunta d'intervals de la forma , on són els punts on la funció no és derivable.


Exemples

[modifica]
1.
2.
3. Exemple més detallat del segon teorema fonamental. Suposi's que s'ha de calcular la integral següent:

Aquí, i es pot usar com a antiderivada. Per tant:

4. Exemple del primer teorema fonamental Suposi's que s'ha de calcular

Utilitzant la primera part del teorema amb s'obté

Això es pot comprovar també utilitzant la segona part del teorema. En particular, és l'antiderivada de , i per tant

5. Aplicació per demostrar propietats de les integrals. Es pot utilitzar el teorema per demostrar que

Com que

el resultat és una conseqüència de

Comentaris.

1. El segon Teorema fonamental del càlcul es pot escriure en termes d'una funció i la seva derivada: sigui una funció que és diferenciable en i tal que la seva derivada sigui integrable. Aleshores Aleshores, informalment es diu que aquest teorema tracta ''d'integrar derivades".
2. No sempre la derivada d'una funció és integrable, i en aquest cas el teorema no és pot aplicar ja que no té sentit. Per exemple[15], la funció definida per

és diferenciable en i la derivada val Noteu que en el punt no es pot aplicar la regla de la cadena i s'ha de calcular la derivada utilitzant la definició de derivada (per la dreta), és dir, calculant . La funció no és integrable ja que no és fitada (vegeu les propietats de la integral de Riemann).

3. La funció de Volterra. El matemàtic italià Vito Volterra (1860-1940) [16] va construir una funció diferenciable amb la derivada afitada no integrable. Vegeu també [17][18]

Generalitzacions

[modifica]

La funció f no ha de ser contínua en tot l'interval. La Part I del teorema llavors es pot reescriure: sigui f una funció Lebesgue-integrable en l'interval i x0 és un nombre en tal que f és contínua a x0, llavors

és diferenciable per x = x0 amb F′(x0) = f(x0). Es pot relaxar les condicions en f encara més i suposar que és integrable merament de forma local. En aquest cas, es pot concloure que la funció F és diferenciable gairebé pertot i F′(x) = f(x) gairebé pertot. En la recta real aquesta afirmació és equivalent al teorema de diferenciació de Lebesgue. Aquests resultats segueixen sent vàlids per a la integral de Henstock-Kurzwe, que inclou la integral d'una classe més gran de funcions integrables.[19]

En dimensions superiors, el teorema de diferenciació de Lebesgue generalitza el teorema fonamental del càlcul afirmant que per gairebé totes les x, el valor promig d'una funció f en una bola de radi r centrada a x tendeix a f(x) a mesura r tendeix a 0.

La Part II del teorema és vàlida per tota funció integrable de Lebesgue f, que té una antiderivada F (tot i que això no aplica a totes les funcions integrables). En altres paraules, si una funció real F en admet una derivada f(x) pertot punt x de i si aquesta derivada f és integrable segons Lebesgue en , llavors[20]

Aquest resultat pot no ser vàlid per funcions contínues F que admeten una derivada f(x) gairebé pertot x, com l'exemple de la funció de Cantor mostra. Tanmateix, si F és absolutament contínua, admet una derivada F′(x) gairebé pertot x, i a més F′ és integrable, amb F(b) − F(a) igual a la integral de F′ en . En canvi, si f és una funció integrable qualsevol, llavors F definida com en la primera fórmula serà absolutament contínua amb F′ = f gairebé pertot.

Les condicions d'aquest teorema es poden relaxar d'una altra manera considerant les integrals que hi surten com integrals de Henstock-Kurzwe. En particular, si una funció contínua F(x) admet una derivada f(x) pertot menys per un nombre numerable de punts, llavors f(x) és integrable en el sentit de Henstock–Kurzweil i F(b) − F(a) és igual a l'integral de f en Plantilla:Closed-closed. La diferència aquí és que no cal assumir la integrabilitat de f.[21]


La versió del teorema de Taylor, que expressa el terme error com una integral, es pot veure com una generalització del teorema fonamental.

Hi ha una versió del teorema per funcions complexes: suposi's que U és un conjunt obert en C i f : UC és una funció que té una antiderivada holomorfa F en U. Llavors, per tota corba γ : [a, b] → U, la integral de camí es pot entendre com

Es pot generalitzar el teorema fonamental a integrals corbes i de superfície en dimensions superiors i en varietats. Una d'aquestes generalitzacions l'ofereix el càlcul de superfícies en moviment i és l'evolució temporal de les integrals. Les extensions més familiars del teorema general del càlcul en dimensions superiors són el teorema de la divergència i el teorema del gradient.

Una de les generalitzacions més útils en aquesta direcció és el teorema de Stokes generalitzat (també conegut, de vegades, com el teorema fonamental del càlcul multivariable):[22] Sigui M una Varietat suau smooth a trossos de dimensió n i sigui una (n − 1)-form suau de suport compacte en M. Si M denota la frontera de M donada la seva Orientabilitat induïda, llavors

Aquí d és la derivada exterior, que es defineix únicament per mitjà de l'estructura de la varietat.

El teorema s'utilitza sovint en situacions en què M és una subvarietat orientada incrustada en una varietat més gran (per exemple, Rk) en què es defineix la forma diferencial .

El teorema fonamental del càlcul permet escriure una integral definida com a equació diferencial ordinària de primer ordre.

es pot escriure com

amb com el valor de la integral.


Vegeu també

[modifica]

Referències

[modifica]
  1. «El Teorema Fundamental del Cálculo (1)» (en castellà). Matemáticas Visuales. [Consulta: 15 març 2016].
  2. «La Regla de Barrow» (en castellà). Secctor Matemática. Arxivat de l'original el 20 d'agost de 2016. [Consulta: 15 març 2016].
  3. Malet, Antoni «James Gregorie on tangents and the "Taylor" rule for series expansions». Archive for History of Exact Sciences. Springer-Verlag, 46, 2, 1993, pàg. 97–137. DOI: 10.1007/BF00375656. «Gregorie's thought, on the other hand, belongs to a conceptual framework strongly geometrical in character. (page 137)»
  4. See, e.g., Marlow Anderson, Victor J. Katz, Robin J. Wilson, Sherlock Holmes in Babylon and Other Tales of Mathematical History, Mathematical Association of America, 2004, p. 114.
  5. Gregory, James. Geometriae Pars Universalis. Museo Galileo: Patavii: typis heredum Pauli Frambotti, 1668. 
  6. Child, James Mark; Barrow, Isaac. The Geometrical Lectures of Isaac Barrow. Chicago: Open Court Publishing Company, 1916. 
  7. Spivak, Michael. Càlculo Infinistesimal. 2a. edición. Barcelona: Editorial Reverté, 1992, p. 399. ISBN 84-291-5136-2. 
  8. Tao, Terence. Analysis I: Terence Tao. Third edition. Singapore: Springer, 2016, p. 298. ISBN 978-981-10-1789-6. 
  9. Perelló, Carles. Càlcul infinitessimal. Barcelona: Enciclopèdia catalana, 1994, p. 113. ISBN 84-7739-518-7. 
  10. Gasull, Armengol; Utzet, Frederic «Approximating Mills ratio» (en anglès). Journal of Mathematical Analysis and Applications, 420, 2, 12-2014, pàg. 1832–1853, Remark 4. DOI: 10.1016/j.jmaa.2014.05.034.
  11. Spivak, Michael. Càlculo Infinistesimal. 2a. edición. Barcelona: Editorial Reverté, 1992, p. 403. ISBN 84-291-5136-2. 
  12. Spivak, Michael. Càlculo Infinistesimal. 2a. edición. Barcelona: Editorial Reverté, 1992, p. 405. ISBN 84-291-5136-2. 
  13. Bartle i Sherbert, 2010, p. 262.
  14. Schilling, 2017, p. 452-453, Definition 1.16 i Theorem 1.18.
  15. Schilling, René L. Measures, integrals and martingales. 2nd ed. Cambridge: Cambridge university press, 2017, p. 451. ISBN 978-1-316-62024-3. 
  16. Volterra, Vito «Sui Principii del Calcolo Integrale». Giornale di matematiche ad uso degli studenti delle università italiane, XIX, 1881, pàg. 333-372 [Consulta: 31 març 2025].
  17. Hawkins, Thomas. Lebesgue's theory of integration: its origins and development. 2nd ed. New York: Chelsea, 1979. ISBN 978-0-8284-0282-8. 
  18. Ponce-Campuzano, Juan Carlos; and Maldonado-Aguilar, Miguel Ángel «Vito Volterra's construction of a nonconstant function with a bounded, non-Riemann integrable derivative». BSHM Bulletin: Journal of the British Society for the History of Mathematics, 30, 2, 04-05-2015, pàg. 143–152. DOI: 10.1080/17498430.2015.1010771. ISSN: 1749-8430.
  19. Bartle, Robert G. A modern theory of integration. Theorem 4.11. Providence (R. I.): American mathematical society, 2001. ISBN 978-0-8218-0845-0. 
  20. Rudin, Walter. Análisis real y complejo. Teorema 7.21. Alhambra, 1979. ISBN 9788420506517. 
  21. Bartle, Robert Gardner. A modern theory of integration. Theorem 4.7. Providence, R.I: American Mathematical Society, 2001. ISBN 978-0-8218-0845-0. 
  22. Spivak, M. Calculus on Manifolds. New York: W. A. Benjamin, 1965, p. 124–125. ISBN 978-0-8053-9021-6. 

Bibliografia

[modifica]
  • Apostol, T. M.. Análisis matemático\edició=2a. edición. Barcelona: Editorial Reverté, 1996. 
  • Bartle, Robert G.; Sherbert, Donald R. Introducció al Análisis Matemático de una variable. 3a. edición. México: Limusa Wiley, 2010. ISBN 978-607-05-0216-3. 
  • Perelló, Carles. Càlcul infinitesimal. Barcelona: Enciclopèdia Catalana, 1994. ISBN 84-7739-518-7. 
  • Spivak, Michael. Càlculo Infinistesimal. 2a. edición. Barcelona: Editorial Reverté, 1992. ISBN 84-291-5136-2.