8 Integrales de funciones
En este capítulo se estudian las integrales de funciones de números reales, que junto a las derivadas son las dos ramas del Análisis más importantes. Veremos también el teorema fundamental del cálculo, uno de los resultados más importantes del Análisis que relaciona el cálculo diferencial con el integral, al cuál llegaron de manera simultanea Newton y Leibniz.
Históricamente el concepto de integral surge a partir del estudio de áreas, inicialmente de figuras geométricas, y después, de figuras curvas. En la antigua Grecia ya se utilizaba el método por agotamiento para calcular áreas de figuras no geométricas, y Arquímedes fue capaz de aproximar el área encerrada por una circunferencia usando este método.
Para llegar a la definición de integral explotaremos este método aproximando el area bajo una función usando rectángulos. El precursor de esta idea fue Bernhard Riemann.
8.1 Sumas de Riemann
Definición 8.1 (Partición de un intervalo) Dado un intervalo
El conjunto de todas las particiones de un intervalo
Definición 8.2 (Suma inferior de Riemann) Dada una función
donde
Gráficamente, si
Definición 8.3 (Suma superior de Riemann) Dada una función
donde
Gráficamente, si
Obsérvese que si una función es negativa en un intervalo
Ejemplo 8.1 Dada la función
Y la suma superior es
Calculadora de sumas de Riemann
Proposición 8.1 Si
Prueba. Para cada
de manera que
ya que
Definición 8.4 (Refinamiento de una partición) Dadas dos particiones
Proposición 8.2 Si
Prueba. Veremos solo la prueba para las sumas inferiores.
Probaremos primero el resultado para un refinamiento con un punto más. Sea
y supongamos que solo tiene un punto más que . Sea tal que y tomemos y . Como resulta evidente que y , por lo quey entonces
Para probar el caso general, si
es un refinamiento cualquiera de , entonces existe una sucesión finita de particiones de , tales que y cada tiene solo un punto más que . Así pues, por el resultado anterior,La prueba para las sumas superiores es análoga y se deja como ejercicio.
Proposición 8.3 Si
Prueba. Tomando la partición de
y
8.2 Integrales de Riemann
Como acabamos de ver, dada una función
Definición 8.5 (Integral inferior de Riemann) Dada una función
Definición 8.6 (Integral superior de Riemann) Dada una función
Proposición 8.4 Si
Prueba. Sean
Como esto es cierto para cualquier partición
Definición 8.7 (Integral de Riemann) Dada una función
y a este valor se le llama integral de Riemann o integral definida de
Si
En ocasiones, omitiremos el “de Riemann” para referirnos a una integral de Riemann y simplemente se escribirá integral, cuando en el contexto esté claro que se trata de la integral de Riemann.
Ejemplo 8.2
Veamos que si
, es una función constante en , entonces es integrable en .Sea
una partición de , entoncesDel mismo modo,
Así pues,
y .Veamos que
es integrable en .Sea
una partición de . Vamos a probar primero que . Como es creciente y continua en , se cumple quey por tanto,
Así pues,
Ahora bien, como
se puede concluir que
, y por tanto .
Ejemplo 8.3 La función
no es integrable Riemann ya que para cualquier partición
por lo que
Así pues,
Teorema 8.1 (Criterio de integrabilidad de Riemann) Una función
Prueba. Supongamos que
Del mismo modo, por ser
Tomando
Para probar el otro sentido de la implicación, supongamos que para cada
y como esto es cierto para cualquier
Corolario 8.1 Dada una función
Prueba. Dado
Para calcular el valor de la integral, se tiene
y como
Este último resultado nos permite calcular una integral como el límite de las sumas de Riemann tomando una sucesión de particiones cada vez más refinada.
8.3 Propiedades de la integral de Riemann
Teorema 8.2 Si
es integrable Riemann en yPara cualquier
, es integrable Riemann en y
Prueba. Veamos la demostración de cada apartado.
En primer lugar, resulta sencillo ver que para cualquier subintervalo
de se cumpleDado
, como y son integrables, existen dos particiones tales queTomando ahora el refinamiento
de y y la Ecuación 8.1 se tienede manera que
Y, por tanto,
es integrable Riemann en .Además,
y
por lo que se tiene
y por consiguiente,
.Si
entonces , y por tanto, es integrable y además .Supongamos ahora que
. Resulta sencillo ver que para cualquier subintervalo de se cumplede manera que si
es una partición de , entonces y .Como
es integrable Riemann, dado existe una partición tal que . Por otro lado, según la Ecuación 8.2,de manera que
es integrable en , y además,Finalmente, si
, resulta sencillo ver que para cualquier subintervalo de se cumplede manera que si
es una partición de , entonces y .Como
es integrable Riemann, dado existe una partición tal que . Por otro lado, según la Ecuación 8.3,de manera que
es integrable en , y además,
Proposición 8.5 Si
Prueba. Para cualquier partición
Corolario 8.2 Si
Prueba. Consideremos la función
ya que por la proposición anterior
Este resultado nos advierte de que no se puede utilizar directamente la integral de Riemann para calcular el area entre la gráfica de la función y el eje
En estos casos, el recurso habitual para calcular el área es calcular la integral del valor absoluto de la función.
Corolario 8.3 Si
Prueba. Consideremos la función
Corolario 8.4 Si
Prueba. Por el corolario anterior se tiene
Por otro lado, como
Teorema 8.3 (Teorema del valor medio para integrales) Si
Prueba. Dado que
y por tanto,
Por el teorema de los valores intermedios (Teorema 6.13), existe
Teorema 8.4 (Aditividad de la integral respecto del intervalo de integración) Si
Prueba. Supongamos que
Sea
Tomando ahora las subparticiones
de manera que
para cualquier
por lo que se concluye que
Para probar el otro sentido de la implicación, supongamos que
Tomando ahora
por lo que
A pesar de que la demostración es bastante larga, cuando
8.4 Clase de las funciones integrables
A continuación trataremos de estudiar qué tipo de funciones son integrables.
Teorema 8.5 Si
Prueba. Supongamos que
Sea ahora
Como
Así pues,
El caso de una función decreciente es similar se deja como ejercicio.
Teorema 8.6 Si
Prueba. Observemos primero que como
Dado
Sea
y por tanto,
Teorema 8.7 Si
Prueba. Se deja como ejercicio.
Corolario 8.5 Si
Prueba. Haremos la prueba por inducción sobre el número de puntos de discontinuidad.
El caso para un solo punto de discontinuidad se ha probado en el teorema anterior. Supongamos que si
Sea ahora
Tomando la partición
Por consiguiente
Teorema 8.8 Si
Prueba. Como
Por otro lado, como
Como
Para
y sea
Entonces se cumple que
de donde se deduce que
Y utilizando los resultados anteriores se tiene
por lo que
Corolario 8.6 Si
Prueba. Como
Corolario 8.7 Si
Prueba. Como
Corolario 8.8 Si
Prueba. Como
Corolario 8.9 Si
Prueba. Basta tener en cuenta los resultados anteriores y que
8.5 Teorema fundamental del cálculo
En las secciones anteriores se ha definido la integral de Riemann y hemos estudiado los tipos de funciones integrables, pero, en general, el cálculo de integrales mediante sumas de Riemann suele ser complicado. En esta sección se presenta un importante teorema, al que llegaron Newton y Leibniz de manera simultánea, que relaciona el cálculo integral con el cálculo diferencial y que nos facilitará enormemente el cálculo de integrales sin tener que recurrir a la aproximación mediante sumas de Riemann. Este teorema es tan importante para el Análisis que se ha denominado teorema fundamental del Cálculo.
Definición 8.8 Dada
Antes de enunciar el teorema, presentamos un resultado necesario para su demostración.
Proposición 8.6 Si
Prueba. Como
Por otro lado,
de donde se deduce que
Teorema 8.9 Si
Prueba. Como
Para cualquier
Luego
Ejemplo 8.4 Sea
ya que para
Presentamos primero una primera versión del teorema fundamental del cálculo.
Teorema 8.10 (Teorema fundamental del Cálculo I) Dada
Prueba. Dado
Tomando
Por tanto,
Prueba. Existe una segunda demostración del teorema fundamental del cálculo más simple que la anterior, si se supone que
Partiendo de la definición de derivada, se tiene
Si
y por tanto, podemos expresar la derivada de
para un
La importancia de este teorema radica en que conecta el concepto de derivada, al cuál se llegó mediante el estudio de las tangentes a la gráfica de una función, y el concepto de integral, al cuál hemos llegado mediante el estudio del área encerrada entre la gráfica de la función y el eje
Este teorema nos garantiza que si
Definición 8.9 (Primitiva de una función) Dada una función
Si
Ejemplo 8.5 Dada la función
En el Ejemplo 13.1 vimos que
Si queremos llegar a este resultado usando primitivas, es necesario tomar la primitiva adecuada, es decir, necesitamos saber el valor concreto de la constante
Afortunadamente, la segunda parte del teorema fundamental del cálculo resuelve este inconveniente.
Teorema 8.11 (Teorema fundamental del cálculo II) Si
Prueba. Dado
Como
Entonces,
Pero,
por lo que
y por tanto,
Este teorema, que también se conoce como al regla de Barrow, nos permitirá calcular la integral definida de una función a partir de cualquier primitiva suya, sin necesidad de usar las sumas de Riemann.
Ejemplo 8.6 Dada la función
Pero podríamos haber utilizado cualquier primitiva de
Ejemplo 8.7 Dada la función
Hemos visto que si
Ejemplo 8.8 La función
es integrable en el intervalo
También puede darse el caso de que
Ejemplo 8.9 La función
es derivable en cualquier punto de
8.6 Cálculo de areas
Tal y como se ha definido la integral de una función a partir de las sumas de Riemann, no resulta extraño que la principal aplicación de las integrales definidas sea el cálculo del areas encerrada por la gráfica de una función y el eje
8.6.1 Cálculo del area encerrada por una función y el eje .
Ya hemos visto que cuando una función
Ahora bien, para calcular esta integral mediante primitivas, haciendo uso del teorema fundamental del cálculo, normalmente se recurre a descomponer el intervalo de integración en subintervalos donde la función sea positiva o negativa, integrar
Ejemplo 8.10 Veamos cómo calcular el area encerrada entre la gráfica de la función
Si resolvemos la ecuación
8.6.2 Area encerrada entre dos funciones
Si en lugar de calcular el área encerrada entre la gráfica de una función
Al igual que antes, para calcular esta integral mediante primitivas, haciendo uso del teorema fundamental del cálculo, tendremos que descomponer el intervalo de integración en subintervalos donde la diferencia
Ejemplo 8.11 Veamos cómo calcular el area encerrada entre las gráficas de las funciones
Si resolvemos la ecuación
8.6.3 Cálculo del area encerrada por una curva en coordenadas polares
En ocasiones, para calcular el area encerrada por una curva, especialmente para curvas dadas mediante una ecuación implícita, resulta más sencillo trabajar en coordenadas polares.
Para pasar de coordenadas cartesianas a coordenadas polares, primero se obtiene el valor de
y después se obtiene el ángulo aplicando relaciones trigonométricas
suponiendo
Y para pasar de coordenadas polares a coordenadas cartesianas se aplican las siguientes relaciones trigonométricas
Para calcular el area encerrada por una curva dada en coordenadas polares
donde
Mientras que si para cada uno de estos sectores se toma como radio el supremo de
donde
De forma análoga se puede definir integral inferior de
mide el área encerrada por la curva
Ejemplo 8.12 Un semicírculo de radio
Ejemplo 8.13 Veamos ahora cómo calcular el area encerrada por la curva polar
8.6.4 Cálculo del area encerrada por dos curvas en coordenadas polares
También es posible calcular el area encerrada por dos curvas en coordenadas polares de forma análoga a como se hizo para el area encerrada entre dos funciones en coordenadas cartesianas.
Si tenemos dos curvas polares
En general, cuando
Ejemplo 8.14 Vamos a calcular el area encerrada entre las curvas polares
Así pues, el intervalo de integración es
8.7 Integrales impropias
El concepto de integral definida de una función en un intervalo cerrado
Definición 8.10 (Integral impropia de primer tipo) Dada una función
siempre que este límite exista, en cuyo caso se dice que la integral impropia converge.
Del mismo modo, si
Finalmente, si
Para funciones positivas en los dominios de integración, estas integrales impropias pueden interpretarse también como áreas. En particular,
Ejemplo 8.15 La integral impropia de la función
Por tanto, el área que queda encerrada por la gráfica de
Sin embargo, la integral impropia de la función
Y por tanto, el área que queda encerrada por la gráfica de
En estos casos la región encerrada por la gráfica de la función y el eje
Definición 8.11 (Integral impropia de segundo tipo) Dada una función
siempre que este límite exista, en cuyo caso se dice que la integral impropia converge.
Del mismo modo, si
siempre que este límite exista, en cuyo caso se dice que la integral impropia converge.
Ejemplo 8.16 La función
8.8 Cálculo de volúmenes
Otra de las aplicaciones habituales de las integrales es el cálculo de volúmenes de cuerpos sólidos tridimensionales con secciones transversales regulares. El procedimiento es similar al utilizado para el cálculo de areas de regiones planas, pero en lugar de aproximar el area mediante sumas de Riemann de rectángulos, se utilizan sumas de Riemann de figuras geométricas de volumen conocido, habitualmente discos o envoltorios cilíndricos. Para ello tomaremos secciones transversales del cuerpo sólido del que se quiere calcular el volumen con respecto a alguno de los ejes a lo largo de una partición del intervalo donde está definido el sólido en ese eje.
En general, si disponemos de una función
donde
Calculadora de volúmenes de sólidos de revolución mediante discos cilíndricos.
Como ya hemos visto, si
mide el volumen del cuerpo sólido con secciones transversales de área
Ejemplo 8.17 Veamos cómo calcular el volumen de una esfera de radio
8.8.1 Cálculo de volúmenes de sólidos de revolución con discos cilíndricos
Cuando el sólido se obtiene rotando una función
Este tipo de sólidos tiene la particularidad de que todas sus secciones transversales con respecto al eje de rotación son círculos de radio
Ejemplo 8.18 Si rotamos alrededor del eje
8.8.2 Cálculo de volúmenes de sólidos de revolución con envoltorios cilíndricos
Otra forma de calcular volúmenes de sólidos de revolución es mediante envoltorios o envolventes cilíndricas como los de figura de mas abajo.
Los envoltorios se construyen de forma que su base es un círculo de radio
Calculadora de volúmenes de sólidos de revolución mediante envoltorios cilíndricos.
Ejemplo 8.19 El volumen del sólido de revolución que se obtiene al rotar alrededor del eje
Si usamos discos discos cilíndricos debemos expresar
Mientras que si usamos envoltorios cilíndricos hay que calcular la integral
8.9 Cálculo de la longitud de una curva
Otra importante aplicación geométrica de las integrales es el cálculo de la longitud de una curva dada por una función en un intervalo
Aplicando el teorema de Pitágoras, es fácil ver que la longitud del segmento correspondiente al subintervalo
Por otro lado, si
de manera que
y la longitud del segmento puede expresarse como
y la suma de todos los segmentos resulta
Resulta evidente, que a medida que aumentemos el número de subintervalos
siempre y cuando
Ejemplo 8.20 Veamos cómo calcular la longitud de una circunferencia de radio
La derivada de
Esta integral es impropia ya que
Y por tanto, la longitud de la circunferencia de radio
8.10 Cálculo de superficies de sólidos de revolución
A partir del cálculo de la longitud de una curva plana, se puede calcular la superficie del sólido de revolución que se obtiene al girarla sobre el eje
Para calcular la superficie del envolvente del tronco de cono, veremos primero cuál es el la superficie de este envolvente para un cono completo. Si desplegamos el envolvente de un cono completo cortándolo por su generatriz, se puede comprobar que se trata de un sector de círculo con radio la generatriz del cono
El ángulo que describe este sector de círculo es
Para calcular ahora la superficie del envolvente del tronco de cono como del de la figura de más abajo, con radio menor
La superficie del tronco de cono es, por tanto,
Para poder expresar la superficie en función de
de manera que sustituyendo en la expresión de la superficie del tronco del cono, se tiene
Así pues, si tomamos una partición
donde
Si sumamos las superficies de todos los troncos de cono que se obtienen para la partición
se obtiene una aproximación de la superficie del sólido de revolución generado al rotar la gráfica de la función
ya que, cuando los intervalos se hacen infinitamente pequeños,
Ejemplo 8.21 Veamos cómo calcular la superficie de una esfera de radio
8.11 Aplicaciones físicas
En esta sección presentamos varias aplicaciones de las integrales en distintas áreas de la Física.
8.11.1 Cinemática
Como ya ese vió en la interpretación cinemática de la derivada, cuando
Así pues, si conocemos la velocidad instantánea
es decir, la diferencia entre la posición el objeto en los instantes
La integral anterior mide el desplazamiento neto del objeto, que coincide con el desplazamiento absoluto si la función velocidad es positiva en el intervalo de integración, pero si toma valores positivos y negativos, para calcular la distancia total recorrida por el objeto en el intervalo
En general, suponiendo que el instante inicial en el que comienza el movimiento es el instante
Del mismo modo, si conocemos la aceleración del objeto
es decir, la diferencia entre la velocidades en los instantes
Si suponemos como antes, que el instante inicial en el que comienza el movimiento es el instante
Combinando estos dos resultados, es posible averiguar la posición que ocupa el objeto si es conoce su aceleración.
Ejemplo 8.22 Veamos cómo podemos deducir la famosa fórmula de la posición de un objeto en caída libre. En este caso, supondremos que la posición inicial del objeto es
Integrando la aceleración obtenemos la velocidad del objeto en cada instante
Ahora, integrando la velocidad obtenemos la posición el objeto en cada instante
En el caso de que la posición inicial sea
8.11.2 Trabajo
Otra aplicación importante de las integrales en Física es el cálculo del trabajo realizado al desplazar un objeto aplicándole una fuerza. En mecánica clásica, si un objeto se desplaza en línea recta y su posición viene dada por la función
donde
La unidad de medida de la fuerza en el Sistema Internacional (SI) es el newton N=kg
Cuando se aplica una fuerza sobre un objeto desplazándolo en línea recta una determinada distancia, el trabajo
Como la fuerza se mide en newtons, la unidad del trabajo en el SI es el julio
Cuando la fuerza es constante, el trabajo es proporcional a la distancia recorrida.
Ejemplo 8.23 Si levantamos una pesa de 1 kg desde el suelo hasta una altura de 2 m, la fuerza ejercida es igual y opuesta a la que ejerce la gravedad, es decir,
y el trabajo realizado es
Cuando la fuerza que se aplica sobre el objeto no es constante, sino que viene dada por una función
Como ya se ha visto, cuando el número de subintervalos tiende a
La integral anterior mide el trabajo realizado al aplicar una fuerza en el sentido del desplazamiento, es decir, cuando es positiva.
Ejemplo 8.24 La función
8.11.3 Centro de masas
El centro de masas de un objeto o sistema de objetos es el punto geométrico que dinámicamente se comporta como si en él estuvieran aplicadas las fuerzas que actúan sobre el objeto. En el caso de un sistema discreto, como por ejemplo una palanca sobre la que se coloca un número finito de pesos, como en la figura de más abajo, determinar el centro de gravedad es sencillo, ya que basta aplicar la ley de la palanca de Arquímedes, que establece
Si colocamos las dos masas
que, en realidad, es la media de las posiciones de
Debido a la fuerza de la gravedad, cada objeto ejerce una fuerza sobre la palanca que tiende a rotarla alrededor del punto de apoyo (si el objeto está a la izquierda del punto de apoyo provocará una rotación en sentido antihorario, mientras que si está a la derecha lo hará en sentido horario). Esta efecto de rotación se conoce como momento o torque, y para un objeto de masa
En general, si hay
8.11.3.1 Centro de masas de una varilla con densidad variable
Cuando el sistema contiene infinitos objetos de distintas masas, o se trata de un objeto con una densidad variable, la cosa se complica. Por ejemplo si queremos calcular el centro de masas de una varilla metálica sobre un intervalo
que es el cociente de dos sumas de Riemann. De nuevo, si aumentamos el número de subintervalos, cuando
Ejemplo 8.25 El centro de masas de una varilla situada sobre el intervalo
8.11.3.2 Centro de masas de una región plana con densidad fija
Cuando se tiene una región plana en
Si la región está delimitada por una función
El momento del rectángulo
de manera que podemos aproximar el momento de la región con respecto al eje
y, tomando particiones cada vez con más subintervalos, en el límite cuanto
por lo que se tiene
Del mismo modo, el momento del rectángulo
de manera que podemos aproximar el momento de la región con respecto al eje
y, tomando particiones cada vez con más subintervalos, en el límite cuanto
por lo que se tiene
Ejemplo 8.26 Veamos cómo calcular el centroide del semicírculo de ecuación
Y ahora calculamos el momento con respecto al eje
De manera que
Finalmente calculamos el momento con respecto al eje
y
Luego el centroide es
8.12 Aplicaciones estadísticas
Veremos a continuación otras aplicaciones de la integral más relacionadas con la Estadística.
8.12.1 Cálculo de la media de una función
Resulta sencillo calcular la media de un conjunto finito de números, pero la cosa se complica cuando el conjunto de números es infinito, como por ejemplo, cuando queremos calcular la temperatura media de un día.
En esta sección veremos cómo calcular el valor medio de una función
donde
Cuando el número de subintervalos tiende a
Ejemplo 8.27 El valor medio de la función
Y el valor medio de esta misma función en el intervalo
porque la función seno es positiva en
8.12.2 Cálculo de probabilidades
En Estadística, para modelar la distribución de valores de una variable aleatoria continua se utiliza la función de densidad de probabilidad, que es una función
es no negativa, es decir, para todo en el dominio de la variable aleatoria.El área total comprendida entre la gráfica de
y el eje es 1, es decir,La probabilidad de que la variable aleatoria tome un valor en un intervalo
es es el área comprendida entre la gráfica de y el eje en ese intervalo, es decir,
Ejemplo 8.28 La función
Por tanto, la probabilidad de que la variable aleatoria correspondiente tome un valor en el intervalo
8.12.3 Cálculo de estadísticos
El cálculo de estadísticos de una variable aleatoria continua, como la media, la varianza, la mediana, etc., también se realiza mediante integrales. Por ejemplo, la media de una variable aleatoria
y la varianza mediante la integral
mientras que la mediana es el valor
Ejemplo 8.29 La media de la variable aleatoria con función de densidad de probabilidad
La varianza es
Finalmente, la mediana es
pero