Cálculo Diferencial e Integral II: Criterio de la divergencia y de acotación

Por Miguel Ángel Rodríguez García

3 respuestas

En la sección anterior vimos unas series especiales llamadas series geométricas, donde, dependiendo del valor de $r$ la serie converge o diverge, además, vimos algunas propiedades de las series, lo cual usaremos en adelante. En esta sección veremos algunos teoremas sobre los criterios de divergencia o convergencia de series. Comencemos con anunciando el teorema del criterio de Cauchy.

Criterios de convergencia

Teorema. (Criterio de Cauchy)

La sucesión $\left \{a_{n} \right \}$ es sumable (convergente) si y solo si $\forall \space m, \space n \space \epsilon \space \mathbb{N}$

$$\lim_{m, n \to \infty}(a_{m+1}+a_{m+2}+….+a_{n})=0$$

Para $n>m \geq N$

Demostración:

Utilizando el criterio de Cauchy para sucesiones, como $\left \{a_{n} \right \}$ es sumable $\Leftrightarrow \lim_{n \to \infty} S_{n}$ converge $\Leftrightarrow \forall \space \epsilon >0, \space \exists \space N \space \epsilon \space \mathbb{N}$ tal que si $m, \space n \geq N \Rightarrow |S_{n}-S_{m}|<\varepsilon$

$$\Leftrightarrow |(a_{1}+a_{2}+….+a_{n})-(a_{1}+a_{2}+….+a_{m})|<\varepsilon$$

Como $n>m$, entonces:

$$ =|(a_{1}+a_{2}+….+a_{m}+a_{m+1}+….+a_{n})-(a_{1}+a_{2}+….+a_{m})|\Leftrightarrow |a_{m+1}+….+a_{n}|<\varepsilon$$

$\forall \space n>m$

En particular:

$$\Leftrightarrow |a_{m+1}+….+a_{n}-0|<\varepsilon \Leftrightarrow \lim_{m, n \to \infty}(a_{m+1}+….+a_{n})=0$$

Por tanto, la serie $a_{n}$ es convergente.

$\square$

Teorema. Si la serie $\sum_{n=1}^{\infty}a_{n}$ es convergente, entonces $\lim_{n \to \infty}a_{n}=0$.

Demostración:

Puesto que la serie $\sum_{n=1}^{\infty}a_{n}$ es convergente, la sucesión $\left \{ a_{n} \right \}$ es convergente $\Rightarrow \lim_{n \to \infty}S_{n}$ converge a un numero $L$.

$$\Rightarrow \lim_{n \to \infty}S_{n+1}=L$$

Pero: $$\lim_{n \to \infty}a_{n+1}=\lim_{n \to \infty}\left [ (a_{1}+a_{2}+….+a_{n+1})-(a_{1}+a_{2}+….+a_{n}) \right ]=\lim_{n \to \infty}(S_{n+1}-S_{n})$$

$$\lim_{n \to \infty}(S_{n+1})-\lim_{n \to \infty}(S_{n})=L-L=0$$

$$\therefore \lim_{n \to \infty}a_{n+1}=0$$

Como $a_{n+1}$ converge, entonces también lo hace $a_{n}$.

$$\therefore \lim_{n \to \infty}a_{n} =0$$

$\square$

Nota: En general, el inverso de este teorema no es valido, si $lim_{n \to \infty}a_{n}=0$ no se puede concluir que $\sum_{n=1}^{\infty}a_{n}$ es convergente.

Criterio de la divergencia

Teorema. (La prueba o criterio de la divergencia):

Si $\lim_{n \to \infty}a_{n}$ no existe o si $\lim_{n \to \infty}a_{n}\neq 0$ entonces la serie $\sum_{n=1}^{\infty}a_{n}$ diverge.

La demostración se infiere del teorema anterior porque si la serie no es divergente, entonces es convergente y, por tanto, $\lim_{n \to \infty}a_{n}= 0$.

$\square$

Veamos unos ejemplos.

Ejemplos

  • $$\sum_{n=1}^{\infty }\frac{n}{4n+1}$$

Tomando el límite, obtenemos lo siguiente:

$$\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{1}{4+\frac{1}{n}}=\frac{1}{4}\neq 0$$

Por el criterio de la divergencia:

$$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n}{4n+1} \space diverge$$

  • $$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n!}{2n!+1}$$

Tomamos el límite y multiplicamos por el factor $\frac{\frac{1}{n!}}{\frac{1}{n!}}$, por lo que se tiene que:

$$\lim_{n \to \infty} \frac{n!}{2n!+1}=\lim_{n \to \infty } \frac{\frac{n!}{n!}}{2\frac{n!}{n!}+\frac{1}{n!}}=\lim_{n \to \infty} \frac{1}{2+\frac{1}{n!}}=\frac{1}{2}\neq 0$$

$$\therefore \sum_{i=1}^{\infty}\frac{n!}{2n!+1} \space diverge$$

Existe otro criterio de convergencia llamado el criterio de acotación

Series con términos no negativos

Teorema. (Criterio de acotación)

Una sucesión no negativa $\left \{ a_{n} \right \}$ es sumable, $\Leftrightarrow$ sus sumas parciales $\left \{S_{n} \right \}$ está acotada.

Demostración:

$\Rightarrow \lrcorner $

Si $\left \{ a_{n} \right \}$ es sumable $\Leftrightarrow \lim_{n \to \infty } S_{n}=L$ converge por el teorema visto anteriormente.

Habiamos visto en cálculo 1 que si, converge $S_{n}$ $\Rightarrow S_{n}$ esta acotada.

$\Leftarrow \lrcorner$

Supongamos que $\left \{ S_{n} \right \}$ está acotado, observemos que:

$$S_{n+1}=S_{n}+a_{n+1} \geq S_{n}$$

Ya que:

$$a_{n+1}\geq 0$$

$$\Rightarrow S_{n} \leq S_{n+1} \space\forall \space n \space \epsilon \space \mathbb{N}$$

$\therefore S_{n}$ es creciente y además, está acotado por hipótesis, por cálculo I, si una sucesión es creciente y acotada, entonces se tiene que:

$\Rightarrow \left \{ S_{n} \right \}$ es convergente $\Rightarrow \left \{ a_{n} \right \}$ es sumable.

$\square$

Teorema. Sea $k \space \epsilon \space \mathbb{N}$ fijo. La serie$\sum_{n=k}^{\infty}a_{n}$ converge$\space \Leftrightarrow\sum_{n=0}^{\infty } a_{n}$ converge.

Demostración:

Como la serie converge por hipótesis, entonces:

$$\sum_{n=k}^{\infty }a_{n} \Leftrightarrow \lim_{n \to \infty }(a_{k}+a_{k+1}+…+a_{n}) \Leftrightarrow$$

$$a_{0}+a_{1}+…+a_{k-1}+\lim_{k \to \infty }(a_{k}+a_{k+1}+…+a_{n}) \Leftrightarrow$$

$$\lim_{n \to \infty }(a_{0}+a_{1}+…+a_{k}+a_{k+1}+…a_{n}) \space \space converge$$

$$\Leftrightarrow \sum_{n=0}^{\infty }a_{n} \space \space converge$$

$\square$

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no son para evaluación, pero son ejercicios para que practiques lo aprendido que te ayudaran en el desarrollo del entendimiento del tema, por lo que te invitamos a resolver los siguientes ejercicios propuestos relacionados con el tema visto.

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

Diga si la siguientes series convergen o divergen.

  1. $$\sum_{i=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n}}$$
  2. $$\sum_{i=1}^{\infty}\frac{n^{2}}{5n^{2}+4}$$
  3. $$\sum_{i=1}^{\infty} \frac{-n}{2n+5}$$
  4. $$\sum_{n=0}^{\infty}e^{-2n}$$
  5. $$\sum_{n=1}^{\infty}ln\left ( \frac{1}{n} \right )$$

Más adelante…

En esta sección vimos dos teoremas importantes de criterios de convergencia, el criterio de la divergencia, en el cual nos dice que si el límite de la sucesión es diferente de cero o no existe, entonces la serie diverge, y el criterio de acotación que nos dice la reciprocidad entre una sucesión convergente y la acotación de sus sumas parciales. En la siguiente sección veremos otros dos criterios de acotación, el criterio de comparación y comparación del límite.

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Cálculo Diferencial e Integral II: Series Geométricas

Por Miguel Ángel Rodríguez García

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Introducción

En la sección anterior vimos la definición de sumas parciales y series infinitas, también vimos en que caso se dice que una serie converge o diverge, en esta sección veremos unas series especiales llamadas series geométricas, además, veremos algunas propiedades importantes de las series.

Series geométricas

Las series geométricas son series de la forma:

$$\sum_{n=0}^{\infty }cr^{n}=cr^{0}+cr^{1}+cr^{2}+….+cr^{n}+….$$

Donde $c$ es una constante.

Veamos el teorema siguiente que nos dice en que casos las series geométricas convergen o divergen.

Teorema. Sea $r \space \epsilon \space \mathbb{R}$ entonces la serie:

$$\sum_{n=0}^{\infty }cr^{n}$$

Diverge si $|r|\geq 1$ y converge al valor $\frac{1}{1-r}$ si $|r|<1$.

Demostración: Para demostrar este teorema supongamos que $c=1$, dividamos la demostración por los casos siguientes:

  • Caso $1)$: Si $r=1$.

Vemos que:

$$\sum_{n=0}^{\infty } 1(r)^{n}=\sum_{n=0}^{\infty } 1$$

Entonces:

$$S_{0}=1,$$

$$S_{1}=2,$$

$$….,$$

$$S_{n}=n+1$$

Tomando el límite:

$$\lim_{n \to \infty} S_{n}=\lim_{n \to \infty}n+1\rightarrow \infty$$

Ya que sabemos que:

$$\lim_{n \to \infty} n \to \infty$$

Por tanto, la serie diverge si $r=1$.

$$\therefore \sum_{n=0}^{\infty }1^{n} \rightarrow \infty$$

  • Caso $2)$: Si $r=-1$.

Entonces tenemos que la serie es:

$$\sum_{n=0}^{\infty }r^{n}=\sum_{n=0}^{\infty }(-1)^{n}$$

Ya habíamos visto en un ejemplo de la entrada de series y series infinitas que: $$\sum_{n=0}^{\infty }(-1)^{n}$$

Es una serie oscilante. Por tanto:

$$\sum_{n=0}^{\infty }(-1)^{n}=\sum_{n=0}^{\infty }S_{n} \space \space \space \nexists \lim$$.

Es decir, el límite no existe y, por tanto, diverge.

  • Caso $3)$: Si $r\neq 1$ y $r\neq -1$.

Entonces tenemos que:

$$\sum_{n=0}^{\infty }r^{n}=1+r+r^{2}+….+r^{n}+…$$

Las sumas parciales los calculamos como:

$$S_{n}=1+r+r^{2}+….+r^{n}$$

$$\Rightarrow r\space S_{n}=r+r^{2}+….+r^{n+1}$$

$$\Rightarrow S_{n}-rS_{n}=1-r^{n+1}$$

$$\Rightarrow S_{n}(1-r)=1-r^{n+1}$$

$$\Rightarrow S_{n}=\frac{1-r^{n+1}}{1-r}$$

$$\therefore \sum_{n=0}^{\infty }r^{n}=\lim_{n \to \infty}S_{n}=\lim_{n \to \infty}\frac{1-r^{n+1}}{1-r}=\frac{1}{1-r}\lim_{n \to \infty}(1-r^{n+1}) \tag{1}$$

Para resolver este límite, nuevamente veamos que pasa en cada uno de los siguientes casos:

  • Caso cuando $|r|> 1$:

$$\Rightarrow r>1 \space \space ó \space \space r<-1$$

Si $r>1$:

$$\lim_{n \to \infty} r^{n+1} \to \infty$$

Si $r<-1$:

$$\lim_{n \to \infty}r^{n+1} \space \space \space \nexists$$

$$\therefore \frac{1}{1-r}\lim_{n \to \infty}(1-r^{n+1}) \to \infty$$

Es decir, la serie diverge si $|r|>1$.

  • Caso cuando $|r|<1$:

$$\Rightarrow -1<r<1$$

$$ \Rightarrow \lim_{n \to \infty}r^{n+1}=0$$

Entonces, de la relación $(1)$ se tiene que:

$$\Rightarrow \frac{1}{1-r}\lim_{n \to \infty}(1-r^{n+1})= \frac{1}{1-r} \cdot (1) =\frac{1}{1-r}$$

$$\therefore \sum_{n=0}^{\infty}r^{n}=\frac{1}{1-r}$$

Es decir, la serie converge si $|r|<1$.

$$ \therefore \sum_{n=0}^{\infty }r^{n}= \frac{1}{1-r} $$

Converge si $|r|<1$ y diverge si $|r|\geq 1$.

$\square$

Veamos unos ejemplos.

Ejemplos

Diga si las siguientes series convergen o divergen.

  • $$\sum_{n=0}^{\infty}\left (\frac{1}{2} \right )^{n}$$

Vemos que es una serie geométrica, en este caso $r=\frac{1}{2}$, por lo que, por el teorema anterior, tenemos que:

$$\frac{1}{1-r}=\frac{1}{1-\frac{1}{2}}=2$$

  • $$\sum_{n=0}^{\infty}2^{n}$$

Vemos que $|2|>1$, por el teorema anterior, la serie diverge.

Ahora veamos algunas propiedades de las series que nos serán de utilidad en el resto del curso.

Teorema. Sea $\left \{ a_{n} \right \}$ y $\left \{ b_{n} \right \}$ sucesiones tales que si $\sum_{n=k}^{\infty} a_{n} $ converge y $\sum_{n=k}^{\infty}b_{n}$ converge, entonces:

$1)$ $$\sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}+b_{n})=\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}+\sum_{n=k}^{\infty} b_{n}$$

$2)$ $$\sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}-b_{n})=\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}-\sum_{n=k}^{\infty}b_{n}$$

$3)$ $$\sum_{n=k}^{\infty} Ca_{n}=C \sum_{n=k}^{\infty}a_{n} \space \space \forall \space C\space \epsilon \space \mathbb{R}$$

Demostración:

Sea $\left \{ S_{n} \right \}$, $\left \{ t_{n} \right \}$, $\left \{ w_{n} \right \}$ las sucesiones de las sumas parciales de $a_{n}$, $b_{n}$ y $a_{n}+b_{n}$ respectivamente, por hipótesis $a_{n}$ y $b_{n}$ convergen, por lo que:

$$\sum_{n=k}^{\infty} \left \{ a_{n} \right \} \Rightarrow \lim_{n \to \infty} S_{n} \space \space converge$$

$$\sum_{n=k}^{\infty} \left \{ b_{n} \right \} \Rightarrow \lim_{n \to \infty} t_{n} \space \space converge$$

Demostremos la primera propiedad $1)$.

$$\sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}+b_{n})=\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}+\sum_{n=k}^{\infty} b_{n}$$

Por hipótesis tenemos que:

$$\sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}+b_{n})=\lim_{n \to \infty}w_{n}=\lim_{n \to \infty}(a_{k}+b_{k}+a_{k+1}+b_{k+1}+…..+a_{n}+b_{n})$$

$$=\lim_{n \to \infty} [(a_{k}+a_{k+1}+….+a_{n})+(b_{k}+b_{k+1}+….+b_{n})]=\lim_{n \to \infty} (S_{n}+t_{n})$$

$$=\lim_{n \to \infty}S_{n}+\lim_{n \to \infty}t_{n}=\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}+\sum_{n=k}^{\infty} b_{n}$$

$$\therefore \sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}+b_{n})=\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}+\sum_{n=k}^{\infty} b_{n}$$

$\square$

Demostremos la propiedad $3)$.

$$ \sum_{n=k}^{\infty} Ca_{n}=C \sum_{n=k}^{\infty}a_{n} $$

Sea $\left \{ Y_{n} \right \}$ la sucesión de sumas parciales de $Ca_{n}$

$$\Rightarrow \sum_{n=k}^{\infty}C a_{n}=\lim_{n \to \infty} Y_{n}=\lim_{n \to \infty} [Ca_{k}+Ca_{k+1}+….+Ca_{n}]$$

$$=\lim_{n \to \infty}C(a_{k}+a_{k+1}+….+a_{n})=\lim_{n \to \infty} C S_{n}$$

Y como $S_{n}$ converge, entonces por propiedad de los límites tenemos que:

$$C\lim_{n \to \infty}S_{n}=C\sum_{n=k}^{\infty}a_{n}$$

$$\therefore \sum_{n=k}^{\infty} Ca_{n}=C \sum_{n=k}^{\infty}a_{n}$$

Para la propiedad $2)$ se puede demostrar utilizando las propiedades $1)$ y $3)$, dejándose como ejercicio moral.

Observación: Si $\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}$ y $\sum_{n=k}^{\infty} b_{n}$ no convergen, entonces no siempre se cumple que:

$$\sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}+b_{n})=\sum_{n=k}^{\infty}a_{n}+\sum_{n=k}^{\infty}b_{n}$$

Veamos un ejemplo:

  • $$\sum_{n=0}^{\infty} 7\left ( -\frac{3}{4} \right )^{n}$$

Utilizamos la propiedad $3$, se obtiene que:

$$\sum_{n=0}^{\infty} 7\left ( -\frac{3}{4} \right )^{n}=7\sum_{n=0}^{\infty} \left ( -\frac{3}{4} \right )^{n}$$

Vemos que es una serie geométrica, entonces sea $r=-\frac{3}{4}$, por el teorema de la serie geométrica tenemos:

$$7 \sum_{n=0}^{\infty}\left ( -\frac{3}{4} \right )^{n}=7\frac{1}{1+\frac{3}{4}}=7(\frac{4}{7})=4$$

Series geométricas que no empiezan en $n=0$

Ahora veamos las series geométricas donde la serie no comienza en $n=0$, veamos el teorema siguiente que nos dice en que caso estas series convergen o divergen.

Teorema. Sea $\sum_{n=m}^{\infty}r^{n}$ con $m \neq 0$ entonces: $$\sum_{n=m}^{\infty}r^{n}=\frac{r^{m}}{1-r}$$

Si $|r|<1$

Demostración:

La demostración a este teorema es muy similar a la demostración del primer teorema que vimos en esta sección, por lo que solo veremos el caso cuando $|r|<1$, entonces:

$$\sum_{n=m}^{\infty}r^{n}=\lim_{n \to \infty}\sum_{n=m}^{n}r^{n}=\lim_{n \to \infty}(r^{m}+r^{m+1}+….+r^{m+n})=\lim_{n \to \infty}r^{m}(1+r+…..+r^{n})=r^{m}\frac{1}{1-r}$$

$$\therefore \sum_{n=m}^{\infty}r^{n}=\frac{r^{m}}{1-r}$$

Es decir, la serie converge si $|r|<1$

$\square$

Veamos un ejemplo:

Diga si la siguiente serie converge o diverge.

  • $$\sum_{n=4}^{\infty}\frac{1}{2^{n}}$$

Vemos que es una serie geométrica que no empieza con $n=0$, por lo que $r=\frac{1}{2}<1$ entonces por el teorema anterior obtenemos:

$$\sum_{n=4}^{\infty}\frac{1}{2^{n}}=\frac{(\frac{1}{2})^{4}}{1-\frac{1}{2}}=\frac{1}{8}$$

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no son para evaluación, pero son ejercicios para que practiques lo aprendido que te ayudaran en el desarrollo del entendimiento del tema, por lo que te invitamos a resolver los siguientes ejercicios propuestos relacionados con el tema visto.

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Demuestra que: $$\sum_{n=k}^{\infty} (a_{n}-b_{n})=\sum_{n=k}^{\infty} a_{n}-\sum_{n=k}^{\infty}b_{n}$$.

Diga si la siguientes series convergen o divergen.

  1. $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{2+3^{n}}{5^{n}}$$
  2. $$\sum_{n=1}^{\infty}2^{2n}3^{1-n}$$
  3. $$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{10^{n}}{(-9)^{n-1}}$$
  4. $$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$$

Más adelante…

En esta sección vimos las series geométricas para el caso cuando $n=0$ y $n \neq 0$, así como los casos en donde estas series convergen y divergen. También vimos algunas propiedades importantes de las series que nos serán útiles en el estudio de estas. Veremos en las siguientes secciones criterios de convergencia y divergencia de las series, en la siguiente entrada comenzaremos a estudiar el criterio de la divergencia y de acotación.

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Teoría de los Conjuntos I: Axiomas de existencia, de comprensión y de extensión

Por Gabriela Hernández Aguilar

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Introducción

«Se entiende por un conjunto a la agrupación en un todo de objetos bien diferenciados de nuestra intuición o nuestra mente».

Georg Cantor

Para iniciar tu aventura por la teoría de los conjuntos es importante plantear un sistema axiomático pues en este curso entenderemos por conjunto todo aquello que los axiomas nos permitan obtener como conjunto. Una particularidad de nuestros axiomas es que los elementos de conjuntos siempre serán otros conjuntos y es que de hecho en este curso todo es conjunto.

Axioma de existencia

Para siquiera hablar de conjuntos, es importante garantizar que hay por lo menos un conjunto. El axioma de existencia nos garantiza eso.

Axioma de existencia. Existe un conjunto que no tiene elementos.

Hay diversas formas para describir a un conjunto que no tiene elementos. Una de las propiedades que podemos utilizar es la siguiente:

«$P(x): x\ \text{es un conjunto distinto de sí mismo}$».

Si lo piensas, no existe nadie que cumpla esta propiedad pues cualquier conjunto que demos siempre será igual a sí mismo. Una forma de imaginarnos a este conjunto es pensar en una bolsa que no tenga nada adentro, como se muestra en la siguiente imagen.

Ten cuidado, pues esta manera de pensar a un conjunto sin elementos es informal. Sin embargo, en los ejercicios al final, verás cómo formalizarla.

La siguiente noción importante que nos dan los axiomas es la de igualdad de conjuntos.

Axioma de extensión. $X=Y$ si para cualquier conjunto $x$, $x\in X$ si y sólo si $x\in Y$.

Este axioma nos permite decir cuándo dos conjuntos $X$ e $Y$ son iguales. Esto ocurre cuando todos los conjuntos que son elementos de $X$ también lo son de $Y$ y viceversa.

Definición. Sean $X$ y $Y$ conjuntos. Diremos que $X$ está contenido en $Y$, en símbolos $X\subseteq Y$, si para todo $x\in X$ se tiene $x\in Y$.

Para demostrar la igualdad entre conjuntos, tenemos que probar que $X\subseteq Y$ y $Y\subseteq X$ de acuerdo al axioma de extensión.

Con este axioma y la definición de contención, podemos probar que el conjunto que nos otorga el axioma de existencia es único. Podríamos pensar, a partir de nuestra imagen anterior, que si tenemos dos bolsas de un color distinto que no tengan nada adentro, resultarían en dos conjuntos distintos. Sin embargo, dado que solo nos interesa quienés son los elementos de estas bolsas, si ambas no tienen nada adentro resultará que son iguales.

Antes de realizar la demostración de que el conjunto que nos da el axioma de existencia es único, acordaremos que, para demostrar la igualdad entre conjuntos $x$ y $y$, es necesario demostrar que $x\subseteq y$ y $y\subseteq x$, por lo que para referirnos a que se esta demostrando la primera contención pondremos «$\subseteq$]» al inicio de la prueba y para probar la segunda contención pondremos «$\supseteq$]» al inicio de la prueba.

Previo a realizar la demostración haremos una pausa para hablar acerca del argumento por vacuidad. En la entrada anterior hicimos mención de que las propiedades en el lenguaje de la teoría de los conjuntos nos permitirian describir propiedades que pueden o no satisfacer conjuntos dados.

De esta manera, si consideramos a $z$ como un conjunto sin elementos, la propiedad $\forall x(x\in z\rightarrow \varphi(x))$ es verdadera siempre, pues no hay conjunto $x$ que cumpla la propiedad ya que $z$ no tiene elementos.

Proposición. Existe un único conjunto sin elementos.

Demostración. Sean $A$ y $B$ conjuntos que no tienen elementos, veamos que $A=B$.

$\subseteq$] Por vacuidad, si $x\in A$, entonces $x\in B$, pues no hay nadie en $A$.

$\supseteq$] Por vacuidad, si $x\in B$, entonces $x\in A$, pues no hay nadie en $B$.

Por lo tanto, $A=B$.

$\square$

Definición. Al único conjunto que no tiene elementos le llamaremos conjunto vacío y será denotado por $\emptyset$.

Presentamos el último ingrediente axiomático de esta entrada. En vez de llamarse «axioma» se llama «esquema» pues condensa muchos axiomas, uno por cada propiedad $P$ y cada conjunto $A$.

Esquema de comprensión. Sea $P(x)$ una propiedad. Para cualquier conjunto $A$ existe un conjunto $B$ tal que $x\in B$ si y sólo si $x\in A$ y satisface $P(x)$.

Este esquema nos permite construir conjuntos con elementos de otro conjunto que satisfacen una propiedad. Esto último evitará tener contradicciones como la paradoja del barbero que veremos en la siguiente entrada.

Tarea moral

  1. Da 2 propiedades diferentes tal que para cualquier conjunto que des, no exista un conjunto que las cumpla y nos den otra forma de escribir al conjunto vacío.
  2. ¿Es verdadero o falso $\emptyset\in \emptyset$? Argumenta tu respuesta.
  3. Prueba que si $P(x)$ es una propiedad, para todo conjunto $A$ existe un único conjunto $B$ tal que $x\in B$ si y sólo si $x\in A$ y $P(x)$. (Esto prueba que el conjunto que nos otorga el esquema de comprensión es único).
  4. Imagina que cambiamos el axioma de existencia por «Existe por lo menos un conjunto $X$.» Mediante este nuevo axioma y el esquema de comprensión, demuestra la existencia del conjunto vacío. Como sugerencia usa la discusión intuitiva que dimos del vacío.

Más adelante…

En esta entrada hablamos de axiomas básicos y de construcción, los cuales nos permitirán hablar de nuevos conjuntos, así mismo, con ellos probaremos teoremas importantes de la teoría de los conjuntos. En la siguiente sección, abordaremos una de las famosas paradojas que tiene las matemáticas en esta área, la cual es conocida como la paradoja del barbero o la paradoja de Russell.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Cálculo Diferencial e Integral II: Teorema del valor medio para la integral

Por Moisés Morales Déciga

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Introducción

En una entrada anterior, presentamos un ejemplo de integración por punto medio que sirve como introducción al tema del teorema del valor medio para la integral. En dicho ejemplo, aproximamos la integral mediante sumas de áreas de rectángulos cuyas bases eran todas iguales, y cuya altura estaba dada por la evaluación de una función en el punto medio de cada intervalo.

Esta manera de aproximar una integral usando algún punto arbitrario dentro de cada intervalo de una partición, y haciendo la suma de Riemann correspondiente, será el punto de partida para entender primero a la integral como un promedio, y luego para llevar ese entendimiento más allá y enunciar el teorema del valor medio para la integral. Lo que nos dirá este teorema es que cuando una integral de una función continua exista, entonces dicha integral siempre puede calcularse como la longitud del intervalo de integración, por la evaluación de la función en algún punto del intervalo.

A continuación formalizamos estas ideas.

Función promedio e intuición del teorema del valor medio

Quizás recuerdes la siguiente definición de tu educación básica.

Definición. Sean $z_1,\ldots,z_n$ números reales. Su promedio o media aritmética es el número

$$\frac{z_1 + z_2 + … + z_n}{n}.$$

De manera similar, si tomamos $x_1,\ldots,x_n$ números en un cierto intervalo $[a,b]$ y $f:[a,b]\to \mathbb{R}$, entonces podemos considerar a los valores $f(x_1),\ldots,f(x_n)$ y obtener su promedio:

$$\frac{f(x_1) + f(x_2) + … + f(x_n)}{n} .$$

A esto le llamamos el valor promedio de la función en $x_1,\ldots,x_n$.

Pensemos que tomamos una partición en $n$ partes del intervalo $[a,b]$. La longitud de cada celda sería $\Delta x_i = (b-a)/n$. Si tomamos a los puntos $x_1,\ldots,x_n$, uno en cada celda de dicha partición, entonces tendríamos que

\begin{align*}
\frac{f(x_1) + f(x_2) + … + f(x_n)}{n}&=\frac{b-a}{b-a} \sum_{i=1} ^n \frac{f(x_i)}{n}\\
&=\frac{1}{b-a} \sum_{i=1}^n f(x_i) \Delta x_i.
\end{align*}

A la derecha nos queda una suma de Riemann. Si la función fuera integrable en $[a,b]$, dicha suma convergería a $\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\, dx$ conforme $n\to \infty$ (como recordatorio, revisa la entrada de definición de la Integral). Y el lado izquierdo, conforme $n$ crece, se vuelve el promedio de más y más puntos distribuidos homogéneamente en $[a,b]$. De aquí sale la siguiente intuición: «la integral entre $b-a$ es el valor promedio de la función en todo el intervalo».

Esta intuición es buena y conviene formalizarla con un nombre apropiado.

Definición. Sea $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función acotada e integrable en un intervalo $[a,b]$, con $a<b$ reales. Definimos el promedio de $f$ en $[a,b]$ como el número $$\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\, dx.$$

Observa que podemos poner a esta expresión como un cociente de integrales:

$$\frac{1}{b-a} \int \limits_{a}^{b} f(x) \ dx = \frac{ \int \limits_{a}^{b} f(x) \ dx }{ \int \limits_{a}^{b} 1 \ dx }.$$

Teorema del valor medio para la integral

El teorema del valor medio establece una relación muy importante entre una función continua y promedio en cierto intervalo $[a,b]$.

Teorema. Sea $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función que es continua en el intervalo $[a,b]$, con $a\leq b$ reales. Entonces, siempre existe $\xi\in[a,b]$ tal que

$$ \int \limits_{a}^{b} f(x) dx = f(\xi)(b-a).$$

Si $b>a$, podemos dividir entre $b-a$ y esto quiere decir que siempre podemos encontrar un valor $\xi\in [a,b]$ tal que $f(\xi)$ es igual al promedio de $f$ en $[a,b]$.

Demostración. Si $a=b$, entonces no hay nada que hacer, pues en ambos lados de la igualdad tenemos cero. Así, sean $a<b$ números reales y $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ función continua dentro del intervalo $[a,b]$.

Las funciones continuas tienen valor máximo y mínimo en intervalos cerrados y acotados. Así, existen $x_0$ y $y_0$ en $[a,b]$ tales que $f(x_0) = m$ es el mínimo de la función en el intervalo y, $f(y_0) = M$ es el máximo de la función en el intervalo. Como las funciones constantes son integrables y la integral respeta desigualdades, tenemos que:

\begin{align*}
m(b \ – \ a) &= f(x_0) (b \ – \ a)\\
&=\int_a^b f(x_0)\, dx\\
&\leq \int_a^b f(x)\, dx\\
&\leq \int_a^b f(y_0)\, dx\\
&=f(y_0) (b-a)\\
&=M (b-a).
\end{align*}

Nos importa recuperar de esta cadena de desigualdades que $$m(b-a)\leq \int_a^b f(x)\, dx \leq M(b-a),$$ y por lo tanto $$m\leq \frac{1}{b-a} \int_a^b f(x)\, dx \leq M.$$

De esta manera, $\frac{1}{b-a} \int_a^b f(x)$ es un valor entre $f(x_0)$ y $f(y_0)$. Pero por el teorema del valor intermedio, si una función continua toma dos valores, entonces toma cualquier valor entre ellos. Así, existe $\xi$ entre $x_0$ y $y_0$ tal que $$f(\xi)=\frac{1}{b-a} \int_a^b f(x)\, dx.$$

Multiplicando por $b-a$, obtenemos la igualdad deseada.

$ \square$

Para entender un poco mejor el teorema del valor medio para la integral, veamos un ejemplo.

Ejemplo. Veamos el teorema del valor medio en acción para la función $f(x)=x$ en el intervalo $[3,4]$.

Ya habíamos encontrado el valor de esta integral en la entrada «Definición de la Integral Definida». Dicho valor fue $\frac{7}{2}=3.5$.

Lo que nos diría el teorema del valor medio es que podemos encontrar un punto $\xi \in[3,4]$ tal que Sustituyendo en la expresión encontrada por el teorema, se tiene lo siguiente.

$$f(\xi)(4 \ – \ 3) = \int \limits_{3}^{4} f(x) dx=3.5,$$

es decir, tal que $f(\xi)=3.5$. Y en efecto, dicho punto es justamente $3.5$, pues $f(3.5)=3.5$. Notemos que, tal como se quería, tenemos que $3.5\in [3,4]$. Por lo tanto, el punto $\xi = 3.5 $ dentro del intervalo $[3,4]$ es tal que al evaluarlo en la función, da por resultado el promedio de $f$ en $[3,4]$.

$\triangle$

Teorema del valor medio generalizado para la integral

Hay otra versión del teorema del valor medio que generaliza la noción de promedio. Quizás en tu educación básica cursaste una materia en donde el $30\%$ de tu calificación eran tareas, el $20\%$ era participaciones y el $50\%$ el examen. En este caso, si sacaste $x,y,z$ en las tareas, participaciones y examen respectivamente, entonces tu calificación final era $0.3 x + 0.2 y + 0.5 z$. Este tipo de promedios en donde distintos números tienen distinto valor quedan reflejados en la siguiente definición.

Definición. Sean $z_1,\ldots,z_n$ números reales y $p_1,\ldots,p_n$ números positivos. La media aritmética ponderada con dichos pesos es el número real $$\frac{p_1z_1+p_2z_2+\ldots+p_nz_n}{p_1+p_2+\ldots+p_n}.$$

El promedio se recupera eligiendo todos los pesos $p_i$ iguales a $1$, es decir, dando la misma ponderación para todos los valores que tenemos dentro del conjunto, independientemente del valor que hayan tenido. Las medias aritméticas son importantes pues aparecen en las aplicaciones. Por ejemplo, en física podemos pensar que los $p_i$ son pesos de partículas localizadas en los puntos $z_i$. En este caso la media aritmética ponderada representará el centro de gravedad de dichos objetos.

Estas ideas pueden llevarse al contexto continuo. Se pueden pensar en las ideas del teorema del valor medio, pero donde ahora en cada punto ponderaremos de acuerdo a una función peso. Esto hará que ahora distintos puntos tengan distinta preferencia, y que a su vez ya no se tenga una media aritmética, sino una media aritmética ponderada.

Definición. Sea $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función integrable en $[a,b]$ y sea $p:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función integrable en $[a,b]$ y no negativa, con integral positiva. Definimos el promedio ponderado de $f$ como el número

$$\frac{\int_a^b f(x) p(x) \, dx}{\int_a^b p(x)\, dx}.$$

Se puede demostrar el siguiente teorema, que generaliza al teorema del valor medio para la integral.

Teorema. Sea $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función continua en $[a,b]$ y sea $p:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función continua en $[a,b]$ y no negativa, con integral positiva. Entonces existe un valor $\xi\in [a,b]$ tal que:

$$\int \limits_{a}^{b} f(x) \ p(x) \ dx = f(\xi) \ \int \limits_{a}^{b} p(x) \ dx .$$

Observación. Si $p(x)$ es la función constante $1$, recuperamos el teorema del valor medio para la integral.

Ya tienes todas las herramientas para probar esta generalización. ¡Te espera en los problemas!

Más adelante…

A partir de la definición de la integral mediante sumas se obtienen teoremas y propiedades que nos permiten simplificar el cálculo de la integral y tener herramientas para resolver problemas mediante diferentes métodos.

Este teorema nos permite calcular la integral a partir del punto medio del intervalo, simplificando el proceso ya que no es necesario determinar el ínfimo o el supremo de cada partición.

Un poco después veremos algunas aplicaciones de este teorema. Será de suma importancia cuando enunciemos y mostremos los teoremas fundamentales del cálculo.

Tarea moral

  1. Encuentra el valor promedio la función dada, en el intervalo dado. Luego, encuentra un valor $\xi$ en el intervalo dado tal que $f(\xi)$ sea la integral que encontraste.
    • $f(x)=1 + x^2$ en $[-1,2]$.
    • $f(x)=\sqrt x$ en el intervalo $[0,4]$.
    • $f(x)=1+2x-x^2$ en el intervalo $[-2,2]$.
  2. Determina el valor promedio ponderado de las siguientes funciones, usando la función ponderación dada.
    • $f(x)=1+x^2$ en $[-1,2]$, con función ponderación $p(x)=x+1$.
    • $f(x)=4x^2 – 2x$ en $[1,4]$, con función ponderación $p(x)=3$.
    • $f(x)=(x-3)^2$ en en $[2,5]$, con función ponderación $p(x)=x-2$.
  3. Demuestra el teorema del valor medio generalizado para la integral.
  4. El teorema del valor medio es falso en general si la función no es continua. Considera la siguiente función $$f(x)=\begin{cases} 0 & \text{si $x\in [0,1]$}\\ 1 & \text{si $x\in[1,3].$}\end{cases}$$
    • Demuestra que esta función es integrable en $[0,3]$.
    • Encuentra explícitamente el valor de esa integral mediante la definición.
    • Muestra que no existe ningún $\xi\in [0,3]$ tal que $f(\xi)=\frac{1}{3-0} \int_a^b f(x)\, dx.$
  5. Sea $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ una función continua y tal que $f(x)\geq 3$ para todo $x$ en cierto intervalo $[a,b]$. Demuestra que si el promedio de $f$ en $[a,b]$ es $3$, entonces $f(x)=3$ para todo $x\in [a,b]$. ¿Fue importante que el número fuera $3$? Enuncia y demuestra una generalización.

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Cálculo Diferencial e Integral II: Definición de la integral definida

Por Moisés Morales Déciga

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Introducción

En la entrada anterior se introdujo el problema de calcular el área que se encuentra en una región delimitada por ciertas líneas verticales, el eje $x$ y la gráfica de una función. Hablamos de cómo aproximar esta área cuando la función es «bien portada», pero aún no hemos dicho a qué se refiere esto. En esta entrada haremos una formalización de este concepto mediante la definición de integral definida.

La intuición que puedes tener a lo largo de la entrada es que para poder hablar de que una función sea integrable en cierto intervalo, intuitivamente necesitamos que las sumas de Riemann convergan a un valor conforme hacemos las celdas tender a cero en longitud. Esto diría que sin importar cómo hagamos la partición, las sumas de Riemann deben converger a un mismo valor conforme la partición se hace más y más fina. En particular, necesitaremos que las sumas superiores e inferiores cumplan esto. Como en ellas entendemos bien qué pasa con los refinamientos, entonces nos conviene más dar la definición en términos de ellas. Es lo más conveniente y, en particular, implica lo anterior.

Integral definida de Riemann

La definición clave que estudiaremos es la siguiente.

Definición. Sean $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una funcion acotada y $a\leq b$ reales. Sea $\mathbf{P}$ el conjunto de las particiones de $[a,b]$. Definimos

\begin{align*}
\underline{S}(f) & = \sup \lbrace \underline{S(f,P)} \ | P \in \mathbf{P} \rbrace\\
\overline{S}(f) &= \inf \lbrace \overline{S(f,P)} \ | P \in \mathbf{P} \rbrace,
\end{align*}

es decir al supremo de las sumas inferiores y al ínfimo de las sumas superiores sobre todas las particiones posibles de $[a,b]$. Diremos que existe la integral definida de Riemann para $f$ en el intervalo $[a,b]$ si

$$ \underline{S(f)} = \overline{S(f)}.$$

En este caso, a este valor en común lo denotamos por $$\int \limits_{a}^{b} f(x) dx.$$

En otras palabras, para que $f$ sea integrable, necesitamos que el ínfimo de las sumas superiores sea igual al supremo de las sumas inferiores. A veces también decimos que $f$ es Riemann integrable en $[a,b]$ o, si el contexto es claro, simplemente que es integrable.

No todas las funciones son Riemann integrables. Hacia el final de esta unidad daremos ejemplos de funciones que no lo son. Sin embargo, por ahora nos enfocaremos en ver algunos ejemplos que sí son Riemann integrables y probar propiedades de la integral definida en los casos en los que sí exista.

Ejemplo de integral definida

Veamos un ejemplo sencillo de cómo se verifica la definición de integral definida.

Ejemplo. Tomemos la función $f:[0,1]\to \mathbb{R}$ dada por $f(x)=x$. Veamos que dicha función es integrable en el intervalo $[0,1]$. Para ello, demos la partición $P_n$ homogénea del intervalo $[0,1]$ en celdas de longitud $1/n$, con $n$ un entero positivo. Si hacemos esto, las celdas de la partición son

$$[0,1/n],[1/n,2/n],\ldots[(n-1)/n,1].$$

Los supremos de los valores de $f$ en dicho intervalo son

$$1/n, 2/n, \ldots, 1,$$

y los ínfimos son

$$0,1/n, \ldots, (n-1)/n.$$

De este modo, para esta partición la suma superior sería

\begin{align*}
\overline{S} (f,P_n) &= \frac{1}{n}\left(\frac{1}{n}+\frac{2}{n}+\ldots+\frac{n}{n}\right)\\
&=\frac{1}{n^2}(1+2+\ldots+n)\\
&=\frac{n(n+1)}{2n^2}\\
&=\frac{1}{2}+\frac{1}{2n}.
\end{align*}

y la suma inferior sería

\begin{align*}
\underline{S} (f,P_n) &= \frac{1}{n}\left(\frac{0}{n}+\frac{2}{n}+\ldots+\frac{n-1}{n}\right)\\
&=\frac{1}{n^2}(0+1+2+\ldots+(n-1))\\
&=\frac{(n-1)n}{2n^2}\\
&=\frac{1}{2}-\frac{1}{2n}.
\end{align*}

La sucesión de números $\frac{1}{2}+\frac{1}{2n}$ se acerca tanto como queramos a $\frac{1}{2}$ por arriba. Como el ínfimo $\overline{S}(f)$ que estamos buscando es cota inferior de todas las sumas inferiores, en particular es de estas que vienen de particiones homogéneas. Así, $\overline{S}(f)\leq \frac{1}{2}$. Pero además, por una proposición de la entrada anterior sabemos que cualquier suma inferior es cota inferior de todas las sumas inferiores. Como $\overline{S}(f)$ es la mayor cota inferior, tenemos que $\overline{S}(f)\geq \frac{1}{2}-\frac{1}{2n}$ para todo $n$, y entonces $\overline{S}(f)\geq \frac{1}{2}$. Todo esto nos permite concluir que $\overline{S}(f)=\frac{1}{2}$.

De manera totalmente análoga (que te sugerimos argumentar cuidadosamente), se tiene que $\underline{S}(f)=\frac{1}{2}$. Concluimos entonces que $f$ es integrable en $[0,1]$ y que $$\int_0^1 f(x)\, dx = \frac{1}{2}.$$

$\triangle$

Aunque este ejemplo tuvo un intervalo y una función muy sencillas, se volvió algo elaborado justificar la parte de los ínfimos y supremos. Es por ello que nos conviene enunciar y demostrar algunos resultados sobre funciones integrables que nos permitirán determinar la integrabilidad con más comodidad.

Integral definida mediante particiones homogéneas y la condición de Riemann

Lo primero que haremos es demostrar que para que una función sea integrable, nos basta estudiar a las particiones homogéneas.

Teorema. Sean $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una funcion acotada y $a\leq b$ reales. Sea $P_n$ la partición homogéneas del intervalo $[a,b]$ en $n$ partes. Supongamos que se da la siguiente igualdad de límites:

$$\lim_{n\to \infty} \overline{S}(f,P_n) = \lim_{n\to \infty} \underline{S}(f,P_n).$$

Entonces, la integral existe y es igual a ese límite en común.

Demostración. $\Leftarrow)$ La demostración sigue argumentos muy parecidos al ejercicio que presentamos como ejemplo arriba. Supongamos que los límites para las particiones homogéneas existen y son iguales a $L$. Estudiemos $\overline{S}(f)$. Por ser ínfimo de todas las sumas superiores, tendríamos en particular para las particiones homogéneas que $$\overline{S}(f)\leq \overline{S}(f,P_n),$$

para todo entero positivo $n$. Haciendo tender $n$ a infinito, obtenemos $\overline{S}(f) \leq L$. Por otro lado, sabemos que cualquier suma inferior es cota inferior de cualquier suma superior, en particular, cada $\underline{S}(f,P_n)$ es una de estas cotas inferiores. Como $\overline{S}(f)$ es la mayor de las cotas inferiores, tendríamos que $$\overline{S}(f)\geq \underline{S}(f,P_n).$$

Haciendo tender $n$ a infinito, obtenemos $\overline{S}(f)\geq L$. Así, $\overline{S}(f)=L$. Un argumento análogo demuestra que $\underline{S}(f)=L$, y por lo tanto la función es integrable en $[a,b]$.

$\square$

Un siguiente resultado importante es la condición de Riemann, que nos dice que para que una función sea integrable, nos basta encontrar una partición en donde la suma superior y la inferior estén tan cerca como querramos. A esto se le conoce como la condición de Riemann.

Teorema. Sean $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una funcion acotada y $a\leq b$ reales. Se tiene que $f$ es integrable en $[a,b]$ si y sólo si para todo $\epsilon >0$ existe una partición $P_\epsilon$ tal que:

$$\overline{S}(f,P_\epsilon) \ – \ \underline{S}(f,P_\epsilon) < \epsilon .$$

Demostración. $\Rightarrow )$ Sea $f$ integrable. Debemos mostrar que para cada $\epsilon>0$ existe una partición $P_\epsilon$ tal que $$\overline{S}(f,P_\epsilon) \ – \ \underline{S}(f,P_\epsilon) < \epsilon.$$

Para ello, tomemos $\epsilon^*=\epsilon/2$. Como $\overline{S}(f)$ es ínfimo de las sumas superiores, entonces $\overline{S}(f)+\epsilon^\ast$ ya no es cota inferior para dichas sumas superiores, por lo que existe una partición $P$ tal que $\overline{S}(f,P) < \overline{S}(f)+\epsilon^*$. Así mismo, existe una partición $P’$ tal que $\underline{S}(f,P’) > \underline{S}-\epsilon^*$. Si $P_\epsilon$ es un refinamiento mutuo de $P$ y $P’$, tendríamos entonces que

\begin{align*}
\overline{S}(f,P_\epsilon)&<\overline{S}(f,P)<\overline{S}(f)+\epsilon^*\\
\underline{S}(f,P_\epsilon)&>\underline{S}(f,Q)>\underline{S}(f)-\epsilon^*.
\end{align*}

Multiplicando la segunda igualdad por $-1$ y sumando ambas, obtenemos entonces que

\begin{align*}
\overline{S}(f,P_\epsilon) \ – \ \underline{S}(f,P_\epsilon) &< \overline{S}(f) + \epsilon^* \ – \ \underline{S}(f) + \epsilon^* \\
&= 2 \epsilon^* \\
&= \epsilon .
\end{align*}

Aquí usamos que $\overline{S}(f)=\underline{S}(f)$ por ser $f$ integrable.

$\Leftarrow)$ Supongamos ahora que para todo $\epsilon$ se puede encontrar la partición $P_\epsilon$ que satisface $\overline{S}(f,P_\epsilon) \ – \ \underline{S}(f,P_\epsilon) < \epsilon$. Veremos que a partir de esto se puede probar que $ \overline{S}(f) = \underline{S}(f) .$

Por ser $\overline{S}(f)$ el ínfimo de todas las sumas superiores, se tiene que

$$\overline{S}(f,P_\epsilon) > \overline{S}(f) .$$

$$ \underline{S}(f,P_\epsilon) < \underline{S}(f) \Longrightarrow – \underline{S}(f,P_\epsilon) > – \underline{S}(f) .$$

$$\Longrightarrow \epsilon > \overline{S}(f,P_\epsilon) \ – \ \underline{S}(f,P_\epsilon) > \overline{S}(f) \ – \ \underline{S}(f) .$$

Y $\epsilon$ es tan pequeño como lo queramos, por lo tanto.

$$ \overline{S}(f) = \underline{S}(f) .$$

$\square$

Ejemplos de integral definida con los resultados que probamos

Veamos algunos ejemplos de cómo utilizar los resultados que acabamos de mostrar para demostrar que ciertas integrales definidas existen, y para encontrar su valor.

Ejemplo. Calculemos la integral de la función $f(x)=x$ en el intervalo $[3,4]$

Usaremos la técnica de los límites de las particiones homogéneas. Estudiaremos con detalle el caso de las sumas superiores y dejaremos el de las inferiores como ejercicio. Si la partición $P_n$ del intervalo $[a,b]$ es homogénea y en $n$ partes, las celdas tienen longitud $\frac{b-a}{n}$ y entonces son:

$$\left[a,a+\frac{b-a}{n}\right], \left[a+\frac{b-a}{n}, a+2\frac{b-a}{n}\right], \ldots, \left[a+(n-1)\frac{b-a}{n},b\right].$$

La función $f(x)=x$ es creciente, y entonces los máximos se alcanzan al final de cada intervalo. Así, para el intervalo $[3,4]$ tenemos:

\begin{align*}
\overline{S}(f,P_n)&=\sum_{i=1}^{n} f \left( 3+i \cdot \frac{4-1}{n} \right) \frac{4-3}{n}\\
&=\sum_{i=1}^{n} \left(3+ \frac{i}{n}\right) \frac{1}{n}\\
&=\sum_{i=1}^{n} \left(\frac{3}{n}+ \frac{i}{n^2}\right)\\
&=\sum_{i=1}^{n} \left(\frac{3}{n}\right) + \sum_{i=1}^{n} \left(\frac{i}{n^2}\right)\\
&=\frac{3}{n} \cdot n + \frac{1}{n^2} \sum_{i=1}^n i\\
&=3 + \frac{n(n+1)}{2n^2} \\
&=3 + \frac{1}{2} + \frac{1}{2n}\\
&=\frac{7}{2}+\frac{1}{2n}.
\end{align*}

De este modo,

$$\lim_{n\to\infty} \overline{S}(f,P_n) = \lim_{n\to\infty} \left(\frac{7}{2} + \frac{1}{2n}\right) = \frac{7}{2}.$$

Por tu cuenta, revisa que que también se cumple lo siguiente

$$\lim_{n\to\infty} \underline{S}(f,P_n) = \frac{7}{2}.$$

Así, por la proposición que mostarmos arriba, tenemos que la integral en el intervalo $[3,4]$ existe y por lo tanto:

$$ \int \limits_{3}^{4} x \, dx = \frac{7}{2}.$$

$\triangle$

Ejemplo. Ahora calculemos la integral de la función $f(x)=-x^2 + 3$ en el intervalo $[1,3]$ . Al hacer una figura, obtenemos la siguiente gráfica.

Observa que en este caso tenemos 2 áreas: del eje $x$ y otra por debajo del eje $x$. Todo lo que hemos hecho funciona tanto para funciones positivas, como negativas. Pero obtendremos algo interesante de la conclusión de este problema.

Para ver que la integral existe, usaremos nuevamente la técnica de las particiones homogéneas. Ahora haremos las sumas inferiores. Como la función es decreciente, los valores más chicos aparecen al final de cada intervalo. Tenemos entonces que:

\begin{align*}
\underline{S}(f,P)&=\sum_{i=1}^{n} \left( – \ \left( 1+i\cdot \left(\frac{3-1}{n}\right) \right)^2+3 \right) \left(\frac{3-1}{n} \right) \\
&=\sum_{i=1}^{n} \left(- \ \left(1+i\cdot \left(\frac{2}{n}\right)\right)^2+3\right) \left(\frac{2}{n}\right)\\
&=\sum_{i=1}^{n} \left( – \ \left(1+ \frac{4i}{n} + \frac{4 i^2}{n^2}\right)+3\right) \left(\frac{2}{n}\right)\\
&=\sum_{i=1}^{n} \left(\frac{ 4}{n} – \frac{8i} {n^2} – \frac{8 i^2}{n^3}\right)\\
&=\frac{4}{n} \sum_{i=1}^{n} – \frac{8}{n^2} \sum_{i=1}^{n} i – \frac{8}{n^3}\sum_{i=1}^{n} i^2\\
&=\frac{4}{n} \cdot n – \frac{8}{n^2} \frac{n(n+1)}{2} – \frac{8}{n^3} \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} \\
&=4 \ – \ \frac{8n^2}{2n^2} \ – \ \frac{8n}{2n^2} \ – \ \frac{8 \cdot 2n^3}{6n^3} \ – \ \frac{8 \cdot 3n^2}{6n^3} \ – \ \frac{8n}{6n^3} \\
&= – \ \frac{8}{3} \ – \ \frac{8n}{2n^2} \ – \ \frac{8 \cdot 3n^2}{6n^3} \ – \ \frac{8n}{6n^3} .
\end{align*}

Así, $$\lim_{n\to\infty} \underline{S}(f,P)=-\frac{8}{3}.$$

Se puede mostrar que el límite de las sumas superiores para las particiones homogéneas también es $-\frac{8}{3}$ (verifícalo), así que la integral buscada tiene este valor. De esta forma,

$$ \int \limits_{1}^{3} -x^2 +3 \, dx = – 8/3 .$$

$\triangle$

¿Áreas negativas?

Se comentó que la integral se utiliza para el cálculo de áreas bajo la curva, entonces, ¿Por qué el resultado del ejemplo anterior es negativo? ¿Hay áreas negativas? Intuitivamente, no debería haber áreas negativas. Sin embargo, el procedimiento que usamos para definir a la integral definida sí nos puede dar números negativos. Puedes pensarlo como sigue: el área que estamos calculando va del eje $x$ a la gráfica de la función $f$. Si esa gráfica está por debajo, entonces estámos yendo en dirección negativa. En el último ejemplo hay tanto una región por encima del eje $x$, como una por debajo. El número que nos salió es la diferencia de ambas áreas: el área por arriba del eje $x$, menos el área por debajo del eje $x$. Como el resultado que obtuvimos fue negativo, entonces el área por debajo del eje $x$ era mayor en magnitud.

Esta es una propiedad un poco antintuitiva, pero es importante preservarla. El cálculo de áreas es sólo una de las aplicaciones que tiene la integral. En otras aplicaciones, es importante que la integral mida qué tanto estuvimos por encima del eje $x$ y qué tanto estuvimos por debajo.

¿Y si queremos realmente entender la suma de las dos áreas de la figura y no la resta? En ese caso, tendremos que hacer una figura para entender cómo hacer las cuentas. Si hay área que está por debajo del eje $x$, deberemos agregar un signo $-$ para contarla correctamente como área positiva. Pero entonces tendremos que partir nuestro intervalo de integración en varios intervalos de acuerdo a cuándo la gráfica de $f$ cruza al eje $x$.

Con esto en mente, retomemos el ejemplo anterior.

Ejemplo. Encontremos el área en valor absoluto que genera la función $f(x)=-x^2 + 3$ en el intervalo $[1,3]$.

Lo primeo que haremos es obtener el punto donde la función cruza al eje $x$. Para ello, se requiere que $-x^2+3=0$, que en dicho intervalo sucede en $x=\sqrt{3}$.

Una vez encontrado el punto raíz o la raíz de la función, ahora podemos partir el área absoluta que nos interesa en dos intervalos: el $[1,\sqrt{3}]$ y el $[\sqrt{3},3]$.

Pensando en que queremos calcular el área absoluta, necesitamos dividir la formula que se planteó anteriormente en los intervalos correspondientes, y en el intervalo $[\sqrt{3},3]$ será necesario agregar un signo menos para que el área que se calcula como negativa, ahora se cuente de manera positiva. De esta manera, tendríamos:

$$ F_1^3 = \int \limits_{1}^{\sqrt 3} -x^2 +3 \, dx \ – \ \int \limits_{\sqrt 3}^{3} -x^2 +3 \, dx .$$

Ahora queda replicar el proceso que vimos en la suma anterior con estos 2 nuevos intervalos y juntarlos considerando el cambio de signo. Desarrollando los cálculos, se encuentra que el área generada por la función es de:

$$F_1^ 3= 4 \sqrt 3 \ – \ \frac{8}{3}.$$

$\triangle$

Nota. En este ejemplo partimos el intervalo en dos subintervalos, pero el intervalo puede quedar partido tantas veces como la función $f$ lo requiera, de acuerdo a la cantidad de veces que se cruza el eje $x$.

Más adelante…

En esta entrada dimos la definición formal de que una función sea integrable en cierto intervalo. O mejor dicho, que sea Riemann integrable. En cursos más avanzados de matemáticas se definen y estudian otras nociones de integrabilidad, pero por ahora esta es la que nos interesa. Para que la integral de Riemann exista, necesitamos que coindidan el ínfimo de las sumas superiores y el supremo de las sumas inferiores de la función dada. En ese caso, el valor de la integral es ese valor en común.

Ya dada la definición, dimos algunos resultados que nos ayudarán a determinar cuándo una función es integrable. En siguientes entradas daremos más propiedades que nos ayudarán entender mejor la integrabilidad y la integral. Varias entradas despuésse hablará de las integrales indefinidas y del teorema fundamental del cálculo, que daran pie a numerosas técnicas de integración.

Lo último que hicimos en esta entrada es notar que hay casos en donde el valor de la integral que se encuentra es negativo. Esto contradice un poco nuestra intuición de que la integral es un área. Sin embargo, ya platicamos qué hacer en este caso si queremos realmente el «área positiva». Seguiremos explorando esta idea de integrales negativas un poco más adelante. Por ahora, lo que puedes hacer es identificar los intervalos en los que la función tiene determinado signo.

Tarea moral

  1. Completa las cuentas que quedaron pendientes en cada uno de los ejercicios.
  2. Expresa la siguiente expresión como una integral en el intervalo $[0,\pi]$. $$\lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^n (x_i^3 + x_i ~ sin (x_i)) \triangle x .$$
  3. Encuentra el área delimitada por la curva $f(x)=x^2 +2 $ y el eje $x$ en el intervalo $[1,4]$.

4. Encuentra el valor del área delimitada por la gráfica de la función$f(x)= x^3-6x$ en el intervalo $[0,3]$, que es la zona sombreada. Realiza las cuentas tanto con áreas absolutas, tanto con áreas con signo.

5. Encuentra el área de la función $f(x)=\sqrt {1-x^2}$ en el intervalo $[0,1]$.

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