| | | |

Cálculo I

5 Integración

Ayuda a mantener el sitio libre, gratuito y sin publicidad. ¡Colabora!

5.2 Propiedades de integración

En la Sección5.1, vimos que la integral definida de una dada función f en un intervalo [a,b] está asociada al área (neta) entre su gráfico y las rectas y=0, x=a y x=b. Consultemos la Figura5.2.

Con base en esta noción geométrica, podemos inferir las siguientes propiedades de integración para funciones integrables f y g:

  1. a)

    Integral degenerada

    aaf(x)𝑑x=0 (5.26)
  2. b)

    Multiplicación por escalar

    abkf(x)𝑑x=kabf(x)𝑑x (5.27)
  3. c)

    Suma/resta

    ab[f(x)±g(x)]𝑑x=abf(x)𝑑x±abg(x)𝑑x (5.28)
  4. d)

    Superposición/concatenación de intervalos

    abf(x)𝑑x=acf(x)𝑑x+cbf(x)𝑑x (5.29)
  5. e)

    Cotas inferior y superior

    mı´nx[a,b]{f(x)}(b-a)abf(x)𝑑xma´xx[a,b]{f(x)}(b-a) (5.30)
Ejemplo 5.2.1.

Sean f y g funciones integrables tales que

-14f(x)𝑑x=2, (5.31)
45f(x)𝑑x=3, (5.32)
-14g(x)𝑑x=-1 (5.33)

Entonces, veamos los siguientes casos:

  1. a)

    4-1g(x)𝑑x=--14g(x)𝑑x (5.34)
    =-(-1)=1 (5.35)
  2. b)

    -1-14f(x)𝑑x=0 (5.36)
  3. c)

    -14-2g(x)dx=-2-14g(x)𝑑x (5.37)
    =2 (5.38)
  4. d)

    -14[f(x)-2g(x)]𝑑x=-14f(x)𝑑x--142g(x)𝑑x (5.39)
    =2-2-14g(x)dx (5.40)
    =2+2=4 (5.41)
  5. e)

    -15f(x)𝑑x=-14f(x)𝑑x+45f(x)𝑑x (5.42)
    =2+3=5 (5.43)
Ejemplo 5.2.2.

Recordando que -1senx1, tenemos por la propiedad e) anterior que

2πmı´nx[-π,π]{sen(x)}-ππsen(x)dx2πma´xx[-π,π]{sen(x)} (5.44)
-2π-ππsen(x)dx2π (5.45)

5.2.1 Teorema del valor medio

Con base en la noción de integral, se define la media de una función f en el intervalo [a,b] por

1b-aabf(x)𝑑x, (5.46)

en caso de que f sea integrable en dicho intervalo.

Teorema 5.2.1.(Teorema del valor medio para integrales)

Si f es continua en [a,b], entonces existe c[a,b] tal que

f(c)=1b-aabf(x)𝑑x (5.47)
Demostración.

Veamos una idea de la demostración. Por la propiedad e) de integración anterior, tenemos

mı´nx[a,b]{f(x)}1b-aabf(x)𝑑xma´xx[a,b]{f(x)} (5.48)

Ahora, por el teorema del valor intermedio (Teorema2.6.1), tenemos que f asume todos los valores entre sus valores mínimo y máximo. Por tanto, existe c[a,b] tal que

f(c)=1b-aabf(x)𝑑x (5.49)

Ejemplo 5.2.3.

Sea f una función continua en [a,b], ab, y

abf(x)𝑑x=0, (5.50)

entonces f tiene al menos un cero en ese intervalo. De hecho, por el teorema del valor medio para integrales, existe c[a,b] tal que

f(c)=1b-aabf(x)𝑑x (5.51)
=1b-a0=0 (5.52)

5.2.2 Teorema fundamental del cálculo, parte I

Sea f una función integrable y F la función definida por

F(x)=axf(t)𝑑t, (5.53)

para algún número real dado a.

Teorema 5.2.2.(Teorema fundamental del cálculo, parte I)

Si f es continua en [a,b], entonces la función

F(x)=axf(t)𝑑t (5.54)

es continua en [a,b] y diferenciable en (a,b), siendo

F(x)=ddxaxf(t)𝑑t=f(x) (5.55)
Demostración.

Veamos la idea de la demostración. Por la definición de derivada, tenemos

F(x)=lı´mh0F(x+h)-F(x)h (5.56)
=lı´mh01h[ax+hf(x)dx-axf(x)dx] (5.57)
=lı´mh01hxx+hf(x)dx (5.58)

Ahora, por el teorema del valor medio para integrales (Teorema5.2.1), existe ch[x,x+h] tal que

f(ch)=1x+h-xxx+hf(x)𝑑x (5.59)
=1hxx+hf(x)dx (5.60)

Observemos que chx cuando h0 y, por lo tanto, tenemos

F(x)=lı´mh01hxx+hf(x)𝑑x (5.61)
=lı´mh0f(ch) (5.62)
=f(x) (5.63)

Ejemplo 5.2.4.

Veamos los siguientes casos:

  1. a)

    ddx1xt2𝑑t=x2 (5.64)
    Código 82: Python
    1importsympyassym
    2fromsympy.abcimportx,t
    3sym.diff(sym.integrate(t**2,(t,1,x)))
    x**2
  2. b)

    ddx0xsen(t)dt=sen(x) (5.65)

5.2.3 Integral indefinida

La parte I del teorema fundamental del cálculo (Teorema5.2.2) muestra que la integral de una función f (continua) es una función F tal que

F(x)=f(x) (5.66)

Decimos que F es una primativa de la función f.

Observemos que si F es una primitiva de f, entonces

G(x)=F(x)+C (5.67)

también es primitiva de f para cualquier constante C, es decir

G(x)=(F(x)+C) (5.68)
=F(x)+(C) (5.69)
=f(x)+0 (5.70)
=f(x) (5.71)

Además, del Corolario4.3.2 del teorema del valor medio para derivadas, tenemos que cualesquiera dos primitivas de una misma función difieren solo en una constante.

Con esto, definimos la integral indefinida de f respecto a x por

f(x)𝑑x=F(x)+C, (5.72)

donde F es cualquier primitiva de f y C una constante indeterminada.

Ejemplo 5.2.5.

Veamos los siguientes casos:

  1. a)

    𝑑x=x+C

    Código 83: Python
    1fromsympyimportSymbol,integrate
    2x=Symbol('x')
    3integrate(1,x)
    x
  2. b)

    2x𝑑x=x2+C

  3. c)

    cos(x)𝑑x=sen(x)+C

  4. d)

    ex𝑑x=ex+C

5.2.4 Teorema fundamental del cálculo, parte II

Teorema 5.2.3.(Teorema fundamental del cálculo, parte II)

Si f es continua en [a,b] y F es cualquier primitiva de f, entonces

abf(x)𝑑x=F(b)-F(a) (5.73)
Demostración.

Veamos la idea de la demostración. La parte I del teorema fundamental del cálculo (Teorema5.2.2) nos garantiza la existencia de

G(x)=axf(t)𝑑t (5.74)

Sea, entonces, F una primitiva cualquiera de f. Luego,

F(b)-F(a)=[G(b)+C]-[G(a)+C] (5.75)
=G(b)-G(a) (5.76)
=abf(t)dt-aaf(t)dt (5.77)
=abf(t)dt (5.78)

Ejemplo 5.2.6.

Veamos los siguientes casos:

  1. a)

    01𝑑x=x|01 (5.79)
    =1-0=1 (5.80)
    Código 84: Python
    1fromsympyimportSymbol,integrate
    2x=Symbol('x')
    3integrate(1,(x,0,1))
    1
  2. b)

    01x𝑑x=x22|01 (5.81)
    =122-022=12 (5.82)
  3. c)

    -π2π2cos(x)𝑑x=sen(x)|-π2π2 (5.83)
    =sen(π2)-sen(-π2) (5.84)
    =2 (5.85)
Observación 5.2.1.(Permutación de los límites de integración)

Del teorema fundamental del cálculo, parte II, tenemos

abf(x)𝑑x=-baf(x)𝑑x (5.86)

Es decir, el valor de la integral definida cambia de signo al permutar sus límites de integración. De hecho, si F es una primitiva de f, entonces

abf(x)𝑑x=F(b)-F(a) (5.87)
=-[F(a)-F(b)] (5.88)
=-baf(x)dx (5.89)
Ejemplo 5.2.7.

Tenemos que

01𝑑x=x|01=1-0=1 (5.90)

Ahora,

10𝑑x=x|10=0-1=-1 (5.91)

Como era de esperar, tenemos

01𝑑x=-10𝑑x (5.92)

5.2.5 Ejercicios resueltos

ER 5.2.1.

Calcule

1ex-1xdx (5.93)
Resolución.

En primer lugar, notemos que

x𝑑x=x22+C, (5.94)
1x𝑑x=lnx+C (5.95)

Entonces, usando las propiedades de la integración, tenemos

1ex-1xdx=1ex𝑑x-1e1x𝑑x (5.96)
=[x22]1e-[lnx]1e (5.97)
=[(e)22-12]-[lne-ln1] (5.98)
=e2-12-12ln(e)-0 (5.99)
=e2-1 (5.100)
Código 85: Python
1fromsympyimportSymbol,integrate,E,sqrt
2x=Symbol('x')
3integrate((x-1/x),(x,1,sqrt(E)))
-e/2+1
ER 5.2.2.(Aplicación: cálculo de área)

Calcule el área entre la gráfica de f(x)=sen(x) y las rectas y=0, x=-π/2 y x=π/2.

Resolución.

Recordando que la integral definida está asociada al área bajo la gráfica del integrando, tenemos que el área buscada puede calcularse por

A=--π20sen(x)dx+0π2sen(x)dx, (5.101)

ya que sen(x)<0 para x(-π/2,0) y sen(x)>0 para x(0,π/2). Además, observamos que

sen(x)dx=-cos(x)+C (5.102)

Luego, por el teorema fundamental del cálculo, se sigue que

A=--π20sen(x)dx+0π2sen(x)dx (5.103)
=-[-cos(x)]-π20+[-cos(x)]0π2 (5.104)
=-[-1-0]+[-0-(-1)]=2 (5.105)
Código 86: Python
1fromsympyimportSymbol,integrate,sin,pi
2x=Symbol('x')
3A=-integrate(sin(x),(x,-pi/2,0))
4A+=integrate(sin(x),(x,0,pi/2))
5A
2
ER 5.2.3.(Aplicación: problema de valor inicial)

Encuentre la función y=y(x) tal que

dydx=x, (5.106)

y que satisfaga y(0)=1.

Resolución.

Integrando ambos lados de la ecuación diferencial con respecto a x, tenemos

dydx𝑑x=x𝑑x (5.107)
y=x22+C (5.108)

Ahora, aplicando la condición y(0)=1, se obtiene

y(0)=1 (5.110)
022+C=1 (5.111)
C=1 (5.112)

Concluimos que y=x2/2+1. ¡Compruebe!

5.2.6 Ejercicios

E. 5.2.1.

Sean f y g tales que

-20f(x)𝑑x=-2, (5.113)
-10f(x)𝑑x=12, (5.114)
-20g(x)𝑑x=1 (5.115)

Calcule

  1. a)

    -1-1f(x)-51g(x)dx

  2. b)

    -202g(x)-12f(x)dx

  3. c)

    -2-1f(x)𝑑x


a)0; b)3; c)-5/2

E. 5.2.2.

Calcule

  1. a)

    -122𝑑x

  2. b)

    -3-11-xdx

  3. c)

    1e2x𝑑x


a)6; b)6; c)2

E. 5.2.3.

Calcule el área entre la gráfica de f(x)=x2-1 y las rectas y=0, x=0 y x=2.


2

E. 5.2.4.

Calcule las siguientes integrales:

  1. a)

    cos(x)𝑑x

  2. b)

    0π2cos(x)𝑑x


a)sen(x)+C; b)1

E. 5.2.5.

Encuentre la función y=y(x) tal que

dydx=cos(x), (5.116)

y que y(π)=1.


y=sen(x)+1


Envía tu comentario

Aprovecho para agradecer a todas/os que de forma asidua o esporádica contribuyen enviando correcciones, sugerencias y críticas.

Opcional. Ingresa tu nombre para que pueda contactarte.
Opcional. Ingresa tu correo electrónico para que pueda contactarte.
La información ingresada se envía por correo electrónico al desarrollador del sitio y se trata de forma privada. Consulta la política de uso de datos para más información.

Licencia Creative Commons
Este texto se publica bajo los términos de la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional. Los íconos y elementos gráficos pueden estar sujetos a condiciones adicionales.

Pedro H A Konzen
Sitio derivado de notaspedrok.com.br. Contiene traducciones al español realizadas con GitHub Copilot.
| | | |