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Cálculo I

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5.2 Propiedades de integración

En la Sección 5.1, 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 Figura 5.2.

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)}(ba)abf(x)𝑑xma´xx[a,b]{f(x)}(ba) (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)

    41g(x)𝑑x=14g(x)𝑑x (5.34)
    =(1)=1. (5.35)
  2. b)

    114f(x)𝑑x=0. (5.36)
  3. c)

    142g(x)dx=214g(x)𝑑x (5.37)
    =2. (5.38)
  4. d)

    14[f(x)2g(x)]𝑑x=14f(x)𝑑x142g(x)𝑑x (5.39)
    =2214g(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)
2πππsen(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

1baabf(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)=1baabf(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)}1baabf(x)𝑑xma´xx[a,b]{f(x)}. (5.48)

Ahora, por el teorema del valor intermedio (Teorema 2.6.1), tenemos que f asume todos los valores entre sus valores mínimo y máximo. Por tanto, existe c[a,b] tal que

f(c)=1baabf(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)=1baabf(x)𝑑x (5.51)
=1ba0=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)dxaxf(x)dx] (5.57)
=lı´mh01hxx+hf(x)dx. (5.58)

Ahora, por el teorema del valor medio para integrales (Teorema 5.2.1), existe ch[x,x+h] tal que

f(ch)=1x+hxxx+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
    1import sympy as sym
    2from sympy.abc import x,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 (Teorema 5.2.2) 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 Corolario 4.3.2 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
    1from sympy import Symbol, 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 (Teorema 5.2.2) 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)dtaaf(t)dt (5.77)
=abf(t)dt. (5.78)

Ejemplo 5.2.6.

Veamos los siguientes casos:

  1. a)

    01𝑑x=x|01 (5.79)
    =10=1 (5.80)
    Código 84: Python
    1from sympy import Symbol, integrate
    2x = Symbol('x')
    3integrate(1, (x, 0, 1))
    1
  2. b)

    01x𝑑x=x22|01 (5.81)
    =122022=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=10=1. (5.90)

Ahora,

10𝑑x=x|10=01=1. (5.91)

Como era de esperar, tenemos

01𝑑x=10𝑑x. (5.92)

5.2.5 Ejercicios resueltos

ER 5.2.1.

Calcule

1ex1xdx. (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

1ex1xdx=1ex𝑑x1e1x𝑑x (5.96)
=[x22]1e[lnx]1e (5.97)
=[(e)2212][lneln1] (5.98)
=e21212ln(e)0 (5.99)
=e21. (5.100)
Código 85: Python
1from sympy import Symbol, 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)
=[10]+[0(1)]=2. (5.105)
Código 86: Python
1from sympy import Symbol, 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)

    11f(x)51g(x)dx

  2. b)

    202g(x)12f(x)dx

  3. c)

    21f(x)𝑑x

a) 0; b) 3; c) 5/2

E. 5.2.2.

Calcule

  1. a)

    122𝑑x

  2. b)

    311xdx

  3. c)

    1e2x𝑑x

a) 6; b) 6; c) 2

E. 5.2.3.

Calcule el área entre la gráfica de f(x)=x21 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


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Pedro H A Konzen
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