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LA INTEGRAL DEFINIDA

Uno de los grandes problemas que ocupó a los matemáticos griegos de la antigüedad fue
el de la comparación de figuras curvilíneas y rectilíneas.

Durante mas de 2,000 años los griegos abordaron el problema de calcular áreas de
regiones limitadas por curvas, destacándose entre ellos el método empleado por
Arquímedes llamado método de exhaución. Dicho método consiste en inscribir polígonos
regulares y calcular su área, repetir el proceso varias veces duplicando el número de lados
de los polígonos, hasta llegar a un valor que se consideraba que representaba el área de la
región.



  3                                                                           b
                                                                         1
      6x 2     5 dx     45                                      f med             f ( x)dx
  2
                                                                        b a   a




                                            9
                                                t 3        20
                                                      dt
                                            4    t         3




                                       INTEGRAL DEFINIDA
En esta unidad trataremos con sumas de muchos términos, por lo cual introducimos una
notación llamada notación sigma para facilitar la escritura de estas sumas.
Esta notación incluye el uso del símbolo    , la sigma mayúscula del alfabeto griego que
corresponde a nuestra letra S.
         5
Ej:           i2   12   22   32   42   52
        i 1




                                                                                             1
2
                          (3i 2)           3         2         2         3 1             2        30          2      31      2        32     2
              i       2

                                               -4 - 1 + 2 +5 +8 = 10
    8
          1        1        1       1      1         1         1
k       3 k        3        4       5      6         7         8

                                     n    f (i )         f ( m)           f (m 1)                f (m 2) .......             f ( n)
En General:
                                    i m



Donde m y n son entero y m ≤ n

El número m se llama límite inferior de la suma y n se llama el límite superior. El
símbolo i se llama el índice de la suma, es un símbolo arbitrario porque se puede usar
cualquier letra.

Por Ejemplo:
    5
         t2        32        42           52
t 3



En ocasiones los términos de la suma incluyen subíndices como:
         n
a)            Ai           A1       A2         .... An
        i 1
         9
b)            kbk           4b4          5b5         6b6           7b7       8b8           9b9
        K 4
         5
c)            f ( xi )          X        f ( x1 ) x            f ( x2 ) x2               f ( x3 )     3       f ( x4 )   4    f ( x5 )   5
        i 1



                                                                     Propiedades de la Sumatoria


                                           n
Propiedad 1.                                     c       cn donde c es cualquier constante.
                                           i 1
                                            n                        n
Propiedad 2.                                     c. a ( i ) c                a   i       donde c es cualquier constante.
                                           i 1                      i 1
                                           n                                         n                    n
Propiedad 3.                                         a +b ]=
                                                           i             i                   a +  i             bi
                                           i 1                                       i 1                  i 1

                                                                                                                                                 2
n                 n
Si ai = a (una constante) entonces                                                  a bi   na         bi
                                                                              i 1               i 1
                                     n
Propiedad 4.                                    a( i )-a(i-1)         = a( n ) – a( 0 )
                                     i 1

La suma de las k-ésima potencias de los primeros n enteros positivos
 n
      ik            1k     2k         3k        .... n k
i 1




Las siguientes fórmulas relativas a las sumatorias también son útiles.
       n
                         n(n 1)              1 2           1
1)           i                                 n             n
       i 1                  2                2             2


       n
                          n(n 1)( 2n 1)                     1 3        1 2          1
2)              i2                                            n          n            n
       i 1                     6                            3          2            6


      n
                3        n 2 (n 1) 2              1 4        1 3         1 2
3)          i                                       n          n           n
      i 1                      4                  4          2           4




                                                                                      Ejemplo
                                n
1) Calcular                           (4 i       4 i 1 ) sustituimos los superíndices de la propiedad 4.
                             i 1
                                     n
                                           4i     4i   1
                                                                 4n    41 1
                                    i 1

                                                           = 4n 40
                                                           = 4n 1
                                20
2) Calcular                           3k ( k 2      2)
                             k 1




                                                                                                           3
20
Soluc. 3            k (k 2         2)           propiedad 2
              k 1


              20
          3         k3       2K
              k 1


              20             20
      3             k3             2k           propiedad 3
          k 1                k 1



                                        2
               20 2          20 1                    20 20 1
      3                                          2                        Usando fórmulas 3 y 1 y calculadora.
                             4                           2

                         2
          400 21
      3                            420
             4
      3 44100                420

      R = 133560
                                                 1 2 3 ....           n
3) Evalúe el límite                     lim n        n2

                                                        n
                                                                  nn 1
                                                              i
Solución: Usamos la fórmula                             i 1         2



                                                   1
                                                     nn 1
       1 2 3 .... n                                2                           n 1
lim
 n         n2                                   lim n 2
                                                 n
                                                                      lim
                                                                      n         2n



                                                  n    1                   1    1    1
                                        lim
                                        n        2n    2n         lim
                                                                  n        2    2n   2

       1
Ya que 2n tiende a cero cuando n



                                                     Ejercicios Propuestos
                                                                                                                 4
Calcular la suma indicada, usando propiedades y/o fórmulas:
      25
                                                 R/ 10,400
            2i i 1
a)   i 1



      20
                                                 R/ 133,560
            3i i 2   2
b)    i 1



      100
                1     1                          R/ 100/101
c)   ik 11      k    k 1

      40
                2i 1          2i 1                        1   81
d)                                               R/
     i 11



      8
                                                 R/ -32
             5 2j
e)   j 1



     100
                                                 R/ 25,502,500
           i3
f)   i 1



      8
                                                 R/ 224
             r 1 r        2
g)   r 1




                                Área por Sumatorias o Suma de Áreas

Es fácil calcular el área de una región plana cuando está limitada por líneas. Por ejemplo,
si la región es un rectángulo, un triángulo o cualquier polígono que se pueda dividir en
triángulos, existen fórmulas que permiten determinar su área:




                                                                                         5
Para encontrar área de regiones cuyos límites no son rectas sino gráficas de funciones, es
necesario utilizar un proceso que se fundamenta en le concepto de límite.
La siguiente figura muestra la región R que está bajo la gráfica de una función creciente f,
con valores positivos, y por arriba del intervalo a, b . Para aproximar el área A de R,
elegimos un entero fijo n y dividimos el intervalo a, b en n intervalos.

                                                                              b a
x0, x1 , x1, x2 , x2 , x3 , …, xn-1 , xn todos con la misma longitud x            . En cada
                                                                               n
uno de estos intervalos, levantamos un rectángulo inscrito y un rectángulo circunscrito
(figura1)




           y



                                                     y = f(x)
Figura 1




                                                                      f (b) – f (a)




                                                                                          6
x                  x
                      a = x0 x1 x2 x3              xn-1 xn= b




Una función f continua y no negativa tiene área bajo su grafica si cuando la amplitud de
su partición x tiende a cero, entonces el límite de las aproximaciones por exceso es
igual al límite de las aproximaciones por defecto.

El rectángulo inscrito sobre el i-esimo termino sub intervalo xi-1, xi tiene altura f (xi-1),
mientras que el i-esimo rectángulo circunscrito tiene una altura f(xi). Como la base de
cada rectángulo tiene una longitud x las áreas de estos rectángulos son f (xi-1) x y
f (xi) x.




         y




                                    f(xi)
                  f (xi-1)
                                                                    x
               a=x0     xi-1   xi           xn=b




                                                                                           7
Al sumar las áreas de los rectángulos inscritos para i = 1, 2, 3 ….. n obtenemos la
                                 n
                      An              f xi 1 x
subestimación                   i 1                   del área real A


De manera análoga                        la suma de las áreas de los rectángulos circunscritos es la
                                         n
                           An                f xi x
sobreestimación                       i 1


                                                                               n                        n
                                                                                     f xi 1 x       A         f xi   x
La desigualdad implica que An                             A   An , entonces    i 1                      i 1



Las desigualdades se invierten si f` x   fuera decreciente. Si el número n de
subintervalos es muy grande, de modo que x sea muy pequeño, entonces la
diferencia entre las áreas An y An de los polígonos inscritos y circunscritos será
muy pequeña. Por tanto ambos valores serán muy cercanos al área real A de la
región R.

  An An         f b        f a



Pero             b a                             , cuando
                                     0                            n
                  n

El área de la región R está dada por:


                            n                                 n
            A    lim             f xi        1        lim             f xi x
                  n        i 1                        n       i 1



                                                                               b a
Al aplicar la fórmula o Ecuación recordemos que x                                  y           x1   a i x para i=0, 1, 2,
                                                                                n
…..n pues xi está a i pasos de longitud x a la derecha de                              0   a

Ejemplos.

                                                                                                                         8
1) Determinar el área bajo la gráfica de f(x)=x2 en el intervalo 0,3 .

Solución:

Si dividimos 0, 3 en n subintervalos, de la misma longitud.

        b a        3 0             3                                3
    x                                                    x
         n          n              n                                n

                                               3
xi      a i x                 xi       0 i
                                               n

                  n                        n
Por tanto:              f ( xi ) x                 ( xi ) 2 x sustituimos
                i 1                        i 1


                               2
                  n
                         3i        3               n
                                                    27i 2
                                                       2
                                                                    aplicando propiedad de sumatorias,
                  i 1    n         n           i   1 n


                                                         n
                                                   27
                                           =                   i 2 aplicamos la fórmula de sumatoria
                                                   n2   i 1



                                                 27 1 3                 1 2     1
                                                      n                   n       n      aplicamos límite cuando n
                                                 n2 3                   2       6

                                       1       1              1                 1                1    1
              A         lim 27                                           27             9 pues      y 2 tienden a cero cuando
                        n              3       2n            6n 2               3                2n  6n

n                     ... A = 9u2


                                                        10

                                                        9

                                                        8

                                                        7
                                                                                                                y = x2
                                                        6

                                                        5
                                                                                                                A = 9u2
                                                        4

                                                        3
                                                                                                                                9
                                                        2

                                                         1

                                                        0
                                                             0,0          1,0            2,0      3,0    4,0
                                                                                    x
Ejemplo:

2) Determine el área bajo la gráfica de f(x):100-3x2 de x=1 a x=5

Solución: El intervalo es 1 , 5

                 b a    5 1           4
             x
                  n      n            n

  xi   a i x
             4                       4i
  xi   1 i             xi       1       Ahora apliquemos la fórmula
             n                       n

                            n               n
                                    f x x         100        3x 2 x
                            i 1             i 1



                                             n                             2
                                                                4i              4
                                                      100    31
                                            i 1                 n               n
                                                  n
                                                                      8i       16i 2           4
                                                       100 3 1
                                                 i 1                  n         n2             n

                                                  n
                                                             24i               48i 2       4
                                                       100 3
                                                 i 1          n                 n2         n

                                                  n
                                                              24 i    48 i 2           4
                                                        97
                                                 i 1           n       n2              n

                                                  n
                                                       388     96i    192i 2
                                                 i 1    n      n2      n3



                                                                                                   10
n              n                 n
                                              388             96               192
                                                          1              i                 i2
                                               n    i 1       n2   i 1          n3   i 1



                                      aplicamos fórmulas correspondientes a cada caso.


    n              n
                                          388       96 1 2               1       192 1 3        1 2   1
          f x x         100    3x 2 x         n          n                 n           n          n     n
    i 1           i 1                      n        n2 2                 2        n3 3          2     6

                                          48    96            32
Simplificamos (n)         388 48             64
                                          n     n             n2

                                    144    32
                              276             -
                                     n     n2
Aplicamos límite

                  144     32
A   lim
    n
            276
                   n      n3
                                    276


A=276 u2
    GRAFICA




                                          Ejercicios Propuestos

Determine exactamente el área A, de la región bajo y=f(x)
                                                                                                            11
a) f x         x3       en      0,3                          R/ 81            u2
                                                                         4

b) f x         x 2       en      0,2                         R/      6u2

c) f x         5 3x en           0,1                         R/      7            u2
                                                                         2

d) f x         9 x2      en       0,3                        R/      18 u2




                                             SUMAS DE RIEMANN
                                                         n                             n
Las sumas de aproximación en la ecuación                      f xi   1   x y                 f xi     x son ambas de la
                                                        i 1                            i 1
          n
                                        *
forma          f xi *        x donde xi es un punto seleccionado en el iésimo subintervalo xi 1 , xi
         i n




              a = x0     x1*      x1     *
                                        x2   x2   ……    xi-1 x i*            xi          *
                                                                                        xn          xn = b

Una función f definida en a , b que no necesariamente es continua o positiva. Una
partición P de a , b es una colección de subintervalos
  x0, x1 , x1, x2 , x2, x3 ,…. xn-1, xn de a , b de modo que a = x0 x1 x2 x3 …..                                          xn-
1    xn = b

                                                                                                                          12
La NORMA de la partición P es el máximo de las longitudes xi                                      xi       xi   1   de los
subintervalos en P y se denota P .

                                   n
                                                *
Para obtener una suma como               f xi       x , necesitamos un punto xi * en el iésimo
                                   i 1

subintervalo para cada i, 1 i n. Una colección de puntos S xi *, x2* , x3* ,.....xn* donde
xi *, en xi 1 , xi (para cada i) es una selección para la partición P.
Esto define la suma de Riemann para una función f en un intervalo a , b , S una
                                                                  n
                                                                                 *
selección para P, entonces la suma de Riemamn R                           f xi           xi
                                                                 i 1

En la siguiente gráfica de la función f x           2 x3   6x2    5 en el intervalo 0, 3




         6,0
                                                                 Suma según los extremos
                                                                 izquierdos
         4,0


                                                                      n
                                                            R              f xi      1        x
         2,0
                                                                  i 1
  F(x)




         0,0




         -2,0




         -4,0
                  2,00
                  2,10
                  2,20
                  2,30
                  2,40
                  2,50
                  2,60
                  2,70
                  2,80
                  2,90
                  3,00
                  ,00
                  ,10
                  ,20
                  ,30
                  ,40
                  ,50
                  ,60
                  ,70
                  ,80
                  ,90
                  1,00
                  1,10
                  1,20
                  1,30
                  1,40
                  1,50
                  1,60
                  1,70
                  1,80
                  1,90




                             X




Según los extremos derechos                                  Según los puntos medios
           n                                                                 n
                                                                                                                             xi           xi
R=              f ( xi ) x                                   Rmed =                  f ( mi ) x        ,   xi*       mi           1

         i 1                                                                i 1                                                       2

                                                                                                                                               13
6,0                                                                6,0




       4,0                                                                4,0




       2,0                                                                2,0




                                                                   F(x)
F(x)




       0,0                                                                0,0




       -2,0                                                               -2,0




       -4,0                                                               -4,0




                                                                                 2,00
                                                                                 2,10
                                                                                 2,20
                                                                                 2,30
                                                                                 2,40
                                                                                 2,50
                                                                                 2,60
                                                                                 2,70
                                                                                 2,80
                                                                                 2,90
                                                                                 3,00
                                                                                 ,00
                                                                                 ,10
                                                                                 ,20
                                                                                 ,30
                                                                                 ,40
                                                                                 ,50
                                                                                 ,60
                                                                                 ,70
                                                                                 ,80
                                                                                 ,90
                                                                                 1,00
                                                                                 1,10
                                                                                 1,20
                                                                                 1,30
                                                                                 1,40
                                                                                 1,50
                                                                                 1,60
                                                                                 1,70
                                                                                 1,80
                                                                                 1,90
                  2,00
                  2,10
                  2,20
                  2,30
                  2,40
                  2,50
                  2,60
                  2,70
                  2,80
                  2,90
                  3,00
                  ,00
                  ,10
                  ,20
                  ,30
                  ,40
                  ,50
                  ,60
                  ,70
                  ,80
                  ,90
                  1,00
                  1,10
                  1,20
                  1,30
                  1,40
                  1,50
                  1,60
                  1,70
                  1,80
                  1,90




                                                  X                                X




                                                  LA INTEGRAL DEFINIDA SEGÚN RIEMANN

              El matemático alemán G . F. B Riemann (1826 -1866) Proporcionó una definición
              rigurosa de la integral.

              Definición: La integral definida de la función f de a a b es el número
                                          n
                                                     *
                      I     lim
                             p       0 i 1
                                              f xi       xi

              Siempre que el límite exista, en cuyo caso decimos que f es integrable en [a, b]. La
              ecuación significa que, para cada número     > 0, existe un número       > 0 tal que
                  n
                                 *
              I           f xi       xi       <
                  i 1

              Para cada suma de Riemann asociada con una partición arbitraria P de [a, b] para la que
               P <

              Nota: La palabra límite se usa para denotar el número mínimo y el número máximo del
              intervalo [a, b] y no tiene nada que ver con las definiciones de límite dadas anteriormente.

              La notación usual para la integral de f de a a b, debida al filósofo y matemático alemán G.
              W Leibniz, es:

                                                                                                       14
Esta notación integral no solo es altamente sugerente, sino que también es útil, en
extremo para el manejo de las integrales. Los números a y b son el limite inferior y el
limite superior de la integral, respectivamente, son los extremos del intervalo de
integración.

La variable x se puede reemplazar por cualquier otra variable sin afectar el significado de
la Ecuación.

Así si f es integrable en [a, b] , entonces
b            b
                              b
    f x dx       f t dt           f u du ; f x es el integrando.
                              a
a            a



La integral dada, de la integral definida, se aplica solamente cuando a < b, pero es
conveniente incluir, cuando a > b y a = b.
                                      b
* Si a = b                                f x dx   0
                                      a


                                  b                 a
* Si a > b                                f x dx        f x dx
                                  a                 b


                                                                           b
Definición: Se llama integral definida entre a y b de f(x), y se denota        f x dx al área de
                                                                           a

la porción del plano limitado por la grafica de la función f(x), el eje x y las rectas x = a y
x = b.

                          TEOREMA DE EVALUACIÓN DE INTEGRALES


“ Si G es una primitiva de la función continua f en G(b) – G(a) se abrevia generalmente [
                          b
         b
G(x) ]a entonces              f x dx           Gb       Ga
                          a



Ejemplo: Evaluar


                                                                                             15
1) senxdx                cosx 0               cos                cos0
     0

                                   = - (-1) – (-1)
                                   = +1 + 1 = 2

     2                        2
          5       1 6                1        6     1        6    64           32
2) X dx             X                  2              0              0
     0
                  6           0
                                     6              6             6             3



     9                                                                  9
                  1/ 2                      x2        x1 / 2
3)       2X   X              3 dx         2                      3x
     1
                                            2         1/ 2              1


                                                                    9
                                             x2   2 x1 / 2       3x 1
                                             9 2 12          2 91 / 2 11 / 2    39 1
                                          80 4 24
                                          52

                                    Propiedades de las Integrales Definidas
Sea f una función integrable en a, b :

Propiedad 1:
                   b
                         f x dx          0        Es decir, si la base del área de la región bajo la curva es cero,
                   a

el área es cero.

Propiedad 2:
b
    f x dx > 0 ,         x         a, b       y f(x) > 0, Es decir, el área de la región bajo la curva siempre
a

será positiva si f(x) es positiva.

Propiedad 3:
b
    f x dx < 0,          x        a, b       y f(x) < 0, Es decir, el área de la región bajo la curva siempre será
a

negativa si f(x) es negativa.
                                                                                                                  16
Propiedad 4:
c                    b                    c
        f x dx =             f x dx +         f x dx , Si f es una función integrable en un intervalo que contiene
a                    a                    b

los puntos a, b, c talque a < b < c.

Propiedad 5:
b                                  b             b
        f x        g x dx              f x dx        g x dx Si f y g son funciones integrables en [a,b].
a                                  a             a




Propiedad 6:
    b                         b
        Kf x dx          k        f ( x)dx para toda constante k
    a                         a



Propiedad 7:
b                        a
        f ( x)dx = - f ( x)dx Al intercambiar los limites de integración cambia el signo de la
a                        b

integral.

Propiedad 8:
b                    b
        f ( x)dx         g x dx Si f y g son funciones integrables [a,b] y si f(x)             g(x).
a                    a



Propiedad 9:
b
    Kdx        Kb a                Es decir, si la función es constante su integral es el producto de la
a

constante por la diferencia de los límites de integración.



                                                               Ejemplos
Calcular la integral definida de las siguientes funciones:
                                                                                                                 17
5
1) 7dx
      2
                                                                        5
Solución : como es una constante, entonces: 7dx = 7(5-2) = 7(3) = 21 (Por prop. 9)
                                                                        2


     2                   2                                          2
2)        x 3 dx   4 y       x dx       2 entonces calcular             5x 3   3x 4 dx
     0                   0                                          0




Solución:
2                             2            2          2
          3                         3
     5x       3x 4 dx = 5 x dx                 3xdx       4dx
0                             0            0          0


                              2            2
                             5 x 3 dx 3 xdx 4 2 0
                              0            0



                         = 5(4) – 3(2) + 8 Sustituyendo

                         = 20 – 6 + 8
                         = 22

3) Calcular el área bajo la gráfica aplicando la integral definida.



                                    4
                                    3
                                    2
                                    1

                                               1 2 3        4   5



Solución:
5
    3dx       3(5 1)     3(4) 12u 2
1

                                                                                         18
4) Evalúe

5                                                       5
        1           5                                           2        3
                       dx          reescribimos             x       5x       dx
4       x2          x3                                  4




Solución:
5                    5
        2
    x dx                 5x 3 dx      integrando obtenemos
4                    4



        1                2   5                      5
    x               x                 1     5
                5
        1                2   4
                                      x    2x 2     4



Sustituimos aplicando la definición

            1            5            1         5
                             2                      2
            5       25                4    24

            1     5          1    5       17
=                                                   0.10625
            5     50         4   32       160



                                                        Ejercicios Propuestos
        7
                                                                                  R/ = 2025/4
a)           x3      4 x dx
        2


        6
                                                                                  R/ = -1661/12
b)           y3         y 2 1 dy
        5

                                                                                  R/ = 6
c) 3senZdz
        0




                                                                                                  19
4
                           1                           R/ = 8.2
d)                x              3
                                     x dx
     1                      x
      e
                                                       R/ = 1
e)           ln y dy
         1
     4
                                                       R/ = 192
f)           7x5/ 2        5 x 3 / 2 dx
     0
         0
                       3                               R/ = 1/4
g)               x 1 dx
         1

             8                                         R/ = 1/2
                   2
h)           sec tdt
         0
         /4
                                                       R/ = 1/4
i)           senx cosxdx
         0
     2
                       x                               R/ = 4/
j) cos                   dx
     0
                      4
     3
                                                       R/ = 23.37
k) xe x / 2 dx
     1
         2
                   x2 1
                                                       R/ = 3/2 e (e2-1)
l)           3xe          dx
     0




                                 TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO

Si f(x) es continua en el intervalo cerrado [a, b] y F es una primitiva de f en [a, b],
            b
entonces a f x dx = F(b) – F(a); la diferencia F(b) – F(a) se denota por el símbolo f ( x)] b
                                                                                            a


o por F ( x) b .
             a



                           Estrategia para usar el teorema fundamental del cálculo

1. Supuesta conocida una primitiva de f, disponemos de un nuevo recurso para calcular
integrales definidas que no requiere hallar el límite de una suma.
2. Use la siguiente notación para aplicar el teorema fundamental del cálculo
 b
   f ( x)dx = F ( x) a = F(b) – F(a).
                     b
 a



Nota: No es necesario incluir una constante de integración C en la primitiva.

                                                                                            20
Ocurren los siguientes casos:
                                                                           b                      a
                                    1) Si a > b se tiene                   a
                                                                               f x dx
                                                                                                  b
                                                                                                      f x dx
                                                                                         =- [F(a) – F(b)]
                                                                                         = F(b) – F(a)



                                    2) a = b se tiene
                                       a
                                               f x dx         0   F a          F a
                                       a




                                    Ejemplos

Evaluar
     3
                           x3              3
a)       6x 2   5 dx   6            5x         2
     2
                           3
                                           3
                       2 x 3 5x                2
                                3                             3
                           23          53               2 2   5        2
                           2 27        15              2 8 10
                        54 15                      16 10
                       39    6
                       45


     0
                                2x 3       3x 2               0
b)       2x 2   3x 2 dx                                 2x    2
     2
                                 3          2

                                                   3          2
                                         2                2                         03       02
                                       2                3         22            2        3            20
                                         3                2                         3        2




                                                                                                               21
8
                                        2            6 4            0
                                             3
                                        16       2
                                         3       1
                                         10
                                          3
                                        10
                                         3


   4                  4                              4              3/ 2             3/ 2
                            1/ 2          x3/ 2                  4                 4
c) 3 x dx 3 x                      dx   3                      3                 3          0
   4                  4
                                          3/ 2       4
                                                                 3/ 2              3/ 2

* Aplicación del teorema fundamental del cálculo para hallar un área.

d) Calcular el área de la región acotada por la gráfica f(x) = x2 en el intervalo 0,3 nótese
que y 2.
                                                         10

             3
                           x3      3
                                                         9
Área = x 2 dx                      0
                                             .
             0
                           3                             8


                           33 0 3                        7

                                                         6
                            3   3
                              2                          5
                           9u
                                                         4

                                                         3

                                                         2

                                                          1

                                                         0
                                                              0,0          1,0       2,0        3,0   4,0




Nota: Este ejercicio esta resuelto al inicio de la unidad usando sumatoria.

 TEOREMA DEL VALOR MEDIO PARA INTEGRALES DEFINIDAS

Si f es continua en el intervalo cerrado a, b , entonces existe un número “c” en a, b tal
       b
que        f ( x)dx       f (c)(b a) , c puede ser cualquier punto de a, b .
       a



                                                                                                            22
Si despejamos f(c) tendríamos:
                  b
          1
f (c )                f ( x)dx obteniéndose así la definición del valor medio de una función en un
         b a      a

intervalo cuyo teorema es:

“Si f es integrable en el intervalo cerrado a, b , el valor medio de f en a,b) es
                              b
                  1
 f med                            f ( x)dx ”
              b a             a




                                                                         Ejemplo


a) Halle el valor medio de f ( x) 3x 2 2 x en el intervalo 1,4 en este caso a =1, b = 4

                      b                            4                                      4
              1                                1            2             1 3x 3   2x 2           1 3              4
f med                         f ( x)dx                 3x       2 x dx                              x         x2   1
          b a             a
                                           4 11                           3 3       2     1
                                                                                                  3

                                                                          1    3      2               3       2
                                                                             4    4               1       1
                                                                          3
                                                                          1                           1
                                                                             64 16            0         48
                                                                          3                           3
                                                                          16

                                                                GRAFICO
                      2
     f(x) = 3x -2x
       x    Y
       1    1
       2    8
       3    23
       4    40




La figura muestra que el área de la región bajo la grafica de f es igual al área del
rectángulo cuya altura es el valor medio.
                                                                                                                       23
b) Encuentre un número c que satisfaga la conclusión del teorema del valor medio para la
                                    3
siguiente integral definida x 2 dx      f (c)(b a)
                                    0

Recordemos que esta ya es un área conocida igual a 9 unidades cuadradas, por tanto
 3
     x 2 dx   f (c)(b a)
 0

              x3 3
                 0     f (c ) 3 0
               3
              33
                   f (c)(3)
               3
              9 f (c)(3)
              9
                    f (c )
              3
              f (c ) 3



Como f(x) = x2 entonces c2 = 3
c = 3 que es valor que satisface la conclusión del teorema.


                                    INTEGRACIÓN NUMÉRICA


En varias ciencias, como las ciencias sociales, frecuentemente aparecen funciones en las
que se conocen de ellas solo su gráfica o algunos puntos de la misma. En estos casos no
es posible calcular la antiderivada de la función para determinar el área de la región
limitada por dicha función. Existe un método que proporciona una aproximación al valor
del área y que se conoce con el nombre de “INTEGRACIÓN NUMÉRICA”. Este método
se utiliza en los casos en que es muy complicado o imposible obtener la antiderivada de
la función.

Para aproximar el área de una región usaremos los siguientes métodos:



1) Método del Trapecio


                                                                                      24
Una forma de aproximar el valor de una integral definida es usar “n” trapecios como lo
muestra la figura:




                 x=0               x1        x2        x3       x4 = b




En este método se supone que f es continua y positiva en a, b de manera que la integral
                                                         b
                                                             f ( x)dx
                                                         a

representa el área de la región limitada por la grafica de f y el eje x, entre x=a y x=b.
                                                                                b a
En primer lugar partimos a, b en n subintervalos, cada uno de anchura x             tales
                                                                                 n
que a= x0   x1   x2 ...   xn = b

A continuación formamos un trapecio sobre cada subintervalo como lo muestra la figura




                                   f(x0)

                                                       f (x1)

                                        x0        x1

                                                                                            25
b a
                                                  n

                                                             f xi 1 f ( x i )    b a
donde el área del i-ésimo trapecio =                                                    por tanto la suma de las áreas
                                                                   2              n
de los n trapecios es:
            b a f ( x0 ) f ( x1 )        f ( xn 1 ) f ( xn )     b a
Área =                              ...                                f ( x0 ) f ( x1 ) ... f ( xn 1 ) f ( xn )
              n          2                         2              2n
 b              b a
     f ( x)dx       f ( x0 ) 2 f ( x1 ) ... 2 f ( xn 1 ) f ( xn ) que es la regla del trapecio para
 a               2n
                 b
aproximar        a
                     f ( x)dx


Ejemplo:
                                                                                   3
                     1) Use la regla de los trapecio para estimar                      x 2 dx con n=5
                                                                                   0



                                 b a 3 0 3
Primero calcular x
                                  n        5   5
x0     0, x1   0.6, x 2    1.2, x3 1.8, x 4 2.4, x5              3
Segundo aplicar la ecuación
   b a
=         f ( x0 ) 2 f ( x1 ) 2 f ( x 2 ) ... 2 f ( x n 1 ) f ( x n )
     2n
  3 0
=       0 2(0.36 ) 2(1.44 ) 2(3.24 ) 2(5.76 ) 2(9)
  2(5)
   3
= 0.72 2.88 6.48 11.52 18 9.18 U 2
  10

                                10

                                9
                                                                                             y = x2
                                                                                             A = 9.18 u2
                                8

                                7

                                6

                                5


                                4

                                3

                                2

                                 1
                                                                                                                    26
                                0
                                     0,0   1,0         2,0           3,0   4,0
2) Use la regla del trapecio para estimar                                              senxdx con n=4 y n=8
                                                                                   0


                                     b a                  0
Cuando n=4                   x
                                      n               4         4
                                                3
x0       0, x1       , x2            , x3          , x4
                 4      2                        4
                    0                                                                  3
     senxdx           sen0 2sen                               2sen           2 sen          2sen
 0               2(4)           4                                    2                  4
                  2           2                                                                                      2 1
=        0 2(       ) 2(1) 2( ) 0                                        2     2        2          2 2    2                      1.896
     8           2           2                                  8                            8                       4

                                            0
Cuando n=8                   x
                                        8          8
                                                3                             5             3            7
x0       0, x1       , x2            , x3          , x4             , x5         , x6          , x7         , x8
                 8               4               8              2              8             4            8



                         0
    senxdx                   sen0 2sen                    2sen               2sen3          2sen         2sen5       2sen3         2sen7       sen
0
                 28                               8                 4                  8           2             8           4             8



GRAFICA




como vemos

sen          sen7            y sen3                   sen5
         8           8                      8                  8
Por tanto tenemos

                                                                                                                                                     27
2                                             2
            2sen             2           2sen3       2(1) 2sen5            2        2sen7
     16              8           2               8                     8       2            8

            2 2 2                2 sen       2sen7             2sen3       2 sen5
     16                                  8               8             8            8

            2 2 2            4 sen           4sen3
     16                                  8           8

Utilizando la calculadora obtenemos 1.974 u2 que se aproxima al área exacta que es 2u2


                                                             Ejercicios Propuestos


Aproxime el valor de la integral para el “n” que se especifique usando la regla del
trapecio.


      2
            2
                                                                               R/ = 8/3 u2
a)        x dx,          n       4
      0
      8
                    2
                                                                               R/ = 416/3 u2
b)          4 x dx, n                    4
      0
      9
                                                                               R/ = 38/3 u2
c)           x dx,       n        8
      4
      3
            1                                                                  R/ = 2/3 u2
d)             dx,       n        4
       1    x2
      1.1
                2
                                                                               R/ = 0.089       8.9 * 10-2
e)          senx dx n                4
      1




                                                                                                             28

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  • 1. LA INTEGRAL DEFINIDA Uno de los grandes problemas que ocupó a los matemáticos griegos de la antigüedad fue el de la comparación de figuras curvilíneas y rectilíneas. Durante mas de 2,000 años los griegos abordaron el problema de calcular áreas de regiones limitadas por curvas, destacándose entre ellos el método empleado por Arquímedes llamado método de exhaución. Dicho método consiste en inscribir polígonos regulares y calcular su área, repetir el proceso varias veces duplicando el número de lados de los polígonos, hasta llegar a un valor que se consideraba que representaba el área de la región. 3 b 1 6x 2 5 dx 45 f med f ( x)dx 2 b a a 9 t 3 20 dt 4 t 3 INTEGRAL DEFINIDA En esta unidad trataremos con sumas de muchos términos, por lo cual introducimos una notación llamada notación sigma para facilitar la escritura de estas sumas. Esta notación incluye el uso del símbolo , la sigma mayúscula del alfabeto griego que corresponde a nuestra letra S. 5 Ej: i2 12 22 32 42 52 i 1 1
  • 2. 2 (3i 2) 3 2 2 3 1 2 30 2 31 2 32 2 i 2 -4 - 1 + 2 +5 +8 = 10 8 1 1 1 1 1 1 1 k 3 k 3 4 5 6 7 8 n f (i ) f ( m) f (m 1) f (m 2) ....... f ( n) En General: i m Donde m y n son entero y m ≤ n El número m se llama límite inferior de la suma y n se llama el límite superior. El símbolo i se llama el índice de la suma, es un símbolo arbitrario porque se puede usar cualquier letra. Por Ejemplo: 5 t2 32 42 52 t 3 En ocasiones los términos de la suma incluyen subíndices como: n a) Ai A1 A2 .... An i 1 9 b) kbk 4b4 5b5 6b6 7b7 8b8 9b9 K 4 5 c) f ( xi ) X f ( x1 ) x f ( x2 ) x2 f ( x3 ) 3 f ( x4 ) 4 f ( x5 ) 5 i 1 Propiedades de la Sumatoria n Propiedad 1. c cn donde c es cualquier constante. i 1 n n Propiedad 2. c. a ( i ) c a i donde c es cualquier constante. i 1 i 1 n n n Propiedad 3. a +b ]= i i a + i bi i 1 i 1 i 1 2
  • 3. n n Si ai = a (una constante) entonces a bi na bi i 1 i 1 n Propiedad 4. a( i )-a(i-1) = a( n ) – a( 0 ) i 1 La suma de las k-ésima potencias de los primeros n enteros positivos n ik 1k 2k 3k .... n k i 1 Las siguientes fórmulas relativas a las sumatorias también son útiles. n n(n 1) 1 2 1 1) i n n i 1 2 2 2 n n(n 1)( 2n 1) 1 3 1 2 1 2) i2 n n n i 1 6 3 2 6 n 3 n 2 (n 1) 2 1 4 1 3 1 2 3) i n n n i 1 4 4 2 4 Ejemplo n 1) Calcular (4 i 4 i 1 ) sustituimos los superíndices de la propiedad 4. i 1 n 4i 4i 1 4n 41 1 i 1 = 4n 40 = 4n 1 20 2) Calcular 3k ( k 2 2) k 1 3
  • 4. 20 Soluc. 3 k (k 2 2) propiedad 2 k 1 20 3 k3 2K k 1 20 20 3 k3 2k propiedad 3 k 1 k 1 2 20 2 20 1 20 20 1 3 2 Usando fórmulas 3 y 1 y calculadora. 4 2 2 400 21 3 420 4 3 44100 420 R = 133560 1 2 3 .... n 3) Evalúe el límite lim n n2 n nn 1 i Solución: Usamos la fórmula i 1 2 1 nn 1 1 2 3 .... n 2 n 1 lim n n2 lim n 2 n lim n 2n n 1 1 1 1 lim n 2n 2n lim n 2 2n 2 1 Ya que 2n tiende a cero cuando n Ejercicios Propuestos 4
  • 5. Calcular la suma indicada, usando propiedades y/o fórmulas: 25 R/ 10,400 2i i 1 a) i 1 20 R/ 133,560 3i i 2 2 b) i 1 100 1 1 R/ 100/101 c) ik 11 k k 1 40 2i 1 2i 1 1 81 d) R/ i 11 8 R/ -32 5 2j e) j 1 100 R/ 25,502,500 i3 f) i 1 8 R/ 224 r 1 r 2 g) r 1 Área por Sumatorias o Suma de Áreas Es fácil calcular el área de una región plana cuando está limitada por líneas. Por ejemplo, si la región es un rectángulo, un triángulo o cualquier polígono que se pueda dividir en triángulos, existen fórmulas que permiten determinar su área: 5
  • 6. Para encontrar área de regiones cuyos límites no son rectas sino gráficas de funciones, es necesario utilizar un proceso que se fundamenta en le concepto de límite. La siguiente figura muestra la región R que está bajo la gráfica de una función creciente f, con valores positivos, y por arriba del intervalo a, b . Para aproximar el área A de R, elegimos un entero fijo n y dividimos el intervalo a, b en n intervalos. b a x0, x1 , x1, x2 , x2 , x3 , …, xn-1 , xn todos con la misma longitud x . En cada n uno de estos intervalos, levantamos un rectángulo inscrito y un rectángulo circunscrito (figura1) y y = f(x) Figura 1 f (b) – f (a) 6
  • 7. x x a = x0 x1 x2 x3 xn-1 xn= b Una función f continua y no negativa tiene área bajo su grafica si cuando la amplitud de su partición x tiende a cero, entonces el límite de las aproximaciones por exceso es igual al límite de las aproximaciones por defecto. El rectángulo inscrito sobre el i-esimo termino sub intervalo xi-1, xi tiene altura f (xi-1), mientras que el i-esimo rectángulo circunscrito tiene una altura f(xi). Como la base de cada rectángulo tiene una longitud x las áreas de estos rectángulos son f (xi-1) x y f (xi) x. y f(xi) f (xi-1) x a=x0 xi-1 xi xn=b 7
  • 8. Al sumar las áreas de los rectángulos inscritos para i = 1, 2, 3 ….. n obtenemos la n An f xi 1 x subestimación i 1 del área real A De manera análoga la suma de las áreas de los rectángulos circunscritos es la n An f xi x sobreestimación i 1 n n f xi 1 x A f xi x La desigualdad implica que An A An , entonces i 1 i 1 Las desigualdades se invierten si f` x fuera decreciente. Si el número n de subintervalos es muy grande, de modo que x sea muy pequeño, entonces la diferencia entre las áreas An y An de los polígonos inscritos y circunscritos será muy pequeña. Por tanto ambos valores serán muy cercanos al área real A de la región R. An An f b f a Pero b a , cuando 0 n n El área de la región R está dada por: n n A lim f xi 1 lim f xi x n i 1 n i 1 b a Al aplicar la fórmula o Ecuación recordemos que x y x1 a i x para i=0, 1, 2, n …..n pues xi está a i pasos de longitud x a la derecha de 0 a Ejemplos. 8
  • 9. 1) Determinar el área bajo la gráfica de f(x)=x2 en el intervalo 0,3 . Solución: Si dividimos 0, 3 en n subintervalos, de la misma longitud. b a 3 0 3 3 x x n n n n 3 xi a i x xi 0 i n n n Por tanto: f ( xi ) x ( xi ) 2 x sustituimos i 1 i 1 2 n 3i 3 n 27i 2 2 aplicando propiedad de sumatorias, i 1 n n i 1 n n 27 = i 2 aplicamos la fórmula de sumatoria n2 i 1 27 1 3 1 2 1 n n n aplicamos límite cuando n n2 3 2 6 1 1 1 1 1 1 A lim 27 27 9 pues y 2 tienden a cero cuando n 3 2n 6n 2 3 2n 6n n ... A = 9u2 10 9 8 7 y = x2 6 5 A = 9u2 4 3 9 2 1 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 x
  • 10. Ejemplo: 2) Determine el área bajo la gráfica de f(x):100-3x2 de x=1 a x=5 Solución: El intervalo es 1 , 5 b a 5 1 4 x n n n xi a i x 4 4i xi 1 i xi 1 Ahora apliquemos la fórmula n n n n f x x 100 3x 2 x i 1 i 1 n 2 4i 4 100 31 i 1 n n n 8i 16i 2 4 100 3 1 i 1 n n2 n n 24i 48i 2 4 100 3 i 1 n n2 n n 24 i 48 i 2 4 97 i 1 n n2 n n 388 96i 192i 2 i 1 n n2 n3 10
  • 11. n n n 388 96 192 1 i i2 n i 1 n2 i 1 n3 i 1 aplicamos fórmulas correspondientes a cada caso. n n 388 96 1 2 1 192 1 3 1 2 1 f x x 100 3x 2 x n n n n n n i 1 i 1 n n2 2 2 n3 3 2 6 48 96 32 Simplificamos (n) 388 48 64 n n n2 144 32 276 - n n2 Aplicamos límite 144 32 A lim n 276 n n3 276 A=276 u2 GRAFICA Ejercicios Propuestos Determine exactamente el área A, de la región bajo y=f(x) 11
  • 12. a) f x x3 en 0,3 R/ 81 u2 4 b) f x x 2 en 0,2 R/ 6u2 c) f x 5 3x en 0,1 R/ 7 u2 2 d) f x 9 x2 en 0,3 R/ 18 u2 SUMAS DE RIEMANN n n Las sumas de aproximación en la ecuación f xi 1 x y f xi x son ambas de la i 1 i 1 n * forma f xi * x donde xi es un punto seleccionado en el iésimo subintervalo xi 1 , xi i n a = x0 x1* x1 * x2 x2 …… xi-1 x i* xi * xn xn = b Una función f definida en a , b que no necesariamente es continua o positiva. Una partición P de a , b es una colección de subintervalos x0, x1 , x1, x2 , x2, x3 ,…. xn-1, xn de a , b de modo que a = x0 x1 x2 x3 ….. xn- 1 xn = b 12
  • 13. La NORMA de la partición P es el máximo de las longitudes xi xi xi 1 de los subintervalos en P y se denota P . n * Para obtener una suma como f xi x , necesitamos un punto xi * en el iésimo i 1 subintervalo para cada i, 1 i n. Una colección de puntos S xi *, x2* , x3* ,.....xn* donde xi *, en xi 1 , xi (para cada i) es una selección para la partición P. Esto define la suma de Riemann para una función f en un intervalo a , b , S una n * selección para P, entonces la suma de Riemamn R f xi xi i 1 En la siguiente gráfica de la función f x 2 x3 6x2 5 en el intervalo 0, 3 6,0 Suma según los extremos izquierdos 4,0 n R f xi 1 x 2,0 i 1 F(x) 0,0 -2,0 -4,0 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 ,00 ,10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,70 ,80 ,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 X Según los extremos derechos Según los puntos medios n n xi xi R= f ( xi ) x Rmed = f ( mi ) x , xi* mi 1 i 1 i 1 2 13
  • 14. 6,0 6,0 4,0 4,0 2,0 2,0 F(x) F(x) 0,0 0,0 -2,0 -2,0 -4,0 -4,0 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 ,00 ,10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,70 ,80 ,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 ,00 ,10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,70 ,80 ,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 X X LA INTEGRAL DEFINIDA SEGÚN RIEMANN El matemático alemán G . F. B Riemann (1826 -1866) Proporcionó una definición rigurosa de la integral. Definición: La integral definida de la función f de a a b es el número n * I lim p 0 i 1 f xi xi Siempre que el límite exista, en cuyo caso decimos que f es integrable en [a, b]. La ecuación significa que, para cada número > 0, existe un número > 0 tal que n * I f xi xi < i 1 Para cada suma de Riemann asociada con una partición arbitraria P de [a, b] para la que P < Nota: La palabra límite se usa para denotar el número mínimo y el número máximo del intervalo [a, b] y no tiene nada que ver con las definiciones de límite dadas anteriormente. La notación usual para la integral de f de a a b, debida al filósofo y matemático alemán G. W Leibniz, es: 14
  • 15. Esta notación integral no solo es altamente sugerente, sino que también es útil, en extremo para el manejo de las integrales. Los números a y b son el limite inferior y el limite superior de la integral, respectivamente, son los extremos del intervalo de integración. La variable x se puede reemplazar por cualquier otra variable sin afectar el significado de la Ecuación. Así si f es integrable en [a, b] , entonces b b b f x dx f t dt f u du ; f x es el integrando. a a a La integral dada, de la integral definida, se aplica solamente cuando a < b, pero es conveniente incluir, cuando a > b y a = b. b * Si a = b f x dx 0 a b a * Si a > b f x dx f x dx a b b Definición: Se llama integral definida entre a y b de f(x), y se denota f x dx al área de a la porción del plano limitado por la grafica de la función f(x), el eje x y las rectas x = a y x = b. TEOREMA DE EVALUACIÓN DE INTEGRALES “ Si G es una primitiva de la función continua f en G(b) – G(a) se abrevia generalmente [ b b G(x) ]a entonces f x dx Gb Ga a Ejemplo: Evaluar 15
  • 16. 1) senxdx cosx 0 cos cos0 0 = - (-1) – (-1) = +1 + 1 = 2 2 2 5 1 6 1 6 1 6 64 32 2) X dx X 2 0 0 0 6 0 6 6 6 3 9 9 1/ 2 x2 x1 / 2 3) 2X X 3 dx 2 3x 1 2 1/ 2 1 9 x2 2 x1 / 2 3x 1 9 2 12 2 91 / 2 11 / 2 39 1 80 4 24 52 Propiedades de las Integrales Definidas Sea f una función integrable en a, b : Propiedad 1: b f x dx 0 Es decir, si la base del área de la región bajo la curva es cero, a el área es cero. Propiedad 2: b f x dx > 0 , x a, b y f(x) > 0, Es decir, el área de la región bajo la curva siempre a será positiva si f(x) es positiva. Propiedad 3: b f x dx < 0, x a, b y f(x) < 0, Es decir, el área de la región bajo la curva siempre será a negativa si f(x) es negativa. 16
  • 17. Propiedad 4: c b c f x dx = f x dx + f x dx , Si f es una función integrable en un intervalo que contiene a a b los puntos a, b, c talque a < b < c. Propiedad 5: b b b f x g x dx f x dx g x dx Si f y g son funciones integrables en [a,b]. a a a Propiedad 6: b b Kf x dx k f ( x)dx para toda constante k a a Propiedad 7: b a f ( x)dx = - f ( x)dx Al intercambiar los limites de integración cambia el signo de la a b integral. Propiedad 8: b b f ( x)dx g x dx Si f y g son funciones integrables [a,b] y si f(x) g(x). a a Propiedad 9: b Kdx Kb a Es decir, si la función es constante su integral es el producto de la a constante por la diferencia de los límites de integración. Ejemplos Calcular la integral definida de las siguientes funciones: 17
  • 18. 5 1) 7dx 2 5 Solución : como es una constante, entonces: 7dx = 7(5-2) = 7(3) = 21 (Por prop. 9) 2 2 2 2 2) x 3 dx 4 y x dx 2 entonces calcular 5x 3 3x 4 dx 0 0 0 Solución: 2 2 2 2 3 3 5x 3x 4 dx = 5 x dx 3xdx 4dx 0 0 0 0 2 2 5 x 3 dx 3 xdx 4 2 0 0 0 = 5(4) – 3(2) + 8 Sustituyendo = 20 – 6 + 8 = 22 3) Calcular el área bajo la gráfica aplicando la integral definida. 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Solución: 5 3dx 3(5 1) 3(4) 12u 2 1 18
  • 19. 4) Evalúe 5 5 1 5 2 3 dx reescribimos x 5x dx 4 x2 x3 4 Solución: 5 5 2 x dx 5x 3 dx integrando obtenemos 4 4 1 2 5 5 x x 1 5 5 1 2 4 x 2x 2 4 Sustituimos aplicando la definición 1 5 1 5 2 2 5 25 4 24 1 5 1 5 17 = 0.10625 5 50 4 32 160 Ejercicios Propuestos 7 R/ = 2025/4 a) x3 4 x dx 2 6 R/ = -1661/12 b) y3 y 2 1 dy 5 R/ = 6 c) 3senZdz 0 19
  • 20. 4 1 R/ = 8.2 d) x 3 x dx 1 x e R/ = 1 e) ln y dy 1 4 R/ = 192 f) 7x5/ 2 5 x 3 / 2 dx 0 0 3 R/ = 1/4 g) x 1 dx 1 8 R/ = 1/2 2 h) sec tdt 0 /4 R/ = 1/4 i) senx cosxdx 0 2 x R/ = 4/ j) cos dx 0 4 3 R/ = 23.37 k) xe x / 2 dx 1 2 x2 1 R/ = 3/2 e (e2-1) l) 3xe dx 0 TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO Si f(x) es continua en el intervalo cerrado [a, b] y F es una primitiva de f en [a, b], b entonces a f x dx = F(b) – F(a); la diferencia F(b) – F(a) se denota por el símbolo f ( x)] b a o por F ( x) b . a Estrategia para usar el teorema fundamental del cálculo 1. Supuesta conocida una primitiva de f, disponemos de un nuevo recurso para calcular integrales definidas que no requiere hallar el límite de una suma. 2. Use la siguiente notación para aplicar el teorema fundamental del cálculo b f ( x)dx = F ( x) a = F(b) – F(a). b a Nota: No es necesario incluir una constante de integración C en la primitiva. 20
  • 21. Ocurren los siguientes casos: b a 1) Si a > b se tiene a f x dx b f x dx =- [F(a) – F(b)] = F(b) – F(a) 2) a = b se tiene a f x dx 0 F a F a a Ejemplos Evaluar 3 x3 3 a) 6x 2 5 dx 6 5x 2 2 3 3 2 x 3 5x 2 3 3 23 53 2 2 5 2 2 27 15 2 8 10 54 15 16 10 39 6 45 0 2x 3 3x 2 0 b) 2x 2 3x 2 dx 2x 2 2 3 2 3 2 2 2 03 02 2 3 22 2 3 20 3 2 3 2 21
  • 22. 8 2 6 4 0 3 16 2 3 1 10 3 10 3 4 4 4 3/ 2 3/ 2 1/ 2 x3/ 2 4 4 c) 3 x dx 3 x dx 3 3 3 0 4 4 3/ 2 4 3/ 2 3/ 2 * Aplicación del teorema fundamental del cálculo para hallar un área. d) Calcular el área de la región acotada por la gráfica f(x) = x2 en el intervalo 0,3 nótese que y 2. 10 3 x3 3 9 Área = x 2 dx 0 . 0 3 8 33 0 3 7 6 3 3 2 5 9u 4 3 2 1 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Nota: Este ejercicio esta resuelto al inicio de la unidad usando sumatoria. TEOREMA DEL VALOR MEDIO PARA INTEGRALES DEFINIDAS Si f es continua en el intervalo cerrado a, b , entonces existe un número “c” en a, b tal b que f ( x)dx f (c)(b a) , c puede ser cualquier punto de a, b . a 22
  • 23. Si despejamos f(c) tendríamos: b 1 f (c ) f ( x)dx obteniéndose así la definición del valor medio de una función en un b a a intervalo cuyo teorema es: “Si f es integrable en el intervalo cerrado a, b , el valor medio de f en a,b) es b 1 f med f ( x)dx ” b a a Ejemplo a) Halle el valor medio de f ( x) 3x 2 2 x en el intervalo 1,4 en este caso a =1, b = 4 b 4 4 1 1 2 1 3x 3 2x 2 1 3 4 f med f ( x)dx 3x 2 x dx x x2 1 b a a 4 11 3 3 2 1 3 1 3 2 3 2 4 4 1 1 3 1 1 64 16 0 48 3 3 16 GRAFICO 2 f(x) = 3x -2x x Y 1 1 2 8 3 23 4 40 La figura muestra que el área de la región bajo la grafica de f es igual al área del rectángulo cuya altura es el valor medio. 23
  • 24. b) Encuentre un número c que satisfaga la conclusión del teorema del valor medio para la 3 siguiente integral definida x 2 dx f (c)(b a) 0 Recordemos que esta ya es un área conocida igual a 9 unidades cuadradas, por tanto 3 x 2 dx f (c)(b a) 0 x3 3 0 f (c ) 3 0 3 33 f (c)(3) 3 9 f (c)(3) 9 f (c ) 3 f (c ) 3 Como f(x) = x2 entonces c2 = 3 c = 3 que es valor que satisface la conclusión del teorema. INTEGRACIÓN NUMÉRICA En varias ciencias, como las ciencias sociales, frecuentemente aparecen funciones en las que se conocen de ellas solo su gráfica o algunos puntos de la misma. En estos casos no es posible calcular la antiderivada de la función para determinar el área de la región limitada por dicha función. Existe un método que proporciona una aproximación al valor del área y que se conoce con el nombre de “INTEGRACIÓN NUMÉRICA”. Este método se utiliza en los casos en que es muy complicado o imposible obtener la antiderivada de la función. Para aproximar el área de una región usaremos los siguientes métodos: 1) Método del Trapecio 24
  • 25. Una forma de aproximar el valor de una integral definida es usar “n” trapecios como lo muestra la figura: x=0 x1 x2 x3 x4 = b En este método se supone que f es continua y positiva en a, b de manera que la integral b f ( x)dx a representa el área de la región limitada por la grafica de f y el eje x, entre x=a y x=b. b a En primer lugar partimos a, b en n subintervalos, cada uno de anchura x tales n que a= x0 x1 x2 ... xn = b A continuación formamos un trapecio sobre cada subintervalo como lo muestra la figura f(x0) f (x1) x0 x1 25
  • 26. b a n f xi 1 f ( x i ) b a donde el área del i-ésimo trapecio = por tanto la suma de las áreas 2 n de los n trapecios es: b a f ( x0 ) f ( x1 ) f ( xn 1 ) f ( xn ) b a Área = ... f ( x0 ) f ( x1 ) ... f ( xn 1 ) f ( xn ) n 2 2 2n b b a f ( x)dx f ( x0 ) 2 f ( x1 ) ... 2 f ( xn 1 ) f ( xn ) que es la regla del trapecio para a 2n b aproximar a f ( x)dx Ejemplo: 3 1) Use la regla de los trapecio para estimar x 2 dx con n=5 0 b a 3 0 3 Primero calcular x n 5 5 x0 0, x1 0.6, x 2 1.2, x3 1.8, x 4 2.4, x5 3 Segundo aplicar la ecuación b a = f ( x0 ) 2 f ( x1 ) 2 f ( x 2 ) ... 2 f ( x n 1 ) f ( x n ) 2n 3 0 = 0 2(0.36 ) 2(1.44 ) 2(3.24 ) 2(5.76 ) 2(9) 2(5) 3 = 0.72 2.88 6.48 11.52 18 9.18 U 2 10 10 9 y = x2 A = 9.18 u2 8 7 6 5 4 3 2 1 26 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
  • 27. 2) Use la regla del trapecio para estimar senxdx con n=4 y n=8 0 b a 0 Cuando n=4 x n 4 4 3 x0 0, x1 , x2 , x3 , x4 4 2 4 0 3 senxdx sen0 2sen 2sen 2 sen 2sen 0 2(4) 4 2 4 2 2 2 1 = 0 2( ) 2(1) 2( ) 0 2 2 2 2 2 2 1.896 8 2 2 8 8 4 0 Cuando n=8 x 8 8 3 5 3 7 x0 0, x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 , x7 , x8 8 4 8 2 8 4 8 0 senxdx sen0 2sen 2sen 2sen3 2sen 2sen5 2sen3 2sen7 sen 0 28 8 4 8 2 8 4 8 GRAFICA como vemos sen sen7 y sen3 sen5 8 8 8 8 Por tanto tenemos 27
  • 28. 2 2 2sen 2 2sen3 2(1) 2sen5 2 2sen7 16 8 2 8 8 2 8 2 2 2 2 sen 2sen7 2sen3 2 sen5 16 8 8 8 8 2 2 2 4 sen 4sen3 16 8 8 Utilizando la calculadora obtenemos 1.974 u2 que se aproxima al área exacta que es 2u2 Ejercicios Propuestos Aproxime el valor de la integral para el “n” que se especifique usando la regla del trapecio. 2 2 R/ = 8/3 u2 a) x dx, n 4 0 8 2 R/ = 416/3 u2 b) 4 x dx, n 4 0 9 R/ = 38/3 u2 c) x dx, n 8 4 3 1 R/ = 2/3 u2 d) dx, n 4 1 x2 1.1 2 R/ = 0.089 8.9 * 10-2 e) senx dx n 4 1 28