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7.3: Condiciones de integrabilidad

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  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Proposición\(\PageIndex{1}\)

    Si\(a<b\) y\(f:[a, b] \rightarrow \mathbb{R}\) es monótono, entonces\(f\) es integrable en\([a, b]\).

    Prueba

    Supongamos que\(f\) no disminuye. Dado\(\epsilon>0,\) que\(n \in Z^{+}\) sea lo suficientemente grande como para

    \[\frac{(f(b)-f(a))(b-a)}{n}<\epsilon .\]

    Para\(i=0,1, \ldots, n,\) dejar

    \[x_{i}=a+\frac{(b-a) i}{n}.\]

    Vamos\(P=\left\{x_{0}, x_{1}, \ldots, x_{n}\right\} .\) Entonces

    \[\begin{aligned} U(f, P)-L(f, P) &=\sum_{i=1}^{n} f\left(x_{i}\right)\left(x_{i}-x_{i-1}\right)-\sum_{i=1}^{n} f\left(x_{i-1}\right)\left(x_{i}-x_{i-1}\right) \\ &=\sum_{i=1}^{n}\left(f\left(x_{i}\right)-f\left(x_{i-1}\right)\right) \frac{b-a}{n} \\ &=\frac{b-a}{n}\left(\left(f\left(x_{1}\right)-f\left(x_{0}\right)\right)+\left(f\left(x_{2}\right)-f\left(x_{1}\right)\right)+\cdots\right.\\ &\left.\quad+\left(f\left(x_{n-1}\right)-f\left(x_{n-2}\right)\right)+\left(f\left(x_{n}\right)-f\left(x_{n-1}\right)\right)\right) \\ &=\frac{b-a}{n}(f(b)-f(a)) \\ &<\epsilon . \end{aligned}\]

    De ahí\(f\) que sea integrable en\([a, b]\). \(\quad\)Q.E.D.

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

    \(\varphi: \mathbb{Q} \cap[0,1] \rightarrow \mathbb{Z}^{+}\)Sea una correspondencia uno a uno. Definir\(f:[0,1] \rightarrow \mathbb{R}\) por

    \[f(x)=\sum_{q \in \underset{q \leq x}{\mathbb{Q} \cap [0,1]}} \frac{1}{2^{\varphi(q)}.}\]

    Entonces\(f\) está aumentando\([0,1],\) y por lo tanto integrable en\([0,1]\).

    Proposición\(\PageIndex{2}\)

    Si\(a<b\) y\(f:[a, b] \rightarrow \mathbb{R}\) es continuo, entonces\(f\) es integrable en\([a, b]\).

    Prueba

    Dado\(\epsilon>0,\) let

    \[\gamma=\frac{\epsilon}{b-a}.\]

    Dado que\(f\) es uniformemente continuo\([a, b],\) podemos elegir de\(\delta>0\) tal manera que

    \[|f(x)-f(y)|<\gamma\]

    siempre que\(|x-y|<\delta .\) Let\(P=\left\{x_{0}, x_{1}, \ldots, x_{n}\right\}\) sea una partición con

    \[\sup \left\{\left|x_{i}-x_{i-1}\right|: i=1,2, \ldots, n\right\}<\delta .\]

    Si, para\(i=1,2, \dots, n\),

    \[m_{i}=\inf \left\{f(x): x_{i-1} \leq x \leq x_{i}\right\}\]

    y

    \[M_{i}=\sup \left\{f(x): x_{i-1} \leq x \leq x_{i}\right\},\]

    entonces\(M_{i}-m_{i}<\gamma .\) De ahí

    \[\begin{aligned} U(f, P)-L(f, P) &=\sum_{i=1}^{n} M_{i}\left(x_{i}-x_{i-1}\right)-\sum_{i=1}^{n} m_{i}\left(x_{i}-x_{i-1}\right) \\ &=\sum_{i=1}^{n}\left(M_{i}-m_{i}\right)\left(x_{i}-x_{i-1}\right) \\ &<\gamma \sum_{i=1}^{n}\left(x_{i}-x_{i-1}\right) \\ &=\gamma(b-a) \\ &=\epsilon . \end{aligned}\]

    Así\(f\) es integrable en\([a, b]\). \(\quad\)Q.E.D.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Supongamos que\(a<b, f:[a, b] \rightarrow \mathbb{R}\) está acotado, y\(c \in[a, b] .\) Mostrar que si\(f\) es continuo encendido\([a, b] \backslash\{c\},\) entonces\(f\) es integrable en\([a, b]\).

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Supongamos\(a<b\) y\(f\) es continuo\([a, b]\) con\(f(x) \geq 0\) para todos\(x \in[a, b] .\) Mostrar que si

    \[\int_{a}^{b} f=0,\]

    entonces\(f(x)=0\) para todos\(x \in[a, b]\).

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    Supongamos\(a<b\) y\(f\) es continuo en\([a, b] .\) Para\(i=0,1, \ldots, n\),\(n \in \mathbb{Z}^{+},\) vamos

    \[x_{i}=a+\frac{(b-a) i}{n}\]

    y, para\(i=1,2, \ldots, n,\) dejar\(c_{i} \in\left[x_{i-1}, x_{i}\right] .\) Mostrar que

    \[\int_{a}^{b} f=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{b-a}{n} \sum_{i=1}^{n} f\left(c_{i}\right).\]

    En la notación de Ejercicio\(7.3 .3,\) llamamos la aproximación

    \[\int_{a}^{b} f \approx \frac{b-a}{n} \sum_{i=1}^{n} f\left(c_{i}\right)\]

    una aproximación de regla derecha si\(c_{i}=x_{i},\) una aproximación de regla izquierda si\(c_{i}=x_{i-1},\) y una aproximación de regla de punto medio si

    \[c_{i}=\frac{x_{i-1}+x_{i}}{2}.\]

    Estos son ingredientes básicos para crear aproximaciones numéricas a integrales.


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