UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS ´ ESCUELA DE MATEMATICA

Definiendo la integral de Riemann sin utilizar sumas de Riemann

Trabajo Especial de Grado presentado ante la ilustre Universidad Central de Venezuela por el Br. Sahid David Leal Pacheco para optar al t´ıtulo de Licenciado en Matem´atica. Tutor: Ram´ on Bruzual.

Caracas, Venezuela Octubre 2009

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Nosotros, los abajo firmantes, designados por la Universidad Central de Venezuela como integrantes del Jurado Examinador del Trabajo Especial de Grado titulado “Definiendo la integral de Riemann sin utilizar sumas de Riemann”, presentado por el Br. Sahid David Leal Pacheco, titular de la C´edula de Identidad 16.971.232, certificamos que este trabajo cumple con los requisitos exigidos por nuestra Magna Casa de Estudios para optar al t´ıtulo de Licenciado en Matem´ atica.

Dr. Ram´ on Bruzual Tutor

Dra. Marisela Dom´ınguez Jurado

Dra. Cristina Balderrama Jurado

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Dedicatoria

La dedicatoria de este T.E.G. va dirigida a la hija de Veralda y Cipriano Flores pero criada por Tomasa y Ebelia Flores, madre de nueve (9) hijos y abuela de quince (15) nietos, una madre abuela y amiga ejemplar, trabajadora y luchadora, siempre llena de amor para sus familiares y semejantes , con gran fortaleza humana y espiritual y con gran sentido del humor, simplemente una mujer excepcional en todos los sentidos de la palabra. Una mujer que no solo fue referencia para mi sino para todo mi n´ ucleo familiar, hablo de mi abuela Nicolasa Flores (Nikita) que a pesar que desde el 05 de Julio del presente a˜ no nos dejaste fisicamente siempre te vamos a recordar con todo el amor del mundo que te tuvimos, te seguimos y seguiremos teniendo. Abuela donde quieras que est´es te dedico este logro y la culminaci´on de esta meta porque se que est´as muy feliz y orgullosa de mi as´ı como lo estuviste de todos tus hijos y nietos.

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Agradecimiento

Ante todo agradezco a Dios por darme la salud y la sabidur´ıa necesaria para sobrellevar todas las dificultades que se me han presentado durante el camino que hoy me trajo a la presentaci´on de este Trabajo Especial de Grado, seguidamente pero no menos importante agradezco a mi familia empezando por mis padres Pascual Leal y Dilma Pacheco y siguiendo con mis hermanos Teresa, Carlos y Nicolas por inculcar en mi los valores necesarios para ser una persona de bien y responsable, por su apoyo incondicional ante cualquier necesidad que he tenido en mi vida y por ser todos un modelo a seguir por sus logros y metas alcanzadas. Posteriormente agradezco a mi novia Julenni Colmenares que durante la mayor´ıa del tiempo que he permanecido en el pre-grado me ha llenado de buenos consejos y siempre ha sido mi apoyo tanto en las buenas como en las malas. Agradezco a mi tutor el profesor Ram´on Bruzual por su apoyo incondicional y excelente asesor´ıa durante la realizaci´on de este T.E.G. la cu´al fue de vital importancia para la culminaci´on en el tiempo esperado. Por otro lado agradezco a la Universidad Central de Venezuela, espec´ıficamente a la Escuela de Matem´atica de la Facultad de Ciencias y a todo su personal docente incluyendo a los preparadores, personal administrativo y obrero que durante mis a˜ nos de estudios me brindaron la oportunidad de formarme profesionalmente como matem´atico, y sin restarle importancia a toda la extensa gama de amistades incondicionales que me he encontrado en esta carrera transform´andose pr´acticamente en segundos hermanos y hermanas donde juntos pasamos multiples horas de estudios y de intercambio de conocimientos en la biblioteca central, biblioteca Alonso Gamero (Gallinero), biblioteca de Psicolog´ıa, centros de estudiantes o casas de uno u otro compa˜ nero, para nombrar algunos cito sin orden de prioridades a Arqu´ımedes Gonz´alez, Julio Nemer, Andr´es Contreras, Roberto Morillo (Bigote), Manuel Gonzalez, Yarot Avenda˜ no, Ewuard Avila, Alejandra Ruiz, Karelys Medina, Alan Gonzalez,

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Nelson Molina, Jose Camero, Jose Di Campo, Gonzalo Barragan (Cabeza de Mesa), Mileva Rojas, Jose Quintero, Gledys Sulbaran, Freddy Hernandez, Gisell Marcano, Mariolys Rivas, Rafael Prieto, Mar´ıa Alemanni, Gabriel Marqu´ez, Luis Paredes, Kenny Garc´es, Florentino Fernandez, Alexis Becerra, Daniela Torrealba, Manolo (el del bombo), Ivan Zea, Gari Roa, Coraiza L´opez y tal vez uno que otro que en estos momentos no se me viene a la mente. Por u ´ltimo al Consejo de Desarrollo Cient´ıfico y Human´ıstico (CDCH) de la Universidad Central de Venezuela por su colaboraci´on con la impresi´on de este trabajo.

´Indice general Introducci´on

1

Cap´ıtulo 1. Construcciones cl´asicas de la integral de Riemann

4

1. Construcci´on original de Riemann

6

2. Construcci´on de Darboux de la integral de Riemann

6

3. Equivalencia entre las definiciones dadas por Riemann y por Darboux

7

Cap´ıtulo 2. Definici´on de la integral de Riemann sin sumas de Riemann

14

1. Motivaci´on

14

2. Integrales definidas sin sumas de Riemann

18

3. Resultado general de existencia

21

´ Cap´ıtulo 3. Area, longitud de arco y volumen ´ 1. Area bajo una curva

26 26

2. Longitud de arco

28

3. Volumen de un s´olido de revoluci´on

31

Bibliograf´ıa

34

vi

Introducci´ on El problema de calcular el ´area de una figura plana o el volumen de un s´olido, est´a ´ıntimamente ligado al C´alculo Integral y se remonta a la antig¨ uedad. El papiro de Mosc´ u, encontrado en Egipto y fechado alrededor del a˜ no 1800 A.C., muestra que ya para entonces se conoc´ıa una f´ormula para hallar el volumen de un tronco piramidal. La primera t´ecnica sistem´atica documentada capaz de determinar integrales es el m´etodo de exhauci´on creado por Eudoxo (Cnido, actual Turqu´ıa, 390 A. C. – 337 A. C.), que trataba de encontrar ´areas y vol´ umenes partiendo la figura en un n´ umero infinito de formas para las cuales se conocieran el ´area o el volumen. Este m´etodo fue desarrollado y usado m´as adelante por Arqu´ımedes (Siracusa, 287 A. C. – 212 A. C.), que lo emple´o para calcular ´areas de par´abolas y una aproximaci´on al ´area del c´ırculo. M´etodos similares fueron desarrollados de forma independiente en China alrededor del siglo III por Liu Hui, que los us´o para encontrar el ´area del c´ırculo. M´as tarde, Zu Chongzhi us´o este m´etodo para encontrar el volumen de una esfera. En el Siddhanta Shiromani, un libro de astronom´ıa del siglo XII del matem´atico hind´ u Bhaskara II (India, 1114-1185)), se encuentran algunas ideas de c´alculo integral. En el siglo XVI comienzan a aparecer adelantos significativos sobre el m´etodo de exhauci´on. En esta ´epoca, por un lado, con el trabajo de Cavalieri con su m´etodo de los indivisibles y, por otro lado, con los trabajos de Fermat, se empezaron a desarrollar los fundamentos del c´alculo moderno. A comienzos del siglo XVII, se produjeron nuevos adelantos con las aportaciones de Barrow y Torricelli, que presentaron los primeros indicios de una conexi´on entre la integraci´on y la derivaci´on. Los principales adelantos en integraci´on vinieron en el siglo XVII con el descubrimiento del teorema fundamental del c´alculo, realizado de manera independiente por Newton y Leibnitz. El teorema demuestra una conexi´on entre la integraci´on y la derivaci´on. Esta conexi´on,

1

´ INTRODUCCION

2

combinada con la facilidad, comparativamente hablando, del c´alculo de derivadas, se puede usar para calcular integrales. Las primeras demostraciones, poco rigurosas, que se dieron del Teorema Fundamental del C´alculo en los inicios, estaban basadas en la siguiente idea intuitiva: si F (x) representa el ´area bajo el gr´afico de la funci´on f , entonces F (x + h) − F (x) ≈ f (x)h, para h peque˜ no. B. Riemann dio una formalizaci´on del concepto de integral, que le permiti´o obtener una demostraci´on rigurosa de este resultado. En su art´ıculo “A lost theorem: definite integrals in an asymptotic setting” R. Cavalcante y T. Todorov ([2]) presentan una teor´ıa de integraci´on que rescata y formaliza las ideas iniciales que permitieron llegar al teorema fundamental del c´alculo. En este art´ıculo construyen una teor´ıa de integraci´on bastante simple, basada en un par de axiomas. Dan aplicaciones que muestran como puede aparecer la integral en el c´alculo, sin necesidad de sumas de Riemann y discuten la conexi´on entre esta presentaci´on y la historia del c´alculo. Incluso en la prueba de la existencia de la integral definida para funciones continuas (que si utiliza sumas de Riemann), para los autores, este enfoque axiom´atico es m´as elegante y did´actico que el convencional. Tambi´en consideran que la teor´ıa de integraci´on que presentan en su art´ıculo es un primer paso para llegar a una manera m´as simple, pero rigurosa de ense˜ nar el c´alculo y sus aplicaciones en un curso de c´alculo o un curso introductorio de an´alisis real. El objetivo fundamental de este Trabajo Especial de Grado es presentar de manera autocontenida y rigurosa las ideas del art´ıculo ya mencionado y comparar con la manera cl´asica de introducir la integral de Riemann. El trabajo se organiz´o de la siguiente manera: Un primer cap´ıtulo, dedicado a la construcci´on cl´asica de la integral de Riemann. Se demuestra que la construcci´on original de Riemann y la construcci´on posterior de Darboux son equivalentes.

´ INTRODUCCION

3

Un segundo cap´ıtulo dedicado a la definici´on de integral dada por Calvacante y Todorov en su trabajo [2]. Finalmente un tercer cap´ıtulo en el que se detalla la forma en que se pueden introducir los conceptos de ´area bajo una curva, longitud de arco y volumen de un s´olido de revoluci´on y justificar las f´ormulas para su c´alculo bas´andose en esta nueva manera de introducir la integral. Las notas hist´oricas que aparecen en esta parte del trabajo fueron tomadas de [3] y de [6].

CAP´ıTULO 1

Construcciones cl´ asicas de la integral de Riemann Georg Friedrich Bernhard Riemann (17 de septiembre de 1826 - 20 de junio de 1866) fue un matem´atico alem´an que realiz´o contribuciones muy importantes en an´alisis y geometr´ıa diferencial, algunas de ellas allanaron el camino para el desarrollo m´as avanzado de la relatividad general. Su nombre est´a conectado con la funci´on zeta, la integral de Riemann, el lema de Riemann-Lebesgue, las variedades, las superficies y la geometr´ıa de Riemann.

B. Riemann

(Esta nota bibliogr´afica y la imagen fueron tomadas de [6]) La idea intuitiva de calcular el ´area de una figura dividi´endola en peque˜ nos rect´angulos se remonta a la antig¨ uedad. La primera formalizaci´on precisa del concepto de integral se debe a B. Riemann. Jean Gaston Darboux (14 de agosto de 1842 - 23 de febrero de 1917) fue un matem´atico franc´es. Hizo muchas contribuciones importantes a la geometr´ıa y el an´alisis matem´atico. Una de sus contribuciones al desarrollo de la matem´atica fue una nueva presentaci´on de la 4

´ 1. CONSTRUCCIONES CLASICAS DE LA INTEGRAL DE RIEMANN

5

integral de Riemann. Esta presentaci´on resulta m´as did´actica, f´acil de trabajar y es la que usualmente se presenta en los libros de c´alculo y de introducci´on al an´alisis.

G. Darboux (Esta nota bibliogr´afica y la imagen fueron tomadas de [6]) En este cap´ıtulo se presenta la definici´on de integral dada por Riemann, un resumen de la definici´on y la construcci´on de la integral dada por Darboux y se demuestra que ambas integrales son equivalentes. La construcci´on de la integral de Riemann depende fuertemente de la estructura del conjunto de los n´ umeros reales. El siguiente concepto de partici´on es fundamental para su desarrollo.

´ n 1.1. Definicio Sean a, b ∈ R, a < b. Una partici´ on del intervalo [a, b] es una colecci´on finita de puntos de [a, b] de los cuales uno es a y otro es b. Si P = {t0 , t1 , . . . , tn } es una partici´on de [a, b] es usual suponer que la numeraci´on se escogi´o de manera que

a = t0 < t1 < · · · < tn−1 < tn = b.

´ DE DARBOUX DE LA INTEGRAL DE RIEMANN 2. CONSTRUCCION

6

Al hablar de una partici´on siempre se supondr´a que est´a ordenada en la forma anterior y la norma de la partici´ on, kP k, se define por kP k = m´ax{ti − ti−1 : 1 ≤ i ≤ n}. 1. Construcci´ on original de Riemann ´ n 1.2 (Integral seg´ Definicio un Riemann). Sea [a, b] ⊂ R un intervalo cerrado y acotado y sea f : [a, b] → R una funci´on. Se dice que f es integrable Riemann en [a, b] si existe A ∈ R que satisface lo siguiente: Para cada ε > 0 existe δ > 0 tal que si P = {t0 , t1 , . . . , tn } es una partici´on de [a, b], {c0 , c1 , . . . , cn } ∈ [a, b] son tales que ci ∈ [ti−1 , ti ] y ||P || < δ, entonces ¯ n ¯ ¯X ¯ ¯ ¯ f (ci ) (ti − ti−1 ) − A¯ < ε. ¯ ¯ ¯ i=1

Al n´ umero A que aparece en esta definici´on se le llama integral de Riemann de f sobre [a, b]. A la sumas que aparecen en esta definici´on de le llaman sumas de Riemann. La integral de Riemann de f sobre el intervalo [a, b] se denotar´a por Z b (R) f (x) dx, a

´o simplemente por

Z

b

f (x) dx a

si no existe posibilidad de confusi´on. 2. Construcci´ on de Darboux de la integral de Riemann ´ n 1.3. Definicio Sean a, b ∈ R, a < b y sea f : [a, b] → R una funci´on acotada. Si P = {t0 , t1 , . . . , tn } es una partici´on del intervalo [a, b], para 1 < i < n, se definen

mi = ´ınf {f (x) : ti−1 ≤ x ≤ ti }

Mi = sup {f (x) : ti−1 ≤ x ≤ ti }

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

7

La suma inferior de f correspondiente a la partici´on P , se denota por L(f, P ) y se define por L(f, P ) =

n X

mi (ti − ti−1 ) .

i=1

La suma superior de f correspondiente a la partici´on P , se denota por U (f, P ) y se define por U (f, P ) =

n X

Mi (ti − ti−1 ) .

i=1

Las sumas superior e inferior de una funci´on con respecto a una partici´on tambi´en son conocidas con el nombre de sumas de Darboux La definici´on de integral que dio Darboux fue la siguiente. ´ n 1.4 (Integral seg´ Definicio un Darboux). Una funci´on f definida en [a, b] es integrable Darboux sobre [a, b] si f es acotada y sup{L(f, P ) : P es partici´on de [a, b]} = ´ınf{U (f, P ) : P es partici´on de [a, b]} A este valor com´ un se le llama integral de Darboux de f sobre [a, b]. La integral de Darboux de f sobre el intervalo [a, b] se denotar´a por Z b (D) f (x) dx, a

´o simplemente por

Z

b

f (x) dx a

si no existe posibilidad de confusi´on. 3. Equivalencia entre las definiciones dadas por Riemann y por Darboux Se tiene que la integral de Riemann y la integral de Darboux son equivalentes, m´as precisamente se cumple el siguiente resultado. Teorema 1.5. Sea [a, b] ⊂ R un intervalo cerrado y acotado y sea f : [a, b] → R una funci´on. Entonces las siguientes condiciones son equivalentes: (i) f es integrable Riemann, (ii) f es integrable Darboux.

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

8

Adem´ as, en caso de cumplirse una de las condiciones anteriores se cumple que Z

Z

b

(D)

b

f (x) dx = (R) a

f (x) dx. a

La demostraci´on que se va dar de este resultado sigue el esquema planteado (como ejercicio) en [1]. Ser´a necesario utilizar algunos resultados referentes a la integral de Darboux, los resultados que usualmente se encuentran en la literatura especializada se enuncian sin demostraci´on. Los tres resultados siguientes se pueden encontrar en [1, 4, 5]. Lema 1.6. Sea f una funci´on acotada definida en el intervalo [a, b]. Si P y Q son dos particiones del intervalo [a, b] tales que P ⊂ Q entonces L(f, P ) ≤ L(f, Q) ≤ U (f, Q) ≤ U (f, P ). Teorema 1.7. Sea f una funci´on acotada definida en el intervalo [a, b]. Si P y Q son particiones del intervalo [a, b], entonces L(f, P ) ≤ U (f, Q). Teorema 1.8. Sea f una funci´on acotada definida en el intervalo [a, b] entonces f es integrable Darboux sobre [a, b] si y solo si para cada ε > 0 existe una partici´ on P de [a, b] tal que U (f, P ) − L(f, P ) < ε Los siguientes resultados son m´as especializados, por lo que se har´a su demostraci´on. Teorema 1.9. Sea f : [a, b] → R una funci´on. Sup´ongase que existe M > 0 tal que |f (x)| ≤ M para todo x ∈ [a, b] y sea P una partici´ on de [a, b]. (a) Si c ∈ [a, b] entonces U (f, P ) − U (f, P ∪ {c}) ≤ 2M kP k y L(f, P ∪ {c}) − L(f, P ) ≤ 2M kP k .

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

9

(b) Si Q es una partici´ on de [a, b] que contiene a lo sumo n puntos m´as que P entonces U (f, P ) − U (f, Q) ≤ 2nM kP k y L(f, Q) − L(f, P ) ≤ 2nM kP k . ´ n. Demostracio (a) Sup´ongase que P = {x0 , x1 , . . . , xn }, donde a = x0 < x1 < . . . < xn = b. Si c es un elemento de la partici´on el resultado es inmediato. En otro caso existe k tal que xk−1 < c < xk y por lo tanto P ∪ {c} = {x0 , x1 , . . . , xk−1 , c, xk , . . . , xn } . Siguiendo la notaci´on usual se tiene que U (f, P ) =

n X

Mi (xi − xi−1 ) =

i=1

k−1 X

Mi (xi − xi−1 ) +

i=1

n X

Mi (xi − xi−1 ) + Mk (xk − xk−1 )

i=k+1

y U (f, P ∪ {c}) =

k−1 X

Mi (xi − xi−1 ) +

i=1

n X

Mi (xi − xi−1 ) + Mk0 (c − xk−1 ) + Mk00 (xk − c),

i=k+1

donde Mk0 =

sup

{f (x)}

xk−1 ≤x≤c

y Mk00 = sup {f (x)} . c≤x≤xk

Adem´as |Mk0 | ≤ M,

|Mk00 | ≤ M,

|Mk | ≤ M.

Por lo tanto U (f, P ) − U (f, P ∪ {c}) = Mk (xk − xk−1 ) − (Mk0 (c − xk−1 ) + Mk00 (xk − c)) ≤ |Mk |(xk − xk−1 ) + |Mk0 |(c − xk−1 ) + |Mk00 |(xk − c) ≤ M (xk − xk−1 ) + M (c − xk−1 ) + M (xk − c) = 2M (xk − xk−1 ) ≤ 2M kP k . Con las sumas inferiores se procede de manera an´aloga.

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

L(f, P ) =

n X

mi (xi − xi−1 ) =

i=1

k−1 X

mi (xi − xi−1 ) +

i=1

n X

mi (xi − xi−1 ) + mk (xk − xk−1 )

i=k+1

y L(f, P ∪ {c}) =

k−1 X

mi (xi − xi−1 ) +

i=1

n X

mi (xi − xi−1 ) + m0k (c − xk−1 ) + m00k (xk − c).

i=k+1

donde m0k =

´ınf

xk−1 ≤x≤c

{f (x)}

y m00k = ´ınf {f (x)} . c≤x≤xk

Adem´as |m0k | ≤ M,

|m00k | ≤ M,

|mk | ≤ M.

Por lo tanto L(f, P ∪ {c}) − L(f, P ) = m0k (c − xk−1 ) + m00k (xk − c) − mk (xk − xk−1 ) ≤ |m0k |(c − xk−1 ) + |m00k |(xk − c) + |mk |(xk − xk−1 ) ≤ M (xk − xk−1 ) + M (c − xk−1 ) + M (xk − c) = 2M (xk − xk−1 ) ≤ 2M kP k

(b) Sea Q una partici´on que contiene a lo sumo n puntos m´as que P entonces

U (f, P ) − U (f, Q) = U (f, P ) − U (f, P ∪ {c1 , . . . , cn }) = U (f, P ) − U (f, P ∪ {c1 }) + U (f, P ∪ {c1 }) − U (f, P ∪ {c1 } ∪ {c2 }) + U (f, P ∪ {c1 } ∪ {c2 }) − U (f, P ∪ {c1 , c2 , c3 }) + · · · + + U (f, P ∪ {c1 , . . . , cn−1 }) − U (f, P ∪ {c1 . . . , cn }) ≤ 2M kP k + 2M kP k + · · · + 2M kP k = 2nM kP k .

10

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

11

La desigualdad correspondiente a las sumas inferiores se demuestra de manera completamente an´aloga. ¤ Lema 1.10. Sea f : [a, b] → R una funci´on acotada e integrable Darboux, entonces para cada ε > 0 existe δ > 0 tal que si P es una partici´ on de [a, b] y kP k < δ, entonces U (f, P ) − L(f, P ) < ε. ´ n. Sea ε > 0, por el Teorema 1.8 existe una partici´on Po de [a, b] tal que Demostracio ε U (f, Po ) − L(f, Po ) < . 2 ε Sea n el n´ umero de elementos de Po y sea δ = . 8nM Por el Teorema 1.9, si P es una partici´on de [a, b] tal que kP k < δ entonces U (f, P ) − U (f, P ∪ Po ) ≤

ε 4

y ε L(f, P ∪ Po ) − L(f, P ) ≤ . 4 Por lo tanto ε U (f, P ) − U (f, P ∪ P0 ) + L(f, P ∪ P0 ) − L(f, P ) ≤ . 2 Por el Lema 1.6, ε + U (f, P ∪ P0 ) − L(f, P ∪ P0 ) 2 ε ≤ + U (f, P0 ) − L(f, P0 ) 2 ε ε < + =ε 2 2

U (f, P ) − L(f, P ) ≤

¤ ´ n del Teorema 1.5. Demostracio (i) (⇒) (ii) Sup´ongase que f es integrable Riemann. Esta parte de la demostraci´on se har´a en dos pasos. Paso 1: Demostraci´on de que f es acotada.

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

12

Considerando ε = 1 en la Definici´on 1.2 se obtiene que existe δ > 0 tal que si P = {t0 , t1 , . . . , tn } es una partici´on de [a, b], {c1 , . . . , cn } ∈ [a, b] son tales que ci ∈ [ti−1 , ti ] y kP k < δ, entonces

¯ ¯ n ¯X ¯ ¯ ¯ f (ci )(ti − ti−1 ) − A¯ < 1. ¯ ¯ ¯ i=1

Sea Po = {x0 , x1 , . . . , xN } una partici´on de [a, b], de norma menor que δ. Sea x ∈ [a, x1 ], entonces se tiene que ¯ ¯ n ¯ ¯X ¯ ¯ f (xi )(xi − xi−1 ) − A¯ < 1 ¯ ¯ ¯ i=1

y ¯ ¯ n ¯ ¯ X ¯ ¯ f (xi )(xi − xi−1 ) − A¯ < 1. ¯f (x)(x1 − a) + ¯ ¯ i=2

Por lo tanto

|(f (x)−f (x1 ))(x1 − a)| = ¯ Ã n !¯ n ¯ ¯ X X ¯ ¯ = ¯f (x)(x1 − a) + f (xi )(xi − xi−1 ) − A − f (xi )(xi − xi−1 ) − A ¯ ¯ ¯ i=2

i=1

≤ 2. De donde se deduce que |f (x)| ≤ |f (x1 )| + |f (x) − f (x1 )| ≤ |f (x1 )| +

2 x1 − a

si x ∈ [a, x1 ]. De igual manera se puede proceder en el resto de los intervalos de la partici´on, obteni´endose que f es acotada. Paso 2: f satisface la condici´on del Teorema 1.8. Sea ε > 0, nuevamente por la Definici´on 1.2, existe una partici´on P = {t0 , t1 , . . . , tn } de [a, b] tal que si {c1 , c2 , . . . , cn } ∈ [a, b] satisfacen ci ∈ [ti−1 , ti ] entonces ¯ ¯ n ¯ ε ¯X ¯ ¯ f (ci )(ti − ti−1 ) − A¯ < . ¯ ¯ 3 ¯ i=1

3. EQUIVALENCIA ENTRE AMBAS DEFINICIONES DE INTEGRAL

13

Como Mi = sup {f (x) : ti−1 ≤ x ≤ ti } y c1 ∈ [t0 , t1 ] , c2 ∈ [t1 , t2 ], . . . , cn ∈ [tn−1 , tn ] son arbitrarios se tiene que U (f, P ) =

n X i=1

= sup

Mi (ti − ti−1 ) (

n X

) f (ci )(ti − ti−1 ) : c1 ∈ [t0 , t1 ] , c2 ∈ [t1 , t2 ], . . . , cn ∈ [tn−1 , tn ] ,

i=1

por lo tanto ε |U (f, P ) − A| ≤ . 3 En forma completamente an´aloga se obtiene que ε |L(f, P ) − A| ≤ . 3 Por lo tanto U (f, P ) − L(f, P ) ≤ |U (f, P ) − A| + |A − L(f, P )| ≤

ε ε + < ε. 3 3

(ii) (⇒) (i) Sup´ongase que f es integrable Darboux. Por el Lema 1.10 existe δ > 0 tal que si P es una partici´on de [a, b] y kP k < δ, entonces U (f, P ) − L(f, P ) < ε. Sea P = {t0 , t1 , . . . , tn } una partici´on de [a, b] tal que kP k < δ y sean {c0 , c1 , . . . , cn } ∈ [a, b] tales que ci ∈ [ti−1 , ti ], entonces Z

b

0 ≤ U (f, P ) − (D)

f (x) dx < ε, a

Z

b

0 ≤ (D)

f (x) − L(f, P ) dx < ε a

y L(f, P ) ≤

n X

f (ci ) (ti − ti−1 ) ≤ U (f, P ).

i=1

Por lo tanto

¯ ¯ Z b n ¯ ¯X ¯ ¯ f (ci ) (ti − ti−1 ) − (D) f (x)¯ < ε, ¯ ¯ ¯ a i=1

de donde se concluye que f es integrable Riemann y que Z b Z b (D) f (x) = (R) f (x). a

a

¤

CAP´ıTULO 2

Definici´ on de la integral de Riemann sin sumas de Riemann 1. Motivaci´ on Sup´ongase que ρ : [a, b] → R es una funci´on continua. Por el Teorema Fundamental del C´alculo (ver [1, 4, 5]) se tiene que µ ¶ Z x d (R) ρ(t) dt = ρ(x) dx a para todo x ∈ [a, b] (en los extremos a y b del intervalo la derivada debe tomarse a derecha y a izquierda, respectivamente). ´ n 2.1. Notar que por el Teorema 1.5 Observacio Z x Z x (R) ρ(t) dt = (D) ρ(t) dt. a

a

Sea F : [a, b] → R definida por Z

x

F (x) = (R)

ρ(t) dt, a

entonces F (x + h) − F (x) − ρ(x)h = 0. h→0 h l´ım

Por la propiedad aditiva de la integral de Riemann se tiene que, si h > 0 µ ¶ Z x+h 1 F (x + h) − F (x) = (R) ρ(t) dt , h h x y si h < 0 F (x + h) − F (x) 1 =− h h

µ Z (R)

¶

x

ρ(t) dt x+h

1 = h

Por lo tanto si se define G : [a, b] × [a, b] → R 14

µ

Z

x+h

(R)

¶ ρ(t) dt .

x

´ 1. MOTIVACION

15

por Z

z

ρ(t) dt,

G(x, z) = (R) x

se tiene que l´ım

h→0

G(x, x + h) − ρ(x)h = 0. h

Como es usual, esto u ´ltimo suele abreviarse con la siguiente notaci´on

G(x, x + h) − ρ(x)h = o(h), h → 0,

que ser´a explicada con m´as detalle a continuaci´on y que se seguir´a utilizando a lo largo del trabajo. Adem´as, por la propiedad aditiva de la integral se tiene que, para x1 , x2 , x3 ∈ [a, b]

G(x1 , x2 ) + G(x2 , x3 ) = G(x1 , x3 ). ´ n 2.2 (La notaci´on o(h)). Observacio Es usual denotar por o(h) al conjunto de las funciones f : Df → R tales que Df ⊂ R, 0 ∈ Df y f (h) = 0. h→0 h l´ım

En vez de escribir f ∈ o(h) es usual escribir f (h) = o(h), h → 0, o simplemente denotar por o(h), h → 0 cualquier funci´on que dividida entre h tiende a 0 cuando h → 0. De acuerdo con esta u ´ltima convenci´on se tienen las siguientes propiedades, que aunque son un abuso de notaci´on, simplifican mucho las demostraciones (1) o(h) + o(h) = o(h) (2) o(h)2 = o(h) (3) co(h) = o(h), c ∈ R

´ 1. MOTIVACION

16

Los siguientes gr´aficos ilustran las propiedades anteriores en t´erminos de la interpretaci´on de la integral como el ´area bajo el gr´afico de la funci´on y = ρ(x).

Y

Y

y = ρ(x) h

o(h) (x , ρ(x) )

ρ(x)h

a

x1

x2

x3

X b

a

x

x+h

Las dos propiedades mencionadas caracterizan la integral de la funci´on ρ, m´as precisamente se cumple el siguiente resultado. Lema 2.3. Sean a, b ∈ R, a < b y sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Entonces existe una u ´nica funci´on G : [a, b] × [a, b] → R que satisface las siguientes condiciones (a) G(x, x + h) − ρ(x)h = o(h), h → 0 para todo x ∈ [a, b], (b) G(x1 , x2 ) + G(x2 , x3 ) = G(x1 , x3 ) para todo x1 , x2 , x3 ∈ [a, b]. Adem´as G es la u ´nica soluci´on del siguiente problema a valor inicial d G(a, x) = ρ(x), dx

G(a, a) = 0

en el intervalo (a, b). ´ n. Demostracio Existencia: Considerar

Z

y

G(x, y) = (R)

ρ(t) dt. x

b

´ 1. MOTIVACION

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Unicidad: Se va a probar primero que si G satisface (a) y (b) entonces G es soluci´on del problema a valor inicial d G(a, x) = ρ(x), dx

I(a, a) = 0

en el intervalo (a, b). d G(a, x + h) − G(a, x) G(a, x) = l´ım h→0 dx h G(x, x + h) = l´ım h→0 h G(x, x + h) − ρ(x)h + ρ(x)h = l´ım h→0 h G(x, x + h) − ρ(x)h = l´ım + ρ(x) h→0 h = 0 + ρ(x) = ρ(x). Adem´as G(a, a) + G(a, a) = G(a, a), por lo que G(a, a) = 0. La condici´on (a) implica la continuidad a derecha de la funci´on x 7→ G(a, x) ya que G(a, a + h) = ρ(a)h + o(h), h → 0 y G(a, a) = 0. De igual manera se prueba que la funci´on x 7→ G(b, x) es continua a izquierda en b y que G(b, b) = 0. Sea G1 : [a, b] × [a, b] → R otra funci´on que satisface (a) y (b). Consid´erese H : [a, b] → R definida por H(x) = G(a, x) − G1 (a, x), entonces H es continua en [a, b], diferenciable en (a, b), H(a) = 0 y H 0 (x) = 0 para todo x ∈ (a, b). Por lo tanto H ≡ 0, de donde se concluye que G(a, x) = G1 (a, x) para todo x ∈ [a, b]. Por la propiedad (b) se tiene que G(x, y) = G(a, y) − G(a, x) y G1 (x, y) = G1 (a, y) − G1 (a, x),

2. INTEGRALES DEFINIDAS SIN SUMAS DE RIEMANN

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por lo tanto G = G1 . ¤ ´ n 2.4. Es importante destacar que para la demostraci´on de la unicidad en el Observacio lema anterior no es necesario particionar el intervalo [a, b] ni considerar sumas de Riemann. Este resultado de unicidad est´a basado en el hecho, bastante elemental de c´alculo que afirma “Toda funci´on con derivada nula en un intervalo es constante”. 2. Integrales definidas sin sumas de Riemann En esta secci´on se desarrolla la definici´on de integral propuesta por R. Cavalcante y T. Todorov en su trabajo [2].

Se debe comenzar por suponer que no ha sido definido ning´ un concepto de integral, se va a partir del c´ alculo diferencial b´ asico. Sean a, b ∈ R, a < b, sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Si I : [a, b] × [a, b] → R es una funci´on, se dir´a que I satisface la propiedad aditiva si se cumple (A)

I(x, y) + I(y, z) = I(x, z) para todo x, y, z ∈ [a, b].

Se dir´a que I satisface la propiedad asint´otica con respecto a ρ si se cumple (B)

I(x, x + h) = ρ(x)h + o(h), h → 0 para todo x ∈ [a, b], es decir I(x, x + h) − ρ(x)h =0 h→0 h l´ım

´o, lo que es equivalente I(x, x + h) = ρ(x) h→0 h l´ım

(en los extremos del intervalo se deben considerar los l´ımites a derecha y a izquierda respectivamente). En forma completamente an´aloga a la parte de la demostraci´on correspondiente a la unicidad del Lema 2.3, se demuestra el siguiente resultado.

2. INTEGRALES DEFINIDAS SIN SUMAS DE RIEMANN

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Lema 2.5. Sean a, b ∈ R, a < b, sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Si existe una funci´ on I : [a, b] × [a, b] → R que satisface las propiedades (A) y (B) entonces (i) La funci´on I(a, x) es soluci´on del problema a valor inicial d I(a, x) = ρ(x), dx

I(a, a) = 0

en el intervalo [a, b] (en los extremos del intervalo se deben considerar derivadas laterales). (ii) I es u ´nica. La propiedad de unicidad establecida en el lema anterior permite dar la siguiente definici´on. ´ n 2.6 (Integral de Calvacante-Todorov). Definicio Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Si existe una funci´on I : [a, b] × [a, b] → R que satisface las propiedades (A) y (B) se dice que ρ es integrable Calvacante-Todorov sobre [a, b] y se define la integral de Calvacante-Todorov de ρ sobre el intervalo [a, b] por Z b (CT ) ρ(t) dt = I(a, b). a

´ n 2.7. Si ρ : [a, b] → R una funci´on continua y existe una funci´on Observacio I : [a, b] × [a, b] → R que satisface las propiedades (A) y (B) y si a ≤ α ≤ β ≤ b entonces la restricci´on I|[α,β]×[α,β] satisface las propiedades (A) y (B) con respecto a ρ|[α,β] . Por lo tanto, si ρ es integrable Calvacante-Todorov sobre [a, b] y a ≤ α ≤ β ≤ b entonces se tiene que ρ es integrable Calvacante-Todorov sobre [α, β] y Z β (CT ) ρ(t) dt = I(α, β). α

Teorema 2.8 (Teorema fundamental). Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Si ρ es integrable Calvacante-Todorov en [a, b], entonces ρ es integrable Calvacante-Todorov en [a, x] para todo x ∈ [a, b], la funci´on

Z

x

F (x) = (CT )

ρ(t) dt a

es diferenciable en el intervalo (a, b) y µ ¶ Z x d (CT ) ρ(t) dt = ρ(x) dx a para todo x ∈ [a, b].

2. INTEGRALES DEFINIDAS SIN SUMAS DE RIEMANN

20

´ n. De la Observaci´on 2.7 sigue la integrabilidad en [a, x] para x ∈ [a, b]. Demostracio Sea I : [a, b] × [a, b] → R definida por

Z

y

I(x, y) = (CT )

ρ(t) dt. x

Entonces I satisface las propiedades (A) y (B). Por la propiedad (A) se tiene que I(a, x + h) − I(a, x) = I(x, x + h), combinado esto u ´ltimo con la propiedad (B) se obtiene µ ¶ Z x d I(a, x + h) − I(a, x) (CT ) ρ(t) dt = l´ım h→0 dx h a = l´ım

h→0

I(x, x + h) h

= ρ(x). ¤ Teorema 2.9 (Teorema d´ebil de existencia). Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Si ρ posee una antiderivada R en [a, b], entonces ρ es integrable Calvacante-Todorov en [a, b] y

Z

b

(CT )

ρ(t) dt = R(b) − R(a). a

´ n. I : [a, b] × [a, b] → R definida por Demostracio I(x, y) = R(y) − R(x). Entonces I satisface las propiedades (A) y (B), por lo tanto Z b (CT ) ρ(t) dt = I(a, b) = R(b) − R(a). a

¤ Del Teorema Fundamental del C´alculo para la integral de Riemann sigue inmediatamente el siguiente resultado. Corolario 2.10. Si ρ : [a, b] → R es una funci´on continua que posee antiderivada entonces

Z

Z

b

(CT )

b

ρ(t) dt = (R) a

ρ(t) dt. a

3. RESULTADO GENERAL DE EXISTENCIA

21

3. Resultado general de existencia La sencilla, pero rigurosa, teor´ıa que se ha desarrollado en la Secci´on anterior, es lo suficientemente poderosa para sustentar la mayor´ıa de los temas relacionados con la integral y sus aplicaciones, en los comienzos de un curso t´ıpico de c´alculo. Sin embargo, para poder trabajar con integrales de funciones cuya primitiva no se puede Rb Rb 2 expresar en t´erminos de funciones elementales, como a e−x dx y a sin(x2 )dx es necesario un resultado m´as general de existencia. Se va a probar el siguiente resultado de existencia, que extiende el que ya fue probado. Teorema 2.11 (Resultado general de existencia). Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua. Entonces ρ posee una antiderivada en (a,b) y por lo tanto es integrable CalvacanteTodorov sobre [a, b]. Para demostrar este resultado de existencia ser´a necesario considerar particiones del intervalo [a, b] y sumas de Darboux. Adem´as se necesitan ciertos resultado previos que se dan a continuaci´on. La nociones de suma superior, suma inferior, partici´on, etc que aparecen y se usan a continuaci´on son las ya dadas en el Cap´ıtulo 1. Sea [a, b] ⊂ R un intervalo cerrado y acotado y sean x, y ∈ R tales que a ≤ x ≤ y ≤ b. De acuerdo a las definiciones ya dadas una partici´ on del intervalo [x, y] es un conjunto de la forma P = {x0 , x1 , . . . , xn }, donde n ∈ N y x = x0 < x1 < . . . < xn = y. El conjunto de todas las particiones de [x, y] se denotar´a por P[x, y]. Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua y sea P = {x0 , x1 , . . . , xn } una partici´on de [x, y]. Entonces, de acuerdo a las definiciones dadas en el cap´ıtulo anterior, si mk = m´ın{ρ(t) : xk−1 ≤ t ≤ xk }, y L(ρ, P ) =

n X

Mk = m´ax{ρ(t) : xk−1 ≤ t ≤ xk }, mk (xk − xk−1 )

k=1

y U (ρ, P ) =

n X

Mk (xk − xk−1 ),

k=1

son las sumas inferiores y superiores de ρ(t) con respecto a la partici´on P .

3. RESULTADO GENERAL DE EXISTENCIA

22

Sean x, y, z ∈ R, a ≤ x < y < z ≤ b. Si P ∈ P[x, y] y Q ∈ P[y, z] entonces P ∪Q ∈ P[x, z] y se tiene que L(ρ, P ) + L(ρ, Q) = L(ρ, P ∪ Q) y U (ρ, P ) + U (ρ, Q) = U (ρ, P ∪ Q). El siguiente resultado es sencillo de probar y se puede encontrar en cualquiera de las referencias [1, 4, 5]. ´ n 2.12. Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua y sean P y Q dos particiones Proposicio de [a, b]. Si m = m´ın{ρ(t) : a ≤ t ≤ b} y M = m´ax{ρ(t) : a ≤ t ≤ b}, entonces m (b − a) ≤ L(ρ, P ) ≤ U (ρ, Q) ≤ M (b − a).

Teorema 2.13. Sea ρ : [a, b] → R una funci´on continua, entonces para cada ε > 0 existe una partici´ on P de [a, b] tal que U (ρ, P ) − L(ρ, P ) < ε. ´ n. Sea ε > 0, como ρ es continua, es uniformemente continua en [a, b] y Demostracio por lo tanto existe δ > 0 tal que si t, t0 ∈ [a, b] y |t − t0 | < δ, entonces |ρ(t) − ρ(t0 )|
0. Por la continuidad de ρ se tiene que l´ım+

h→0

I(x, x + h) = ρ(x). h

Por otra parte, tambi´en se tiene que (m´ın{ρ(t) : x − h ≤ t ≤ x})h ≤ I(x − h, x) ≤ (m´ax{ρ(t) : x − h ≤ t ≤ x})h, para h > 0, luego l´ım−

h→0

I(x, x + h) −I(x + h, x) = l´ım− h→0 h h I(x − h, x) = l´ım+ h→0 h = ρ(x).

Tercer paso: Probar que I(x, z) = I(x, y) + I(y, z) si a ≤ x < y < z ≤ b

3. RESULTADO GENERAL DE EXISTENCIA

24

Notar que si c y d son n´ umeros reales tales que a ≤ c < d ≤ b entonces, por la definici´on de I(c, d) se tiene que L(ρ, P ) ≤ I(c, d) y por la Proposici´on 2.12 se tiene que I(c, d) ≤ U (ρ, P ) para toda P ∈ P[c, d]. Sean x, y, z tales que a ≤ x < y < z ≤ b. Sean P ∈ P[x, y] y Q ∈ P[y, z]. Entonces se cumple que L(ρ, P ) ≤ I(x, y) ≤ U (ρ, P ), L(ρ, Q) ≤ I(y, z) ≤ U (ρ, Q), L(ρ, P ∪ Q) ≤ I(x, z) ≤ U (ρ, P ∪ Q), ya que P ∪ Q ∈ P[x, z]. Por lo tanto L(ρ, P ) + L(ρ, Q) − U (ρ, P ∪ Q) ≤ I(x, y) + I(y, z) − I(x, z) (2.1) ≤ U (ρ, P ) + U (ρ, Q) − L(ρ, P ∪ Q) Por el Teorema 2.13, dado ε > 0 es posible elegir las particiones P ∈ P[x, y] y Q ∈ P[y, z] de manera que U (ρ, P ) − L(ρ, P )