Mathematics · Libro 3 · Bachelor Year 1

Matemáticas universitarias — Grado 1

Matemáticas universitarias — Grado 1 · Bachelor Year 1

15Integración en un segmento

La integral del volumen anterior se fundaba en áreas tomadas de forma intuitiva. Este capítulo la construye: primero para las funciones escalonadas, donde la integral es una suma finita, y después para las funciones continuas (y continuas a trozos) por aproximación uniforme — el lugar donde el teorema de Heine (Teorema 13.22) se gana el sueldo. El teorema fundamental del cálculo conecta después la construcción con las primitivas, y las sumas de Riemann la conectan con los promedios discretos.

En todo el capítulo, a<ba < b son reales.

15.1 Funciones escalonadas

Definición 15.1

φ ⁣:[a, b]→R\varphi \colon \intcc{a}{b} \to \R es una función escalonada cuando existe una subdivisión a=x0<x1<⋯<xn=ba = x_0 < x_1 < \dots < x_n = b tal que φ\varphi es constante, igual a cic_i, en cada intervalo abierto (xi−1, xi)\intoo{x_{i-1}}{x_i} (los valores en los nodos no están sujetos a restricción). Su integral es

∫abφ=∑i=1nci (xi−xi−1),\int_a^b \varphi = \sum_{i=1}^{n} c_i\,(x_i - x_{i-1}),

independiente de la subdivisión elegida (refínense dos subdivisiones por la común: cada miembro queda invariante al refinar).

Proposición 15.2

Sobre las funciones escalonadas, la integral es lineal, creciente (φ≤ψ  ⟹  ∫φ≤∫ψ\varphi \leq \psi \implies \int\varphi \leq \int\psi) y cumple la relación de Chasles ∫ab=∫ac+∫cb\int_a^b = \int_a^c + \int_c^b para a<c<ba < c < b.

Demostración. El motor es la invariancia por refinamiento, enunciada en la definición: insertar un nodo más t∈(xi−1, xi)t \in \intoo{x_{i-1}}{x_i} en una subdivisión sustituye el término ci(xi−xi−1)c_i(x_i - x_{i-1}) por ci(t−xi−1)+ci(xi−t)c_i(t - x_{i-1}) + c_i(x_i - t) —el mismo número—, de modo que la integral no cambia por ningún refinamiento finito. Tómense ahora φ\varphi con subdivisión σ\sigma y ψ\psi con subdivisión σ′\sigma': sobre el refinamiento común σ∪σ′\sigma \cup \sigma' las dos son funciones escalonadas con los mismos nodos y, en cada trozo, φ+λψ\varphi + \lambda\psi es constante igual a ci+λdic_i + \lambda d_i: la linealidad se reduce a la linealidad de las sumas finitas. Crecimiento: ci≤dic_i \leq d_i en cada trozo da ∑ciΔi≤∑diΔi\sum c_i \Delta_i \leq \sum d_i \Delta_i (las longitudes son Δi≥0\Delta_i \geq 0). Chasles: insértese el nodo cc y pártase la suma en él. ∎

15.2 Integral de una función continua

Teorema 15.3 (Aproximación uniforme)

Sea ff continua en [a, b]\intcc{a}{b}. Para todo ε>0\varepsilon > 0 hay funciones escalonadas φ,ψ\varphi, \psi con

φ≤f≤ψyψ−φ≤ε en [a, b].\varphi \leq f \leq \psi \qquad\text{y}\qquad \psi - \varphi \leq \varepsilon \text{ en } \intcc{a}{b}.

Demostración. Por el teorema de Heine (Teorema 13.22), ff es uniformemente continua: tómese δ\delta para ε\varepsilon y una subdivisión de paso <δ< \delta (equidistante, digamos, con n>b−aδn > \frac{b - a}{\delta} trozos). En cada trozo cerrado [xi−1, xi]\intcc{x_{i-1}}{x_i}, ff alcanza un mínimo mim_i y un máximo MiM_i (Teorema 13.13), y Mi−mi≤εM_i - m_i \leq \varepsilon (los dos puntos extremales distan menos de δ\delta). Defínanse φ=mi\varphi = m_i y ψ=Mi\psi = M_i en (xi−1, xi)\intoo{x_{i-1}}{x_i} (y φ=ψ=f\varphi = \psi = f en los nodos). ∎

Teorema 15.4 (Definición de la integral)

Sea ff continua en [a, b]\intcc{a}{b}. Los dos números

I−(f)=sup⁡{∫abφ:φ escalonada, φ≤f},I+(f)=inf⁡{∫abψ:ψ escalonada, ψ≥f}I_-(f) = \sup\Bigl\{\int_a^b \varphi : \varphi \text{ escalonada},\ \varphi \leq f\Bigr\}, \qquad I_+(f) = \inf\Bigl\{\int_a^b \psi : \psi \text{ escalonada},\ \psi \geq f\Bigr\}

son iguales; su valor común es la integral ∫abf\int_a^b f (que también se escribe ∫abf(t)  ⁣dt\int_a^b f(t)\,\dd t). Coincide con la noción anterior sobre las funciones escalonadas, y se extiende a las funciones continuas a trozos partiendo [a, b]\intcc{a}{b} en las discontinuidades (Chasles como definición en ese caso).

Demostración. Los dos conjuntos son no vacíos (ff está acotada) y toda integral escalonada inferior es ≤\leq que toda superior (monotonía sobre las funciones escalonadas): luego I−(f)≤I+(f)I_-(f) \leq I_+(f). Por el Teorema 15.3, para cada ε\varepsilon hay una pareja con ∫ψ−∫φ≤ε(b−a)\int\psi - \int\varphi \leq \varepsilon(b - a): el supremo y el ínfimo quedan apretados uno contra otro, I−=I+I_- = I_+. ∎

Ejemplo 15.5 (Continua a trozos, sin dramas)

La función parte entera en [0, 3]\intcc{0}{3} es una función escalonada disfrazada: partiendo en sus saltos,

∫03⌊t⌋  ⁣dt=∫010+∫121+∫232=0+1+2=3,\int_0^3 \lfloor t \rfloor\,\dd t = \int_0^1 0 + \int_1^2 1 + \int_2^3 2 = 0 + 1 + 2 = 3 ,

y los valores en los puntos de salto 1,21, 2 son irrelevantes: cambiar una función en finitos puntos no cambia ninguna integral (las funciones escalonadas del encuadre no se ven afectadas). Ese es todo el contenido de la extensión «continua a trozos»: córtese en las finitas discontinuidades, intégrese cada trozo continuo y súmese — Chasles como definición.

Ejemplo 15.6 (La definición calcula, una vez)

Sea f(x)=xf(x) = x en [0, 1]\intcc{0}{1} y córtese en nn trozos iguales. Las mejores funciones escalonadas constantes en los trozos son φ=k−1n\varphi = \frac{k-1}{n} y ψ=kn\psi = \frac kn en el kk-ésimo trozo, con

∫01φ=∑k=1nk−1n⋅1n=n−12n,∫01ψ=∑k=1nkn⋅1n=n+12n.\int_0^1 \varphi = \sum_{k=1}^{n} \frac{k-1}{n}\cdot\frac1n = \frac{n-1}{2n}, \qquad \int_0^1 \psi = \sum_{k=1}^{n} \frac{k}{n}\cdot\frac1n = \frac{n+1}{2n} .

Toda integral inferior es ≤I−(f)≤I+(f)≤\leq I_-(f) \leq I_+(f) \leq que toda superior, luego n−12n≤I−(f)≤I+(f)≤n+12n\frac{n-1}{2n} \leq I_-(f) \leq I_+(f) \leq \frac{n+1}{2n} para todo nn: las dos se aprietan sobre 12\frac12, y ∫01x  ⁣dx=12\int_0^1 x\,\dd x = \frac12 sale directamente de la definición. La idea de cierre: esta es la primera y la última vez que integramos a partir de la definición — el teorema fundamental de más abajo sustituye todos esos cálculos por una consulta de primitiva, que es todo el sentido económico de este capítulo.

Teorema 15.7 (Propiedades)

Para f,gf, g continuas (o continuas a trozos) en [a, b]\intcc{a}{b} y λ∈R\lambda \in \R:

  1. linealidad: ∫(f+λg)=∫f+λ∫g\int (f + \lambda g) = \int f + \lambda \int g;
  2. monotonía: f≤g  ⟹  ∫abf≤∫abgf \leq g \implies \int_a^b f \leq \int_a^b g; y ∣∫abf∣≤∫ab∣f∣≤(b−a) sup⁡∣f∣\bigl|\int_a^b f\bigr| \leq \int_a^b \abs f \leq (b - a)\, \sup\abs f;
  3. Chasles: ∫ab=∫ac+∫cb\int_a^b = \int_a^c + \int_c^b (con el convenio ∫ba=−∫ab\int_b^a = -\int_a^b, válido para cualquier orden de los límites);
  4. positividad estricta: si ff es continua, f≥0f \geq 0 y ∫abf=0\int_a^b f = 0, entonces f=0f = 0 en todo [a, b]\intcc{a}{b}.

Demostración. (1)–(3) pasan de las funciones escalonadas al límite por medio de la definición con sup e ínf. La linealidad merece los detalles una vez: dado ε>0\varepsilon > 0, encuádrense φf≤f≤ψf\varphi_f \leq f \leq \psi_f y φg≤g≤ψg\varphi_g \leq g \leq \psi_g con huecos ≤ε\leq \varepsilon (Teorema 15.3). Para λ≥0\lambda \geq 0, φf+λφg≤f+λg≤ψf+λψg\varphi_f + \lambda\varphi_g \leq f + \lambda g \leq \psi_f + \lambda\psi_g es un encuadre por funciones escalonadas con hueco ≤(1+λ)ε\leq (1 + \lambda)\varepsilon, y sus integrales escalonadas valen ∫φf+λ∫φg\int \varphi_f + \lambda\int\varphi_g, etc. (Proposición 15.2): haciendo ε→0\varepsilon \to 0 se aprieta ∫(f+λg)\int(f + \lambda g) sobre ∫f+λ∫g\int f + \lambda\int g. Para λ<0\lambda < 0, multiplicar por λ\lambda invierte el encuadre de gg —la función escalonada inferior de λg\lambda g es λψg\lambda \psi_g— y el mismo apretón funciona con los papeles intercambiados. La cota ∣∫f∣≤∫∣f∣\abs{\int f} \leq \int \abs f sale de −∣f∣≤f≤∣f∣-\abs f \leq f \leq \abs f y de la monotonía.

(4) Por contrarrecíproco: si f(x0)=m>0f(x_0) = m > 0, la continuidad proporciona un subintervalo de longitud η>0\eta > 0 en el que f≥m2f \geq \frac m2; la función escalonada que vale m2\frac m2 ahí y 00 fuera es ≤f\leq f, luego ∫f≥mη2>0\int f \geq \frac{m\eta}{2} > 0. ∎

Ejemplo 15.8 (Chasles en acción: integrales con valores absolutos)

Para integrar un valor absoluto, córtese donde cambia el signo.

∫02∣x−1∣  ⁣dx=∫01(1−x)  ⁣dx+∫12(x−1)  ⁣dx=12+12=1,\int_0^2 \abs{x - 1}\,\dd x = \int_0^1 (1 - x)\,\dd x + \int_1^2 (x - 1)\,\dd x = \frac12 + \frac12 = 1 ,

y, cortando [0, 2π]\intcc{0}{2\pi} en π\pi:

∫02π∣sin⁡t∣  ⁣dt=∫0πsin⁡t  ⁣dt−∫π2πsin⁡t  ⁣dt=2+2=4,\int_0^{2\pi} \abs{\sin t}\,\dd t = \int_0^{\pi} \sin t\,\dd t - \int_{\pi}^{2\pi} \sin t\,\dd t = 2 + 2 = 4 ,

mientras que ∫02πsin⁡t  ⁣dt=0\int_0^{2\pi} \sin t\,\dd t = 0: la cancelación es real, y por eso el enunciado de positividad estricta (Teorema 15.7 (4)) lleva la hipótesis f≥0f \geq 0 — sin ella, una integral nula no demuestra nada sobre ff. La idea de cierre: ∫∣f∣\int \abs f mide área y ∫f\int f mide balance con signo; la desigualdad ∣∫f∣≤∫∣f∣\abs{\int f} \leq \int\abs f es el registro exacto de lo que la cancelación puede destruir.

15.3 El teorema fundamental del cálculo

Teorema 15.9 (Teorema fundamental del cálculo)

Sea ff continua en un intervalo II y sea a∈Ia \in I. La función

F(x)=∫axf(t)  ⁣dtF(x) = \int_a^x f(t)\, \dd t

es de clase C1C^1 en II, con F′=fF' = f: toda función continua en un intervalo tiene primitivas. En consecuencia, para cualquier primitiva GG de ff:

∫abf(t)  ⁣dt=G(b)−G(a).\int_a^b f(t)\,\dd t = G(b) - G(a) .

Demostración. Fíjense x0∈Ix_0 \in I y ε>0\varepsilon > 0; la continuidad en x0x_0 proporciona δ\delta con ∣f(t)−f(x0)∣≤ε\abs{f(t) - f(x_0)} \leq \varepsilon para ∣t−x0∣≤δ\abs{t - x_0} \leq \delta. Para 0<∣h∣≤δ0 < \abs{h} \leq \delta (y x0+h∈Ix_0 + h \in I), Chasles da

F(x0+h)−F(x0)h−f(x0)=1h∫x0x0+h(f(t)−f(x0)) ⁣dt,\frac{F(x_0 + h) - F(x_0)}{h} - f(x_0) = \frac 1h \int_{x_0}^{x_0+h} \bigl(f(t) - f(x_0)\bigr)\dd t ,

cuyo valor absoluto es ≤1∣h∣⋅∣h∣ ε=ε\leq \frac{1}{\abs h}\cdot \abs h\, \varepsilon = \varepsilon (cota (2), válida para cualquier orden de los límites). Luego F′(x0)=f(x0)F'(x_0) = f(x_0); y F′=fF' = f es continua: FF es de clase C1C^1. Si también G′=fG' = f, entonces (G−F)′=0(G - F)' = 0 en el intervalo, luego G=F+cG = F + c (Corolario 14.12), y G(b)−G(a)=F(b)−F(a)=∫abfG(b) - G(a) = F(b) - F(a) = \int_a^b f. ∎

Ejemplo 15.10 (La simetría antes que el cálculo)

En un intervalo simétrico, la paridad hace el trabajo: si ff es impar, el cambio t↦−tt \mapsto -t manda ∫−a0f\int_{-a}^{0} f a −∫0af-\int_0^a f, luego

∫−aaf(t)  ⁣dt=0;si f es par,∫−aaf=2∫0af.\int_{-a}^{a} f(t)\,\dd t = 0 ; \qquad\text{si $f$ es par,}\quad \int_{-a}^{a} f = 2\int_0^a f .

Así, ∫−11t3cos⁡t1+t4  ⁣dt=0\int_{-1}^{1} \frac{t^3\cos t}{1 + t^4}\,\dd t = 0 sin ninguna primitiva a la vista (el integrando es impar), y ∫−ππt2cos⁡t  ⁣dt=2∫0πt2cos⁡t  ⁣dt\int_{-\pi}^{\pi} t^2\cos t\,\dd t = 2\int_0^\pi t^2\cos t\, \dd t. Compruébese la simetría antes de echar mano de las técnicas: la integral más rápida es la que nunca se calcula.

Ejemplo 15.11 (Reconocer una derivada a simple vista)

Calcúlese ∫0π/2 ⁣dx1+cos⁡x\displaystyle\int_0^{\pi/2} \frac{\dd x}{1 + \cos x}. La identidad del ángulo mitad 1+cos⁡x=2cos⁡2x21 + \cos x = 2\cos^2\frac x2 convierte el integrando en 12(1+tan⁡2x2)\frac{1}{2}\bigl(1 + \tan^2\frac x2\bigr), que es exactamente la derivada de tan⁡x2\tan\frac x2:

∫0π/2 ⁣dx1+cos⁡x=[tan⁡x2]0π/2=tan⁡π4=1.\int_0^{\pi/2} \frac{\dd x}{1 + \cos x} = \Bigl[\tan\frac x2\Bigr]_0^{\pi/2} = \tan\frac\pi4 = 1 .

No ha hecho falta maquinaria de cambios de variable — solo el reflejo de leer un integrando como la derivada de alguien, y el teorema fundamental hace el resto. (La herramienta sistemática que hay detrás de esas integrales trigonométricas, el cambio t=tan⁡x2t = \tan\frac x2, pertenece al utillaje estándar construido a partir del Teorema 15.15 (2).)

Ejemplo 15.12 (Funciones definidas por integrales)

El teorema fundamental fabrica funciones. Sea

F(x)=∫0xe−t2  ⁣dt.F(x) = \int_0^x \eu^{-t^2}\,\dd t .

Ninguna combinación de funciones clásicas tiene derivada e−t2\eu^{-t^2} (un teorema de Liouville, admitido); y, sin embargo, FF existe, es de clase C1C^1 con F′(x)=e−x2>0F'(x) = \eu^{-x^2} > 0, estrictamente creciente, impar (sustitúyase t↦−tt \mapsto -t) y acotada: para x≥1x \geq 1,

F(x)−F(1)=∫1xe−t2 ⁣dt≤∫1xe−t ⁣dt≤e−1,F(x) - F(1) = \int_1^x \eu^{-t^2}\dd t \leq \int_1^x \eu^{-t}\dd t \leq \eu^{-1} ,

luego F≤F(1)+e−1≤1+e−1F \leq F(1) + \eu^{-1} \leq 1 + \eu^{-1}. (El límite exacto, π2\frac{\sqrt\pi}{2}, se calcula con integrales dobles en el volumen del tercer año.) Regla de la cadena para límites móviles:  ⁣d ⁣dx∫xx2e−t2 ⁣dt=2x e−x4−e−x2\frac{\dd}{\dd x}\int_x^{x^2} \eu^{-t^2}\dd t = 2x\,\eu^{-x^4} - \eu^{-x^2}. La idea de cierre: la integración crea funciones nuevas a partir de las viejas, con todas sus propiedades legibles en el integrando — la primitiva que no se puede escribir es aun así una función que se controla por completo.

Ejemplo 15.13 (Estimar sin evaluar)

Las integrales Rn=∫01tn1+t  ⁣dtR_n = \int_0^1 \frac{t^n}{1 + t}\,\dd t no tienen ninguna expresión cerrada agradable y, aun así, la monotonía las sujeta con precisión: en [0, 1]\intcc{0}{1}, 12≤11+t≤1\frac12 \leq \frac{1}{1+t} \leq 1, luego

12(n+1)=12∫01tn  ⁣dt  ≤  Rn  ≤  ∫01tn  ⁣dt=1n+1:\frac{1}{2(n+1)} = \frac12\int_0^1 t^n\,\dd t \;\leq\; R_n \;\leq\; \int_0^1 t^n \,\dd t = \frac{1}{n+1} :

el orden exacto de decrecimiento (Rn∼R_n \sim un múltiplo de 1n\frac1n; de hecho, Rn∼12nR_n \sim \frac{1}{2n}) con dos líneas y sin ninguna primitiva. Los problemas del fin de semana de este capítulo y del siguiente corren sobre encuadres exactamente así — el primer instinto del analista ante una integral debe ser acotarla y, solo después, si hace falta, calcularla.

Ejemplo 15.14 (Valores medios)

La media de una ff continua en [a, b]\intcc{a}{b} es 1b−a∫abf\frac{1}{b-a}\int_a^b f. Para el arco del seno:

1π∫0πsin⁡t  ⁣dt=1π[−cos⁡t]0π=2π≈0.637:\frac{1}{\pi}\int_0^\pi \sin t\,\dd t = \frac{1}{\pi}\bigl[-\cos t\bigr]_0^\pi = \frac{2}{\pi} \approx 0.637 :

un arco positivo completo no promedia 12\frac12, sino 2π\frac2\pi — la curva pasa más tiempo arriba de lo que pasaría un triángulo. Por el Ejercicio 15.11 (teorema del valor medio para integrales, con g=1g = 1), la media es un valor: sin⁡c=2π\sin c = \frac2\pi para algún c∈(0, π)c \in \intoo{0}{\pi}. Y por las sumas de Riemann de este capítulo, la media es el límite de promedios ordinarios de nn muestras — el puente entre la media discreta de unos datos y la media continua de una señal, que es como entra la integral en la física.

Teorema 15.15 (Integración por partes; cambio de variable)

  1. Si u,vu, v son de clase C1C^1 en [a, b]\intcc{a}{b}:

    ∫abu′v=[uv]ab−∫abuv′.\int_a^b u'v = \bigl[uv\bigr]_a^b - \int_a^b uv' .
  2. Si φ\varphi es de clase C1C^1 en [α, β]\intcc{\alpha}{\beta} y ff es continua en φ([α, β])\varphi(\intcc{\alpha}{\beta}):

    ∫αβf(φ(t)) φ′(t)  ⁣dt=∫φ(α)φ(β)f(x)  ⁣dx.\int_{\alpha}^{\beta} f\bigl(\varphi(t)\bigr)\,\varphi'(t)\, \dd t = \int_{\varphi(\alpha)}^{\varphi(\beta)} f(x)\, \dd x .

Demostración. (1) (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'; intégrese en [a, b]\intcc{a}{b} y aplíquese el teorema fundamental a la función de clase C1C^1, uvuv.

(2) Sea FF una primitiva de ff en el intervalo imagen (Teorema 15.9). Entonces (F∘φ)′=(f∘φ) φ′(F \circ \varphi)' = (f \circ \varphi)\,\varphi' (regla de la cadena), luego los dos miembros valen F(φ(β))−F(φ(α))F(\varphi(\beta)) - F(\varphi(\alpha)). ∎

Ejemplo 15.16

∫01t et ⁣dt=[t et]01−∫01et ⁣dt=e−(e−1)=1\int_0^1 t\,\eu^t \dd t = \bigl[t\,\eu^t\bigr]_0^1 - \int_0^1 \eu^t\dd t = \eu - (\eu - 1) = 1. Y con el cambio de variable x=sin⁡tx = \sin t (t∈[0, π2]t \in \intcc{0}{\frac\pi2}):

∫011−x2  ⁣dx=∫0π/2cos⁡t⋅cos⁡t  ⁣dt=∫0π/21+cos⁡2t2  ⁣dt=π4,\int_0^1 \sqrt{1 - x^2}\, \dd x = \int_0^{\pi/2} \cos t \cdot \cos t \, \dd t = \int_0^{\pi/2} \frac{1 + \cos 2t}{2}\, \dd t = \frac\pi4 ,

— un cuarto del disco unidad, como exige la geometría. (La linealización del Método 3.11 en acción.)

Observación 15.17 (Errores frecuentes en el cálculo integral)

(i) Los cambios de variable deben ser de clase C1C^1 en todo el intervalo: el cambio x=1tx = \frac1t es ilegal a caballo de 00; aplicado a ciegas a ∫−11 ⁣dx1+x2\int_{-1}^{1}\frac{\dd x}{1 + x^2} «demuestra» que la integral es igual a su propia opuesta. Cuando un cambio de variable tiene una singularidad, córtese antes el intervalo (Chasles), háganse los cambios en cada trozo y solo entonces recompóngase. (ii) Las primitivas logarítmicas necesitan valores absolutos: ∫ ⁣dxx−2=ln⁡∣x−2∣+C\int \frac{\dd x}{x - 2} = \ln\abs{x - 2} + C a cada lado de 22 por separado — escribir ln⁡(x−2)\ln(x - 2) en (0, 1)\intoo{0}{1} es escribir el logaritmo de un número negativo; y la constante CC puede ser distinta a los dos lados de la singularidad. (iii) Una integral nula no mata a la función: ∫02πsin⁡=0\int_0^{2\pi}\sin = 0; hace falta la positividad del integrando antes de concluir f=0f = 0 (Ejemplo 15.8). (iv) Las sumas de Riemann hay que calibrarlas: en b−an∑f(a+kb−an)\frac{b-a}{n}\sum f\bigl(a + k\frac{b-a}{n}\bigr), el paso de fuera y los puntos de dentro deben corresponder a la misma subdivisión — el error frecuente es una suma ∑k=1nf(kn)\sum_{k=1}^{n} f\bigl(\frac kn\bigr) sin el factor 1n\frac1n, que diverge en vez de converger a ∫01f\int_0^1 f. Lista de comprobación antes de invocar el Teorema 15.20: sáquese el factor 1n\frac1n, reescríbase el sumando como ff de kn\frac kn, nómbrese ff y compruébese su continuidad.

Ejemplo 15.18 (Adivinar, derivar, ajustar)

¿Cuánto vale ∫1x(ln⁡t)2  ⁣dt\int_1^x (\ln t)^2\,\dd t? Adivínese una primitiva de la forma t P(ln⁡t)t\,P(\ln t) con PP polinomio y derívese:

(t P(ln⁡t))′=P(ln⁡t)+P′(ln⁡t).\bigl(t\,P(\ln t)\bigr)' = P(\ln t) + P'(\ln t) .

Hace falta P(u)+P′(u)=u2P(u) + P'(u) = u^2: tómese P(u)=u2−2u+2P(u) = u^2 - 2u + 2 (igualando coeficientes hacia abajo desde u2u^2). Por tanto,

∫1x(ln⁡t)2  ⁣dt=[t((ln⁡t)2−2ln⁡t+2)]1x=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x−2,\int_1^x (\ln t)^2\,\dd t = \bigl[t\bigl((\ln t)^2 - 2\ln t + 2\bigr)\bigr]_1^x = x(\ln x)^2 - 2x\ln x + 2x - 2 ,

un resultado al que se llega, si no, con dos integraciones por partes. La idea de cierre: para integrandos de la forma (polinomio en ln⁡t\ln t) o (polinomio por eλt\eu^{\lambda t}), la primitiva tiene la misma forma — derivar una conjetura con forma convierte la integración en álgebra lineal sobre los coeficientes, más rápida y menos propensa a errores que las partes iteradas.

Ejemplo 15.19 (La integral bumerán)

Calcúlese I=∫0π/2excos⁡x  ⁣dxI = \int_0^{\pi/2} \eu^x \cos x\,\dd x. Intégrese dos veces por partes, derivando cada vez el factor trigonométrico:

I=[exsin⁡x]0π/2−∫0π/2exsin⁡x  ⁣dx=eπ/2−J,J=[−excos⁡x]0π/2+∫0π/2excos⁡x  ⁣dx=1+I.I = \bigl[\eu^x \sin x\bigr]_0^{\pi/2} - \int_0^{\pi/2} \eu^x \sin x\,\dd x = \eu^{\pi/2} - J, \qquad J = \bigl[-\eu^x\cos x\bigr]_0^{\pi/2} + \int_0^{\pi/2} \eu^x\cos x\,\dd x = 1 + I .

La integral ha vuelto sobre sí misma: I=eπ/2−1−II = \eu^{\pi/2} - 1 - I, de donde

I=eπ/2−12.I = \frac{\eu^{\pi/2} - 1}{2} .

La idea de cierre: cuando el integrando es un producto de dos funciones que se reproducen al derivar (eax\eu^{ax}, cos⁡bx\cos bx, sin⁡bx\sin bx), dos integraciones por partes producen una ecuación lineal para la integral desconocida — resuélvase en lugar de integrar; equivalentemente, pásese por e(a+ib)x\eu^{(a + \iu b)x} (Capítulo 3) y tómense partes reales. Los dos caminos dan la misma respuesta, y comprobar que lo hacen es una prueba de coherencia gratuita.

15.4 Sumas de Riemann

Teorema 15.20 (Sumas de Riemann)

Sea ff continua en [a, b]\intcc{a}{b}. Entonces

Sn=b−an∑k=0n−1f(a+k b−an)→n→∞∫abf(t)  ⁣dt,S_n = \frac{b - a}{n} \sum_{k=0}^{n-1} f\Bigl(a + k\,\frac{b-a}{n}\Bigr) \xrightarrow[n \to \infty]{} \int_a^b f(t)\, \dd t ,

y lo mismo con cualquier punto de evaluación dentro de los subintervalos.

Demostración. SnS_n es la integral de la función escalonada φn\varphi_n igual a f(a+kb−an)f(a + k\frac{b-a}{n}) en el kk-ésimo subintervalo. Dado ε>0\varepsilon > 0, la continuidad uniforme (Heine) proporciona δ\delta; para n>b−aδn > \frac{b-a}{\delta}, todo punto de un subintervalo dista menos de δ\delta de su punto de evaluación, luego ∣f−φn∣≤ε\abs{f - \varphi_n} \leq \varepsilon en [a, b]\intcc{a}{b}, de donde

∣∫abf−Sn∣=∣∫ab(f−φn)∣≤(b−a) ε.\Bigl| \int_a^b f - S_n \Bigr| = \Bigl| \int_a^b (f - \varphi_n) \Bigr| \leq (b-a)\,\varepsilon . \qedhere

∎

Una suma de Riemann por la izquierda con n = 8 rectángulos: conforme el paso se encoge, la continuidad uniforme lleva el área de la escalera hacia ∈t_ab f.
Una suma de Riemann por la izquierda con n=8n = 8 rectángulos: conforme el paso se encoge, la continuidad uniforme lleva el área de la escalera hacia ∫abf\int_a^b f.

Ejemplo 15.21

∑k=1n1n+k=1n∑k=1n11+k/n→n→∞∫01 ⁣dx1+x=ln⁡2\displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n + k} = \frac 1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{1 + k/n} \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_0^1 \frac{\dd x}{1 + x} = \ln 2: un límite invisible para las acotaciones elementales y transparente como suma de Riemann.

Ejemplo 15.22 (Una segunda suma de Riemann, con calibración)

Hállese lim⁡n→∞∑k=1nn(n+k)2\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^{n} \dfrac{n}{(n+k)^2}. Calíbrese:

∑k=1nn(n+k)2=1n∑k=1nn2(n+k)2=1n∑k=1n1(1+kn)2,\sum_{k=1}^{n} \frac{n}{(n+k)^2} = \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} \frac{n^2}{(n+k)^2} = \frac1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\bigl(1 + \frac kn\bigr)^2} ,

una suma de Riemann de la función continua f(x)=1(1+x)2f(x) = \frac{1}{(1+x)^2} en [0, 1]\intcc{0}{1}: el límite es

∫01 ⁣dx(1+x)2=[−11+x]01=12.\int_0^1 \frac{\dd x}{(1 + x)^2} = \Bigl[-\frac{1}{1+x}\Bigr]_0^1 = \frac12 .

La idea de cierre: todo el arte está en la línea de en medio — fórcese el sumando a la forma f(kn)f(\frac kn) al precio de extraer exactamente un factor 1n\frac1n; una vez que la forma es la correcta, el teorema hace el análisis y el teorema fundamental hace la aritmética.

Observación 15.23 (Dónde funciona la integral a continuación)

Cada una de las construcciones del capítulo tiene continuación. Las sumas de Riemann vuelven en el Capítulo 17 como puente entre las series y las integrales (comparación de ∑1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} con ∫ ⁣dttα\int \frac{\dd t}{t^\alpha}); el resto integral es la forma más fina de la fórmula de Taylor en el Capítulo 16; y la definición basada en el sup⁡\sup es el prototipo de la integral de Lebesgue del volumen del tercer año, donde las mismas tres propiedades (linealidad, monotonía y un teorema de convergencia) se reconstruyen sobre una clase de funciones mucho mayor. Y el problema del fin de semana de más abajo convierte la integración por partes en aritmética: la irracionalidad de π2\pi^2.

15.5 Ejercicios

Ejercicio 15.1 ★

Calcúlense: ∫01 ⁣dxx2−4\displaystyle\int_0^1 \frac{\dd x}{x^2 - 4} (fracciones simples, Capítulo 9); ∫1eln⁡t  ⁣dt\displaystyle\int_1^{\eu} \ln t \,\dd t; ∫0πtsin⁡t  ⁣dt\displaystyle\int_0^{\pi} t \sin t\, \dd t.

Solución

Solución de Ejercicio 15.1.

1x2−4=1/4x−2−1/4x+2\dfrac{1}{x^2-4} = \dfrac{1/4}{x - 2} - \dfrac{1/4}{x+2} (por tapado), luego

∫01 ⁣dxx2−4=14[ln⁡∣x−2∣−ln⁡∣x+2∣]01=14(ln⁡13−ln⁡1)=−ln⁡34.\int_0^1 \frac{\dd x}{x^2 - 4} = \frac14\Bigl[\ln\abs{x-2} - \ln\abs{x+2}\Bigr]_0^1 = \frac14\Bigl(\ln\frac{1}{3} - \ln 1\Bigr) = -\frac{\ln 3}{4}.

Por partes (u′=1u' = 1, v=ln⁡tv = \ln t): ∫1eln⁡t  ⁣dt=[tln⁡t]1e−∫1e ⁣dt=e−(e−1)=1\int_1^{\eu} \ln t\,\dd t = \bigl[t\ln t\bigr]_1^{\eu} - \int_1^{\eu} \dd t = \eu - (\eu - 1) = 1.

Por partes (u′=sin⁡tu' = \sin t, v=tv = t): ∫0πtsin⁡t  ⁣dt=[−tcos⁡t]0π+∫0πcos⁡t  ⁣dt=π+0=π\int_0^\pi t\sin t\,\dd t = \bigl[-t\cos t\bigr]_0^\pi + \int_0^\pi \cos t\,\dd t = \pi + 0 = \pi.

Ejercicio 15.2 ★

Calcúlense ∫01t(t2+1)2  ⁣dt\displaystyle\int_0^{1} \frac{t}{(t^2+1)^2}\,\dd t (cambio de variable) y ∫0π/2cos⁡3t  ⁣dt\displaystyle\int_0^{\pi/2} \cos^3 t\, \dd t (escríbase cos⁡3=cos⁡(1−sin⁡2)\cos^3 = \cos(1 - \sin^2)).

Solución

Solución de Ejercicio 15.2.

Cambio de variable u=t2+1u = t^2 + 1,  ⁣du=2t  ⁣dt\dd u = 2t\,\dd t:

∫01t  ⁣dt(t2+1)2=12∫12 ⁣duu2=12[−1u]12=14.\int_0^1 \frac{t\,\dd t}{(t^2+1)^2} = \frac12 \int_1^2 \frac{\dd u}{u^2} = \frac12\Bigl[-\frac1u\Bigr]_1^2 = \frac14 .

Con u=sin⁡tu = \sin t: ∫0π/2cos⁡3t  ⁣dt=∫0π/2(1−sin⁡2t)cos⁡t  ⁣dt=[sin⁡t−sin⁡3t3]0π/2=1−13=23\int_0^{\pi/2} \cos^3 t\,\dd t = \int_0^{\pi/2} (1 - \sin^2 t)\cos t\,\dd t = \bigl[\sin t - \frac{\sin^3 t}{3}\bigr]_0^{\pi/2} = 1 - \frac13 = \frac23.

Ejercicio 15.3 ★

Hállense los límites, como sumas de Riemann:

un=∑k=1nnn2+k2,vn=1n(2n)!n! nnn (toˊmense logaritmos).u_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{n}{n^2 + k^2}, \qquad v_n = \frac{1}{n}\sqrt[n]{\frac{(2n)!}{n!\,n^n}} \ \emph{(tómense logaritmos)}.
Solución

Solución de Ejercicio 15.3.

un=1n∑k=1n11+(k/n)2u_n = \dfrac1n \sum_{k=1}^{n} \dfrac{1}{1 + (k/n)^2}: una suma de Riemann de x↦11+x2x \mapsto \frac{1}{1+x^2} en [0, 1]\intcc{0}{1}, luego un→∫01 ⁣dx1+x2=arctan⁡1=π4u_n \to \int_0^1 \frac{\dd x}{1+x^2} = \arctan 1 = \dfrac\pi4.

ln⁡vn=1n∑k=1nln⁡n+kn=1n∑k=1nln⁡(1+kn)→∫01ln⁡(1+x)  ⁣dx=[(1+x)ln⁡(1+x)−x]01=2ln⁡2−1\ln v_n = \dfrac1n \sum_{k=1}^{n} \ln\dfrac{n+k}{n} = \dfrac 1n \sum_{k=1}^n \ln\Bigl(1 + \dfrac kn\Bigr) \to \int_0^1 \ln(1+x)\,\dd x = \bigl[(1+x)\ln(1+x) - x\bigr]_0^1 = 2\ln 2 - 1. Por tanto, vn→e2ln⁡2−1=4ev_n \to \eu^{2\ln 2 - 1} = \dfrac 4\eu. (Comprobación de la identificación: (2n)!n! nn=∏k=1nn+kn\frac{(2n)!}{n!\,n^n} = \prod_{k=1}^{n} \frac{n+k}{n}.)

Ejercicio 15.4 ★

Sea ff continua en [0, 1]\intcc{0}{1}. Calcúlese lim⁡n→∞∫01xnf(x)  ⁣dx\lim_{n\to\infty} \int_0^1 x^n f(x)\,\dd x. (Córtese [0, 1]\intcc{0}{1} en 1−δ1 - \delta.)

Solución

Solución de Ejercicio 15.4.

El límite es 00. Sean M=sup⁡∣f∣M = \sup \abs f y ε∈(0, 1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}. Córtese en 1−ε1 - \varepsilon:

∣∫01xnf∣≤∫01−εxn∣f∣+∫1−ε1xn∣f∣≤M (1−ε)n+Mε.\Bigl| \int_0^1 x^n f \Bigr| \leq \int_0^{1 - \varepsilon} x^n \abs f + \int_{1-\varepsilon}^1 x^n \abs f \leq M\,(1-\varepsilon)^n + M\varepsilon .

Como (1−ε)n→0(1 - \varepsilon)^n \to 0 (Ejercicio 11.3), el límite superior del miembro izquierdo es ≤Mε\leq M\varepsilon para todo ε\varepsilon: la integral tiende a 00.

Ejercicio 15.5 ★★

(Cauchy–Schwarz) Para f,gf, g continuas en [a, b]\intcc{a}{b}, demuéstrese

(∫abfg) ⁣2≤∫abf2⋅∫abg2,\Bigl(\int_a^b fg\Bigr)^{\!2} \leq \int_a^b f^2 \cdot \int_a^b g^2 ,

desarrollando ∫ab(f+λg)2≥0\int_a^b (f + \lambda g)^2 \geq 0 como trinomio en λ\lambda. ¿Cuándo hay igualdad?

Solución

Solución de Ejercicio 15.5.

Q(λ)=∫ab(f+λg)2=∫f2+2λ∫fg+λ2∫g2≥0Q(\lambda) = \int_a^b (f + \lambda g)^2 = \int f^2 + 2\lambda \int fg + \lambda^2 \int g^2 \geq 0 para todo λ\lambda. Si ∫g2=0\int g^2 = 0, entonces g=0g = 0 (positividad estricta, Teorema 15.7 (4)) y la desigualdad es 0≤00 \leq 0. En caso contrario, QQ es un verdadero trinomio de segundo grado, siempre ≥0\geq 0: su discriminante es ≤0\leq 0, es decir, (∫fg)2≤∫f2∫g2\bigl(\int fg\bigr)^2 \leq \int f^2 \int g^2.

Hay igualdad si y solo si se anula el discriminante, si y solo si Q(λ0)=0Q(\lambda_0) = 0 para algún λ0\lambda_0, es decir, ∫(f+λ0g)2=0\int (f + \lambda_0 g)^2 = 0, es decir (otra vez la positividad estricta), f=−λ0gf = -\lambda_0 g: hay igualdad exactamente cuando ff y gg son proporcionales.

Ejercicio 15.6 ★★

Sea ff continua en R\R y TT-periódica. Demuéstrese que ∫aa+Tf\int_a^{a+T} f no depende de aa, y que 1x∫0xf(t)  ⁣dt→1T∫0Tf\frac1x \int_0^x f(t)\,\dd t \to \frac 1T \int_0^T f cuando x→+∞x \to +\infty.

Solución

Solución de Ejercicio 15.6.

Sea Φ(a)=∫aa+Tf\Phi(a) = \int_a^{a+T} f. Por el teorema fundamental (Teorema 15.9), Φ\Phi es derivable con Φ′(a)=f(a+T)−f(a)=0\Phi'(a) = f(a + T) - f(a) = 0: constante.

Para x>0x > 0, escríbase x=nT+rx = nT + r, 0≤r<T0 \leq r < T (n=⌊x/T⌋n = \lfloor x/T \rfloor). Chasles:

∫0xf=n∫0Tf+∫nTnT+rf,∣∫nTnT+rf∣≤Tsup⁡[0, T]∣f∣=C.\int_0^x f = n \int_0^T f + \int_{nT}^{nT + r} f, \qquad \Bigl| \int_{nT}^{nT+r} f \Bigr| \leq T \sup_{\intcc{0}{T}} \abs f = C .

Entonces 1x∫0xf=nTx⋅1T∫0Tf+O(1x)\frac 1x \int_0^x f = \frac{nT}{x}\cdot\frac 1T \int_0^T f + O\bigl(\frac 1x\bigr), y nTx→1\frac{nT}{x} \to 1: el límite es 1T∫0Tf\frac1T \int_0^T f.

Ejercicio 15.7 ★★

Para ff continua en [0, 1]\intcc{0}{1} con ∫01f=12\int_0^1 f = \frac12, demuéstrese que ff tiene un punto fijo en [0, 1]\intcc{0}{1}. (Intégrese f(x)−xf(x) - x y úsese la positividad estricta, Teorema 15.7 (4), por su contrarrecíproco combinado con el teorema del valor intermedio.)

Solución

Solución de Ejercicio 15.7.

Sea g(x)=f(x)−xg(x) = f(x) - x: continua, con

∫01g=∫01f−12=0.\int_0^1 g = \int_0^1 f - \frac12 = 0 .

Si gg no se anulara nunca, el teorema del valor intermedio forzaría un signo constante (una función continua en un intervalo que toma los dos signos se anula); digamos g>0g > 0. Entonces, por la positividad estricta (Teorema 15.7 (4) aplicada a g>0g > 0, que da ∫g>0\int g > 0): contradicción con ∫g=0\int g = 0. Luego g(c)=0g(c) = 0 para algún cc: f(c)=cf(c) = c.

Ejercicio 15.8 ★★★

(Integrales de Wallis) Sea Wn=∫0π/2sin⁡nt  ⁣dtW_n = \int_0^{\pi/2} \sin^n t\,\dd t.

  1. Demuéstrese la recurrencia nWn=(n−1)Wn−2n W_n = (n-1) W_{n-2} (n≥2n \geq 2) por partes, y calcúlense W0,W1W_0, W_1 y después W2pW_{2p} y W2p+1W_{2p+1} en forma cerrada.
  2. Demuéstrese que (Wn)(W_n) es decreciente con Wn+1Wn→1\frac{W_{n+1}}{W_n} \to 1; demuéstrese que la cantidad (n+1) Wn+1Wn(n+1)\,W_{n+1} W_n es constante e igual a π2\frac\pi2; y dedúzcase el equivalente Wn∼π2nW_n \sim \sqrt{\dfrac{\pi}{2n}}.
Solución

Solución de Ejercicio 15.8.

  1. Por partes con u′=sin⁡tu' = \sin t, v=sin⁡n−1tv = \sin^{n-1} t:

    Wn=[−cos⁡tsin⁡n−1t]0π/2+(n−1)∫0π/2cos⁡2t sin⁡n−2t  ⁣dt=(n−1)(Wn−2−Wn),W_n = \bigl[-\cos t\sin^{n-1}t\bigr]_0^{\pi/2} + (n-1)\int_0^{\pi/2} \cos^2 t\,\sin^{n-2} t\,\dd t = (n-1)(W_{n-2} - W_n),

    luego nWn=(n−1)Wn−2nW_n = (n-1)W_{n-2}. De W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1:

    W2p=(2p−1)(2p−3)⋯1(2p)(2p−2)⋯2 π2=(2p)!4p(p!)2 π2,W2p+1=(2p)(2p−2)⋯2(2p+1)(2p−1)⋯3=4p(p!)2(2p+1)!.W_{2p} = \frac{(2p-1)(2p-3)\cdots 1}{(2p)(2p-2)\cdots 2}\, \frac{\pi}{2} = \frac{(2p)!}{4^p (p!)^2}\,\frac\pi2, \qquad W_{2p+1} = \frac{(2p)(2p-2)\cdots 2}{(2p+1)(2p-1)\cdots 3} = \frac{4^p (p!)^2}{(2p+1)!} .
  2. En (0, π2)\intoo{0}{\frac\pi2}, 0<sin⁡t<10 < \sin t < 1, luego sin⁡n+1<sin⁡n\sin^{n+1} < \sin^n y (Wn)(W_n) es (estrictamente) decreciente y positiva. Encuadrando con la recurrencia:

    nn+1=Wn+1Wn−1≤Wn+1Wn≤1  ⟹  Wn+1Wn→1.\frac{n}{n+1} = \frac{W_{n+1}}{W_{n-1}} \leq \frac{W_{n+1}}{W_n} \leq 1 \quad\implies\quad \frac{W_{n+1}}{W_n} \to 1 .

    Invariante: an=(n+1)Wn+1Wna_n = (n+1)W_{n+1}W_n cumple an=an−1a_n = a_{n-1} por la recurrencia (n+1)Wn+1=nWn−1(n+1)W_{n+1} = nW_{n-1}, luego an=a0=1⋅W1W0=π2a_n = a_0 = 1 \cdot W_1 W_0 = \frac\pi2. Entonces

    nWn2∼(n+1)Wn+1Wn=π2  ⟹  Wn∼π2n.n W_n^2 \sim (n+1) W_{n+1} W_n = \frac\pi2 \quad\implies\quad W_n \sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}} .

Ejercicio 15.9 ★★★

(Niven: π\pi es irracional) Supóngase π=ab\pi = \frac ab con a,b∈N∗a, b \in \N^* y póngase, para un nn que se elegirá,

P(x)=xn(a−bx)nn!,In=∫0πP(x)sin⁡x  ⁣dx.P(x) = \frac{x^n (a - bx)^n}{n!}, \qquad I_n = \int_0^{\pi} P(x)\sin x\, \dd x .
  1. Demuéstrese que 0<In≤π (πa)nn!0 < I_n \leq \pi\,\frac{(\pi a)^n}{n!}, que es <1< 1 para nn grande.
  2. Demuéstrese que PP y todas sus derivadas toman valores enteros en 00 y en π=ab\pi = \frac ab. (Desarrollo binomial: los coeficientes de PP por k!k! son enteros para k≥nk \geq n; y P(π−x)=P(x)P(\pi - x) = P(x).)
  3. Póngase Q=P−P′′+P(4)−…Q = P - P'' + P^{(4)} - \dots (suma finita). Compruébese que (Q′sin⁡x−Qcos⁡x)′=Psin⁡x\bigl(Q'\sin x - Q\cos x\bigr)' = P \sin x, y dedúzcase que In=Q(π)+Q(0)I_n = Q(\pi) + Q(0) es un entero.
  4. Conclúyase.
Solución

Solución de Ejercicio 15.9.

  1. En (0, π)\intoo{0}{\pi}: x>0x > 0, a−bx=b(ab−x)=b(π−x)>0a - bx = b(\frac ab - x) = b(\pi - x) > 0 y sin⁡x>0\sin x > 0, luego el integrando es >0> 0 y In>0I_n > 0 (positividad estricta). Cota: en [0, π]\intcc{0}{\pi}, x≤πx \leq \pi y a−bx≤aa - bx \leq a, luego P≤πnann!P \leq \frac{\pi^n a^n}{n!} y In≤π (πa)nn!I_n \leq \pi\,\frac{(\pi a)^n}{n!}, que tiende a 00 (el factorial gana al término geométrico: es el término general de la serie exponencial convergente, cf. Ejemplo 11.12); en particular, In<1I_n < 1 para nn grande.
  2. Desarróllese xn(a−bx)n=∑j=0n(nj)an−j(−b)jxn+jx^n(a - bx)^n = \sum_{j=0}^{n} \binom nj a^{n-j} (-b)^j x^{n+j}: así, P=1n!∑jcjxn+jP = \frac{1}{n!}\sum_j c_j x^{n+j} con cjc_j enteros. Entonces P(k)(0)=0P^{(k)}(0) = 0 para k<nk < n (valuación) y, para n≤k≤2nn \leq k \leq 2n, P(k)(0)=k!n!ck−nP^{(k)}(0) = \frac{k!}{n!} c_{k-n}, un entero porque n!∣k!n! \mid k!. Además, P(π−x)=P(x)P(\pi - x) = P(x) (sustitúyase: π−x\pi - x intercambia los factores, usando a−b(π−x)=bxa - b(\pi - x) = bx), luego P(k)(π)=±P(k)(0)P^{(k)}(\pi) = \pm P^{(k)}(0): también enteros.
  3. Con Q=P−P′′+P(4)−…Q = P - P'' + P^{(4)} - \dots (finita: PP tiene grado 2n2n): Q+Q′′=PQ + Q'' = P, y

    (Q′sin⁡x−Qcos⁡x)′=(Q+Q′′)sin⁡x=Psin⁡x.\bigl(Q'\sin x - Q\cos x\bigr)' = (Q + Q'')\sin x = P\sin x .

    Por tanto, In=[Q′sin⁡x−Qcos⁡x]0π=Q(π)+Q(0)I_n = \bigl[Q'\sin x - Q\cos x\bigr]_0^{\pi} = Q(\pi) + Q(0), una suma de valores P(2k)P^{(2k)} en 00 y en π\pi: un entero por (2).

  4. Para nn grande, InI_n es un entero con 0<In<10 < I_n < 1: imposible. La hipótesis π=ab\pi = \frac ab falla: π\pi es irracional.

Ejercicio 15.10 ★★★

Sea ff de clase C1C^1 en [a, b]\intcc{a}{b}. Demuéstrese el límite de tipo Riemann–Lebesgue

∫abf(t)sin⁡(λt)  ⁣dt→λ→+∞0\int_a^b f(t)\sin(\lambda t)\,\dd t \xrightarrow[\lambda \to +\infty]{} 0

integrando por partes. Demuéstrese después de nuevo para ff solo continua, por aproximación uniforme con funciones escalonadas (Teorema 15.3).

Solución

Solución de Ejercicio 15.10.

Caso C1C^1: por partes,

∫abf(t)sin⁡λt  ⁣dt=[−f(t)cos⁡λtλ]ab+1λ∫abf′(t)cos⁡λt  ⁣dt,\int_a^b f(t)\sin\lambda t\,\dd t = \Bigl[-f(t)\frac{\cos\lambda t}{\lambda}\Bigr]_a^b + \frac{1}{\lambda}\int_a^b f'(t)\cos\lambda t\,\dd t,

acotado en valor absoluto por 2sup⁡∣f∣+(b−a)sup⁡∣f′∣λ→0\frac{2\sup\abs f + (b - a)\sup\abs{f'}} {\lambda} \to 0.

Caso continuo: sea ε>0\varepsilon > 0 y tómese una función escalonada φ\varphi con ∣f−φ∣≤ε\abs{f - \varphi} \leq \varepsilon (el Teorema 15.3 proporciona φ≤f≤ψ\varphi \leq f \leq \psi con hueco ≤ε\leq\varepsilon; tómese φ\varphi). Entonces

∣∫abfsin⁡λt∣≤∫ab∣f−φ∣+∣∫abφsin⁡λt∣≤(b−a)ε+∑i∣ci∣ ∣∫xi−1xisin⁡λt  ⁣dt∣,\Bigl|\int_a^b f\sin\lambda t\Bigr| \leq \int_a^b \abs{f - \varphi} + \Bigl|\int_a^b \varphi \sin\lambda t\Bigr| \leq (b-a)\varepsilon + \sum_i \abs{c_i}\,\Bigl|\int_{x_{i-1}}^{x_i} \sin\lambda t\,\dd t\Bigr| ,

y cada ∣∫sin⁡λt∣=∣cos⁡λxi−1−cos⁡λxiλ∣≤2λ\bigl|\int \sin \lambda t\bigr| = \bigl|\frac{\cos\lambda x_{i-1} - \cos\lambda x_i}{\lambda}\bigr| \leq \frac{2}{\lambda}: el segundo término tiende a 00. Luego el límite superior es ≤(b−a)ε\leq (b-a)\varepsilon para todo ε\varepsilon: el límite es 00.

Ejercicio 15.11 ★★

(Teorema del valor medio para integrales) Sean f,gf, g continuas en [a, b]\intcc{a}{b} con g≥0g \geq 0. Demuéstrese que existe c∈[a, b]c \in \intcc{a}{b} con

∫abf(t) g(t)  ⁣dt=f(c)∫abg(t)  ⁣dt,\int_a^b f(t)\,g(t)\,\dd t = f(c)\int_a^b g(t)\,\dd t ,

y véase con un ejemplo que no se puede prescindir de la hipótesis g≥0g \geq 0.

Solución

Solución de Ejercicio 15.11.

Sean m=min⁡fm = \min f y M=max⁡fM = \max f, alcanzados por el teorema de los valores extremos. Como g≥0g \geq 0: m g≤fg≤M gm\,g \leq fg \leq M\,g, luego, por monotonía,

m∫abg  ≤  ∫abfg  ≤  M∫abg.m \int_a^b g \;\leq\; \int_a^b fg \;\leq\; M \int_a^b g .

Si ∫abg=0\int_a^b g = 0: la positividad estricta (Teorema 15.7 (4)) obliga a g≡0g \equiv 0, los dos miembros se anulan y sirve cualquier cc. En caso contrario, t=∫fg∫gt = \frac{\int fg}{\int g} está en [m, M]=f([a, b])\intcc{m}{M} = f(\intcc{a}{b}) (Teoremas 13.13 y 13.10), luego t=f(c)t = f(c) para algún cc.

El signo importa: en [−1, 1]\intcc{-1}{1} con f(t)=g(t)=tf(t) = g(t) = t: ∫fg=∫−11t2=23\int fg = \int_{-1}^1 t^2 = \frac23, mientras que f(c)∫−11t  ⁣dt=0f(c)\int_{-1}^1 t\,\dd t = 0 para todo cc.

Ejercicio 15.12 ★★★

(Los momentos fuerzan ceros) Sea ff continua en [a, b]\intcc{a}{b} con

∫abf(t) tk  ⁣dt=0para k=0,1,…,n.\int_a^b f(t)\,t^k\,\dd t = 0 \qquad \text{para } k = 0, 1, \dots, n .

Demuéstrese que ff se anula en n+1n + 1 puntos distintos de (a, b)\intoo{a}{b}. (Si ff cambia de signo solo en z1<⋯<zmz_1 < \dots < z_m con m≤nm \leq n, intégrese ff contra P(t)=(t−z1)⋯(t−zm)P(t) = (t - z_1) \cdots (t - z_m) y úsese la positividad estricta.)

Solución

Solución de Ejercicio 15.12.

Si f≡0f \equiv 0, la afirmación es vacía (todo punto es un cero). Así que supóngase f≢0f \not\equiv 0 y que tiene a lo sumo nn ceros distintos en (a, b)\intoo{a}{b}; sean z1<⋯<zmz_1 < \dots < z_m (m≤nm \leq n) aquellos ceros en los que ff cambia de signo (posiblemente ninguno). Póngase P(t)=∏i=1m(t−zi)P(t) = \prod_{i=1}^{m}(t - z_i) (producto vacío =1= 1), de grado m≤nm \leq n. En cada subintervalo determinado por los ziz_i, tanto ff como PP tienen signo constante, y los dos cambian de signo al cruzar algún ziz_i: el producto fPfP tiene un signo constante en todo (a, b)\intoo{a}{b}. Siendo continuo, no idénticamente nulo y de signo constante, cumple ∣∫abfP∣>0\bigl|\int_a^b fP\bigr| > 0 (la positividad estricta aplicada a ∣fP∣\abs{fP}). Pero ∫fP\int f P es una combinación lineal de los momentos ∫f tk\int f\,t^k, k≤nk \leq n, todos nulos: contradicción. Luego ff tiene al menos n+1n + 1 ceros distintos en (a, b)\intoo{a}{b}.

Observación 15.24 (Perspectivas dentro de este volumen)

Tres capítulos posteriores se apoyan directamente en este. Capítulo 16 lleva el resto integral — la más fina de las tres fórmulas de Taylor es una integración por partes iterada nn veces. Capítulo 17 convierte el encuadre de sumas por integrales en el criterio decisivo para ∑n−α\sum n^{-\alpha}, y su problema del fin de semana afina ese encuadre hasta la constante de Euler. Capítulo 24 vuelve geométrica la integral: la longitud de un arco parametrizado es ∫x′(t)2+y′(t)2  ⁣dt\int \sqrt{x'(t)^2 + y'(t)^2}\,\dd t, una integral de una función continua en un segmento — justo el objeto construido aquí, sin necesidad de teoría impropia alguna. Y el hecho más reutilizado será el más humilde: ∣∫f∣≤(b−a)sup⁡∣f∣\bigl|\int f\bigr| \leq (b - a)\sup\abs{f}, la desigualdad que convierte toda estimación puntual en una estimación integral.

15.6 Problema: la máquina integral de irracionalidad

Problema 15.1

Problema del fin de semana — e\eu y π2\pi^2 son irracionales, e\eu con seis decimales, y 227>π\frac{22}{7} > \pi con demostración

Un solo mecanismo mueve todo este problema: una expresión que tiene que ser un entero positivo y que, sin embargo, es demostrablemente menor que 11 no puede existir. Ejercicio 15.9 (Niven) lo hizo funcionar una vez para demostrar π∉Q\pi \notin \Q; aquí lo industrializamos. La máquina necesita tres piezas: una entrada de integralidad (valores en los extremos de polinomios bien elegidos), una entrada de pequeñez (un factor 1n!\frac{1}{n!} que aplasta la integral) y un puente (la integración por partes) que las conecta. Demostramos que e\eu es irracional y lo calculamos con error certificado, demostramos el teorema más fino de Legendre de que π2\pi^2 es irracional, y terminamos con la integral más encantadora del análisis: ∫01x4(1−x)41+x2 ⁣dx=227−π\int_0^1 \frac{x^4(1 - x)^4}{1 + x^2}\dd x = \frac{22}{7} - \pi, que encuadra π\pi a mano.

Parte I — Combustible.

  1. Demuéstrese que c nn!→0\dfrac{c^{\,n}}{n!} \to 0 para todo c>0c > 0 fijo (más allá de n≥2cn \geq 2c, cada paso al menos divide por dos el término).
  2. (Integrales beta) Demuéstrese, por inducción sobre mm con integración por partes:

    ∫01x k (1−x) m  ⁣dx=k! m!(k+m+1)!(k,m∈N).\int_0^1 x^{\,k}\,(1 - x)^{\,m}\,\dd x = \frac{k!\,m!}{(k + m + 1)!} \qquad (k, m \in \N).
  3. Dedúzcase ∫01(x(1−x))n ⁣dx=1(2n+1)(2nn)\displaystyle\int_0^1 \bigl(x(1-x)\bigr)^n \dd x = \frac{1}{(2n+1)\binom{2n}{n}} y —comparando con la cota x(1−x)≤14x(1 - x) \leq \frac14— la estimación (2nn)≥4n2n+1\binom{2n}{n} \geq \dfrac{4^n}{2n+1}, acorde con (2nn)1/n→4\binom{2n}{n}^{1/n} \to 4 del Problema 11.1.
  4. Demuéstrese el lema de pequeñez que se usa dos veces más abajo: para toda función continua g>0g > 0 en (0, 1)\intoo{0}{1},

    0<∫01(x(1−x))ng(x)  ⁣dx≤sup⁡[0, 1]∣g∣4 n.0 < \int_0^1 \bigl(x(1-x)\bigr)^n g(x)\,\dd x \leq \frac{\sup_{\intcc{0}{1}}\abs g}{4^{\,n}} .

Parte II — e\eu: irracionalidad y después seis decimales. Póngase An=∫01xnex ⁣dxA_n = \displaystyle\int_0^1 x^n \eu^x \dd x.

  1. Calcúlense A0A_0 y A1A_1, demuéstrese la recurrencia An=e−nAn−1A_n = \eu - n A_{n-1} y las cotas 0<An≤en+10 < A_n \leq \dfrac{\eu}{n+1}.
  2. Véase por inducción que An=αn+βneA_n = \alpha_n + \beta_n \eu con αn,βn∈Z\alpha_n, \beta_n \in \Z.
  3. Dedúzcase que e\eu es irracional (si e=pq\eu = \frac pq, entonces qAnq A_n es un entero atrapado en (0, 1)\intoo{0}{1} para nn grande). Compárese con la demostración del Ejercicio 11.9: misma conclusión, distinto combustible.
  4. Demuéstrese, por inducción y integración por partes, la fórmula exacta del resto

    e=∑k=0n1k!+Rn,Rn=1n!∫01(1−t)n e t  ⁣dt,1(n+1)!≤Rn≤e(n+1)!.\eu = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!} + R_n, \qquad R_n = \frac{1}{n!}\int_0^1 (1 - t)^n\,\eu^{\,t}\,\dd t, \qquad \frac{1}{(n+1)!} \leq R_n \leq \frac{\eu}{(n+1)!} .
  5. Tómese n=9n = 9: acótese R9R_9 usando e<2.75\eu < 2.75 (a partir de b2=2.75b_2 = 2.75 en el Ejemplo 11.12), evalúese la suma y conclúyase el encuadre certificado 2.7182818≤e≤2.71828232.7182818 \leq \eu \leq 2.7182823 — seis decimales, e≈2.718282\eu \approx 2.718282, con demostración.

Parte III — El teorema de Legendre: π2\pi^2 es irracional. Sea f(x)=xn(1−x)nn!f(x) = \dfrac{x^n (1 - x)^n}{n!}, y supóngase π2=ab\pi^2 = \frac ab con a,b∈N∗a, b \in \N^*.

  1. Véase que f(1−x)=f(x)f(1 - x) = f(x) y que 0<f≤14n n!0 < f \leq \dfrac{1}{4^n\,n!} en (0, 1)\intoo{0}{1}.
  2. Véase que f(k)(0)f^{(k)}(0) y f(k)(1)f^{(k)}(1) son enteros para todo k≥0k \geq 0 (desarróllese xn(1−x)nx^n(1-x)^n con coeficientes enteros; k!n!∈Z\frac{k!}{n!} \in \Z para k≥nk \geq n; y úsese después la simetría).
  3. Defínase

    G=b n∑k=0n(−1)k π2n−2kf(2k).G = b^{\,n} \sum_{k=0}^{n} (-1)^k\, \pi^{2n - 2k} f^{(2k)} .

    Véase que G(0)G(0) y G(1)G(1) son enteros (cada bnπ2n−2k=a n−k b kb^n \pi^{2n-2k} = a^{\,n-k}\,b^{\,k}).

  4. Compruébese el telescopaje G′′+π2G=bnπ2n+2f=π2anfG'' + \pi^2 G = b^n \pi^{2n+2} f = \pi^2 a^n f, y después

     ⁣d ⁣dx(G′(x)sin⁡πx−π G(x)cos⁡πx)=π2anf(x)sin⁡πx.\frac{\dd}{\dd x}\Bigl(G'(x)\sin \pi x - \pi\,G(x)\cos \pi x\Bigr) = \pi^2 a^n f(x)\sin \pi x .
  5. Intégrese en [0, 1]\intcc{0}{1} y conclúyase

    π an∫01f(x)sin⁡(πx)  ⁣dx=G(0)+G(1)∈Z,\pi\,a^n \int_0^1 f(x)\sin(\pi x)\,\dd x = G(0) + G(1) \in \Z ,

    un entero positivo acotado por πan4n n!\dfrac{\pi a^n}{4^n\,n!}.

  6. Conclúyase con la pregunta 1 que π2\pi^2 es irracional (Legendre, 1794), y que esto refuerza el Ejercicio 15.9: ¿por qué la irracionalidad de π2\pi^2 implica la de π\pi, y no al revés?

Parte IV — Entender la máquina.

  1. Localícense las dos fuerzas opuestas (la integralidad de los datos en los extremos; la pequeñez analítica de la integral) y el puente, en las partes II y III. Explíquese después por qué el factor 1n!\frac{1}{n!} de ff es el quid: si se quita, la integralidad sobrevive, pero ¿qué desigualdad muere, y para qué supuestas fracciones ab\frac ab falla entonces la demostración?
  2. Efectividad: supóngase que alguien afirma que π2=ab\pi^2 = \frac ab con a≤10a \leq 10. Véase que la contradicción llega ya en n=7n = 7: calcúlese π (10/4)7/7!≈0.38<1\pi\,(10/4)^7/7! \approx 0.38 < 1. La máquina no solo refuta; refuta en una etapa fija y calculable.
  3. Compruébese el puente de forma incondicional: demuéstrese, con dos integraciones por partes, que

    ∫01x(1−x)sin⁡(πx)  ⁣dx=4π3,\int_0^1 x(1 - x)\sin(\pi x)\,\dd x = \frac{4}{\pi^3},

    y concíliese con la pregunta 14 en n=1n = 1 (manténgase π2\pi^2 simbólico: la identidad telescopada dice π3∫01f1sin⁡πx=−(f1′′(0)+f1′′(1))=4\pi^3 \int_0^1 f_1 \sin \pi x = -(f_1''(0) + f_1''(1)) = 4).

  4. ¿Qué hace elegibles a ex\eu^x y a sin⁡πx\sin \pi x como núcleos de la máquina? Identifíquese la propiedad (cada una cumple una ecuación diferencial lineal con coeficientes constantes, de modo que la integración por partes repetida vuelve al punto de partida) y nómbrese la frontera: la misma máquina, afinada por Hermite y Lindemann, demuestra que e\eu y π\pi son trascendentes — fuera de este volumen.

Parte V — 227\frac{22}{7} frente a π\pi, y la moraleja.

  1. Establézcase la división de polinomios

    x4(1−x)41+x2=x6−4x5+5x4−4x2+4−41+x2,\frac{x^4(1-x)^4}{1 + x^2} = x^6 - 4x^5 + 5x^4 - 4x^2 + 4 - \frac{4}{1 + x^2},

    y dedúzcase la célebre identidad

    ∫01x4(1−x)41+x2  ⁣dx=227−π.\int_0^1 \frac{x^4 (1-x)^4}{1 + x^2}\,\dd x = \frac{22}{7} - \pi .
  2. El integrando es positivo: conclúyase π<227\pi < \frac{22}{7}. Después, acotando 11+x2\frac{1}{1+x^2} entre 12\frac12 y 11 y usando ∫01(x(1−x))4=1630\int_0^1 (x(1-x))^4 = \frac{1}{630} (pregunta 3), demuéstrese

    227−1630  ≤  π  ≤  227−11260,\frac{22}{7} - \frac{1}{630} \;\leq\; \pi \;\leq\; \frac{22}{7} - \frac{1}{1260} ,

    es decir, 3.14126≤π≤3.142073.14126 \leq \pi \leq 3.14207: dos decimales correctos, a mano.

  3. Generalícese: dividiendo x4m(1−x)4mx^{4m}(1-x)^{4m} entre 1+x21 + x^2, véase que el resto es la constante (−4)m(-4)^m (trabájese módulo x2+1x^2 + 1: (1−x)2≡−2x(1-x)^2 \equiv -2x), dedúzcanse racionales rmr_m con

    ∣π−rm∣≤4 1−5m,\abs{\pi - r_m} \leq 4^{\,1 - 5m} ,

    y compruébese que m=1m = 1 reproduce las preguntas 20–21.

  4. Confróntense estos racionales con la teoría de aproximación del Problema 14.1: calcúlese ∣π−227∣≈1.26⋅10−3\abs{\pi - \frac{22}{7}} \approx 1.26\cdot10^{-3} frente a la garantía de Dirichlet 149\frac{1}{49}, y cítese ∣π−355113∣≈2.7⋅10−7\abs{\pi - \frac{355}{113}} \approx 2.7\cdot10^{-7} frente a 11132≈7.8⋅10−5\frac{1}{113^2} \approx 7.8\cdot10^{-5}: para π\pi existen aproximaciones racionales excepcionalmente buenas — coherente, ya que no se sabe que π\pi sea mal aproximable.
  5. (La trampa del entero, abstraída) Demuéstrese el lema que lo unifica todo: si x∈Rx \in \R y existen enteros an,bna_n, b_n con 0<∣an+bnx∣→00 < \abs{a_n + b_n x} \to 0, entonces xx es irracional. Enumérense sus instancias en este problema, en el Ejercicio 15.9, en el Ejercicio 11.9 y en el Problema 14.1.
  6. Síntesis, una frase para cada punto: (i) las tres piezas de la máquina y dónde vive cada una en el utillaje de este capítulo; (ii) qué aporta la integral que el teorema del valor medio del Problema 14.1 no podía aportar; (iii) el inventario de resultados extraídos (dos irracionalidades, una constante con seis decimales, un encuadre de π\pi, una cota binomial); (iv) la frontera (Hermite, Lindemann; y la misma trampa, aplicada a ζ(2)\zeta(2) y ζ(3)\zeta(3), en la aritmética del siglo XX).
Solución

Solución de Problema 15.1.

1. Sea N=⌈2c⌉N = \lceil 2c \rceil. Para n≥Nn \geq N: cn+1/(n+1)!cn/n!=cn+1≤12\frac{c^{n+1}/(n+1)!}{c^n/n!} = \frac{c}{n+1} \leq \frac12, luego 0<cnn!≤cNN! 2−(n−N)→00 < \frac{c^n}{n!} \leq \frac{c^N}{N!}\,2^{-(n - N)} \to 0: por emparedado.

2. Fíjese kk; inducción sobre mm. Para m=0m = 0: ∫01xk=1k+1=k! 0!(k+1)!\int_0^1 x^k = \frac{1}{k+1} = \frac{k!\,0!}{(k+1)!}. Paso, por partes (u=(1−x)mu = (1-x)^m, v′=xkv' = x^k):

∫01xk(1−x)m ⁣dx=[xk+1k+1(1−x)m]01+mk+1∫01xk+1(1−x)m−1 ⁣dx=mk+1⋅(k+1)! (m−1)!(k+m+1)!,\int_0^1 x^k (1-x)^m \dd x = \Bigl[\frac{x^{k+1}}{k+1}(1-x)^m\Bigr]_0^1 + \frac{m}{k+1}\int_0^1 x^{k+1}(1-x)^{m-1}\dd x = \frac{m}{k+1}\cdot\frac{(k+1)!\,(m-1)!}{(k+m+1)!} ,

que es k! m!(k+m+1)!\frac{k!\,m!}{(k+m+1)!}.

3. k=m=nk = m = n: ∫01(x(1−x))n=(n!)2(2n+1)!=1(2n+1)(2nn)\int_0^1 (x(1-x))^n = \frac{(n!)^2}{(2n+1)!} = \frac{1}{(2n+1)\binom{2n}{n}}. Como x(1−x)≤14x(1-x) \leq \frac14 en [0, 1]\intcc{0}{1}, la integral es ≤4−n\leq 4^{-n}, de donde (2nn)≥4n2n+1\binom{2n}{n} \geq \frac{4^n}{2n+1} — acorde con (2nn)1/n→4\binom{2n}{n}^{1/n} \to 4 (Problema 11.1).

4. El integrando es continuo, ≥0\geq 0 y positivo en (0, 1)\intoo{0}{1}, luego no es idénticamente nulo: su integral es >0> 0 (Teorema 15.7 (4)). Cota superior: (x(1−x))n≤4−n(x(1-x))^n \leq 4^{-n} y g≤sup⁡∣g∣g \leq \sup\abs g, y después la monotonía.

5. A0=e−1A_0 = \eu - 1; A1=[xex]01−∫01ex=e−(e−1)=1A_1 = [x\eu^x]_0^1 - \int_0^1 \eu^x = \eu - (\eu - 1) = 1. Por partes: An=[xnex]01−n∫01xn−1ex=e−nAn−1A_n = [x^n \eu^x]_0^1 - n\int_0^1 x^{n-1}\eu^x = \eu - n A_{n-1}. Cotas: el integrando es positivo, luego An>0A_n > 0; y ex≤e\eu^x \leq \eu da An≤e∫01xn=en+1A_n \leq \eu\int_0^1 x^n = \frac{\eu}{n+1}.

6. A0=−1+1⋅eA_0 = -1 + 1\cdot\eu. Si An−1=αn−1+βn−1eA_{n-1} = \alpha_{n-1} + \beta_{n-1}\eu con entradas enteras, entonces

An=e−nαn−1−nβn−1e=(−n αn−1)⏟αn+(1−n βn−1)⏟βn e,A_n = \eu - n\alpha_{n-1} - n\beta_{n-1}\eu = \underbrace{(-n\,\alpha_{n-1})}_{\alpha_n} + \underbrace{(1 - n\,\beta_{n-1})}_{\beta_n}\,\eu ,

los dos enteros.

7. Si e=pq\eu = \frac pq: qAn=qαn+pβn∈Zq A_n = q\alpha_n + p\beta_n \in \Z, y 0<qAn≤qen+1<10 < qA_n \leq \frac{q\eu}{n+1} < 1 para nn grande: un entero estrictamente entre 00 y 11 — imposible. Luego e∉Q\eu \notin \Q. En el Ejercicio 11.9 el entero atrapado era q! pq−q! aqq!\,\frac pq - q!\,a_q; aquí es qAnqA_n: la misma trampa, con combustible integral.

8. n=0n = 0: R0=∫01et=e−1R_0 = \int_0^1 \eu^t = \eu - 1, luego e=1+R0\eu = 1 + R_0. Por partes (u=etu = \eu^t, v=−(1−t)n+1n+1v = -\frac{(1-t)^{n+1}}{n+1}):

Rn=1n!([−(1−t)n+1n+1et]01+1n+1∫01(1−t)n+1et)=1(n+1)!+Rn+1,R_n = \frac{1}{n!}\Bigl(\Bigl[-\frac{(1-t)^{n+1}}{n+1} \eu^t\Bigr]_0^1 + \frac{1}{n+1}\int_0^1 (1-t)^{n+1}\eu^t\Bigr) = \frac{1}{(n+1)!} + R_{n+1} ,

de modo que la fórmula se propaga de nn a n+1n + 1. Cotas: 1≤et≤e1 \leq \eu^t \leq \eu en [0, 1]\intcc{0}{1} y ∫01(1−t)n=1n+1\int_0^1 (1-t)^n = \frac{1}{n+1} dan 1(n+1)!≤Rn≤e(n+1)!\frac{1}{(n+1)!} \leq R_n \leq \frac{\eu}{(n+1)!}.

9. ∑k=091k!=986410362880=2.71828152…\sum_{k=0}^{9} \frac{1}{k!} = \frac{986410}{362880} = 2.71828152\dots, y

110!=2.76⋅10−7≤R9≤2.7510!=7.58⋅10−7,\frac{1}{10!} = 2.76\cdot10^{-7} \leq R_9 \leq \frac{2.75}{10!} = 7.58\cdot10^{-7} ,

luego 2.7182818≤e≤2.71828232.7182818 \leq \eu \leq 2.7182823: con demostración, e=2.718282\eu = 2.718282 con seis decimales (valor verdadero 2.7182818…2.7182818\dots).

10. f(1−x)=(1−x)nxnn!=f(x)f(1 - x) = \frac{(1-x)^n x^n}{n!} = f(x). En (0, 1)\intoo{0}{1}: 0<x(1−x)≤140 < x(1-x) \leq \frac14, luego 0<f≤14n n!0 < f \leq \frac{1}{4^n\,n!}.

11. xn(1−x)n=∑j=0n(−1)j(nj) xn+jx^n(1-x)^n = \sum_{j=0}^{n} (-1)^j\binom nj\,x^{n+j}, luego f=1n!∑jcj xn+jf = \frac{1}{n!}\sum_j c_j\,x^{n+j} con cj∈Zc_j \in \Z. Por tanto, f(k)(0)=0f^{(k)}(0) = 0 para k<nk < n o k>2nk > 2n, y para n≤k≤2nn \leq k \leq 2n: f(k)(0)=k!n! ck−nf^{(k)}(0) = \frac{k!}{n!}\, c_{k-n}, un entero porque n!∣k!n! \mid k!. La simetría da f(k)(1)=(−1)kf(k)(0)∈Zf^{(k)}(1) = (-1)^k f^{(k)}(0) \in \Z.

12. bnπ2n−2k=bn(ab) n−k=a n−k b k∈Zb^n \pi^{2n-2k} = b^n\bigl(\frac ab\bigr)^{\,n-k} = a^{\,n-k}\,b^{\,k} \in \Z, luego G(0)=∑k(−1)kan−kbkf(2k)(0)G(0) = \sum_k (-1)^k a^{n-k} b^k f^{(2k)}(0) y, análogamente, G(1)G(1) son enteros por la pregunta 11.

13. En π2G+G′′\pi^2 G + G'', el término kk de π2G\pi^2 G lleva π2n−2k+2f(2k)\pi^{2n-2k+2}f^{(2k)} y el término j=k−1j = k - 1 de G′′G'' lleva (−1)k−1π2n−2k+2f(2k)(-1)^{k-1}\pi^{2n-2k+2}f^{(2k)}: todo se cancela salvo k=0k = 0 en la primera suma y j=nj = n en la segunda, es decir,

G′′+π2G=bn(π2n+2f+(−1)nf(2n+2))=bnπ2n+2f=π2anfG'' + \pi^2 G = b^n\bigl(\pi^{2n+2} f + (-1)^n f^{(2n+2)}\bigr) = b^n \pi^{2n+2} f = \pi^2 a^n f

(ff tiene grado 2n2n, luego f(2n+2)=0f^{(2n+2)} = 0; y bnπ2n=anb^n\pi^{2n} = a^n). Entonces

(G′sin⁡πx−πGcos⁡πx)′=(G′′+π2G)sin⁡πx=π2anfsin⁡πx.\bigl(G'\sin\pi x - \pi G\cos\pi x\bigr)' = (G'' + \pi^2 G)\sin \pi x = \pi^2 a^n f\sin\pi x .

14. Integrando en [0, 1]\intcc{0}{1}:

π2an∫01fsin⁡(πx)  ⁣dx=[G′sin⁡πx−πGcos⁡πx]01=π(G(1)+G(0)),\pi^2 a^n \int_0^1 f\sin(\pi x)\,\dd x = \bigl[G'\sin\pi x - \pi G\cos\pi x\bigr]_0^1 = \pi\bigl(G(1) + G(0)\bigr) ,

luego πan∫01fsin⁡πx=G(0)+G(1)∈Z\pi a^n \int_0^1 f\sin\pi x = G(0) + G(1) \in \Z. En (0, 1)\intoo{0}{1}, f>0f > 0 y sin⁡πx>0\sin\pi x > 0: el miembro izquierdo es positivo, luego G(0)+G(1)≥1G(0) + G(1) \geq 1; y sin⁡≤1\sin \leq 1 junto con la pregunta 10 lo acota por πan4n n!\frac{\pi a^n}{4^n\,n!}.

15. Por la pregunta 1 (con c=a4c = \frac a4), πan4nn!→0\frac{\pi a^n}{4^n n!} \to 0: para nn grande es <1< 1, en contradicción con G(0)+G(1)≥1G(0) + G(1) \geq 1. Luego ninguna fracción ab\frac ab es igual a π2\pi^2: el teorema de Legendre. Y si π\pi fuera racional, π2\pi^2 también lo sería: así que π∉Q\pi \notin \Q — y la implicación solo va en este sentido (2\sqrt2 es irracional con cuadrado racional), y por eso π2∉Q\pi^2 \notin \Q es estrictamente más fuerte que el Ejercicio 15.9.

16. Integralidad: preguntas 11–12 (derivadas en los extremos); pequeñez: preguntas 10 y 1; puente: preguntas 13–14 (la doble integración por partes telescopada). Sin 1n!\frac{1}{n!}, los datos en los extremos siguen siendo enteros (incluso más fácilmente), pero la cota pasa a ser πan4n\frac{\pi a^n}{4^n}, que tiende a 00 solo cuando a<4a < 4 — y todo candidato tiene a=b π2>9a = b\,\pi^2 > 9. El factorial es exactamente lo que corre más que el crecimiento geométrico ana^n: sin factorial, no hay teorema.

17. Para a≤10a \leq 10, el entero G(0)+G(1)G(0) + G(1) es positivo y a lo sumo π (10/4)n/n!\pi\,(10/4)^n/n!. En n=7n = 7: 2.57=610.35…2.5^7 = 610.35\dots, luego la cota es π×610.355040≈0.38<1\frac{\pi \times 610.35}{5040} \approx 0.38 < 1 (en n=6n = 6 todavía vale 1.071.07): la contradicción llega en la séptima etapa, explícitamente.

18. Dos integraciones por partes:

∫01x(1−x)sin⁡πx  ⁣dx=1π∫01(1−2x)cos⁡πx  ⁣dx=2π2∫01sin⁡πx  ⁣dx=2π2⋅2π=4π3\int_0^1 x(1-x)\sin\pi x\,\dd x = \frac1\pi\int_0^1 (1 - 2x)\cos\pi x\,\dd x = \frac{2}{\pi^2}\int_0^1 \sin\pi x\,\dd x = \frac{2}{\pi^2}\cdot\frac{2}{\pi} = \frac{4}{\pi^3}

(los términos de los corchetes se anulan: x(1−x)x(1-x) en 0,10, 1, y sin⁡πx\sin\pi x en 0,10, 1). Simbólicamente, el telescopaje de n=1n = 1 (sin hipótesis sobre π\pi) dice π3∫01f1sin⁡πx=−(f1′′(0)+f1′′(1))\pi^3\int_0^1 f_1\sin\pi x = -(f_1''(0) + f_1''(1)) con f1=x(1−x)f_1 = x(1 - x), f1′′=−2f_1'' = -2: el miembro derecho vale 44 — los dos cálculos coinciden.

19. ex\eu^x resuelve y′=yy' = y y sin⁡πx\sin\pi x resuelve y′′=−π2yy'' = -\pi^2 y: ecuaciones lineales con coeficientes constantes, de modo que la integración por partes devuelve el núcleo sobre sí mismo y mantiene todos los datos de frontera dentro de Z+Ze\Z + \Z\eu (resp. polinomios enteros en π2\pi^2). Esa propiedad de clausura es lo que la máquina necesita. Afinado con núcleos adaptados a varios puntos a la vez, el mismo mecanismo produce el teorema de Hermite (e\eu trascendente, 1873) y el de Lindemann (π\pi trascendente, 1882) — fuera de este volumen.

20. División de polinomios (o multiplíquese de vuelta y compruébese):

x4(1−x)4=(x6−4x5+5x4−4x2+4)(1+x2)−4.x^4(1-x)^4 = (x^6 - 4x^5 + 5x^4 - 4x^2 + 4)(1 + x^2) - 4 .

Integrando la identidad anterior dividida por 1+x21 + x^2:

∫01x4(1−x)41+x2 ⁣dx=(17−46+1−43+4)−4arctan⁡1=227−π,\int_0^1 \frac{x^4(1-x)^4}{1+x^2}\dd x = \Bigl(\frac17 - \frac46 + 1 - \frac43 + 4\Bigr) - 4\arctan 1 = \frac{22}{7} - \pi ,

usando 17−23+1−43+4=3+17\frac17 - \frac23 + 1 - \frac43 + 4 = 3 + \frac17 y arctan⁡1=π4\arctan 1 = \frac\pi4.

21. El integrando es continuo y positivo en (0, 1)\intoo{0}{1}: la integral es >0> 0, luego π<227\pi < \frac{22}{7}. Además, 12≤11+x2≤1\frac12 \leq \frac{1}{1+x^2} \leq 1 en [0, 1]\intcc{0}{1} y ∫01(x(1−x))4=(4!)29!=1630\int_0^1 (x(1-x))^4 = \frac{(4!)^2}{9!} = \frac{1}{630} (pregunta 3):

11260≤227−π≤1630⟹3.14126<227−1630≤π≤227−11260<3.14207.\frac{1}{1260} \leq \frac{22}{7} - \pi \leq \frac{1}{630} \quad\Longrightarrow\quad 3.14126 < \frac{22}{7} - \frac{1}{630} \leq \pi \leq \frac{22}{7} - \frac{1}{1260} < 3.14207 .

22. Módulo x2+1x^2 + 1: x2≡−1x^2 \equiv -1, luego x4m=(x2)2m≡1x^{4m} = (x^2)^{2m} \equiv 1 y (1−x)2=1−2x+x2≡−2x(1 - x)^2 = 1 - 2x + x^2 \equiv -2x, de donde (1−x)4m≡(−2x)2m=4m(x2)m≡(−4)m(1-x)^{4m} \equiv (-2x)^{2m} = 4^m (x^2)^m \equiv (-4)^m: el resto es la constante (−4)m(-4)^m, y el cociente QmQ_m tiene coeficientes enteros (división por un polinomio entero mónico). Dividiendo la identidad por 1+x21 + x^2 e integrando:

Jm:=∫01(x(1−x))4m1+x2 ⁣dx=sm+(−4)m π4,sm=∫01Qm∈Q.J_m := \int_0^1 \frac{(x(1-x))^{4m}}{1+x^2}\dd x = s_m + (-4)^m\,\frac{\pi}{4}, \qquad s_m = \int_0^1 Q_m \in \Q .

Despejando π\pi: con rm=(−1)m+1 4 1−msm∈Qr_m = (-1)^{m+1}\,4^{\,1-m} s_m \in \Q,   ∣π−rm∣=4 1−mJm≤4 1−m⋅4−4m=4 1−5m\;\abs{\pi - r_m} = 4^{\,1-m} J_m \leq 4^{\,1-m}\cdot4^{-4m} = 4^{\,1-5m}. Para m=1m = 1: s1=227s_1 = \frac{22}{7}, r1=227r_1 = \frac{22}{7}, y la cota 4−4=12564^{-4} = \frac{1}{256} — otra vez las preguntas 20–21.

23. ∣π−227∣=227−π≈1.26⋅10−3\bigl|\pi - \frac{22}{7}\bigr| = \frac{22}{7} - \pi \approx 1.26\cdot10^{-3}, dieciséis veces mejor que la referencia de orden 22, 172≈2.0⋅10−2\frac{1}{7^2} \approx 2.0\cdot10^{-2}, que garantiza Dirichlet (Problema 14.1, pregunta 4); y ∣π−355113∣≈2.7⋅10−7\bigl|\pi - \frac{355}{113}\bigr| \approx 2.7\cdot10^{-7} le gana a 11132≈7.8⋅10−5\frac{1}{113^2} \approx 7.8\cdot10^{-5} por un factor ≈300\approx 300. Nada de esto contradice lo demostrado: las desigualdades de Liouville acotan por debajo los errores de aproximación solo para los números algebraicos, y a este nivel no se dispone de ninguna cota así para π\pi — π\pi es libre de dejarse aproximar espectacularmente bien.

24. Lema: supóngase x=pqx = \frac pq y 0<∣an+bnx∣→00 < \abs{a_n + b_n x} \to 0. Entonces ∣an+bnx∣=∣qan+pbn∣q\abs{a_n + b_n x} = \frac{\abs{q a_n + p b_n}}{q}, con qan+pbnq a_n + p b_n entero no nulo (no nulo porque el valor absoluto es >0> 0): luego ∣an+bnx∣≥1q\abs{a_n + b_n x} \geq \frac1q para todo nn, en contradicción con la convergencia a 00. Instancias: la pregunta 7 (x=ex = \eu, an=αna_n = \alpha_n, bn=βnb_n = \beta_n); el Ejercicio 11.9 (x=ex = \eu otra vez, con aq=−q!∑k≤q1k!a_q = -q!\sum_{k \leq q}\frac{1}{k!}, bq=q!b_q = q!); y el Problema 14.1, pregunta 1, es su forma geométrica. En la parte III y en el Ejercicio 15.9 la trampa corre dentro de la contradicción: suponer la racionalidad convierte una expresión en un entero, que el análisis aprieta después dentro de (0, 1)\intoo{0}{1} — el mismo principio, traspuesto.

25. (i) La integralidad vive en el cálculo con polinomios en los extremos (preguntas 6, 11–12), la pequeñez en las cotas que da la monotonía del sup⁡\sup (preguntas 4, 10) y el puente en la integración por partes (preguntas 8, 13–14) — las tres son teoremas de este capítulo. (ii) La integral aporta lo que el teorema del valor medio no podía: una identidad exacta entre el objeto analítico y los datos aritméticos (una igualdad, no solo una desigualdad con un cc desconocido), y por eso la máquina alcanza π2\pi^2 mientras que el Problema 14.1 solo alcanzaba exponentes de aproximación. (iii) Extraído: e∉Q\eu \notin \Q, π2∉Q\pi^2 \notin \Q (y por tanto π∉Q\pi \notin \Q), e=2.718282\eu = 2.718282 certificado, 227−1630≤π≤227−11260\frac{22}{7} - \frac{1}{630} \leq \pi \leq \frac{22}{7} - \frac{1}{1260} y (2nn)≥4n2n+1\binom{2n}{n} \geq \frac{4^n}{2n+1}. (iv) Frontera: Hermite y Lindemann llevan la misma máquina hasta la trascendencia; y Apéry (1979) hizo correr la trampa del entero sobre ζ(3)\zeta(3) — la máquina sigue produciendo matemáticas del siglo XX.

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