🧮 Computational Mathematics

Inicio · Parte 07 — Cálculo diferencial e integral

154 — Integral definida

universitario clase 14 de 20 4 horas demostración definite_integral

La integral definida es aditiva en el intervalo y cambia de signo al invertir la orientación.

Fórmulas

∫ₐᵇ + ∫_b^c = ∫ₐ^c
∫ₐᵇ = −∫_bₐ
valor medio = (1/(b−a))·∫ₐᵇ f

Desarrollo

La integral definida representa el área con signo: las regiones bajo el eje cuentan negativo. Esa convención es la que permite que la integral de una función que oscila alrededor de cero sea pequeña, y es la que hace consistente el teorema fundamental.

Las propiedades estructurales son tres. La aditividad en el intervalo permite partir un dominio en trozos y sumar. La orientación invierte el signo al intercambiar los límites, lo que hace que ∫ₐᵃ = 0 sea consistente. Y la linealidad permite integrar término a término, igual que se derivaba.

El valor medio de una función en un intervalo es su integral dividida por la longitud, y es la altura del rectángulo con la misma área. El teorema del valor medio integral garantiza que la función alcanza ese valor en algún punto del intervalo, si es continua.

Esa noción es la que conecta con probabilidad: la esperanza de una variable aleatoria continua es la integral de x·f(x), es decir, un promedio ponderado por la densidad. Y es la que aparece en machine learning como el promedio de una pérdida sobre una distribución, que en la práctica se estima con Monte Carlo (clase 198).

Ejemplo trabajado

Propiedades de la integral de x².

∫₀¹ x² = 0.333333
∫₁² x² = 2.333333
∫₀² x² = 2.666667

Aditividad: 0.333333 + 2.333333 = 2.666667      ✓

Orientación: ∫₁⁰ x² = −0.333333                 ✓
Intervalo nulo: ∫₀⁰ x² = 0                      ✓

Valor medio en [0,2]: 2.666667/2 = 1.333333

Qué calcula el laboratorio

Propiedades de la integral definida.

python classes/part-07-calculo-diferencial-e-integral/154-integral-definida/lab.py
compmath run 154

Salidas del laboratorio (7)

Muestra de la ejecución real

{
  "∫₀¹x²": 0.33333331,
  "∫₁²x²": 2.33333331,
  "∫₀²x²": 2.6666665,
  "aditividad": true,
  "∫₁⁰x² (orientación)": -0.33333331,
  "∫₀⁰x²": 0.0
}

Errores comunes

Dónde se usa

Esperanza de variables continuas, trabajo y energía en física, acumulación de métricas y área bajo la curva ROC.

Idea rectora de la parte

Integrar es acumular; derivar e integrar son operaciones inversas.

Error a evitar

Derivar en un punto donde la función no es continua.

Conexión con IA

Sin regla de la cadena no hay entrenamiento por gradiente; sin Taylor no hay métodos de segundo orden ni análisis de convergencia.

Bibliografía de la clase

Archivos de la clase