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Calcular el área bajo la campana de Gauss con cálculo en una variable

A la mayoría de los que hemos cursado estudios en los que aparece la campana de Gauss nos han dicho que para calcular la integral entre dicha curva y el eje X, es decir, el área bajo la campana hasta el eje X, debemos usar cálculo en dos variables. Vamos, que no podemos encontrar cuánto vale ese área utilizando solamente cálculo en una variable. Bien, pues eso no es cierto: se puede calcular el ára bajo la campana de Gauss usando simplemente cálculo en una variable.

Antes de nada conviente recordar que al hablar de campana de Gauss nos referimos a la gráfica de la función

f(x)=a \cdot e^{-\frac{(x-b)^2}{2c^2}}

con a,b,c números reales. Por comodidad tomaremos la función para a=1, b=0 y c=1/\sqrt{2}, es decir, f(x)=e^{-x^2}.

Nuestro objetivo es confirmar que el valor de la integral es el siguiente:

\displaystyle{\int_0^{\infty} e^{-x^2} dx=\cfrac{\sqrt{\pi}}{2}}

La primera idea podría ser calcularla como integral impropia que es, para lo cual necesitaríamos una primitiva de f(x), pero dicha primitiva no puede expresarse mediante combinaciones de funciones elementales en el sentido de este post, por lo que tenemos que descartar esta opción. La segunda posibilidad es la que ya hemos comentado, calcularla “subiendo” al cálculo en dos variables como se hizo aquí. Pero hoy nosotros no queremos salirnos del cálculo en una variable, por lo que descartamos también dicha opción.

Vamos a ver cómo podríamos hacer lo que estamos buscando.

Vamos a definir la siguiente función:

F(x)=\displaystyle{\left ( \int_0^x e^{-t^2} dt \right )^2+ \int_0^1 \cfrac{e^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2} dt}

La idea es calcular la derivada de dicha función F(x) respecto de x. Para ello hará falta utilizar el “Teorema Fundamental del Cálculo”+”regla de la cadena” y la fórmula de Leibniz. Podéis encontrar una explicación de estos dos temas en Calcular la derivada de una integral.

Voy a calcular la derivada de cada término por separado, para que la cosa no se haga tan pesada, y después sumaré los resultados:

  • Derivada del primer sumando

    Aquí hace falta TFC+”regla de la cadena”:

    2 \cdot \displaystyle{\int_0^x e^{-t^2} dt \cdot e^{-x^2}}

  • Derivada del segundo sumando

    Aquí necesitamos la fórmula de Leibniz:

    \displaystyle{\int_0^1 -2x(1+t^2) \cdot \cfrac{e^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2} dt +0-0=\int_0^1 -2x \cdot e^{-x^2(1+t^2)} dt}

Realizando en el segundo resultado el cambio de variable t=u/x, obtenemos que este segundo término tiene esta forma:

\displaystyle{\int_0^x -2x \cdot e^{-x^2(1+(u/x)^2)} \cdot \cfrac{1}{x} \; du=\int_0^x -2 \cdot e^{-x^2-u^2} du}

Introduciendo el término e^{-x^2} en el primer término (es independiente de t) llegamos a que las derivadas de cada uno de los sumandos dan el mismo resultado pero con signos distintos, esto es, una es “menos la otra”, por lo que la suma de ellas es nula. Es decir, F^\prime (x)=0.

Esto significa que la función F(x) es constante, por lo que si calculamos el valor de la misma en un punto entonces tendremos el valor de la función en todo su dominio. Vamos a hacer esto para x=0:

F(0)=\displaystyle{\int_0^1 \cfrac{1}{1+t^2} dt=arctg(t) \Bigg ]_0^1=\cfrac{\pi}{4}}

Por lo que F(x)=\cfrac{\pi}{4}, \; \forall x > 0, valor que también alcanzara si calculamos su límite cuando x tiende a infinito. Pero, por la propia definición de F(x), este límite es precisamente el cuadrado de la integral de la función de Gauss. Entonces:

\displaystyle{\left ( \int_0^{\infty} e^{-t^2} dt \right )^2=\cfrac{\pi}{4} \Rightarrow \int_0^{\infty} e^{-t^2} dt =\cfrac{\sqrt{\pi}}{2}}

que es el resultado que conocemos de dicha integral.

He encontrado esto en la revista matemática de la Universidad Autónoma de Madrid La Hoja Volante nº 22 (pdf), de septiembre de 2011 (cuyo encargado era Carlos Vinuesa) y está escrito por Fernando Chamizo, que a su vez lo sacó del libro Análisis Matemático, de T. Apostol.

Esta entrada es mi tercera aportación a la Edición 3,14159 del Carnaval de Matemáticas, cuyo anfitrión es en esta ocasión nuestro José Manuel López Nicolás desde su blog Scientia.

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Autor: ^DiAmOnD^  |  Publicado el 21 de junio de 2012
Categorías: Cálculo  |  Imprime este post Imprime este post

21 comentarios

  1. martxelo | 21 de junio de 2012 | 11:08

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    Creo que hay un error cuando calculas el primer sumando. El término dentro de la integral debe seguir siendo e^{-t^{2}}.

  2. Trackback | 21 jun, 2012

    Bitacoras.com

  3. Imanol Pérez | 21 de junio de 2012 | 14:09

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    Creo que al inicio del post también hay un error, puesto que pone que:

    \displaystyle \int _0 ^x {e^{-x^2}}dx = \dfrac{\sqrt{\pi}}{4}

    Pero

    \displaystyle \int _0 ^x {e^{-x^2}}dx = \dfrac{\sqrt{\pi}}{2}

    tal y como se dice concluye al final del post.

  4. Juanjo Escribano | 21 de junio de 2012 | 14:40

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    Crea que F(x) debe ser resta y no suma, dado que las dos derivadas identicas, sumadas no tienen por qué dar 0 y restadas si

  5. gaussianos | 21 de junio de 2012 | 14:49

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    martxelo, Imanol, cierto, ya están arreglados, gracias por avisar. Escribí el post muy tarde y se me pasaron esos fallos al repasar.

    Juanjo Escribano, es una suma, ya que si te fijas las derivadas dan el mismo resultado con distinto signo. Lo he reescrito para que quede más claro :) .

  6. David | 21 de junio de 2012 | 15:01

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    Hola, ya puestos a corregir, apuntar también que el enlace al nº 22 de ‘La Hoja Volante’ no es correcto, en su lugar debería ser http://verso.mat.uam.es/web/?option=com_docman&task=doc_download&gid=508&Itemid=191&lang=es

    PD: Iba a escribir el enlace de forma que en lugar de la url completa se viese solamente el link con el texto ‘La hoja volante’, pero la verdad es que no he sido capaz de hacerlo.

    Un saludo

  7. gaussianos | 21 de junio de 2012 | 15:16

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    Arreglado el enlace. Gracias David :)

  8. Trackback | 21 jun, 2012

    Calcular el área bajo la campana de Gauss con cálculo en una variable

  9. HSebasa | 22 de junio de 2012 | 04:42

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    Y por este tipo de demostraciones es que me gusta estudiar matematicas, muy bonita.

  10. Maesto | 22 de junio de 2012 | 10:07

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    No salen mis comentarios. Este sería el tercero. Si al final salen te diría que borraras dos de ellos, pero ¿para qué? te lo dicen muchas veces y siguen ahí. En fin, a ver…

    En la parte derecha de la igualdad de después del cambio de variable, en la integral, el límite superior debería ser YA x y no 1.

  11. gaussianos | 22 de junio de 2012 | 13:31

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    Maesto, normalmente cuando me dicen que borre un comentario lo suelo borrar. Igual a veces se me ha pasado, pero tampoco es para que lo digas así.

    Sobre la errata que me comentas, ya la solucioné ayer. Gracias de todas formas por el aviso.

    Por cierto, tus comentarios no salían porque el plugin Akismet que tengo instalado te los enviaba a spam. No sé por qué lo ha hecho, pero lo hacía. Si vuelve a pasar mándame un mail avisándome de ello.

  12. Maesto | 22 de junio de 2012 | 13:37

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    Joer… perdona, Quería decir IZQUIERDA, en la parte izquierda debe ser x el límite suoerior (en vez de 1) porque ya no aparece t sino u, el cambio de variable está hecho ya en la parte izquierda. Pero ahora dudo…

  13. Maesto | 22 de junio de 2012 | 13:43

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    A ver. Esto

    \displaystyle{\int_0^x -2x \cdot e^{-x^2(1+(u/x)^2)} \cdot \cfrac{1}{x} \; du}

    en vez de esto:

    \displaystyle{\int_0^1 -2x \cdot e^{-x^2(1+(u/x)^2)} \cdot \cfrac{1}{x} \; du}

  14. Lezcano | 22 de junio de 2012 | 14:43

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    M ya había mostrado en gaussianos esta demostración hace 3 años:

    http://gaussianos.com/calcular-el-area-bajo-la-campana-de-gauss/#comment-11113

  15. gaussianos | 22 de junio de 2012 | 17:31

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    Maesto, cierto, ahí también falta, sorry. Lo cambio ahora mismo. Gracias por avisar.

    Lezcano, sí, es verdad, me di cuenta después de publicar el post. De todas formas creo que la cosa es tan interesante como para tener un post propio y no dejarla en un comentario nada más :) .

  16. Trackback | 29 jun, 2012

    Resumen de la 3,14159 Edición del Carnaval de Matemáticas…¡¡estos matemáticos están locos!! | SCIENTIA

  17. Alberto | 6 de agosto de 2012 | 18:09

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    Saludos, alguien podría explicarme porqué la función F(x) es el cuadrado de la integral que buscamos?? aparte de ese detalle que no entendi, muy bueno el post

  18. gaussianos | 7 de agosto de 2012 | 04:00

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    Alberto, la función F(x) no es el cuadrado de la integral que buscamos. Fíjate en la definición de F(x) y verás que es una suma de una integral (que no es la que buscamos, un límite de integración no es el mismo) al cuadrado más otra integral.

    Gracias por tu comentario :)

  19. liusd | 13 de octubre de 2012 | 03:09

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    Al evaluar F(x) en x = 0, en efecto se tiene esa igualdad,??.. el primer termino se anula?

  20. gaussianos | 13 de octubre de 2012 | 03:13

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    liusd, sí, ya que queda “integral entro 0 y 0″, cuyo valor es 0.

  21. Trackback | 30 dic, 2012

    (Lo que yo considero) Lo mejor de 2012 en Gaussianos - Gaussianos

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