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Visualización de las integrales de Riemann-Stieltjes

La integral de Riemann-Stieltjes $\int_a^b f(x)\,dg(x)$ es una generalización de la integral de Riemann. Se utiliza mucho, por ejemplo, como punto de partida para la integración estocástica. Las sumas aproximadas de Riemann-Stieltjes son análogas a las sumas de Riemann $\sum_{i=0}^{n-1} f(c_i)(g(x_{i+1})-g(x_i))$ donde $c_i$ está en el $i$ subintervalo de -a $[x_i,x_{i+1}]$ .

Las sumas de Riemann pueden visualizarse de forma muy intuitiva mediante rectángulos que aproximan el área bajo la curva. Véase, por ejemplo Wikipedia:Suma de Riemann . Desgraciadamente, no encuentro las respectivas visualizaciones intuitivas de las sumas de Riemann-Stieltjes.

Mi pregunta: ¿Podría alguien proporcionarme alguna bibliografía, imágenes, enlaces o, especialmente, herramientas (por ejemplo, Mathematica o incluso Excel) con las que pueda jugar para conseguir una intuición similar para este tipo de integral más general?

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Flávio Amieiro Puntos 5872

Es bastante fácil visualizar la integral de Riemann-Stieltjes $\int_a^b f(t)\,dg(t)$ [He cambiado el nombre de la variable de integración por comodidad a continuación] si $f\ge0$ y $g$ no es decreciente. Basta con dibujar la gráfica de la curva $(x,y)=(g(t),f(t))$ . La integral es sólo el área bajo la curva. (Siempre que $g$ hace un salto en algunos $t_0$ , rellena el hueco estableciendo $y=f(t_0)$ allí). Las sumas de Riemann-Stieltjes son ahora fáciles de visualizar como sumas de áreas de rectángulos (los detalles se dejan como ejercicio).

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PowerApp101 Puntos 2246

En primer lugar, se puede pensar en esta integral utilizando casi la misma imagen. La única diferencia es que en lugar de sumar sólo la zonas de los rectángulos, primero se multiplica cada área por $g(x_{i+1})-g(x_i)$ y luego añadir.

La idea es que ya no consideramos que la línea real tenga el mismo "peso" en todas partes; algunas partes son ahora "más importantes" que otras. Cuando hacíamos la integración habitual, asignábamos el trozo de la recta entre $x_i$ y $x_{i+1}$ el peso $x_{i+1}-x_i$ exactamente proporcional a su longitud. Ahora, en cambio, a esta misma pieza se le da un peso $g(x_{i+1})-g(x_i)$ .

En particular, si elegimos g para que $g(x)=x$ para todos x , recuperaríamos la integral regular. Si g fueran constantes, todas las integrales se convertirían en cero; ninguna parte de la recta real importaría en absoluto.

Ejemplo final divertido si g(x)=0 para $x \leq 0$ y g(x)=1 para $x > 0$ Entonces ninguna parte de la línea importa excepto el origen . Para simplificar, supongamos que algunos $x_i=0$ . Entonces, nuestra suma Riemann-Stjeltes será: $$\sum_{i=-n}^n f(x_i)\cdot \underbrace{(g(x_{i+1})-g(x_i))}_{\text{not 0 only if }x_i=0} = f(0)$$ no importa cuál sea nuestro paso. Así, la integral de cualquier función f será f(0) . (La función deberá ser continua para que las integrales estén bien definidas, como siempre)


Pero, creo que lo que realmente te falta es el concepto de medir Al menos de forma intuitiva. Cuesta un poco de trabajo aprenderlo, pero facilita mucho la comprensión de todo tipo de integración. Mi fuente favorita para esto es el libro barato de Kolmogorov-Fomin (tendrías que mirar el último par de capítulos, y hacer referencia a los primeros capítulos episódicamente), pero ciertamente requeriría algo de tiempo y podría ser más de lo que necesitas. Lo ideal sería que hicieras un curso de análisis de posgrado (o similar).

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Vex Puntos 111

Pues el divertido ejemplo es fundamental para la teoría analítica de los números, porque cualquier suma de una función suave puede escribirse como una integral de stieltjes. He aquí un uso típico: Digamos que queremos estimar la $\sum_{p \leq x} f(p)$ donde $f$ es una función suave, positiva y decreciente (digamos que más rápida que $1/x$ ), y la suma se realiza sobre los primos. Entonces, por el no sentido de Stieltjes (esto es esencialmente el ejemplo de Ilya pero ligeramente más elaborado): $\sum_{p \leq x} = \int_{3/2}^{x} f(t) \text{d}\pi(t)$ donde $\pi(t)$ es la función de recuento de primos. Utilizando la "integración por partes para integrales de Stieltjes" la integral anterior es igual a $f(x) \pi(x) - \int_{3/2}^{x} \pi(t) \text{d}f(t)$ . Cuando $f$ es una función diferenciable agradable tenemos que $\text{d}f(t) = f'(t) \text{d}t$ . Así, la integral anterior es simplemente igual a $f(x) \pi(x) - \int_{3/2}^{x} \pi(t) f'(t) \text{d}t$ . Ahora sabemos que $\pi(x) \sim \frac{x}{\log(x)}$ así que poniendo esto dentro de la integral y asumiendo que $f$ no es tan malo (es decir, digamos que $f$ disminuyendo y en tamaño sobre $1/x$ pero no tan pequeño como para que nuestra integral sea constante) obtenemos que $$\sum_{p \leq x} f(p) \sim - \int_{3/2}^{x} \frac{t f'(t)}{\log(t)} \text{d}t$$ (el signo menos está ahí porque suponemos que $f$ sea decreciente; en el caso creciente el procedimiento descrito anteriormente no funciona tan bien porque el término $f(x)\pi(x)$ y la integral $\int_{3/2}^{x} \pi(t)f'(t) \text{d}t$ dan una contribución más o menos igual, por lo que cuando aproximamos $\pi(t)$ nos quedamos (normalmente) sólo con el término de error). Si se toma $f(x) = 1/x$ entonces una simple consecuencia del resultado anterior es que $$\sum_{p \leq x} \frac{1}{p} \sim \log\log(x)$$ . Espero que este ejemplo haya valido la pena... (Sé que pediste una visualización pero creo que este es un buen ejemplo de uso real, tal vez sea útil)

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Sahadeo Padhye Puntos 41

Me gustaría sugerir la lectura del artículo

Una interpretación geométrica de la integral de Riemann-Stieltjes Gregory L. Bullock The American Mathematical Monthly Vol. 95, No. 5 (mayo, 1988), pp. 448-455 Publicado por: Mathematical Association of America URL del artículo estable: http://www.jstor.org/stable/2322483

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