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Resolver

He llegado recientemente a través de esta pregunta en Quora, y no sé qué respuesta es la correcta, o por qué mi propia podría estar equivocado.

¿Cuál es el valor de

\begin{align}I=\int_0^2\sqrt{x}\:d\sqrt{x}.\end{align}

Creo que es $=1$ ya que, en primer lugar,

\begin{align}\int_0^2\sqrt{x}\:d\sqrt{x}&\overset{?}{=}\int_0^2 \frac{x^{1/2}x^{-1/2}}{2}\:dx\\&=\frac{1}{2}\int_0^2\:dx\\&=\frac{x}{2}\Bigg|_0^2\\&=1-0=\color{red}{1}.\end{align}

Este es también desde $d\alpha\left(x\right)=\alpha'\left(x\right)\:dx$, y más desde que representar gráficamente el conjunto de $\left\{\left(\sqrt{t},\sqrt{t}\right):t\in\mathbb{R}_0^{+}\right\}$ resultados en una línea muy similar a $y=x$ en el avión, por lo tanto el área de $\left[0,2\right]$ igual a $\frac{\sqrt{2}\sqrt{2}}{2}-\frac{\sqrt{0}\sqrt{0}}{2}=1$.

A donde voy mal? Hay algo que estoy vistas?

5voto

The Artist Puntos 1465

Método 1

$$\int_0^2 \sqrt{x} d\sqrt{x}$$

$$=\int_{\color{brown}{\sqrt{x}=0}}^{\color{brown}{\sqrt{x}=2}} \sqrt{x} d\color{brown}{\sqrt{x}}$$

$$= \left[\frac{(\sqrt{x})^2}{2}\right]_0^2$$

$$=\left[\frac{(2)^2}{2}\right]-\left[\frac{(0)^2}{2}\right]=2$$


Método 2

$$\int_0^2 \sqrt{x} d\sqrt{x}$$

$$\int_{\color{brown}{\sqrt{x}=0}}^{\color{brown}{\sqrt{x}=2}} \sqrt{x} d\color{brown}{\sqrt{x}}$$

$$\sqrt{x}=t \implies \frac{d\sqrt{x}}{dt}=1 \implies d\sqrt{x}=dt$$

$$\bbox[2pt, border: 2pt green solid]{\sqrt{x}=t=2, \sqrt{x}=t=0}$$

$$=\int_{t=0}^{t=2} t dt=\frac{t^2}{2}\Big]_0^2=2$$

4voto

jball Puntos 14152

El uso de un par de las fuentes académicas:

http://www.math.unl.edu/~jorr1/math826/RiemannStieltjes.pdf (teorema de 6.7.8)

http://ocw.nctu.edu.tw/upload/classbfs1209122139184046.pdf (teorema de E6)

Ambas establecen que:

$$\int_a^b f(x) d\alpha(x)=\int_a^b f(x) \alpha'(x) dx$$

ningún cambio de los límites de la integración, de acuerdo con su respuesta de $1$. Usted NO los límites de cambio con un Stieljes integral.

Sin embargo vamos a ir a la definición de la integral de Stieltjes

Permite calcular

$$\begin{align*} \lim\limits_{n\to\infty} \sum\limits_{i=0}^{n-1} \sqrt{\frac{2i}{n}}\left(\sqrt{\frac{2(i+1)}{n}}-\sqrt{\frac{2i}{n}}\right)&=\lim\limits_{n\to\infty} \frac{2}{n}\sum\limits_{i=0}^{n-1} \sqrt{i^2+i}-i \\ \end{align*}$$

Traté de encontrar una forma inteligente de sacar esto (yo no podría), pero escoger un gran número, decir $n=1,000,001$ y el uso de Wolfram Alpha

http://www.wolframalpha.com/input/?i=sum+sqrt%28k%5E2%2Bk%29-k+desde+0+para+1000000

Obtenemos la aproximación

$$\approx\frac{2}{1,000,001}\times 499,999$$

Esto es innecesario decir, muy cerca de la $1$.

Además, otro argumento vistazo a la primera fuente, el teorema de 6.7.6 integración por partes. Este dice que

$$\int_a^b f dg +\int_a^b g df=g(b)f(b)-g(a)f(a)$$

Desde $f=g$, obtenemos que:

$$2\int_0^2 \sqrt{x} d\sqrt{x}=\sqrt{2}\sqrt{2}-\sqrt{0}\sqrt{0}=2$$

Es decir,

$$\int_0^2 \sqrt{x} d\sqrt{x}=1$$

Edit: yo quería agregar porqué existe la confusión acerca de los límites cambiantes. Quiero reiterar. Con un Stieltjes integral:

$$\int_a^b f(x) d\alpha(x)=\int_a^b f(x) \alpha'(x) dx\neq \int_{\alpha^{-1}(a)}^{\alpha^{-1}(b)} f(x) \alpha'(x) dx$$

Y en tanto a la izquierda y términos centrales, que son la integración con los límites de $x$. No $\alpha(x)$, pero en realidad $x$. Esta es la razón por cosas como $\int_{\sqrt{x}=0}^{\sqrt{x}=2}\sqrt{x}d\sqrt{x}$ en la otra respuesta son tonterías.

El problema aquí es que esto se parece a u sustitución, desde el primer cálculo. $u$ de sustitución tiene la siguiente forma:

$$\int_{a}^{b} f(\alpha(x))\alpha'(x)dx=\int_{\alpha(a)}^{\alpha(b)}f(u) du$$

Sin embargo, con Stieltjes de la integración no es un análogo de la fórmula (comprobar el teorema de E9 en la segunda referencia).

$$\int_a^b f(g(x))d\alpha(g(x))=\int_{g(a)}^{g(b)} f(u) d\alpha(u)$$

Así que, en este caso, vamos a $f(x)=id(x)=\alpha(x)$, $g(x)=\sqrt{x}$. Entonces:

$$\int_0^2 id(\sqrt{x})d(id(\sqrt{x}))=\int_0^{\sqrt{2}}id(u)d(id(u))=\int_0^{\sqrt{2}}u du=1$$

2voto

Ashley Steel Puntos 405

Necesita cambiar los límites de integración - si $\sqrt x$ va de 0 a 2 y $x$ va de 0 a 4.

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