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Grado en Matemáticas

Intercambio de límites, derivadas e integrales

Dos caminos pueden parecer iguales: primero integrar cada curva y luego tomar el límite, o primero encontrar la curva límite y después integrarla. A veces coinciden y a veces se pierde área por el camino. Dibujaremos ambas situaciones y aprenderemos qué condición permite cambiar el orden con una prueba.

1. Dos órdenes de operaciones: escribimos ambos resultados antes de igualarlos

En limₙ∫fₙ, cada integral produce un número y después estudiamos su límite. En ∫limₙfₙ, primero buscamos una función límite en el dominio y luego la integramos. Que existan todas las integrales individuales no garantiza que los dos caminos coincidan.

También ∂/∂x y limₙ son operaciones diferentes. Anotamos dominio, variable que cambia y tipo de integral. En los primeros ejemplos usamos Riemann en un intervalo cerrado finito; más adelante indicamos explícitamente cuándo entran funciones medibles e integral de Lebesgue.

Una primera coincidencia que podemos comprobar directamente

fₙ(x)=2x+1/n en [0,1].

  1. Integrar primero

    ∫₀¹fₙ=1+1/n, cuyo límite es uno.
  2. Límite primero

    Para cada x, fₙ(x)→2x.
  3. Integrar el límite

    ∫₀¹2x=1.
Resultado

Ambos caminos dan 1.

Lo comprobamos

Este cálculo verifica el ejemplo concreto; necesitamos un teorema para justificar otros sin una primitiva explícita.

Una coincidencia no convierte cualquier intercambio en regla

fₙ(x)=sin(nx)/n en ℝ; compara derivadas en cero.

  1. Límite de valores

    fₙ→0 uniformemente porque |fₙ|≤1/n.
  2. Derivar el límite

    La derivada de cero es cero.

  3. Derivar primero

    fₙ′(0)=cos0=1 para todo n.
Resultado

En cero, los órdenes límite y derivación dan 0 y 1.

Lo comprobamos

Las condiciones suficientes para integrar y para derivar no son las mismas.

2. Intervalo finito más error uniforme: longitud por altura controla el área

Si fₙ son integrables de Riemann en [a,b] y convergen uniformemente a f, entonces f es integrable y ∫fₙ→∫f.

Con Eₙ=sup|fₙ−f| tenemos |∫ₐᵇfₙ−∫ₐᵇf|≤(b−a)Eₙ→0.

La integrabilidad del límite también se prueba: escogemos una fₙ uniformemente cercana a f y una partición con diferencia de sumas superior e inferior pequeña para fₙ. Para f esa diferencia aumenta a lo sumo 2(b−a)Eₙ. Haciendo pequeños ambos términos, el criterio de Darboux da integrabilidad.

El caso a=b es inmediato.

Una cota aun sin integrar la oscilación

fₙ(x)=x²+sin(n²x)/n en [−1,2].

  1. Regularidad

    Cada función es continua, luego integrable.

  2. Altura de error

    |fₙ−x²|≤1/n en todo el intervalo.
  3. Longitud y límite

    La longitud es tres; el error integral es ≤3/n→0 y ∫₋₁²x²=3.
Resultado

Las integrales convergen a 3.

Lo comprobamos

La frecuencia n² no estropea esta estimación de áreas: su amplitud sí está controlada.

Estimar cuántas curvas necesitamos

En [0,4], |fₙ−f|≤2/n y todas son integrables.

  1. Error integral

    Como la longitud es cuatro, la diferencia de integrales es ≤8/n.
  2. Objetivo

    Queremos garantizar error menor que 0,01.

  3. Umbral

    Cualquier n≥801 sirve: 8/801<0,01.
Resultado

Un único cálculo controla la integral completa.

Lo comprobamos

Es una garantía suficiente; la cancelación entre errores positivos y negativos podría dar una diferencia menor.

3. Picos más altos y estrechos: cada punto deja de verlos, pero el área permanece

Para n≥2 dibujamos un triángulo sobre [0,2/n], con vértice (1/n,n) y altura cero en ambos extremos.

Definimos fₙ=n²x en [0,1/n], fₙ=2n−n²x en [1/n,2/n] y cero fuera, dentro de [0,1].

Cada fₙ es continua.

Una masa concentrada puede desaparecer del límite puntual
Altura n ; base 2/n ; área 1n=2n=4n=801Cada punto fijo acaba fuera del pico.
Tres picos triangulares continuos sobre cero uno, con n dos, cuatro y ocho. Empiezan en cero, alcanzan altura n en uno partido por n y vuelven a cero en dos partido por n. El área de cada uno es uno. Cada x positivo fijo termina fuera del soporte y en cero las funciones valen cero.
En x=0 siempre vale cero.

Si x>0 está fijo, al elegir n>2/x el soporte queda a su izquierda y fₙ(x)=0. Por tanto el límite puntual es cero en todos los puntos, pero el área de cada triángulo es (2/n)·n/2=1.

Recorrer los dos caminos con el dibujo

Usa los picos triangulares anteriores.

  1. Límite primero

    El límite puntual es cero, cuya integral vale cero.

  2. Integral primero

    El área positiva de cada triángulo es uno.

  3. Comparar

    El límite de las integrales es uno, distinto de cero.

Resultado

La convergencia puntual de funciones continuas no basta para intercambiar.

Lo comprobamos

La continuidad individual y la existencia de todas las integrales ya estaban presentes en el contraejemplo.

Localizar el fallo de uniformidad

Mira el punto xₙ=1/n de cada pico.

  1. Altura

    fₙ(xₙ)=n; la función límite vale cero.
  2. Peor error

    Eₙ=n, alcanzado en el vértice.
  3. Comparar con el teorema

    Eₙ no tiende a cero; la cota de longitud por altura no se hace pequeña.

Resultado

La zona de gran error se estrecha, pero su altura crece.

Lo comprobamos

No describimos xₙ como un punto fijo: el movimiento permite que cada curva esconda su mayor error en otro lugar.

4. En un intervalo infinito no tenemos una longitud finita que multiplicar

Sobre [0,∞), toma fₙ=1/(2n) entre cero y 2n y cero después. Su altura máxima tiende a cero: hay convergencia uniforme a cero. Sin embargo cada rectángulo tiene área 2n·1/(2n)=1.

Una altura uniformemente pequeña puede ocupar una región cada vez mayor
Altura 1/(2n) ; anchura 2nn=1n=2n=408Supremo →0 ; integral siempre 1
En cero infinito, f de n vale uno partido por dos n entre cero y dos n y cero fuera. Se muestran n uno, dos y cuatro. El supremo tiende a cero, pero el área de cada rectángulo es uno. La uniformidad sobre un dominio infinito no controla por sí sola el error de integración.

La estimación por longitud no proporciona aquí una cantidad finita. La uniformidad sigue controlando las alturas, pero falta controlar cuánto dominio ocupan. Para intercambiar en un dominio infinito necesitaremos otra condición, como un dominador integrable común.

Uniformidad sin convergencia de las integrales al área límite

Usa los rectángulos de anchura 2n.

  1. Supremo

    sup sobre [0,∞) de |fₙ|=1/(2n)→0.
  2. Integrales impropias

    Cada fₙ tiene soporte acotado y área uno.

  3. Límite

    La función límite cero tiene integral cero.

Resultado

Incluso convergencia uniforme puede resultar insuficiente en un dominio de medida infinita.

Lo comprobamos

El ejemplo no contradice el teorema sobre un intervalo fijo de longitud finita.

Ver qué ocurre en cualquier ventana finita

Restringe esas funciones a [0,A], A>0 fijo.

  1. Estimación

    La integral de fₙ en esa ventana es ≤A/(2n).
  2. Índices grandes

    Cuando 2n≥A, vale exactamente A/(2n).
  3. Límite

    La integral en la ventana sí tiende a cero.

Resultado

El área uno se reparte cada vez más lejos del origen.

Lo comprobamos

Primero fijar A y luego crecer n no equivale a hacer crecer ambos a la vez.

5. Convergencia dominada: un mismo techo integrable controla todas las curvas

Ahora trabajamos con funciones medibles e integral de Lebesgue. El teorema de convergencia dominada pide fₙ→f casi en todas partes y una función g integrable, independiente de n, tal que |fₙ|≤g casi en todas partes para todo n.

Concluye que f es integrable y ∫|fₙ−f|→0; por tanto ∫fₙ→∫f.

Casi en todas partes permite excepciones en un conjunto de medida cero. El dominador puede depender del punto x, pero debe ser el mismo para todos los índices y tener integral finita en el dominio completo. Una cota constante sobre [0,∞) suele tener integral infinita y no sirve.

Una sucesión no uniforme que sí deja pasar la integral

fₙ(x)=xⁿ en [0,1].

  1. Límite

    Es cero en [0,1) y uno en x=1; el extremo aislado tiene medida cero.

  2. Dominador

    0≤xⁿ≤1, y ∫₀¹1=1.
  3. Resultado

    Dominada permite pasar al límite.

    El cálculo ∫₀¹xⁿ=1/(n+1) confirma el límite cero.
Resultado

Las integrales convergen aunque falle uniformidad.

Lo comprobamos

El límite tiene valor uno en el extremo, pero eso no altera su integral de Lebesgue ni la de Riemann en este caso.

Un techo que sí es integrable en toda la semirrecta

fₙ(x)=e⁻ˣ sin(nx)/n en [0,∞).

  1. Límite puntual

    El módulo es ≤e⁻ˣ/n→0 en cada x.
  2. Un techo común

    |fₙ(x)|≤e⁻ˣ y ∫₀∞e⁻ˣ=1.
  3. Aplicar

    Las funciones son continuas y medibles; dominada da ∫fₙ→0.

Resultado

La cola infinita queda controlada por e⁻ˣ.

Lo comprobamos

Usar solo |fₙ|≤1 daría un techo con integral infinita y no justificaría este teorema.

6. Convergencia monótona y Fatou: otras formas de controlar el límite

Convergencia monótona: si fₙ son medibles, no negativas y fₙ≤fₙ₊₁, entonces ∫lim fₙ=lim∫fₙ, permitiendo el valor +∞. No exige un dominador integrable. La no negatividad y la monotonía de las funciones, punto a punto, son hipótesis del teorema.

Fatou: para funciones medibles no negativas, ∫liminf fₙ≤liminf∫fₙ. Aquí aparece una desigualdad, que puede ser estricta. No reemplazamos liminf por límite si no hemos probado que ese límite existe.

Una conclusión infinita también es una conclusión válida

En [0,∞), fₙ es el indicador de [0,n].

  1. Orden

    Para cada x, los indicadores solo pueden pasar de cero a uno.

  2. Límite

    Cada punto acaba dentro de [0,n], así que fₙ→1.

  3. Integrales

    ∫fₙ=n→+∞ y ∫₀∞1=+∞.
Resultado

Convergencia monótona da la igualdad con valor +∞.

Lo comprobamos

No se está afirmando integrabilidad finita de la función límite.

Fatou no promete igualdad

Vuelve a los triángulos positivos de área uno.

  1. No negatividad

    Todos los valores son ≥0.
  2. Lado izquierdo

    liminf fₙ=0 en cada punto, con integral cero.

  3. Lado derecho

    Las integrales son uno, por tanto su liminf es uno.

Resultado

Fatou da 0≤1, una desigualdad estricta.

Lo comprobamos

El área que desaparece del límite puntual explica exactamente la falta de igualdad.

7. Para derivar el límite controlamos pendientes y fijamos un valor de referencia

Una versión suficiente: fₙ∈C¹([a,b]), las derivadas fₙ′ convergen uniformemente a g y fₙ(x₀) converge a c en algún punto del intervalo. Entonces fₙ converge uniformemente a f(x)=c+∫ desde x₀ hasta x de g(t)dt, con f′=g en el interior y las derivadas laterales correspondientes en los extremos.

La prueba conecta con el caso integral ya resuelto: fₙ(x)=fₙ(x₀)+∫ desde x₀ hasta x de fₙ′.

El error de valores es ≤|fₙ(x₀)−c|+(b−a)sup|fₙ′−g|.

El límite g es continuo porque las derivadas son continuas y convergen uniformemente.

Reconstruir el límite con datos de pendientes

fₙ(x)=x²+sin x/n en [0,1].

  1. Referencia

    fₙ(0)=0.
  2. Pendientes

    fₙ′=2x+cos x/n y sup|fₙ′−2x|≤1/n.
  3. Reconstrucción

    f(x)=0+∫₀ˣ2t dt=x², luego f′=2x.
Resultado

El intercambio está justificado por control uniforme de las derivadas.

Lo comprobamos

También podría comprobarse directamente; el teorema explica qué dato hace funcionar el razonamiento.

Por qué hace falta anclar la altura

fₙ(x)=x+n en [0,1].

  1. Pendientes

    fₙ′=1 exactamente: convergen uniformemente a uno.
  2. Altura

    fₙ(0)=n no tiene límite real finito.
  3. Valores

    Para cualquier x fijo, fₙ(x)→+∞, sin función límite real.

Resultado

Las pendientes no fijan las constantes de integración.

Lo comprobamos

Un punto de referencia convergente excluye este desplazamiento vertical sin límite.

8. Las series son límites de sumas parciales: aplicamos el teorema a esas funciones

Para integrar una serie en un intervalo finito, una condición suficiente es convergencia uniforme de la serie de funciones integrables.

El criterio de Weierstrass la garantiza si |uₖ|≤Mₖ y ΣMₖ converge.

Entonces la integral de la suma es la suma de las integrales.

Para derivar, en cambio, comprobamos uniformidad de la serie de derivadas y convergencia de la serie original en un punto, con términos C¹. Las series de potencias permiten ambos procesos en compactos estrictamente interiores a su radio; cada extremo requiere un estudio nuevo.

Integrar una serie geométrica de funciones

Σ desde k=0 hasta ∞ de (x/2)ᵏ en [0,1].

  1. Uniformidad

    |(x/2)ᵏ|≤2⁻ᵏ; la serie numérica dominante converge.
  2. Integrar términos

    ∫₀¹(x/2)ᵏ dx=1/[2ᵏ(k+1)].
  3. Comprobar suma

    La función suma es 1/(1−x/2), cuya integral es 2ln2.

Resultado

Σ desde k=0 hasta ∞ de 1/[2ᵏ(k+1)]=2ln2.

Lo comprobamos

El término k=0 aporta uno; escribir la suma desde k=1 cambiaría el resultado.

Derivar una serie con control propio

Σ desde k=1 hasta ∞ de sin(kx)/k³ en [0,2π].

  1. Punto base

    Todos los términos valen cero en x=0, así que la serie allí converge.

  2. Derivadas

    uₖ′=cos(kx)/k²; |uₖ′|≤1/k² y Σ1/k² converge.
  3. Teorema

    La suma es C¹ y su derivada es Σcos(kx)/k².

Resultado

La serie de derivadas tiene la uniformidad que necesitábamos.

Lo comprobamos

Una segunda derivada exige revisar otra vez las condiciones; no se obtiene automáticamente de la primera.

9. Que falle un criterio suficiente no decide por sí solo el intercambio

Una comprobación ordenada tiene cuatro pasos: encontrar el límite correcto; nombrar dominio y operación; elegir un teorema y verificar cada hipótesis; comparar, cuando sea posible, con un cálculo independiente. Si falla una hipótesis, buscamos otro criterio o calculamos ambos caminos.

No uniforme no significa integrales diferentes: xⁿ en [0,1] es el contraejemplo a esa falsa deducción. Tampoco uniforme significa todo permitido: los rectángulos en la semirrecta y las pendientes oscilantes ya mostraron los límites de esa afirmación.

Falla el criterio uniforme, pero el resultado sí coincide

Calcula para xⁿ en [0,1] por ambos órdenes.

  1. Sin uniformidad

    El supremo del error respecto del límite correcto es uno.

  2. Cálculo directo

    ∫₀¹xⁿ=1/(n+1)→0.
  3. Integral del límite

    El límite es cero salvo en uno, así que su integral también es cero.

Resultado

El intercambio es correcto, y convergencia dominada ofrece además una justificación general.

Lo comprobamos

No se usó el teorema uniforme cuando su hipótesis era falsa.

Un techo que depende del índice no resuelve la dominación

Para los picos, alguien propone gₙ(x)=n.

  1. Comparación

    Es verdad que |fₙ|≤n en [0,1].
  2. Fallo

    Cada índice usa un techo distinto; dominada exige una única función g.

  3. Imposibilidad de un techo integrable común

    Si existiera, dominada forzaría integrales tendiendo a cero, contradiciendo el área uno ya calculada.

Resultado

Las cotas individuales no sustituyen un dominador integrable común.

Lo comprobamos

La contradicción usa el propio teorema con todas sus otras hipótesis verificadas; no supone que la mera falta de uniformidad prohíba dominar.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un intercambio válido

Calcula limₙ∫₀¹(x+x/n)dx.

  1. Candidato

    En [0,1], fₙ(x)=x+x/n converge puntualmente a f(x)=x.
  2. Error uniforme

    |fₙ−f|=x/n≤1/n.
  3. Hipótesis

    Todas son continuas e integrables sobre el mismo intervalo de longitud uno.

  4. Intercambiar

    El teorema de convergencia uniforme permite lim∫fₙ=∫lim fₙ.

  5. Integrar

    ∫₀¹x dx=1/2.
  6. Verificación directa

    ∫₀¹(x+x/n)dx=1/2+1/(2n), cuyo límite es 1/2 y cuyo error exacto es 1/(2n).
Resultado

El límite es 1/2.

Lo comprobamos

La cota general da error integral como máximo 1/n; el cálculo exacto da 1/(2n), una cantidad menor que esa cota.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un pico que concentra masa

fₙ=n en (0,1/n) y cero en el resto de [0,1].

  1. Definición completa

    fₙ(x)=n si 0<x<1/n y cero en el resto de [0,1], incluidos cero y el borde 1/n.
  2. Límite puntual

    En cero vale siempre cero. Con x>0 fijo, cuando n>1/x queda fuera del intervalo de altura n; por tanto fₙ(x)→0.

  3. Integrar primero

    Cada rectángulo tiene área n·(1/n)=1; los valores en los bordes no alteran la integral.

  4. Límite primero

    La función límite es cero y su integral vale cero.

  5. Comparar

    limₙ∫fₙ=1, mientras ∫limₙfₙ=0.

    No se pueden intercambiar en este caso.

  6. Diagnóstico

    El supremo de fₙ es n, así que no hay convergencia uniforme. Tampoco existe un dominador integrable común: convergencia dominada contradiría las áreas ya calculadas.

Resultado

No puede intercambiarse el límite con la integral.

Lo comprobamos

La concentración conserva el área aunque cada punto fijo deje de verla. No se trata de que las integrales individuales no existan.

Los símbolos que hemos usado

fₙ, f
Funciones de la sucesión y su límite sobre un dominio común.
‖fₙ−f‖∞
Supremo del error de valores sobre ese dominio.
[a,b]
Intervalo real cerrado de longitud finita b−a.
g
Función dominadora integrable o límite de derivadas, según se declare en cada teorema.
μ
Medida utilizada al hablar de integración de Lebesgue.
Casi en todas partes
Fuera de un conjunto de medida cero.
S_N
Suma parcial de una serie de funciones, a la que se aplican teoremas de sucesiones.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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