Para sumar lo que aporta una función necesitamos dos datos: qué altura toma y cuánto mide el conjunto donde toma esa altura. Empezaremos con escalones que podemos sumar exactamente. Después aproximaremos funciones desde abajo, separaremos los signos y veremos por qué infinitos puntos pueden aportar integral cero.
Si necesitas repasar:
1. Medible: convertir una pregunta sobre valores en un conjunto permitido
Fijamos (X,Σ,μ). Una función real f es medible si {x∈X:f(x)>a} pertenece a Σ para cada real a. Preguntamos en qué parte del dominio la función supera una altura. Equivale a pedir preimágenes medibles de todos los borelianos de ℝ.
Continuidad implica medibilidad cuando usamos los borelianos del dominio o una sigma-álgebra que los contiene. La recíproca no es cierta. Sumas, productos y límites puntuales de funciones medibles siguen siendo medibles cuando las operaciones están definidas; con valores infinitos evitamos indeterminaciones.
Leer los niveles de una parábola
f(x)=x² sobre ℝ con conjuntos borelianos.
Altura negativa
Si a<0, x²>a en todo ℝ.Altura cero
Si a=0, el conjunto es ℝ∖{0}.Altura positiva
Si a>0, obtenemos (−∞,−√a)∪(√a,∞), un boreliano.
Todos los superniveles son medibles, así que x² es medible.
Se toma una preimagen; el conjunto de entradas no es el intervalo de alturas (a,∞).
Medible aunque no sea continua
f=1 de los racionales en [0,1].
Alturas
Si a<0 el supernivel es todo el intervalo; si 0≤a<1 es ℚ∩[0,1]; si a≥1 es vacío.Medibilidad
Los racionales son unión numerable de singletons, por tanto borelianos.
Continuidad
En cualquier vecindad hay valores cero y uno; la función no es continua en ningún punto del intervalo.
La medibilidad permite más funciones que la continuidad.
Todavía no hemos calculado su integral; primero verificamos que los niveles están permitidos.
2. Una indicatriz convierte un conjunto en una altura cero o uno
La indicatriz 1_A vale uno en A y cero fuera. Es medible exactamente cuando A es medible.
Con longitud, la contribución se parece a un área: altura por anchura. Con conteo, sumamos un valor por cada punto. Con Dirac, solo observamos la altura en el punto donde está la masa. La medida elegida forma parte del cálculo.
Altura por longitud
f=4·1 de (1,3) en ℝ, con Lebesgue.
Soporte
La función vale cuatro durante longitud dos y cero fuera.
Indicatriz
∫1_(1,3)=2.Multiplicar
∫f=4·2=8.
La integral vale 8.
La función no es constante cuatro en toda ℝ; fuera del intervalo su contribución es cero.
Cambiar la medida cambia la suma
f=4·1_{a,b} en X={a,b,c}.
Conteo
μ({a,b})=2: integral ocho.Pesos
Con pesos 1,3,2, el conjunto pesa cuatro: integral dieciséis.
Dirac en c
El conjunto no contiene c: integral cero.
La fórmula es la misma, pero μ(A) cambia.
No interpretamos todas estas integrales como longitudes geométricas.
3. Una función simple suma finitos niveles medibles
Simple significa que la función solo toma finitos valores, aunque el dominio tenga infinitos puntos.
Elegir los conjuntos donde toma cada valor evita solapamientos.
La representación no altera el resultado: si partimos un nivel en piezas disjuntas, la aditividad de μ conserva la contribución. Si usamos una suma de indicatrices solapadas, primero calculamos qué altura total recibe cada punto o justificamos la linealidad no negativa.
Los dos niveles del dibujo
s=3 en [0,2) y s=1 en [2,5], con longitud.
Primer nivel
Longitud dos, altura tres: aporta seis.
Segundo nivel
Longitud tres, altura uno: aporta tres.
Sumar
Los tramos son disjuntos y las contribuciones suman nueve.
∫s=9.
Mover el valor del punto dos entre las dos definiciones no cambia la integral de longitud.
Dos indicatrices que se solapan
s=2·1_[0,2]+3·1_[1,3], con Lebesgue.
Antes del cruce
En [0,1), la altura es dos.
En el cruce
En [1,2], la altura es cinco, porque se suman ambas contribuciones.
Después
En (2,3], la altura es tres; integral 2·1+5·1+3·1=10.
La función simple tiene tres niveles no nulos y su integral es 10.
También 2·2+3·2=10, pero no confundimos la suma de funciones con la indicatriz de su unión.
4. Una función no negativa se construye con escalones por debajo
Para f medible y f≥0, ∫f es el supremo de ∫s entre todas las simples con 0≤s≤f. Puede ser un número finito o +∞. Es una definición mediante aproximaciones inferiores, no mediante cancelación.
Podemos elegir sₘ redondeando f hacia abajo en múltiplos de 2⁻ᵐ y truncando en altura m: sₘ=min(m,2⁻ᵐ⌊2ᵐf⌋), interpretando sₘ=m donde f=∞. Toma finitos valores, es medible, crece con m y tiende a f. La integral de f se recupera con estas aproximaciones; la convergencia monótona formalizará el paso de sus integrales al límite.
Contar el área de los escalones para f(x)=x
Trabaja en [0,1] con longitud; hay 2ᵐ tramos.
Alturas
En el tramo de k/2ᵐ a (k+1)/2ᵐ la altura inferior es k/2ᵐ, para k=0,…,2ᵐ−1.Sumar
La integral es 2⁻²ᵐΣk=(1−2⁻ᵐ)/2; el valor de x=1 no altera esa suma.Límite
Las áreas aumentan hacia 1/2, mientras el error de altura es menor que 2⁻ᵐ.
La construcción recupera ∫₀¹x=1/2.
En el dibujo m=2 hay cuatro escalones y área 3/8.
Truncar una función no acotada
f(x)=1/x en (0,1).
Cortar alturas
f∧m=min(f,m) evita valores mayores que m.Refinar niveles
El redondeo inferior dyádico transforma la truncación en una simple.
Punto fijo
Para x>0 fijo, al superar m la altura 1/x y refinar la rejilla, sₘ(x)→1/x.
Se puede aproximar una función no acotada con simples finitas.
Que cada aproximación tenga integral finita no garantiza que el supremo final sea finito.
5. Con signos: separar la masa positiva de la negativa
Ambas partes son no negativas y tienen integrales extendidas bien definidas. Llamamos integrable a f cuando ∫|f|<∞, lo que hace finitas ambas partes.
Si solo una parte tiene integral infinita, la integral extendida tiene el signo correspondiente, pero no hay integrabilidad finita. Si ambas son infinitas, ∞−∞ no define una integral de Lebesgue. Una simetría o un límite de cancelación elegido aparte no resuelve esa indeterminación.
Integral y tamaño absoluto son cantidades distintas
f=3 en [0,1] y f=−2 en (1,3].
Parte positiva
Su integral es 3·1=3.Parte negativa
f⁻ vale dos en longitud dos, con integral cuatro.
Combinar
∫f=3−4=−1, mientras ∫|f|=3+4=7.
f es integrable y |∫f|=1≤7=∫|f|.
La parte negativa f⁻ tiene valores no negativos; el signo se coloca al restarla.
Una cancelación simétrica no crea integral de Lebesgue
f(x)=1/x en (−1,1)∖{0}.
Positiva
En (0,1), ∫f⁺=∞.Negativa
En (−1,0), ∫f⁻=∞.Indeterminación
La integral de Lebesgue no está definida como número extendido.
No es correcto asignarle cero como integral de Lebesgue.
El valor principal simétrico es otra noción y puede dar cero; no cambia las dos masas infinitas de esta definición.
6. Las propiedades ayudan a comprobar un resultado antes de darlo por bueno
Las hipótesis evitan distribuir expresiones que contienen una resta de infinitos.
Para verlo, Aₖ={f>1/k} tiene medida cero, pues ∫f≥μ(Aₖ)/k. La unión numerable de los Aₖ es {f>0} y sigue siendo nula. No concluimos necesariamente que f valga cero en cada punto.
Una comprobación de escala
En un conjunto E de medida cinco, 2≤f≤4 casi en todas partes.
Comparar
2·1_E≤f·1_E≤4·1_E fuera de una excepción nula.Integrar
Las cotas son 2·5 y 4·5.
Resultado
10≤∫_E f≤20.
Una integral de 30 sería incompatible con esos datos.
Se usa que E tiene medida finita y f está acotada casi en todas partes allí.
Integral cero sin función idénticamente cero
f=7 en {1/2} y cero en el resto de [0,1], con Lebesgue.
No negatividad
Todos sus valores son ≥0.Integral
7·μ({1/2})=7·0=0.Interpretación
Es cero fuera de un singleton nulo, aunque f(1/2)=7.
El teorema concluye cero casi en todas partes.
La palabra casi no puede eliminarse cuando la medida ignora conjuntos nulos.
7. Cambiar valores nulos depende de la medida y de la medibilidad
Dos funciones medibles que coinciden fuera de un conjunto nulo tienen las mismas integrales cuando están definidas. En un espacio completo, modificar una función arbitrariamente sobre un conjunto nulo preserva medibilidad. Sin completitud debemos comprobar que la modificación sigue siendo medible.
Un singleton es nulo para longitud, pero tiene medida uno para conteo y para Dirac en ese punto. Casi en todas partes siempre se refiere a una medida concreta; no significa pocos puntos en un sentido informal.
Una excepción enorme sigue aportando cero si es nula
En [0,1], f(x)=x salvo f(1/3)=10⁶, con Lebesgue.
Comparar
La diferencia respecto de x solo ocurre en {1/3}.
Medibilidad
La modificación en un singleton boreliano mantiene medibilidad.
Integral
Coincide con ∫₀¹x=1/2.
El pico aislado no cambia la integral de longitud.
Un pico en un intervalo de anchura positiva sería otra situación: su contribución podría ser importante.
La misma excepción sí importa para una masa puntual
Usa la función anterior y la medida δ de Dirac en 1/3.
Masa
Todo el peso está en el punto modificado.
Evaluar
∫f dδ=f(1/3)=10⁶.Comparar
La función x tendría integral 1/3 con esa medida.
La modificación no es nula respecto de Dirac.
No se reutiliza una conclusión de Lebesgue al cambiar la medida del problema.
8. Lebesgue conserva las cuentas de Riemann cuando ambas teorías aplican
Toda función acotada integrable de Riemann en [a,b] es integrable de Lebesgue y ambas integrales coinciden. Podemos seguir usando primitivas con sus hipótesis habituales. La nueva construcción amplía el conjunto de funciones que se pueden integrar.
Para 1 de ℚ en [0,1], todo subintervalo de longitud positiva contiene racionales e irracionales. Las sumas inferiores de Riemann son cero y las superiores uno; no hay integral de Riemann. Lebesgue mide el conjunto donde vale uno: es numerable y nulo.
Una función con una integral conocida
f(x)=x² en [0,2].
Riemann
Es continua en un intervalo compacto, luego integrable.
Cuenta
[x³/3] de cero a dos da 8/3.
Lebesgue
El teorema de coincidencia da el mismo valor.
Ambas integrales valen 8/3.
No debemos rehacer cada integral elemental con escalones si ya existe un teorema aplicable.
Ser denso no equivale a tener longitud positiva
f=1 de ℚ en [0,1].
Medir el nivel
ℚ∩[0,1] es numerable y tiene longitud cero.
Lebesgue
La integral de la indicatriz es cero.
Riemann
En cada subintervalo el máximo es uno y el mínimo cero; las sumas nunca se aproximan.
Existe la integral de Lebesgue y no existe la de Riemann.
Un conjunto puede ser denso y nulo: hay racionales cerca de cualquier punto, pero no suman longitud.
9. Un dominio corto no impide que una singularidad produzca integral infinita
Para una función no negativa, la integral extendida siempre está definida, pero puede ser infinita. Cerca de un punto problemático estudiamos la masa acumulada con cortes. La longitud finita del dominio no sustituye el control de la altura.
En (0,1), la regla general para x⁻ᵅ es integral finita cuando α<1, con valor 1/(1−α), y divergencia cuando α≥1. Se obtiene integrando desde ε hasta uno y haciendo ε↓0.
Una altura no acotada con masa finita
f(x)=1/√x en (0,1).
Corte
∫ desde ε hasta uno de x⁻¹ᐟ² dx=2−2√ε.Límite
Al bajar ε a cero, el resultado aumenta hacia dos.
Interpretar
f es medible, positiva e integrable aunque no esté acotada.
La integral vale 2.
Integrable no significa acotada; importa cómo crece y cuánto dominio ocupa.
Una singularidad que sí acumula masa infinita
f(x)=1/x en (0,1).
Corte
∫ desde ε hasta uno de 1/x dx=−ln ε.Límite
−ln ε→∞.Conclusión
La integral no negativa vale +∞ y f no es integrable en sentido finito.
La integral extendida existe y es infinita.
No se trata de una cancelación indefinida: aquí solo hay masa positiva.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Integral simple
En [0,3], f=2 en [0,1] y f=5 en (1,3]. Integra respecto a longitud.
Medida
Usamos longitud de Lebesgue en [0,3].
Simple
f=2·1_[0,1]+5·1_(1,3], con conjuntos disjuntos.Longitudes
El primer tramo mide uno y el segundo dos.
Primera contribución
2·1=2.Segunda y total
5·2=10; la integral es 2+10=12.Extremo
Cambiar el valor en uno no alteraría la integral porque su singleton tiene longitud cero.
2·1+5·2=12.
La función queda entre dos y cinco sobre longitud tres; su integral doce está entre seis y quince, coherente con monotonía.
EJEMPLO RESUELTO 2
Una función casi nula
Integra 1_Q en [0,1] con Lebesgue.
Conjunto
En [0,1], 1_ℚ es la indicatriz de A=ℚ∩[0,1].Medibilidad
A es una unión numerable de singletons borelianos.
Cada punto
Cada singleton tiene longitud cero.
Unión
La subaditividad numerable da μ(A)=0.Indicatriz
∫1_A dμ=μ(A)=0.Interpretación
Ser infinito y denso no implica longitud positiva; la función coincide casi en todas partes con cero.
La integral es 0.
1_Q coincide casi en todas partes con la función cero en [0,1], por lo que ambas tienen la misma integral de Lebesgue.
Los símbolos que hemos usado
- (X,Σ,μ)
- Universo, sigma-álgebra y medida elegidos.
- 1_A
- Indicatriz de A: uno en A y cero fuera.
- Función simple
- Función medible con un número finito de valores.
- f⁺, f⁻
- Partes positiva max(f,0) y negativa max(−f,0).
- Casi en todas partes
- Fuera de un conjunto de medida cero.
- ∫f dμ
- Integral de f respecto de μ; su valor y existencia dependen de esa medida.
- log x
- Logaritmo natural ln x, salvo que se declare otra base.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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