HISTORIA DE LA MATEMÁTICA EN EL PERÚ ANÁLISIS DE OBRAS MÉTODO DE INTEGRACIÓN DE FEDERICO VILLARREAL Autor: Moisés Samuel Toledo Julián (el numeros@hotmail.com) Resumen Federico Villarreal al presentar su tesis de Bachiller[2] ante la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Lima–Perú), realizó una observación notable sobre el método de integración por partes. Dada la importancia del tema, este será tratado en tres secciones, cada uno de los cuales indicará una subparte de la misma, los puntos a tratar serán: 1. Sobre expresiones susceptibles de generalización. 2. Método de traspasos. 3. Aplicación del método de traspasos. Es claro que no describiremos la teoría de integración (en el sentido de riemann), el presente desarrollo asumirá que el lector posee por lo menos nociones sobre el proceso de integración. 2 1. Sobre expresiones susceptibles de generalización s bien conocido que las operaciones aritméticas de composición (+, ×, ()n ) y descompo√ sición (−, ÷, n ) cuando son tomadas en forma sucesiva no siempre es posible invertir el orden en la que se operan. Por ejemplo: a la cantidad a agregarle b y quitarle c es lo mismo que quitarle primero c y agregarle después b, es decir (a + b) − c = (a − c) + b. Pero si a la cantidad a se agrega b y se multiplica por c no es lo mismo que multiplicar a por c y agregar b, es decir: (a + b)c 6= ac + b sino que debe añadirse bc para obtener el mismo resultado. Podemos resumir lo mencionado líneas arriba mediante el siguiente principio[2]: E “Cuando hay dos operaciones sucesivas de composición o descomposición, ambas del mismo orden, se puede invertir su cálculo; pero si son de distinto orden no se puede cambiar su enunciado sino con cierta condición; más si una o ambas operaciones son imposibles no es permitida su permutación” — Federico Villarreal El anterior principio sirve para mostrar que existen diferentes proposiciones suceptibles de una expresión general. Es así que el Dr. Villarreal plantea el caso de integración por partes como uno suceptible de generalización. 1.1. Recordando el método de integración por partes Pasamos ahora a recordar (brevemente) en que se basa el método de integración por partes: 1ro por la regla de la derivada de un producto tenemos (f (x) · g(x))0 = f 0 (x) · g(x) + f (x) · g 0 (x) 2do integrando a ambos lados de la igualdad Z Z Z 0 0 ⇒ (f (x) · g(x)) ∂x = f · g(x)∂x + f (x) · g 0 (x)∂x 3ro usando el hecho que la derivada e integral son operadores inversos y despejando adecuadamente Z Z 0 ⇒ f (x) · g (x)∂x = f (x) · g(x) − f 0 (x) · g(x)∂x R A partir de los calculos anteriores y del hecho que una integral y = f (x)∂x sienpre es R posible escribirla como y = A · dB tenemos que esta ultima puede ser expresada como la combinación de dos términos con signos alternados. Esto da pie a considerar la integración por partes como suceptible de generalización y a corroborar lo dicho en 1 puesto que R y = f (x)∂x escrita en términos de A, B tomará una forma mas simple o complicada segun sean A y B escogidos en forma adecuada. Recordemos tambien que el método de integración por partes puede subdividirse en dos casos: • Descomponiendo la función en sumandos: este método es aplicable a funciones racionales, que descompuestos en sus fracciones parciales se pueden integrar algebraicamente o por logaritmos o por arco tangentes. 3 • Descomponiendo la función en factores: aplicable a los demás casos. Al segundo método se le ha dado (impropiamente) el nombre de integración por partes, pues aunque los factores pueden considerarse como partes de ese producto, tambien lo son los sumandos como parte del total. Por tanto a los dos juntos deberían llamarseles integración por partes, a la primera integración por sumandos y a la segunda integración por factores. Habiendo hecho notar los principios sobre los cuales el Dr. Federico Villarreal inicia su estudio sobre la integración por traspasos, pasamos a describir el método en si. 2. Método de traspasos Primero haremos notorio algunas observaciones relativas a las técnicas de integración. 2.1. Observaciones: 1. REl método de integración inmediata √ reglas fijas. La inversa de la derivación: R √ tiene sus 4 x3 ∂x = x4 + cte , o tambien x∂x = 23 x3 + cte (cte: constante real) 2. El método de integración por sustitución no posee sus reglas fijas, pues depende de los casos que se presenten: R a) Para convertir en algebraica una expresión trascendente ln(x + 1) cos x∂x b) Para bajar el orden de las ecuaciones integrales, para hacerlas homogéneas, etc (esto constituye parte de la teoria de ecuaciones integrales) R c) Para hacer racional a una función inconmensurable √x12 +1 ∂x 3. El método de integración por sumandos tambien tiene sus reglas fijas: R ∂x a) Si el denominador de la fracción tiene raíces iguales x2 −6x+9 R ∂x b) Si el denominador tiene raíces distintas x2 +3x+10 R c) Si el denominador tiene raíces imaginarias x2∂x +1 4. Sin embargo no se ha hecho lo mismo con la integración por factores, atendiendo a ello Juan Bernoulli sentó lo que se denomina la base del cálculo integral (en analogía a lo que el método de Taylor lo es al cálculo diferencial). Así considerando como factor constante ∂x tenemos: Z y = f (x)∂x Z = xf (x) − f 0 (x)x∂x Pero Z x2 0 1 f (x)x∂x = f (x) − 2 2 0 Z f 00 (x)x2 ∂x Así y = xf (x) − x2 0 1 f (x) + 2! 2! 4 Z f 00 (x)x2 ∂x Procediendo análogamente para la ultima integral: y = xf (x) − x2 0 x3 x4 f (x) + f 00 (x) − f 000 (x) + · · · 2! 3! 4! (1) Si bien es cierto que el factor ∂x se presenta de forma natural, el método no supone que precisamente deba tomarse ese factor sino cualquier otro, ya que al hacerlo lo particulariza, esto es la escencia del método de integración por traspasos del Dr. Federico Villarreal. 2.2. Principio de integración por traspasos R R Dada la expresión y = f (x)∂x siempre es posible expresarla en la forma y = A · dB y sin hacer traspasos de términos, podemos interpretar la fórmula (1) del modo siguiente: 1. Tomar A después diferenciarla y dividir por ∂x, volver a diferenciar y dividir por ∂x, etc. Es decir, calcular las derivadas sucesivas de A. 2. Tomar B después multiplicarla por ∂x e integrar, volver a multiplicar por ∂x e integrar, etc. Es decir, calcular las integrales multiples de B. 3. Multiplicar los resultados homólogos y dar los signos mas y menos, es decir Z Z Z Z Z Z 0 00 000 A · B − A · B∂x + A · B∂x − A · B∂x · · · Como por la diferenciación va aumentando el coeficiente y disminuyendo el exponente, cuando este sea cero la derivada es constante y la siguiente será cero, por tanto en este caso habrá integración exacta. Así también, como por la integración va disminuyendo el coeficiente y aumentando el exponente resulta que si una integración es constante la siguiente no será cero, pues al multiplicar por ∂x la integración dará ∂x, pero si el exponente es negativo la integración llegará a ser infinita, y en este caso la integral (como se sabe) es un logaritmo. Ejemplo 1. Sea la función x4 , cuya integral puede ser expresada en formas distintas y por tanto el factor ∂x no es el único que se presenta de forma natural, así pues: Z Z Z Z Z x3 4 2 2 2 2 z = x ∂x = x × x ∂x = x × ∂( x )∂x = x2 × ∂( ) (2) 3 aplicando el método para A = x2 y B = x3 3 tenemos en cada caso: x3 3 Z x4 B∂x = 12 Z Z x5 ( B∂x)∂x = 60 A = x2 B= dA = 2x dx d2 A =2 dx2 d3 A =0 dx3 5 note que no consideramos la cuarta iteración para B puesto que la cuarta iteración para A fue cero, luego la integral resultante de acuerdo a (3) será: x5 x5 x5 − + 3 6 30 x5 = 5 Si bien es cierto la función considerada para la integración es bastante simple, nos permite hacer notar la recursividad del método y la tendencia a buscar una generalización del mismo (esto en realidad constituye un caso muy simple del método de traspasos del Dr. Federico Villarreal, note que si estamos realizando traspasos, con la descripción de la siguiente sección podrá usted darse cuenta de ello y corroborará que la manera de hacerlo constituye un caso trivial). z= Para fijar notación al término A lo denominaremos factor integral en tanto que B será el factor integral, esto debido a las derivaciones e integraciones sucesivas que se realizan en cada paso (o proceso de iteración) a considerar. 2.3. Variantes del método de traspasos Los traspasos pueden ser realizados de dos maneras, de A a B o de B a A, así como también es posible considerar un proceso mixto de ambos, pero por el momento solo consideraremos los dos primeros casos y dejaremos el ultimo para la próxima sección. 2.3.1. Traspaso del factor diferencial al factor integral: En este primer caso R estamos considerando el traspaso de A a B, así pues la función z expresada como z = AdB esta en su forma natural, e indicamos la regla de formación: “se saca la derivada dA y se traspasa a B lo que se quiera (sea factor o divisor, constante o variable), después se integra B (la expresión resultante es B1 ). Se vuelve a derivar, en este caso a A1 , y se hace el traspaso a B1 en seguida se integra B1 (la expresión resultante es B2 ), etc.” En resumen: Primer paso: no efectuamos ninguna operación, tan solo escogemos los A y B adecuados A⇒B Segundo paso: T1 será el término a traspasar Z dA = T1 · A1 ⇒ B · T1 ∂x = B1 Tercer paso: T2 será el nuevo término a traspasar Z dA1 = T2 · A2 ⇒ B1 · T2 ∂x = B2 etc. Ultimo paso: Colocamos los términos Ai , Bi para obtener el resultado final del proceso de integración Z z = AdB X = ±Ai · Bi ; i = 0, 1, . . . , m, (m: no de pasos y A0 = A, B0 = B) 6 por esta operación se disminuye el cálculo a bondad, puesto que se puede traspasar toda la variable (pero de modo que se pueda integrar B) así la siguiente diferencial será cero y por lo tanto se acorta el cálculo. R R 3 Ejemplo 2. Sea la función z = x4 ∂x damos la forma que deseamos z = x2 · ∂( x3 ) luego aplicando la regla de formación: Primer paso: no efectuamos ninguna operación, tan solo identificamos A y B A⇒B Segundo paso: T1 será el término a traspasar Z 3 x x5 dA = x · 2 = T1 · A1 ⇒ · x∂x = = B1 3 15 Tercer paso: T2 será el nuevo término a traspasar, pero notemos que dA1 = ∂(2) = 0, puesto que la derivada es nula, paramos el proceso. Ultimo paso: Colocamos los términos A0 , A1 , B0 , B1 para obtener el resultado final del proceso de integración: Z z = x4 ∂x = A0 · B0 − A1 · B1 = x2 · = 2.3.2. x5 x3 −2· 3 15 x5 5 Traspaso del factor integral al factor diferencial: En este segundo caso R estamos considerando el traspaso de B a A, así pues la función z expresada como z = AdB esta en su forma natural, e indicamos la regla de formación: “se saca la derivada dA y se traspasa lo que se quiera de B, después se integra B (la expresión resultante es B1 ). Se vuelve a derivar, en este caso a A1 (expresión que resulta de multiplicar la derivada de A por el termino traspasado de B), y se traspasa lo que se desea de B1 en seguida se integra B1 (la expresión resultante es B2 ), etc.” En resumen: Primer paso: no efectuamos ninguna operación, tan solo escogemos los A y B adecuados A⇒B Segundo paso: donde B = T1 · B1∗ y T1 es el término traspasado a dA Z dA · T1 = A1 ⇒ B1∗ ∂x = B1 Tercer paso: donde B1 = T2 · B2∗ y T2 es el término traspasado a dA1 Z dA1 · T2 = A2 ⇒ B2∗ ∂x = B2 etc. 7 Ultimo paso: Colocamos los términos Ai , Bi para obtener el resultado final del proceso de integración Z z= AdB X = ±Ai · Bi ; i = 0, 1, . . . , m, (m: no de pasos y A0 = A, B0 = B) R R 3 Ejemplo 3. Sea la función z = x4 dx damos la forma que deseamos z = x2 · d( x3 ) luego aplicando la nueva regla de formación: Primer paso: no efectuamos ninguna operación, tan solo identificamos A y B A⇒B Segundo paso: donde B = T1 · B1∗ = x · x2 3 y T1 es el término traspasado a dA Z 2 B1∗ dx dA · T1 = 2x · x = 2x ⇒ Tercer paso: donde B1 = T2 · B2∗ = x · 2 x2 32 Z = x3 x2 = 2 = B1 3 3 y T2 = x es el término traspasado a dA1 . Z 2 2 B2∗ dx dA1 · T2 = 2 x · x = 2 x = A2 ⇒ Z = x2 x3 = = B2 32 33 siguiendo de forma similar obtendremos una serie infinita (no siempre es el caso) Ultimo paso: Colocamos los terminos Ai , Bi (aquí A0 = A, B0 = B), para obtener el resultado final del proceso de integración: Z z= AdB = A0 · B0 − A1 · B1 + A2 · B2 · · · = x5 2x5 22 x5 23 x5 − 2 + 3 − 4 ··· 3 3 3 3 Este ejemplo muestra que dada una integral esta puede ser aproximada por una serie 5 infinita, para nuestro caso dicha serie converge a x5 , así suponiendo x = 1 se tiene: 1 1 2 22 23 = − 2 + 3 − 4 ··· 5 3 3 3 3 en efecto, siendo esta progresión geométrica decreciente (cuya razón es 1 3 1+ 2 3 = −2 3 ) tendremos: 1 5 En la siguiente sección presentamos una mistura de los métodos anteriores y finalizamos con una aplicación de tal proceso (misturado), así también se da una observación sobre exponentes negativos. 8 3. Aplicación del método de traspasos En esta sección daremos una aplicación del método de traspasos de Federico Villarreal, pero antes presentamos una generalidad sobre el método, éste no es otra cosa mas que una mistura de los casos señalados en la anterior sección. 3.1. Generalidad de los traspasos Siendo los traspasos arbitrarios, se pueden hacer continuamente de A a B o de B a A o bien primero de A a B y después de B a A, ya sea alternándolos, siguiendo de dos en dos, de tres en tres, dejando de hacer traspasos al capricho del calculador. En cualquiera de estos casos siempre se obtendá integración exacta (siempre que se consiga un coeficiente diferencial nulo), por consiguiente la fórmula propuesta es una expresión general de la integración por partes. Ejemplo 4. Integraremos la función x4 usando trapasos alternados: Z Z x3 4 z = x ∂x = x2 × ∂( ) 3 aplicando el método para A = x2 y B = x3 3 tenemos en cada caso: A0 = x 2 B0 = x3 3 derivamos A0 y traspasamos el factor integral x de B0 e intragamos lo sobrante de B0 A1 = 2x2 B1 = x3 9 derivamos A1 y traspasamos el factor integral x de B1 e intragamos lo sobrante de B1 A2 = 4x2 B2 = x3 27 derivamos A2 y traspasamos el factor integral x de B2 e intragamos lo sobrante de B2 A3 = 8x2 B3 = x3 81 B4 = x4 324 B5 = x5 1620 derivamos A3 e integramos B3 sin efectuar trapaso alguno A4 = 16x derivamos A4 e integramos B4 sin efectuar trapaso alguno A5 = 16 dado que la próxima derivada será nula paramos el proceso,de modo que z= x5 2x5 4x5 8x5 4x5 4x5 − + − + − 3 9 27 81 81 405 x5 z= 5 9 3.2. Observación sobre exponentes negativos Si los exponentes son negativos la diferenciación va aumentando el exponente en su valor absoluto y la integración lo va disminuyendo hasta ser infinita (así pues la integral es logarítmica), sin embargo en virtud de la teoría de traspasos se puede hacer que la diferenciación llegue a anularse y por lo mismo se llegue a la integral exacta. Ejemplo 5. Integraremos la función x4 · ln x la cual puesta en forma adecuada: Z x5 z = ln x(. ) 5 identificando términos A0 = ln x B0 = x5 5 derivamos A0 y siendo x en el numerador con exponente negativo lo traspasamos a B0 e integramos, quedando A1 = 1 B1 = x5 25 dado que la próxima derivada será nula paramos el proceso,de modo que z = ln x · x5 x5 − 5 25 Ejemplo 6. Integraremos la función x4 pero en esta oportunidad procuramos expresar el término integral con exponente negativo: Z z = x6 d(−x−1 ) identificando términos A0 = x 6 B0 = −1 x derivamos A0 e integramos B0 sin efectuar traspaso alguno A1 = 6x5 B1 = − ln x derivamos A1 y traspasamos el factor diferencial x4 a B1 e integramos Z A2 = 30 B2 = −x4 · ln x = −x5 · ln x x5 + 5 25 dado que la próxima derivada será nula paramos el proceso,de modo que z = −x5 + 6x5 · ln x − 6x5 · ln x + z= 6x5 5 x5 5 10 3.3. Recursividad para decimales del número π Es tan general el método que se puede poner una multitud de ejemplos en los cuales tendría cabida los traspasos. Como muestra de ello veamos la siguiente: 3.3.1. Observación sobre los arcotangentes Sabemos que la diferencial de un arco x cuya tangente es u tiene por expresión: ∂u 1 + u2 ∂x = el cual podemos integrar haciendo uso del método de traspasos pues Z 1 x= · ∂u 1 + u2 identificando términos, podemos aplicar el proceso ya descrito en las secciones anteriores A0 = 1 1 + u2 B0 = u tomando derivada a los Ai , traspasando el factor integral u a Bi e integrando resulta el siguiente cálculo u3 1·3 u5 B2 = 1·3·5 u7 B3 = 1·3·5·7 u9 B4 = 1·3·5·7·9 1 (1 + u2 )2 1 A2 = 2 · 4 · (1 + u2 )3 1 A3 = −2 · 4 · 6 · (1 + u2 )4 1 A4 = 2 · 4 · 6 · 8 · (1 + u2 )5 A1 = −2 · B1 = continuando el proceso obtenemos la fórmula recursiva An = (−1)n · n Y i=1 (2i) · 1 (1 + u2 )n+1 Bn = u2n+1 n Q (2i + 1) i=1 Luego multiplicamos los términos Ai , Bi y colocamos los términos de acorde a lo establecido en el método de traspasos para obtener el resultado final del proceso de integración: " j # ∞ Y X u 2i u2j+1 x= + · (3) 1 + u2 2i + 1 (1 + u2 )j+1 j=1 i=1 tomando factor común, la expresión (3) puede ser reducida a " j j # ∞ Y 2 X u 2i u x= 1+ · 1 + u2 2i + 1 1 + u2 j=1 i=1 11 (4) examinemos si la serie encerrada entre llaves es convergente, para ello utilizamos el criterio de la razón, por lo que formaremos el cociente del término general con el que le precede 2 n 2·4·6···(2n) 3·5·7···(2n+1) u 1+u2 n−1 2·4···2(n−1) u2 3·5···(2n−1) 1+u2 r= 2n u2 · 2n + 1 1 + u2 2 1 = 1 · 2 + n 1 + u12 = tomamos límite para n = ∞, resulta r= 1 1 + u12 para que la serie sea convergente debemos tener que |r| < 1, así reemplazando la expresión obtenida en esta condición se tiene que la serie es convergente cualquiera que sea el valor de u, en particular si esta asume valores pequeños, luego tomando u = z1 y reemplazando en (4) tendremos: z x= 2 z +1 2 1 2·4 1 2 · 4 · · · (2n) 1 1+ + · + ··· + · + ··· 3 z 2 + 1 3 · 5 (z 2 + 1)2 3 · 5 · · · (2n + 1) (z 2 + 1)n (5) luego puesto que asumiremos valores pequeños de u la serie anterior es convergente para valores grandes de z. 3.3.2. Aproximando decimales de π Para aplicar la fórmula (5) y aproximar decimales de π debemos conocer un arco (denotado por x) y su tangente (denotado por u), el primero que se presenta es el de 45◦ cuya tangente es la unidad, luego z = 1 y reemplazando en (5) resulta 1 2 2·4 2·4·6 2 · 4 · · · (2n) ◦ Arco de 45 = 1+ + + + ··· + n + ··· 2 2 · 3 22 · 3 · 5 23 · 3 · 5 · 7 2 · 3 · 5 · · · (2n + 1) (6) “como es poco convergente” descompondremos el arco de 45◦ , por lo que buscaremos otros arcos cuyas tangentes sean menores que uno. Para ello apelamos a una conocida fórmula trigonométrica: a + b = 45◦ tan a + tan b ⇒ tan (a + b) = 1 − tan a · tan b =1 12 tomando tan a = 1/3 tendremos 1 3 + tan b =1 1 − 13 · tan b 1 1 ⇒ + tan b = 1 − · tan b 3 3 4 2 ⇒ · tan b = 3 3 1 ⇒ tan b = 2 así tenemos que el arco de 45◦ es igual a la suma de los arcos cuyas tangentes son 1/2, 1/3. Dividamos ahora el arco cuya tangente es 1/2 en otros dos, así tan x + tan y 1 = 1 − tan x · tan y 2 tomando tan x = 1/3 (notar que x = a pues tan x = tan a) tendremos 1 3 + tan y 1 = 2 1 − 13 · tan y 1 1 1 ⇒ + tan y = − · tan y 3 2 6 1 7 ⇒ · tan y = 6 6 1 ⇒ tan y = 7 vemos ahora que el arco de 45◦ es igual a la suma del arco (denotado por y) cuya tangente es 1/7 más el doble del arco (denotado por x) cuya tangente es 1/3. Luego haciendo z = 3 y z = 7 en (5) tendremos los valores aproximados 3 2 2·4 2·4·6 2 · 4 · · · (2n) x= · 1+ + + + ··· + + ··· 10 10 · 3 102 · 3 · 5 103 · 3 · 5 · 7 (10)n · 3 · 5 · · · (2n + 1) 7 2 2·4 2·4·6 2 · 4 · · · (2n) y= · 1+ + + + ··· + + ··· 50 50 · 3 502 · 3 · 5 503 · 3 · 5 · 7 (50)n · 3 · 5 · · · (2n + 1) finalmente podemos expresar el arco de 45◦ como Arco de 45◦ = 2x + y ⇒ π = 8x + 4y ⇒ π = 3, 141592653589793238462643383279502884197169399 · · · Haciendo uso de las fórmulas expuestas se puede obtener una mejor aproximación, el grado de precisión aumenta a medida que se continúe la división en arcos menores. La presente aproximación es más curiosa que útil, habiendo servido para dar uno de los muchos ejemplos en que tiene cabida la integración por traspasos. 13 Bibliografía [1] La Obra del Doctor Federico Villarreal, Godofredo García Díaz. Revista de Ciencias, año XXVII, 1924 No 3, 4,5,6. Lima. [2] Fórmulas y Métodos que Deben Completarse en Matemáticas, Federico Villarreal Villarreal Tesis de Bachiller, 1879. Lima. [3] Federico Villarreal Matemático e Ingeniero, Luis Katzuo Watanabe, Ediciones COPÉ departamento de relaciones públicas PETROPERÚ, 2004. Lima. [4] Revista de la Facultad de Ciencias Matemáticas, Facultad de Ciencias de la UNMSM, No 2, 1988. Lima. [5] Unidad de Árchivo Histórico Domingo Ángulo UNMSM, Árchivos de la Facultad de Ciencias 1875,1876,1877,1878,1879,1880,1881. 14