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Ciencia de Datos e IA Integrales dobles y triples

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Portada de Integrales dobles y triples

Integrales dobles y triples

✦ De integrales dobles a triples: cambio de orden, coordenadas polares/cilindricas/esfericas, y aplicaciones en probabilidad · Ciencia de Datos e IA · 3 minutos que valen la pena

Roadwise Consulting

Firmado y verificado · Fernando Castro

Objetivo: Calcular integrales en multiples dimensiones y aplicarlas a problemas de volumen, masa y probabilidad.

3 min 18–99 años
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Integrales dobles y triples

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Integrales multiples

Diagrama de calculo integral: area bajo la curva entre dos puntos con simbolo de integracion.
El calculo integral: antiderivadas, tecnicas de integracion y aplicaciones.

Asi como la integral simple calcula areas bajo curvas, la integral doble calcula volumenes bajo superficies en R3, y la integral triple calcula hipervolumenes en R4.

Integral doble sobre una region R
∫∫f(x,y)dydx
La integral doble calcula volumenes bajo superficies.

Interpretacion geometrica: La integral doble de f(x,y) sobre una region R es el volumen entre la superficie z = f(x,y) y el plano xy.

Teorema de Fubini: Permite calcular la integral doble como integrales iteradas. El orden de integracion puede cambiar.

Cambio de orden de integracion

A veces es mas facil integrar primero respecto a x que a y. Cambiar el orden requiere redibujar la region de integracion y ajustar los limites.

Coordenadas polares

Cuando la region tiene simetria circular, conviene usar coordenadas polares: x = rcos(t), y = rsin(t). El diferencial de area cambia: dA = rdrdt.

Integral en coordenadas polares
∫∫f(r,t)rdrdt
En polares, el diferencial de area es dA = r dr dt.

Ejemplo clasico: La integral de e^(-x^2-y^2) sobre R^2 = pi. De aqui se deduce que la integral de e^(-x^2) sobre R = raiz(pi).

Integrales triples y coordenadas esfericas

La integral triple calcula masa, carga o probabilidad en regiones 3D.

Coordenadas cilindricas: (r, t, z) para simetria axial. dV = rdrdt*dz.

Coordenadas esfericas: (rho, phi, t) para simetria radial. dV = rho^2sin(phi)drhodphidt.

Aplicacion en probabilidad

Las distribuciones continuas multivariadas usan integrales multiples. La probabilidad total debe ser 1: integral doble de f(x,y) dA = 1.

Distribucion normal bivariada: usa la forma cuadraticasociada a la matriz de covarianza. Las esperanzas, varianzas y covarianzas son integrales dobles.

Mapa conceptual

Integrales multiples

  • Integrales multiples
    • Dobles
      • Fubini
      • Cambio de orden
      • Polares (r dr dt)
    • Triples
      • Cilindricas
      • Esfericas
      • Volumen/masa
    • Aplicaciones
      • Probabilidad total = 1
      • Normal bivariada
      • E[g(X,Y)]

Ejercicios

Problema: Calcula la integral doble de (x^2+y^2) sobre el disco x^2+y^2 <= 4 usando polares.

Solucion

  1. Paso 1: cambiar a polares

    x^2+y^2 = r^2, dA = rdrdt. Region: 0<=r<=2, 0<=t<=2*pi.

Paso 1 de 3

En coordenadas polares, el diferencial de area es:

El teorema de Fubini permite cambiar el orden de integracion libremente.

En coordenadas esfericas, dV = rho^2 drho dphi dtheta.

Ordena de menor a mayor dimension:

    Coloca los elementos en orden y pulsa Comprobar.

    Recursos

    Integrales dobles y triples
    Visualizacion de integrales multiples (MIT OpenCourseWare).

    Por que la integral de e^(-x^2) sobre toda la recta real es raiz de pi? Como ayuda pasar a 2D?

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