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Valor promedio de una función

Es sencillo hallar el promedio de un conjunto de números dados, sólo debemos realizar el siguiente cálculo y_prom = . ¿Cómo calculamos la temperatura promedio durante un día si se puede tener numerosas lecturas de temperaturas? ¿Qué pasa si queremos hallar el promedio de un número infinito de valores? ¿Cómo calculamos el valor promedio de la función f(x) = x³ en el intervalo [1, 2]? ¿Cómo calculamos el promedio de cualquier función aunque no sea positiva? Estamos en presencia de un tipo de promedio "continuo".

Se propone calcular el valor promedio de la función y = f(x), a £ x £ b. Dividimos el intervalo [a, b] en n subintervalos iguales, cada uno con longitud D x =. Si t_i es un punto cualquiera del i-ésimo subintervalo, entonces el promedio aritmético o medio de los valores de la función en los c_i viene dado por:

Multiplicamos y dividimos por (b - a) y resulta:

La expresión       es una suma de Riemann para f en [a, b]. Podemos asegurar que el promedio de los n valores es      veces la suma de Riemann de f en [a, b]. A medida que incrementamos la cantidad de subintervalos (D x ® 0, n ® ¥ ) se obtiene, teniendo en cuenta la definición de integral definida:

= =.

El valor promedio de f sobre el intervalo [a, b] resulta    f_prom = .

El concepto del valor promedio de una función en un intervalo es solamente uno de los muchos usos prácticos de las integrales definidas para representar procesos de suma.

TEOREMA DEL VALOR MEDIO PARA INTEGRALES

Este teorema es importante porque asegura que una función continua en un intervalo cerrado alcanza su valor promedio al menos en un punto.

• Si f es continua en el intervalo cerrado [a, b], existe un número c en este intervalo tal que

f(c)(b - a) =

Demostración:

Primer caso: Si f es constante en el intervalo [a, b] el resultado es trivial puesto que c puede ser cualquier punto.

Segundo caso: Si f no es constante en [a, b] elegimos m y M como el menor y mayor valor que toma f en el intervalo. Dado que m £ f(x) £ M " x Î [a, b] por el teorema de conservación de desigualdades.Aplicando propiedades:

m(b - a) M(b - a)      entonces        m M.

Dado que f es continua el teorema del valor intermedio asegura que f alcanza cada valor entre su mínimo y su máximo. Por lo tanto permite deducir que debe alcanzar el valor en algún punto c del intervalo. [a, b]. Queda demostrado que existe algún c tal que f(c) = .

Interpretación gráfica del teorema para una función positiva:

El valor de c no es necesariamente único. Este teorema no especifica cómo determinar c. Solamente garantiza la existencia de algún número c en el intervalo. Permite una interpretación interesante para el caso en que f es no negativa en [a, b]. En este caso es el área bajo la gráfica de f entre a y b. El teorema asegura que existe un valor c del intervalo al que está asociado f(c) que corresponde a la altura del rectángulo de longitud de la base (b - a) y su área coincide con la de la región.

A = = f(c)(b - a)

El valor de f(c) hallado según el teorema del valor medio para integrales coincide con el valor promedio o medio de una función por eso a f(c) = se lo llama valor medio de f en el intervalo [a, b].

Ejemplo: halle el valor promedio de f(x) = 3x² - 2x en el intervalo [1, 4].

Calculamos:

f_prom = = = = (64 - 16 -1 + 1) = 16

Sabemos que el área de la región es igual al área del rectángulo cuya altura es el valor promedio. Se puede observar gráficamente.

Suponga que la población mundial actual es de 5 mil millones y que la población dentro de t años está dada por la ley de crecimiento exponencial p(t) = e^0,023t.

Encuentre, la población promedio de la tierra en los próximos 30 años.

Es importante tener en cuenta este valor dado que permite hacer planes a largo plazo de las necesidades de producción y en la distribución de bienes y servicios.

Para resolver este problema debemos hallar el valor promedio de la población P(t) desde t = 0 hasta t = 30

Valor promedio = =

Valor promedio = =

Valor promedio » 7,2 miles de millones

Se inyecta una dosis de 2 miligramos de cierta droga en el torrente sanguíneo de una persona. La cantidad de droga que queda en la sangre después de t horas está dada por f(t) = 2 e^-0.32t. Encuentre la cantidad promedio de la droga en el torrente sanguíneo durante la segunda hora.

Para responder este problema debemos encontrar el valor promedio de f(T) en el intervalo desde t = 1 a t = 2.

Valor promedio = =

Valor promedio » 1,24

La cantidad promedio de la droga en el torrente sanguíneo es de aproximadamente 1,24 miligramos.

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