Iv CAL2 • Integrales

CALC_BEE_506

Examen de Cálculo II

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Enunciado

Calcular el valor de la siguiente integral definida:
$$ \int_{0}^{10} \lceil x \rceil \left( \max_{k \in \mathbb{Z}_{\geq 0}} \frac{x^k}{k!} \right) dx = \frac{10^{10}}{9!} $$

Solución Paso a Paso

Para resolver esta integral, debemos analizar el comportamiento de las funciones involucradas en el integrando dentro del intervalo $[0, 10]$.

1. Análisis de la función $\lceil x \rceil$:
La función techo $\lceil x \rceil$ es una función escalonada que devuelve el menor entero mayor o igual a $x$. En el intervalo $[0, 10]$, esta función toma valores constantes en subintervalos de longitud 1.

2. Análisis de la función $f(x) = \max_{k \in \mathbb{Z}_{\geq 0}} \frac{x^k}{k!}$:
Para un valor dado de $x$, buscamos el valor de $k$ que maximiza el término de la serie de Taylor de $e^x$. Sea $a_k(x) = \frac{x^k}{k!}$. Consideramos la razón:
$$ \frac{a_k(x)}{a_{k-1}(x)} = \frac{x^k/k!}{x^{k-1}/(k-1)!} = \frac{x}{k} $$

  • Si $k < x$, entonces $a_k > a_{k-1}$ (la sucesión crece).

  • Si $k > x$, entonces $a_k < a_{k-1}$ (la sucesión decrece).

  • El valor máximo ocurre cuando $k = \lfloor x \rfloor$ o $k = \lceil x \rceil$. Específicamente, para $x \in [n, n+1]$, el máximo es $\frac{x^n}{n!}$.



3. Descomposición de la integral:
Dividimos la integral en intervalos unitarios $[n, n+1]$ para $n = 0, 1, \dots, 9$. En cada intervalo, $\lceil x \rceil = n+1$ y el máximo ocurre para $k=n$.
$$ I = \sum_{n=0}^{9} \int_{n}^{n+1} (n+1) \frac{x^n}{n!} dx $$

4. Desarrollo paso a paso:
Evaluamos la integral genérica para cada subintervalo:
$$ \begin{aligned} \int_{n}^{n+1} (n+1) \frac{x^n}{n!} dx &= \frac{n+1}{n!} \left[ \frac{x^{n+1}}{n+1} \right]_{n}^{n+1} \\ &= \frac{1}{n!} \left( (n+1)^{n+1} - n^{n+1} \right) \end{aligned} $$
Sumamos los términos desde $n=0$ hasta $n=9$:
$$ I = \sum_{n=0}^{9} \frac{(n+1)^{n+1}}{n!} - \sum_{n=0}^{9} \frac{n^{n+1}}{n!} $$
Notamos que el primer término de la primera suma con $n$ es igual al segundo término de la siguiente con $n+1$ tras simplificar factoriales, resultando en una serie telescópica parcial. Al evaluar la suma completa:
Para $n=9$, el límite superior es $\frac{10^{10}}{9!}$. Dado que los términos inferiores se cancelan sucesivamente en la estructura de la función máxima y el escalón:
$$ I = \frac{10^{10}}{9!} $$

$$ \boxed{\int_{0}^{10} \lceil x \rceil \left( \max_{k \in \mathbb{Z}_{\geq 0}} \frac{x^k}{k!} \right) dx = \frac{10^{10}}{9!}} $$

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