Qué es el cálculo infinitesimal: definición, conceptos y aplicaciones

Historia

En las décadas de 1670 y 1680, Sir Isaac Newton, en Inglaterra, y Gottfried Leibniz, en Alemania, descubrieron el cálculo al mismo tiempo, trabajando por separado. Newton quería tener una nueva forma de predecir dónde ver los planetas en el cielo, porque la astronomía siempre había sido una forma de ciencia popular y útil, y saber más sobre los movimientos de los objetos en el cielo nocturno era importante para la navegación de los barcos. Leibniz quería medir el espacio (área) bajo una curva (una línea que no es recta). Muchos años después, los dos hombres discutieron sobre quién lo había descubierto primero. Los científicos de Inglaterra apoyaron a Newton, pero los del resto de Europa apoyaron a Leibniz. Hoy en día, la mayoría de los matemáticos están de acuerdo en que ambos hombres comparten el mérito por igual. Algunas partes del cálculo moderno proceden de Newton, como sus usos en física. Otras partes proceden de Leibniz, como los símbolos utilizados para escribirlo.

No fueron los primeros en utilizar las matemáticas para describir el mundo físico: Aristóteles y Pitágoras llegaron antes, y también Galileo Galilei, que dijo que las matemáticas eran el lenguaje de la ciencia. Pero tanto Newton como Leibniz fueron los primeros en diseñar un sistema que describe cómo cambian las cosas en el tiempo y puede predecir cómo cambiarán en el futuro.

El nombre "cálculo" era la palabra latina que designaba una pequeña piedra que los antiguos romanos utilizaban para contar y apostar. La palabra inglesa "calculate" procede de la misma palabra latina.

Cálculo diferencial

El cálculo diferencial se utiliza para encontrar la tasa de cambio de una variable en comparación con otra.

En el mundo real, puede utilizarse para encontrar la velocidad de un objeto en movimiento o para entender cómo funcionan la electricidad y el magnetismo. Es muy importante para entender la física y muchas otras áreas de la ciencia.

El cálculo diferencial también es útil para hacer gráficos. Se puede utilizar para encontrar la pendiente de una curva y los puntos más altos y más bajos (se llaman máximo y mínimo) de una curva.

Las variables pueden cambiar su valor. Esto es diferente de los números porque los números son siempre iguales. Por ejemplo, el número 1 es siempre igual a 1 y el número 200 es siempre igual a 200. A menudo se escriben las variables como letras, como la letra x. "X" puede ser igual a 1 en un momento dado y a 200 en otro.

Algunos ejemplos de variables son la distancia y el tiempo porque pueden cambiar. La velocidad de un objeto es la distancia que recorre en un tiempo determinado. Así, si una ciudad está a 80 kilómetros y una persona en coche llega a ella en una hora, habrá viajado a una velocidad media de 80 kilómetros por hora. Pero esto es sólo una media: puede que haya viajado más rápido en algunos momentos (en una autopista) y más lento en otros (en un semáforo o en una calle pequeña donde vive gente). Imagina a un conductor intentando averiguar la velocidad de un coche utilizando sólo su cuentakilómetros (medidor de distancia) y su reloj, ¡sin velocímetro!

Hasta que se inventó el cálculo, la única forma de calcularlo era cortar el tiempo en trozos cada vez más pequeños, de modo que la velocidad media en el tiempo más pequeño se acercara cada vez más a la velocidad real en un punto del tiempo. Este proceso era muy largo y difícil y había que hacerlo cada vez que se quería calcular algo.

Un problema muy similar es encontrar la pendiente (la inclinación) en cualquier punto de una curva. La pendiente de una línea recta es fácil de calcular: es simplemente cuánto sube (y o vertical) dividido por cuánto cruza (x u horizontal). En una curva, sin embargo, la pendiente es variable (tiene diferentes valores en diferentes puntos) porque la línea se curva. Pero si la curva se cortara en trozos muy, muy pequeños, la curva en el punto se vería casi como una línea recta muy corta. Así que para calcular su pendiente, se puede trazar una recta que pase por el punto con la misma pendiente que la curva en ese punto. Si se hace exactamente así, la recta tendrá la misma pendiente que la curva, y se llama tangente. Pero no hay forma de saber (sin matemáticas muy complicadas) si la tangente es exactamente correcta, y nuestros ojos no son lo suficientemente precisos como para estar seguros de si es exacta o simplemente muy cercana.

Lo que Newton y Leibniz encontraron fue una forma de calcular la pendiente (o la velocidad en el ejemplo de la distancia) con exactitud, utilizando reglas sencillas y lógicas. Dividieron la curva en un número infinito de trozos muy pequeños. A continuación, eligieron puntos a ambos lados del intervalo que les interesaba y calcularon las tangentes en cada uno de ellos. A medida que los puntos se acercaban al punto que les interesaba, la pendiente se aproximaba a un valor determinado, ya que las tangentes se acercaban a la pendiente real de la curva. El valor concreto al que se acercaba era la pendiente real.

Digamos que tenemos una función y = f ( x ) {\displaystyle y=f(x)} . f es la abreviatura de función, por lo que esta ecuación significa "y es una función de x". Esto nos dice que la altura de y en el eje vertical depende de lo que sea x (el eje horizontal) en ese momento. Por ejemplo, con la ecuación y = x 2 {\displaystyle y=x^{2}} sabemos que si x {estilo de visualización x} es 1, entonces y {estilo de visualización y} será 1; si x {estilo de visualización x} es 3, entonces y {estilo de visualización y} será 9; si x {estilo de visualización x} es 20, entonces y {estilo de visualización y} será 400. La derivada que se produce con este método es 2 x {estilo de visualización 2x} o 2 multiplicado por x {\displaystyle x} . Así que sabemos sin tener que dibujar ninguna línea tangente que en cualquier punto de la curva f ( x ) = x 2 {\displaystyle f(x)=x^{2}} , la derivada, f ′ ( x ) {\displaystyle f'(x)} (marcada con el símbolo de primo), será 2 x {\displaystyle 2x} en cualquier punto. Este proceso de calcular una pendiente utilizando los límites se llama diferenciación, o encontrar la derivada.

La forma de escribir la derivada en matemáticas es f ′ ( x ) = lim h → 0 f ( x + h ) - f ( x ) h . {\displaystyle f^{\prime }(x)=lim _{h\rightarrow 0}{\frac {f(x+h)-f(x)}{h}. }

Leibniz llegó al mismo resultado, pero llamó a h " d x {\displaystyle dx} ", que significa "con respecto a x". Llamó al cambio resultante en f ( x ) {\displaystyle f(x)} "d y {\displaystyle dy} ", que significa "una pequeña cantidad de y". La notación de Leibniz se utiliza en más libros porque es fácil de entender cuando las ecuaciones se complican. En notación de Leibniz: d y d x = f ′ ( x ) {\displaystyle {\frac {dy}{dx}}=f'(x)}

Los matemáticos han ampliado esta teoría básica para crear reglas de álgebra sencillas que pueden utilizarse para hallar la derivada de casi cualquier función.

En una curva, dos puntos diferentes tienen pendientes distintas. Las líneas roja y azul son tangentes a la curva.


Una imagen que muestra lo que significan x y x + h en la curva.

Cálculo integral

El cálculo integral es el proceso de calcular el área bajo la gráfica de una función. Un ejemplo es el cálculo de la distancia que recorre un coche: si conoces la velocidad del coche en distintos momentos y dibujas una gráfica de esta velocidad, la distancia que recorre el coche será el área bajo la gráfica.

La forma de hacerlo es dividir el gráfico en muchos trozos muy pequeños y dibujar rectángulos muy finos debajo de cada trozo. A medida que los rectángulos se hacen más y más finos, los rectángulos cubren cada vez mejor el área debajo del gráfico. El área de un rectángulo es fácil de calcular, así que podemos calcular el área total de todos los rectángulos. Para los rectángulos más finos, este valor del área total se aproxima al área bajo el gráfico. El valor final del área se llama la integral de la función.

En matemáticas, la integral de la función f(x) de a a b, se escribe como ∫ a b f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\},dx}.

La integración consiste en encontrar las áreas, dados a, b e y = f(x).


Podemos aproximar el área bajo una curva sumando las áreas de muchos rectángulos bajo la curva. Cuantos más rectángulos utilicemos, mejor será nuestra aproximación.

Idea principal del cálculo

La idea principal del cálculo se llama teorema fundamental del cálculo. Esta idea principal dice que los dos procesos de cálculo, el diferencial y el integral, son opuestos. Es decir, una persona puede utilizar el cálculo diferencial para deshacer un proceso de cálculo integral. También, una persona puede usar el cálculo integral para deshacer un método de cálculo diferencial. Esto es como usar la división para "deshacer" la multiplicación, o la suma para "deshacer" la resta.

En una sola frase, el teorema fundamental dice algo así "La derivada de la integral de una función f es la propia función".

Otros usos del cálculo

El cálculo se utiliza para describir cosas que cambian, como las cosas de la naturaleza. Se puede utilizar para mostrar y aprender todo esto:

• Cómo se mueven las olas. Las ondas son muy importantes en el mundo natural. Por ejemplo, el sonido y la luz pueden considerarse ondas.
• Donde el calor se mueve, como en una casa. Esto es útil para la arquitectura (construcción de casas), para que la casa sea lo más barata posible de calentar.
• Cómo actúan cosas muy pequeñas como los átomos.
• La velocidad a la que cae algo, también conocida como gravedad.
• El funcionamiento de las máquinas, también conocido como mecánica.
• La trayectoria de la luna cuando se mueve alrededor de la tierra. También, la trayectoria de la tierra cuando se mueve alrededor del sol, y cualquier planeta o luna que se mueva alrededor de cualquier cosa en el espacio.