Transcripción

1 Guía Propedéutica

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13 Matemáticas Aplicada

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15 ÍNDICE UNIDAD I. Métodos de integración 8. Inmediatas 8. Integración por partes.. Integración por sustitución o cambio de variable Integración por fracciones parciales. 7 UNIDAD II. La integral como área bajo la curva. 7. Áreas por aproximación de límites de sumas. 7. Suma de Riemann.. 4. Integral definida Teorema fundamental del cálculo 54.5 Calculo del área de regiones comprendidas entre dos curvas 54 UNIDAD III. Aplicaciones de la integral 57. Calculo de volúmenes 57. Aplicación del cálculo integral en la geometría.. 6. Aplicación del cálculo integral en la física Aplicaciones a la economía BIBLIOGRAFÍA 7 5

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17 Objetivo: El alumno: Resolverá problemas sobre razones de cambio y la derivada, aplicando sus principios, conceptos y reglas en la interpretación gráfica de contextos de las ciencias naturales, económico-administrativas y sociales; contribuyendo a generar un ambiente escolar colaborativo y responsable. 7

18 UNIDAD I. MÉTODOS DE INTEGRACIÓN COMPETENCIA: Formula y resuelve problemas relacionados con la integral indefinida, aplicando diferentes métodos. SABERES:. Inmediatas.. Integración por partes.. Integración por sustitución o cambio de variable. 4. Integración por fracciones parciales.. Inmediatas. Para el cálculo de integrales indefinidas por el método de integración inmediato se utilizan las reglas básicas de integración. Reglas básicas y propiedades de la integral indefinida:. 0 dx C 7. senxdx cos x C. kdx kx C 8. sec xdx tan x C. kf ( x) dx k f ( x) dx 9. sec x tan xdx secx C 4. [ f ( x) g( x)] dx f ( x) dx g( x) dx 0. csc xdx cot x C 5. n n x x dx n C, n la potencia) 6. cos xdx senx C (Regla de. csc x cot xdx cscx C EJEMPLO : Encontrar: x 5 dx n n x Utilizando la regla de la potencia x dx C, n : n Solución: 5 6 x x 6 x 5 6 C 8

19 EJEMPLO : Encontrar: 6 x 4 dx Solución: reescribimos 4 x x 6 x 4 dx 6 6 C 4 x EJEMPLO : Encontrar: x x dx Solución: reescribimos x x dx 4 x x x x x x c EJERCICIO. Reescribir antes de integrar Individualmente completa la tabla reescribiendo la integral original y resuelve por el método de integración inmediata. Integral original Reescribir Integrar Simplificar. dx x 5. x dx. senxdx 4. xdx 5. x ( x 4) dx 9

20 EJERCICIO. En equipo de tres personas resuelve las siguientes integrales por el método de integración inmediata utilizando las fórmulas y reglas de integración. Ejercicios ( x 4)dx Solución x 4x c ( x)dx x x c (4x 6x ) dx x x c x 4 x 5x c (4x 9x 5) dx ( x 4x ) dx 5 x x x 5 c x x dx x x c ( x )(x ) dx x x x c ( t ) dx 4 t 6t 9t c ( 4senx cosx) dx 4 cos senx c ( 4 cscx cot x) dx 4 x cscx c SOLUCIONES: EJERCICIO. Reescribir antes de integrar. c 4x 4 x x c. c x. cos c 4. c 4 x

21 . Integración por partes. De la derivada del producto de dos funciones obtenemos la fórmula de la derivación por partes. ( u. v)' u'. v u. v' que se puede escribir d ( u. v) du. v u. dv Tomando integrales en los dos miembros de la igualdad tendremos: d ( u. v) du. v u. dv Teniendo en cuenta que la integral de la derivada de una función es la misma función y utilizando la notación de integral tendremos: u. v du. v u. dv Despejando llegamos a la fórmula de integración por partes u. dv u. v v. du que permite calcular la integral de un producto de dos funciones Seleccionamos u de manera que se simplifique al derivar, y dv que sea fácilmente integrable. En caso de reiterar el método, elegimos los mismos tipos de funciones en cada paso. Teniendo en cuenta que dv = v y que du = u La fórmula también se puede escribir:

22 Ejemplos:.- Hallar la xsenxdx Solución: Sean u x du dx dv senxdx v cos x Sustituyendo en la formula de integración por partes tenemos: x cos x cos xdx x cos x cos xdx dado que cos udu senu c finalmente nos queda: xsenxdx xcos x senx c.- Hallar la x ln xdx Si al integrar por partes tenemos un polinomio de grado n, lo tomamos como u y se repite el proceso n veces. Solución: Sean dx x u lnx du dv x dx v x Sustituyendo en la formula de integración por partes tenemos: x lnx x x dx x ln x x dx x lnx x por lo tanto: x ln xdx = x lnx x 9 c

23 .- Hallar la x xdx Solución: Sean u x du dx dv xdx v x Sustituyendo en la formula de integración por partes tenemos: x x x dx x x x 5 5 = x x 4 5 x 5 por lo tanto: x xdx = x x 4 5 x 5 c 4.- Hallar la sen xdx Solución: Sean u senx du cosxdx dv senxdx v cos x c Sustituyendo en la formula de integración por partes tenemos: cos xsenx cos x cos xdx cos xsenx cos xdx Aplicando la identidad senxcos x senx tenemos: senx sen xdx senx dx sen xdx

24 ya que la expresión original es procedimiento, se procederá a sumar ambas expresiones: sen xdx y nuevamente nos resulta en el sen xdx por lo tanto: senx dx sen xdx sen xdx senx dx senx x sen xdx = 4 senx x c. Integración por sustitución o cambio de variable. Con un cambio de variables formal se puede reescribir la integral en términos de u y du (o cualquier otra variable), esto resulta útil para integrandos complicados. Si u=g(x) y du=g (x) dx la integral toma la siguiente forma: f ( g( x)) g'( x) dx f ( u) du F( u) c EJEMPLO : Encontrar: x dx Solución: u x du dx dx du du x dx u Integrar en términos de u. u du u c u 9 c ( 9 x ) c Resultado en términos de x. 4

25 EJEMPLO : Encontrar: x x dx Solución: u x du dx dx du x u u du x x dx u Integrar en términos de u. 9 5 u u u u du c u u c 45 5 (x ) (x ) 7 c Resultado en términos de x. EJEMPLO : Encontrar: ( senx) cosxdx Solución: du u sen x du cosxdx cosxdx du ( sen x) cosxdx u Integrar en términos de u. u du u c u 6 c ( senx) 6 c Resultado en términos de x. 5

26 EJERCICIO. Identificando a u y du Individualmente completa la tabla identificando u y du para cada integral. Integral en términos de x U du. (4x ) 8xdx. x x dx x. dx x 4 4. (x 4) (6x ) dx dx 5. 4 ( 5x ) EJERCICIO. Individualmente integra con cambio de variable. Ejercicios Soluciones xdx x c dx x x c x x dx x c 9 xdx x lnx 4 c x x dt x c 6

27 4 4x (4)dx 5 4x 5 c x ( x) dx ( x ) c 4t dt 4t c xdx ( x ) 4( x ) c t tdx t 4 5 t 5 7 t 7 c SOLUCIONES: EJERCICIO. Identificando a u y du Número u Du 4x 8 xdx x x dx x xdx 4 x 4 6 x dx 5 5x 5 dx 7

28 .4 Integración por fracciones parciales. Función Raciona Una función racional es aquella en que tanto el numerador como el denominador son expresiones en donde la variable tiene solamente exponentes enteros y positivos. Es una función racional, donde P y Q son polinomios. Si el grado de P es menor que el grado Q entonces f(x) es una fracción racional propia; en caso contrario es impropia. Las fracciones racionales propias se pueden expresar como una suma de fracciones simples. EJEMPLO. Calcular por fracciones parciales Dividiendo entre x+, entonces: Para poder aplicar este método de integración, es importante recordar los siguientes puntos: a) Factorización b) Los procedimientos para la solución de un sistema de ecuaciones lineales c) Solución de integrales inmediatas. 8

29 Una vez que Q(x) se ha factorizado, el procedimiento para determinar las fracciones parciales depende de la naturaleza de los factores lineales y cuadráticos. Se pueden presentar cuatro casos. CASO. Todos los factores lineales del denominador son distintos. Factorizando denominador: La descomposición por fracciones parciales seria: Simplificando la fracción: A= 9

30 Sustituyendo: Simplificando Caso. Algunos de los factores lineales del denominador se repiten Por división sintética: 0

31 Eliminando A de () y (): Eliminando A de () Y () (4) Formando un sistema con (4) y (5) CASO : Todos los factores cuadráticos del denominador son distintos Resolver: x x x 4 x 4x x dx

32 Resolviendo el denominador por división sintética x x x x x x A B x x Cx D x x A x x B x x x Cx D x x x x = Ax Ax A Bx Bx Bx B Cx Cx Cx Dx Dx D = x x x x B C x A B C D x A B C D A B D x x x Formando un sistema de ecuaciones: B +C =0 () A +B +C +D = () A +B +C +D = () A +B +D =0 (4) RESOLVIENDO EL SISTEMA DE ECUACIONES ELIMINANDO B DE () Y () (-) B +C =0 () A +B +C +D = () -B -C =0 () A +B +C +D = () A +D = (5)

33 Eliminando B de () y () (-) B +C =0 () A +B +C +D = () -B - =0 () C A +B +C +D = () A -C +D = (6) ELIMINANDO B DE () Y (4) (-) B +C =0 () A +B +D =0 (4) -B -C =0 () A +B +D =0 (4) A -C +D =0 (7) ELIMINANDO C DE (6) Y (7) (-) A -C +D = (6) A -C +D =0 (7) A -C +D = (6) -A +C -D =0 (7) D =

34 DESPEJANDO A DE (5) A=-D A=- A= Despejando C de (6) C=A+D- C= ()+()- C= Despejando B de () B=-C B=-() B=- Sustituyendo incógnitas en integral: x x x x x dx = x dx x dx x x x dx = u x u x x du dx du x dx = u du ln x ln x x = x ln x ln x x c CASO 4: Algunos factores cuadráticos del denominador se repiten. Por cada factor de la forma ax bx c n que resulte de la factorización de Q(x), le corresponde una suma de n fracciones de la forma: Ax B Cx D... ax bx c n ax bx c n Lx M ax bx c 4

35 Ejemplo: x x x x dx= factorizando el denominador: x x x x x como los factores cuadráticos se repiten: x x Ax B Cx D x x x x x Ax B Cx D x Ax B Cx Cx Dx D x x x Formando un sistema de ecuaciones: C = () D =0 () A +C = () B +D = (4) DESPEJANDO A DE () A=-C A=- A=- DESPEJANDO B DE (4) B=-D B=-0 B= La integral a resolver es: x x x x dx = x x dx x x dx 5

36 u x du xdx u du ln x u ln x c= = x ln x c.- EJERCICIOS: Individualmente resolver las siguientes integrales por fracciones parciales.- x x x 6 dx Solución: 9 5 ln x 4 5 ln x c.- x x x 4x 6x 4 dx Solución: ln x tan x c.- 0 x x x dx Solución: 4.- 4x 5x 0 x x 0x dx Solución: ln x ln x 5 ln x c au 6

37 UNIDAD II. LA INTEGRAL COMO ÁREA BAJO CURVA. Áreas por aproximación de límites de sumas. Notación sigma En el capitulo anterior se estudio la antiderivada. En esta capitulo se estudiara el problema de encontrar el área de una región en el plano. A primera vista estas dos ideas parecen no relacionarse entre sí. Aunque se estudiara que se relacionan de una manera muy estrecha por medio del teorema fundamental del cálculo. Por lo cual empezaremos estudiando la notación sigma. Debido a que se nota con la letra griega mayúscula sigma.. Notación sigma La suma de n términos a₁, a₂, aᴣ, an se escribe en notación matemática como Donde i es índice de suma, ai es el i-esimo término de la suma y los limites superior e inferior de la suma son n y Nota: los límites inferior y superior han de ser constantes respecto al índice de suma. Sin embargo el límite inferior no siempre tiene que ser uno, puede tomar cualquier valor menor o igual al límite superior. Ejemplo. Como desarrollar una sumatoria. 7

38 d) e) f) En ocasiones tendremos que realizar el proceso inverso al expresar una suma en forma de sumatoria, en los siguientes ejemplos intentaremos aclarar cómo se realiza. Por ejemplo en la siguiente suma:, el termino inicial es i = y el termino final es i = 9, la variación que se presenta es que el denominador es mayor por una unidad que el numerador, por ello una posible representación de la sumatoria es: Las siguientes propiedades de la suma empleando la notación sigma se dice a las propiedades asociativas y conmutativas de la suma y de las propiedades distributivas de la suma sobre la multiplicación.(primera propiedad, k es una constante). 8

39 Teorema suma: El problema del área. Probablemente se tiene una idea intuitiva de que el área de una figura geométrica es la medida que proporciona el tamaño de la región encerrada por dicha figura. El área de un polígono puede definirse como la suma de las áreas de los triángulos en que puede ser descompuesto y se puede demostrar que el área obtenida es independiente de cómo se descompuso el polígono en triángulos. Esta idea de trabajo es muy antigua y fue propuesta por primera vez por el sabio griego Antifón alrededor del año 40 a.c. y se conoce como el "método del agotamiento". Un problema mucho más difícil es hallar el área de una figura curva. El método griego del agotamiento consistía en inscribir polígonos en la figura y circunscribir otros polígonos en torno a ella, aumentar el número de los lados de los polígonos y hallar el área buscada. Eudoxo consiguió de esta manera encontrar la fórmula para calcular el área de un círculo. Teniendo en cuenta el uso del método dado por Eudoxo, se lo conoce como método de exacción de Eudoxo y el mismo fue empleado tiempo después por Arquímedes para resolver problemas de este tipo. Hasta aquí tenemos una idea intuitiva de lo que es el área de una región y que, calcular áreas de regiones con lados rectos resulta sencillo. Sin embargo no es fácil hallar el área de una región limitada por lados que son curvos. También podemos observar, sin mayores inconvenientes que: El área de una región plana es un número (real) no negativo. Regiones congruentes tienen áreas iguales. El área de la unión de dos regiones que se superponen sólo por un segmento es la suma de las áreas de las dos regiones. Si una región está contenida en una segunda el área de la primera es menor o igual que el área de la segunda. 9

40 Aproximación del área de una región plana. Cómo encontramos el área de una región limitada por los ejes coordenados positivos si conocemos la expresión analítica de la función que la limita? El desafío es encontrar el área bajo la gráfica de, desde x = 0 a x =. Debemos encontrar el valor del área representada gráficamente. Si tenemos en cuenta la forma de trabajo usada por Arquímedes una aproximación de esta región se puede encontrar usando dos rectángulos. La altura del primer rectángulo es f(0) = y la altura del segundo rectángulo es. El ancho de cada rectángulo es.5 El área total de los dos rectángulos es: Como observamos en la gráfica esta aproximación es mayor que el área real. Para lograr una mejor aproximación podemos dividir el intervalo [0, ] en tres partes iguales, cada uno de una unidad de ancho. 40

41 La altura del primer rectángulo es f(0), la del segundo es f() y la del tercero f(). En todos los casos el ancho del sub-intervalo es es decir, la medida de la base es unidad. El área total de los tres rectángulos es: Área 8,0644 unidades cuadradas. Aquí podemos observar que esta aproximación se ve mejor que la anterior pero aún es mayor que el área real buscada. Para mejorar la aproximación podemos dividir el intervalo en seis partes con anchos iguales, es decir considerar como medida de la base de cada rectángulo 0,5 unidades. rectángulo x F(x) Ancho de base Área

42 Área total U² Debemos seguir haciendo tantos cálculos o intentamos buscar otra forma más sencilla para resolver este problema...? Si visualizamos gráficamente esta situación, a medida que el número n de rectángulos es cada vez más grande observamos que la suma de sus áreas se acerca cada vez más al área real de la región. En este caso podemos decir que el área real es el límite de esas sumas cuando n crece indefinidamente, lo que puede escribirse: Área = (suma de las áreas de los n rectángulo) Es bueno saber que el método de aproximación usado es básico para la comprensión intuitiva del Cálculo Integral. Ejercicios de evaluación: A. Desarrolla las siguientes sumas = = = 0. 4

43 B. expresa las siguientes sumas en notación de sumatorias Suma de Riemann. Suma de Riemann como te darás cuenta las aproximaciones son mejor que las anteriores (entre mas rectángulos se tengan). Imagínense que ahora podemos dividir el intervalo en una infinidad de sub-intervalos y no necesariamente del mismo tamaño, es decir, de longitudes diferentes e inclusive con rectángulos por debajo de la curva, donde la curva seria ahora la función evaluada en cada sub-intervalo. Luego entonces el procedimiento anterior lo podemos generalizar bajo el contexto del límite tal como se hizo con la derivada, es decir el área aproximada tanto por debajo de la curva como por encima de esta. En la definición de área, las particiones tenían sub-intervalos de igual ancho. Esto se hizo por conveniencia del cálculo. El siguiente ejemplo muestra que no es necesario tener sub-intervalos de igual ancho. Ejemplo Una partición con anchos desiguales. Considere la región acotada por la grafica de muestra en la figura, encontrar el límite., como se 4

44 Donde ci es el punto terminal derecho de la partición dada por y Solución: el ancho del i-esimo intervalo esta dado por:. De tal modo el límite es: Definición de la suma de Riemann. Sea f definida en el intervalo cerrado, y sea una partición de dada por Donde es el ancho del i-esimo sub-intervalo. Si ci es cualquier punto en el i-esimo sub-intervalo entonces la suma. Se denomino suma de Riemann de f para la partición. C. en n sub-intervalos iguales y finalmente calcule el área del poligonal circunscrito correspondiente.. f(x) = x +; a=, b= y n=. f(x) = x-; a=, b= y n= 4. f(x)= x² + ; a=0, b= y n= 6 4. f(x)= x² +; a=-, b= y n=8 44

45 . Integral definida. Sea f una función continua definida para a x b. Dividimos el intervalo [a, b] en n sub-intervalos de igual ancho. Sean x 0 a y x n b y además x 0, x,..., x n los puntos extremos de cada sub-intervalo. Elegimos un punto t i en estos sub-intervalos de modo tal que t i se encuentra en el i- ésimo sub-intervalo [x i, x i ] con i,.., n. Entonces la integral definida de f de a b es el número.la integral definida es un número que no depende de x. Se puede utilizar cualquier letra en lugar de x sin que cambie el valor de la integral. Aunque esta definición básicamente tiene su motivación en el problema de cálculo de áreas, se aplica para muchas otras situaciones. La definición de la integral definida es válida aún cuando f(x) tome valores negativos (es decir cuando la gráfica se encuentre debajo del eje x). Sin embargo, en este caso el número resultante no es el área entre la gráfica y el eje x. Observación: La suma que aparece en la definición de integral definida se llama suma de Riemann en honor al matemático alemán Bernahrd Riemann. Su definición incluía además sub-intervalos de distinta longitud. Límite superior de integración Signo de integración x, la variable a integrar Propiedades de la integral definida: Límite inferior de integración. El valor de la integral definida cambia de signo si se permutan los límites de integración.. Si los límites que integración coinciden, la integral definida vale cero. 45

46 . Si c es un punto interior del intervalo [a, b], la integral definida se descompone como una suma de dos integrales extendidas a los intervalos [a, c] y [c, b]. 4. La integral definida de una suma de funciones es igual a la suma de integrales 5. La integral del producto de una constante por una función es igual a la constante por la integral de la función. Integral Sea f(t) una función continua en el intervalo [a, b]. A partir de esta función se define la función integral: Depende del límite superior de integración. Para evitar confusiones cuando se hace referencia a la variable de f, se la llama t, pero si la referencia es a la variable de F, se la llama x. Geométricamente la función integral, F(x), representa el área curva y = f(t), el eje de abscisas y las rectas t = a y t = x. limitada por la A la función integral, F(x), también se le llama función de áreas de f en el intervalo [a, b]. 46

47 La regla de Barrow dice que la integral definida de una función continua f(x) en un intervalo cerrado [a, b] es igual a la diferencia entre los valores que toma una función primitiva G(x) de f(x), en los extremos de dicho intervalo. Ejemplos: Calcular las siguientes integrales definidas aplicando la regla de Barrow... =. El teorema fundamental del cálculo dice que la derivada de la función integral de la función continua f(x) es la propia f(x). F'(x) = f(x) El teorema fundamental del cálculo nos indica que la derivación y la integración son operaciones inversas. Al integrar una función continua y luego derivarla se recupera la función original. 47

48 Problemas propuestos: =. Evalúa las siguientes integrales. 5. 7). 6. 8). 7. 9) ). = 9. 4). 0. 4) ). 45) 4. 46) 5. 47) 6. 48) 48

49 Teorema de la media o del valor medio para integrales Si una función es continua en un intervalo cerrado [a, b], existe un punto c en el interior del intervalo tal que: Ejemplo: Hallar el valor de c, del teorema de la media, de la función f(x) = x en el intervalo [ 4, ]. Como la función es continua en el intervalo [ 4, ], se puede aplicar el teorema de la media. 6= f(c)= = c= La solución positiva no es válida porque no pertenec e al intervalo Área entre una función y el eje de abscisa. 49

50 La función es positiva Si la función es positiva en un intervalo [a, b] entonces la gráfica de la función está por encima del eje de abscisas. El área de la función viene dada por: Para hallar el área seguiremos los siguientes pasos: º Se calculan los puntos de corte con el eje X, haciendo f(x)=0 y resolviendo la ecuación. º El área es igual a la integral definida de la función que tiene como límites de integración los puntos de corte. Ejemplo:. Calcular el área del recinto limitado por la curva y = 9 x y el eje X. En primer lugar hallamos los puntos de corte con el eje OX para representar la curva y conocer los límites de integración. Como la parábola es simétrica respecto al eje Y, el área será igual al doble del área comprendida entre x = 0 y x =. 50

51 . Calcular el área limitada por la curva, y el eje X las rectas= 6, x=. Calcular el área del triángulo de vértices A(, 0), B(6, ),C(8, 0). Ecuación de la recta que pasa por AB: Ecuación de la recta que pasa por BC: = = = 5

52 . Cuando la función es negativa Si la función es negativa en un intervalo [a, b] entonces la gráfica de la función está por debajo del eje de abscisas. El área de la función viene dada por: Ejemplo. Calcular el área del recinto limitado por la curva y = x 4x y el eje X.. Hallar el área limitada por la curva y = cos x y el eje x entre π/ y π/. 5

53 4. Cuando la función toma valores positivos y negativos En ese caso de que la grafica tiene zonas por abajo y por arriba del eje x. Para calcular el área de la función seguiremos los siguientes pasos: º Se calculan los puntos de corte con el eje X, haciendo f(x) = 0 y resolviendo la ecuación. º Se ordenan de menor a mayor las raíces, que serán los límites a integrar º El área es igual a la suma de las integrales definidas en valor absoluto de cada intervalo. Ejemplos: ) Hallar el área limitada por la recta, el eje de abscisas y las ordenadas correspondientes a x = 0 y x = 4. 5

54 .4 Teorema fundamental del cálculo. Definimos la siguiente función: S(x) = x a f (x)dx y por lo tanto S(x+ x) = x x f a (x)dx S = S(x+ x)-s(x)= x a x f (x)dx - x a x x f (x)dx = f (x)dx f (c) x S s f (c) lim lim f (c) S'(x)=f(x) pues c tiende a x cuando incremento de x x x 0 x x 0 tiende a cero. Por lo tanto S(x) es una primitiva de f(x). x.5 Cálculo del área de regiones comprendidas entre dos curvas. El calcular el área comprendida entre dos unciones es igual al área de la función que está situada por encima menos el área de la función que está situada por debajo. Ejemplos ). Calcular el área limitado por la parábola y = x² + y la recta que pasa por los puntos (, 0) y (, 4). 54

55 y=x²+ Y=x+ ) Hallar el área de la figura limitada por: y = x, y = x, x = 0, x = en los puntos de corte de la parábola y la recta y = x. De x=0 x =, la recta queda por encima de la parábola De x = a x =, la recta queda por debajo de la parábola 55

56 Evalúa las siguientes áreas bajo la curva. ) Hallar el área limitada por la recta x + y = 0, en el eje x y las ordenadas x = y x = 8. ) Calcular el área del recinto limitado por la curva y = 9 - x² en el eje 0X. ) Calcular el área del triangulo de vértices A (, 0 ), B ( 6, ), C ( 8,0 ). 4) Calcular el área limitada por la grafica de las funciones y² = 4x e y = x². 5) Calcular el área limitada por la curva xy=6 en el eje X y las rectas x=6, x=. 6) Calcular el área limitada por la curva y = (- x²) y la recta y = -. 7) Calcular el área del resinto limitado por la parábola y = x² + y la recta que pasa por los puntos (-, 0) y (, 4). 8) Hallar el área limitada por la recta, el eje de abscisas y las ordenadas correspondientes a x = 0 y x = 4. 9) Calcular el área limitada por la curva y = 6x x y el eje de abscisas. 0) Hallar el área de la región del plano limitada por las curvas y = ln x, y = y los ejes coordenados. ) Calcular el área de la región del plano limitada por el círculo x + y = 9. ) Hallar el área de una eli pse de semiejes a y b. ) Calcular el área de la región del plano limitada por la curva: f(x) = x 4x + y el eje OX. 4) Hallar el área de la figura limitada por: y = x, y = x, x = 0, x = 5) Hallar el área del recinto plano y limitado por la parábola y = 4x x y las tangentes a la curva en los puntos de intersección con el eje OX 56

57 UNIDAD III. APLICACIONES DE LA INTEGRAL. Cálculo de volúmenes. El volumen del cuerpo de revolución engendrado al girar la curva f(x) alrededor del eje OX y limitado por x = a y x = b, viene dado por: Ejemplos. Hallar el volumen engendrado por las superficies limitadas por las curvas y las rectas dadas al girar en torno al eje OX: y = sen x = 0x = π. Calcular el volumen del cilindro engendrado por el rectángulo limitado por las rectas y =, x = y x = 4, y el eje OX al girar alrededor de este eje.. Calcular el volumen de la esfera de radio r. Partimos de la ecuación de la circunferencia x² + y² = r². esfera. Girando un semicírculo en torno al eje de abscisas se obtiene una 57

58 4. Calcular el volumen engendrado por la rotación del área li mitada por la parábola y = x y la recta x =, alrededor del eje OY. Como gira alrededor del eje OY, aplicamos: El volumen será la diferencia del engendrado por la rec ta y el engendrado por la parábola entre los extremos y = 4 e y = 4. Como la parábola es simétrica con respecto al eje OX, el volumen es igual a dos veces el volumen engendrado entre y = 0 e y = Hallar el volumen del elipsoide engendrado por la elipse 6x + 5y = 400, al girar: 58

59 Alrededor de su eje mayor. Alrededor de su eje menor. Como la elipse es simétrica al respecto de los dos ejes el volumen es el doble del engendrado por la porción de elipse del primer cuadrante en ambos casos. 6. Calcular el volumen engendrado al girar alrededor del eje OX el recinto limitado por las gráficas de y = x x, y = x +. Puntos de intersección entre la parábola y la recta: 59

60 La parábola está por encima de la recta en el intervalo de integración. Evalúa los siguientes volúmenes. ) Hallar el volumen del tronco de cono engendrado por la rotación alrededor OX del área limitada por y = 6 x, y = 0, x = 0, x = 4. ) Calcular el volumen que engendra un triángulo de vértices A(, 0), B(6, ), C(8, 0) al girar 60 alrededor del eje OX. ) Hallar el volumen del tronco de cono engendrado por el trapecio que limita el eje de abscisas, la recta y = x + y las coordenadas correspondientes a x = 4 y x = 0, al girar alrededor de OX. 4) Calcular el volumen engendrado por una semionda de la sinusoide y = sen x, al girar alrededor del eje OX. 5) Calcular el volumen engendrado al girar alrededor del eje OX el recinto limitado por las gráficas de y = x x, y = x +. 6) Hallar el volumen del cuerpo revolución engendrado al girar alrededor del eje OX, la región determinada por la función f(x) = / + cos x, el eje de abscisas y las rectas x = 0 y x = π. 7) Calcular el volumen del cuerpo engendrado al girar alrededor del eje OX el recinto limitado por las gráficas de y = 6x x, y = x. 60

61 8) Hallar el volumen engendrado por el círculo x + y 4x = al girar alrededor del eje OX. 9) Hallar el volumen de la figura engendrada al girar la elipse alrededor del eje OX.. Aplicación del cálculo integral en la geometría. ) Encuentre la ecuación de la recta tangente a la curva y = x² + que sea paralela a la recta 8x y + = 0 Solución: y = x² + sea : m = pendiente de la recta tangente a la curva, entonces m= y' = 4x () 8x y + =0, y = 8X + () Si m = 8 () Ahora como las dos rectas de interés son paralelas entre sí, tienen pendientes iguales, por lo que se iguala la ecuación () y () se obtiene: 4x =8, x = (4) Solución: ) Obtenga la ecuación de la recta tangente a la curva, que sea perpendicular a la recta x - y =0 Sea 6

62 m = pendiente de la recta tangente a la curva, entonces m= y' = -/ x () x y = 0, y = x () Si m es la pendiente de la recta definida por () entonces m = () Ahora como las rectas referidas son perpendiculares entre si, el producto de sus pendientes es igual a -, esto es (m)(m) = - m = -/m (4) sustituyendo () en (4), se obtiene m = -/, m = - (5) Igualando (5) en (), se obtiene Para obtener la ordenada del punto de tangencia, sustituimos (6) en ecuación original, se tiene: (7) 6

63 De (5), (6) y (7) y la forma del punto pendiente para la ecuación de la recta, se tiene: Por lo tanto, es la ecuación buscada. ) Halle la ecuación de la recta tangente a la curva, en el punto (,4) Solución: Y = x³ -4 (0) Sea m= pendiente de la recta tangente a la curva, entonces m= y' = x² () m() = ()² = x4 = () el punto de tangencia P, coordenadas es P(,4) () de () y () y la forma punto pendiente para la ecuación de una recta se tiene; y= ( x ) - 4, y = x 8 por lo tanto x y -8 =0 es la ecuación buscada. grafica de ecuación 6

64 4) Determine una ecuación de la recta normal de la curva y = 0(4 - x²) en el punto (4,5). Solución: Y = 0 / (4 - x²) = (0) Sea m = pendiente de la recta tangente a la curva, entonces: m = y' = = () = 0 () Hemos hallado que la pendiente de la recta tangente a la curva en el punto (4. -5) tiene un valor numérico de 0. Como la recta normal a la curva en un punto determinado es aquella recta perpendicular a la tangente en dicho punto, el valor de la pendiente m de la normal que buscamos es: () El punto tangente P, coordenadas, es P (4,-5) (4) De () y (4) y de la forma punto pendiente para la ecuación de la recta, se tiene: Por lo tanto x + 0y + 96 =0 ecuación buscada 64

65 5) Determine una ecuación para cada una de las rectas normales de la curva y = x³ -4x, paralelas a la recta x +8y -8 =0 65

66 . Aplicación del cálculo integral en la física. 66

67 67

68 .4 Aplicaciones a la economía. 68

69 69

70 70

71 BIBLIOGRAFÍA Calculo diferencial e integral Pearson (Pretice Hall) Purcell, Varberg, Rigdon Novena edición Calculo diferencial e integral Mc Graw Hill Larson-Hostetler- Eduards Séptima edición Cálculo trascendente temprano Internacional Thomson Editores Steward, James Quinta edición