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  • 1. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012ALEJANDRO PINTOC.I.:20.926.929MATEMATICA II LA INTEGRAL DEFINIDAEn este tema nos vamos a preguntar sobre cómo podemos calcular áreas encerradas por una curvaentre dos valores determinados.Hay casos en los que su cálculo es fácil como por ejemplo el caso de la función f(x)= x + 1 entre losvalores x=0 y x=3 Bastaría descomponer la región en un rectángulo y un triángulo y sumar sus áreas correspondientes para obtener el resultado final: Área encerrada = 7,5 u2Sin embargo, en otros casos no es posible realizar elcálculo de un forma tan simple puesto que la funciónque delimita la región correspondiente es curva.Observemos si no el caso de la función f(x)=x3-3x+3 enel intervalo x=0 y x=2. Tendremos que introducir entonces nuevos conceptos para solucionar dicho problema: el deintegral definida.El concepto de integral definida surge como respuesta al problema del cálculo del área de unadeterminada región del plano. Su origen se remonta al saber griego, concretamente a Eudoxio, queda nombre al denominado “método de exhausción”, posteriormente difundido por Aristóteles.(básicamente consiste en dividir la región en rectángulos y calcular la suma de todas las áreas) El método de exahusción será el principio que dará pie a la actual formulación de integraldefinida y que veremos de forma breve a continuación.2.- Integral definida. Definiciones y propiedades. 1
  • 2. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012Definición: Dada una función no negativa f(x), y un intervalo [a, b] en el cual la función estédefinida, llamaremos integral definida de f(x) en [a, b] al área encerrado por la curva f entre a y b,y el eje OX. bLo denotaremos f ( x)dx , a b R Área de f ( x) f ( x)dx Integral definida de f ( x) en a, b aDefinición: Dado un intervalo [a, b], llamaremos partición de ese intervalo a un conjuntocualquiera de puntos de [a, b], P = {x0, x1, x2, ……. , xn} tales que: a = x0 < x1 < x2 < x3 <……..< xn = b.Definición: Llamaremos diámetro al mayor de los números x1 – x0, x2 – x1, ………., xn – xn-1. Consideramos entonces una función f(x) definida en un intervalo [a, b], y tracemos rectángulos debase los anteriores divisiones hechas en ese intervalo y de altura el menor y el mayor de los valoresde la función, respectivamente, en dichas divisiones. Obtendremos una aproximación conrectángulos por defecto y otra aproximación de rectángulos por exceso. Aproximación con rectángulos por exceso Aproximación de rectángulos por defecto 2
  • 3. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012Como puede verse, el área encerrada por la curva se encuentra entre una y otra aproximación, a lasque llamamos sumas inferior (Sinf ) y superior de Riemann (Ssup) respectivamente, asociadas a lapartición P. Sinf < Área de f(x) < Ssup Cuando vamos tomando particiones con un diámetro cada vez menor, entonces esasaproximaciones son cada vez más próximas entre sí y, por tanto, al verdadero valor del área, deforma que cuando el diámetro de la partición tiende a 0 las aproximaciones tienden a dicho área. Cuando n tiende a infinito, es decir, cuando aumenta el número de subintervalos, entonces: b lim S inf lim S sup f ( x)dx Área de f ( x) Integral definida n n a A esto se le conoce como integral de Riemann y viene a decir que el área encerrada por unafunción equivale a una suma infinita de rectángulos, bien superiores o bien inferiores, ya que en elfondo, suman lo mismo.Propiedades de la integral definida. Dada una función integrable f en [a, b], entonces: bo Si f 0 en [a, b] entonces f ( x)dx 0. (es decir, si la función es positiva, el valor de la integral a también lo será. Por tanto, cuando la función sea negativa, la integral será también negativa) ao f ( x)dx =0. a b c bo Si a < c < b, entonces: f ( x)dx = f ( x)dx + f ( x)dx a a c b ao f ( x)dx = f ( x)dx a b b b bo f ( x)dx + g ( x)dx = ( f ( x) g ( x))dx a a a 3
  • 4. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012 b bo k f ( x)dx = k · f ( x)dx a a3.- Teorema fundamental del cálculo integral. Antes de demostrar el teorema fundamental, debemos dar una serie de definiciones y demostrarotro teorema previo.Teorema del valor medio del cálculo integral: b Si f es continua en [a, b], entonces existe c [a, b] tal que: f ( x)dx = f(c)·(b – a) aDemostración:Si f(x) es continua entonces alcanza un valor máximo M y uno mínimo m en [a,b] luego el área dela función estará comprendida entre la del rectángulo pequeño, de altura m y área m·(b-a), y el áreadel rectángulo grande, de altura M y área M(b-a), es decir: b M m(b-a) f ( x )dx M(b-a) , aque dividiendo entre (b-a) nos queda: f(x) b f ( x )dx m a m M b a a b Como la función f(x) es continua, toma todos los valores comprendidos entre el máximo y elmínimo, ya que se debe cumplir el teorema de Darboux es decir, k [m,M], c [a, b] tal quef(c)=k b f ( x )dx aConcretamente si k= (que es un valor comprendido entre m y M) entonces, b a b f ( x )dx b c [a, b] tal que f(c)= a o equivalentemente, c [a, b] tal que f ( x )dx f (c)·( b a ) b a a 4
  • 5. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012 Definición: Dada la función f, definida en [a, b], llamamos función área asociada a f(x) a la función x F(x) = f ( x)dx , x [a, b]. Dicha función determina el área encerrado por la función f(x) entre a a y x. Ejemplo: ¿Cuál es F(x), la función área asociada a f(x)=x+1 en el intervalo 0,2 ? Teniendo en cuenta que dicha función F(x) representa el área encerrada por la función f(x)=x+1 entre a y x, dibujemos la gráfica y calculemos dicha área: Podemos comprobar que el área encerrada entre a y x por la función f(x)= f(x)=x+1 x+1 es: Área del rectángulo = x x·x x 2 Área triángulo = 2 2x+1 Área encerrada por f(x)=x+1 entre a y x 1 x+1 x2 área asociada x 2 0 x x Por tanto, hemos llegado a la conclusión que si nos dan la función f(x)=x+1 su función área x2 asociada es F ( x) x 2 ¿Será casualidad que si derivamos F(x) obtengamos f(x)? es decir, ¿será casualidad que F(x) sea una primitiva de f(x)? Pues no es casualidad, como lo demuestra el siguiente teorema: Teorema fundamental del cálculo integral. x Si f(x) es una función continua en [a, b], entonces su función asociada F(x) = f ( x)dx , con x [a, a b], es derivable y se verifica que F‟(x) = f(x). (es decir, la función asociada de f(x) es una primitiva suya) Demostración: Por definición, tenemos que: 5
  • 6. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012 F ( x h) F ( x ) F‟(x) = lim h 0 h Además, por las propiedades 4 y 3 de las integrales definidas: x h x x h F(x+h) – F(x) = f ( x)dx - f ( x)dx = f ( x)dx a a x Y por el teorema del valor medio del cálculo integral, c [x, x+h] tal que: x h f ( x)dx = f(c)·(x + h – x) = f(c)·h x Teniendo en cuenta todo lo anterior: F ( x h) F ( x ) h· f (c) F‟(x) = lim lim lim f (c) f ( x) h o h h 0 h h 0 * * Como c [x, x+h], cuando h 0 entonces „c‟ tiene que tender necesariamente a x. Hemos probado entonces que F(x), tal y como la hemos definido, es una primitiva de f(x).4.- Regla de Barrow.Regla de Barrow: Si f(x) es una función continua en [a, b] y G(x) es una primitiva suya, entonces: b f ( x)dx = G(b) – G(a) aDemostración: x Hemos visto que F(x) = f ( x)dx es una primitiva de f(x), luego F(x) y G(x) se diferencian en auna constante, por ser G(x) también una primitiva: F(x) = G(x) + k, x [a, b]Tomando x = a y x = b respectivamente tenemos F(a) G(a) k F(b) G(b) k a bPero como F(a) = f ( x)dx = 0, y F(b) = f ( x)dx entonces la expresión anterior queda: a a 6
  • 7. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012 0 G(a) k b f ( x)dx G(b) k ay despejando adecuadamente en la primera ecuación: G(a) + k = 0 k = - G(a) y sustituyendo enla segunda, concluimos que: b f ( x)dx = G(b) – G(a) aEn resumen, para aplicar la Regla de Barrow procederemos de la siguiente forma: b - Primero calculamos G(x), una primitiva de f(x), es decir, f ( x)dx =G(x) a - Después calculamos G(b) y G(a) - Restamos G(b)-G(a) b - El resultado será la integral definida f ( x)dx =G(b)-G(a) aNota: Para abreviar, en lugar de detallar todos los pasos en la Regla de Barrow, se escribe: b b f ( x)dx G ( x) a G(b) G(a) aEjemplo 1Calcular la integral x·e x dx 0Solución: 1Según la regla de Barrow, la solución será: x·e x dx G(1) G(0) siendo G(x) una primitiva de 0 −xf(x)=x· e1º Vamos a calcular primero una primitiva. (Aquí es donde está el problema de las integralesdefinidas, en saber hallar primitivas) Esta integral hay que resolverla por partes. x·e x d xu=x du = dxdv = e−x dx v = −e−x x·e x d x x·e x e x dx x·e x e x dx x·e x e xPor tanto ya tenemos una primitiva G( x) x·e x d x x·e x e x G ( x) x·e x e x 7
  • 8. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 20122º Calculemos G(1) y G(0) 2 G(1)= -1· e−1- e−1 = -2 e−1 = e G(0)= 0 - e−0 = -1 1 2 2 e 23º Tenemos ya el resultado porque: x·e x dx G(1) G(0) ( 1) 1 0 e e eNota: Para agilizar el proceso a la hora de aplicar la Regla de Barrow, escribiremos: 1 x 1 2 e 2 x·e x dx x·e x e 0 1·e 1 e 1 0·e 0 e 0 ( 1) 0 e e 8
  • 9. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 20125.- Aplicaciones de la integral definida. Cálculo de áreas planas.La integral definida, y más concretamente la regla de Barrow, se convierte en una herramientafundamental para el cálculo de áreas. Para ello solo hace falta saber calcular una primitiva y haceruna pequeña sustitución.Así pues, en este apartado de aplicación de la integral definida al cálculo de áreas, nos vamos aplantear los siguientes casos: - Que el área a calcular sea positivo (por encima del eje X) - Que el área a calcular sea negativo (por debajo del eje X) - Que haya una parte positiva y otra negativa - Que el área a calcular este limitada por el eje Y en lugar de por el eje X - Área encerrada entre dos curvas.Cálculo de un área plana positiva. bEn este caso, el área coincide con la integral definida, es decir, Área encerrada f ( x)dx aVeámoslo con un ejemplo:Calcula el área del recinto limitado por la parábola y=x2 y las rectas y=0, x=2, x=6.Solución:Si representamos la función y los límites de integración correspondientes, tendremos: Por tanto, el área del recinto correspondiente viene 6 dado por: Área x 2 dx 2 Para hallar dicha integral definida, aplicamos la Regla de Barrow. 2 2 x31º. Calculamos primero G(x), una primitiva de f(x)=x de donde obtenemos G( x) x dx 32º. Hallamos G(6) y G(2) 63 216 G (6) 72 3 3 23 8 G (2) 3 33º. Restamos G(6) y G(2) 63 23 8 208G (6) G (2) 72 3 3 3 3 9
  • 10. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012 6 208 2 Por tanto, Área x 2 dx u 2 3Nota: en los ejercicios siguientes agilizaremos el cálculo al aplicar la Regla de Barrow de lasiguiente forma 6 6 2 x3 6 3 2 3 208 2 I x dx u 2 3 2 3 3 3Cálculo de un área plana negativa.En este caso, el área coincide con el valor absoluto la integral definida. es decir, b Área encerrada f ( x)dx aCalcula el área del recinto limitado por la parábola y=x3 -3x-3 y las rectas y=0, x= -1, x=1. En este caso, como podemos observar después de realizar la gráfica, el área está en la parte negativa, con lo que la integral será también negativa. Por eso, para calcular el verdadero valor del área haremos: 1 Área = x3 3 x 3dx 1 Primero hallaremos la integral y después consideraremos el valor absoluto. 1 1 3 x4 3x 2 14 3·12 ( 1) 4 3( 1) 2I x 3x 3dx 3x 3·1 3( 1) 1 4 2 1 4 2 4 2 1 3 1 3 3 3 6 4 2 4 2 1Por tanto Área = x3 3x 3dx 6 6 1 10
  • 11. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012Cálculo del área con parte positiva y negativaEn caso de que la curva tenga parte positiva y parte negativa, debemos descomponer la región encada una de ellas, considerando, en el caso de la parte negativa, su valor absoluto.Si I1 es la parte positiva e I2 la negativa, entonces:Área total = I 1 I 2 o también: I1 b cÁrea f ( x)dx f ( x)dx a b a b I c 2Veamos todo esto mejor con otro ejemplo.3.- Calcula el área limitada por la curva y = x3 – 6x2 + 8x y el eje xSolución:Primero representamos la curva de forma aproximada y para ello calculamos los puntos de corte dela curva con el eje x :x 3 6x 2 8x 0 x 0( x 2 6 x 8) x 0 x 2 6 x 8 0 x 2; x 4Los puntos de corte obtenidos son 0, 2 y 4 , por tanto el área pedida se halla resolviendo lasintegrales: 2 2 3 2 x4 3 2 I1= (x 6x 8x)dx = 2x 4x 4 0 4 0 4 4 3 2 x4 3 2 I2= (x 6x 8x)dx = 2x 4x 4 2 4 2 Área total = I 1 I2 = 4 + 4 = 8 u2Cálculo del área limitada por el eje Y en lugar de por el eje X. Hay algunos ejercicios en los que el área que se pide calcular no está limitada por el eje Xsino por el eje Y. En dicho caso hay que introducir algunos cambios. 11
  • 12. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012 Primeramente, debemos despejar la función y=f(x) y ponerla como x=g(y), es decir, que lavariable no sea x sino y. Además, los límites de integración estarán referidos al eje Y y no al X.Así, si nos dan f(x) y nos piden el área encerrada entre f(x),el eje Y y los valores y1 e y2, calcularemos la siguienteintegral: y2 f(x) y2 Área g ( y )dy y1donde g(y) resulta de despejar x en la expresión y=f(x) y1Ejemplo:Calcula el área del recinto limitado por la función y x , las rectas, y=1, y=3 y el eje Y.Solución:Aunque nos den la función y x , debemos considerarla función: 3 y x x y 2 (es decir, hemos despejado x) 1El área que buscamos será: y2 3Área y1 g ( y )dy , en este caso Área y 2 dy 1y procedemos a calcular la integral por la Regla de Barrow. 3 3 2 y3 1 26 2 Área y dy 9 u 1 3 1 3 3Cálculo del área encerrada entre dos curvas Supongamos que nos dan dos funciones f(x) y g(x) que encierran un determinado área,donde f(x) limita por arriba y g(x) lo hace por abajo, y sean a y b los puntos donde se cortan ambasfunciones. Tendremos entonces una gráfica parecida a la siguiente: g(x) f(x) a b 12
  • 13. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012Nos preguntamos ¿cómo podemos calcular el área encerrada por ambas?Para contestar esta pregunta basta echar un vistazo a las gráficas siguientes y encontraremos laexplicación. g(x) g(x) f(x) f(x) a b a b a bObservemos que el área encerrada entre ambas (rojo) resulta de restar al área encerrada por f(x)(azul) el área encerrada por g(x) (verde) . Luego podemos concluir que, dadas dos funciones f(x) yg(x), donde f(x) limita por arriba y g(x) lo hace por abajo: b b Área encerrada entre f ( x) y g ( x) f ( x)dx g ( x)dx a a o también (para ahorrar en los cálculos y realizar una sola integral en lugar de dos) b Área encerrada entre f ( x) y g ( x) ( f ( x) g ( x))dx aPor tanto, los pasos a seguir para resolver este caso son:- Representar las gráficas y determinar la función que limita por arriba y la que limita por abajo.- Hallar los puntos de corte de ambas, que serán los límites de integración, a y b.- Hallar f(x)-g(x) b- Calcular la integral I ( f ( x) g ( x))dx aVeámoslo con el siguiente ejemplo:Halla el área del recinto limitado por la parábola de ecuación y=x2 , la recta de ecuación y=x+2y el eje OX.Solución 13
  • 14. UNIVERSIDAD FERMIN TORO 2012Primero representamos las funciones y vemos que la recta y=x+2 está por encima de la parábolay=x2Después se calculan los límites de integración. Éstos son los puntos de corte de la parábola y larecta. Para ello, igualemos ambas y resolvamos: 1 9 1 3 2x2 x 2 x2 x 2 0 x 2 2 1Por otra parte, la función a integrar será f(x)-g(x), siendo f(x) la recta (limita superiormente) y g(x)la parábola (limita inferiormente). Por tanto, tendremos: f(x)-g(x)= x 2 x2 (Diferencia de las dos funciones)Por último, solo nos queda calcular la integral siguiente: 2 2 2 x2 x3 9 I ( x 2 x )dx 2x 1 2 3 1 2 9 2 Área encerrada entre las funciones u 2 14

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