Santos Dominguez

MATERIA: Cálculo Diferencial

TEMA: –Cálculo de áreas entre curvas

ALUMNO: Santos Domínguez Reyes

PROFESOR: Gómez Castillo José Manuel Alejandro

Lo aprendido

Buen Dia, en esta clase vimos lo que es el cálculo del área entre dos curvas en una gráfica, es un tema muy interesante, pero algo complicadito porque aún no me quedo muy claro de cómo resolverlo, espero que en la siguiente clase continuemos con el mismo tema para comprenderlo de una forma más sencilla. el profesor nos dio varios ejemplos de cómo encontrar el area que hay dentro de dos curvas, la verdad no sabía que se podía resolver esa parte de una gráfica, por eso digo que es un tema muy interesante.

Lo investigado

Área entre dos curvas

El método que hemos usado para calcular áreas resulta motivado para calcular áreas bajo curvas definidas por funciones positivas, así que es inevitable preguntarse, ¿qué ocurre si la función es negativa? Supongamos que queremos calcular el área bajo la curva f(x)=x^3 en el intervalo [-1,1].

Identificamos el área que queremos calcular

Si aplicamos directamente el Teorema Fundamental del Cálculo, tenemos que

$-(x-2)^2 + 4 = x^2$

$\displaystyle A$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{1} x^3 dx$

$\displaystyle = \ \left. \frac{x^4}{4} \right|_{-1}^{1}$

$\displaystyle = \ \frac{{1}^4}{4} - \frac{{-1}^4}{4}$

$\displaystyle = \ \frac{1}{4} - \frac{1}{4}$

$\displaystyle = \ 0$

Sin embargo, esto es intuitivamente imposible pues al menos gráficamente podemos identificar el área bajo la curva y no pareciera ser igual a cero. Considerando esto en cuenta, debemos abordar este problema de una forma diferente.

Para entender lo que está pasando debemos recordar que, al definir la Sumas de Riemann, calculamos el área de rectángulos cuyas alturas venían dadas por las imágenes de la función, así que al calcular el área cuando la función es negativa, el resultado de la integral será negativo.

Por ahora diremos que basta multiplicar por menos uno (-1) el resultado negativo de la integral para obtener el valor del área, aunque veremos luego veremos cómo solventar esta situación formalmente.

Entonces, para calcular el área bajo la curva f(x)=x^3 en el intervalo [-1,1] debemos partir el intervalo en dos partes, uno en el que las imágenes de la función son negativas y otro en el que las imágenes de la función son positivas, a simple vista podemos ver que esto pasa cuando x está en [-1,0] y cuando x está en [0,1], respectivamente. Entonces podemos identificar dos áreas A_1 y A_2

Área entre dos curvas | totumat.com

Gracias a las propiedades de la Integral Definida podemos partir la integral que hemos planteado como $\int_{-1}^{1} x^3 dx = \int_{-1}^{0} x^3 dx + \int_{0}^{1} x^3 dx$

Si aplicamos el Teorema Fundamental del Cálculo para cada una de estas integrales, tenemos que

Finalmente, el área que queremos calcular estará determinada por la suma de estas dos áreas, es decir,

$\displaystyle A = A_1 + A_2 = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \frac{1}{2}$

Calcular el área por debajo de una curva que está debajo del Eje X pierde sentido literario, tampoco tiene mucho sentido hablar de áreas negativas. Es por esto que simplemente multiplicar por menos uno no parece una respuesta satisfactoria cuando calculamos áreas si la función tiene imágenes negativas. Es por esto que debemos generalizar nuestra motivación para replantear el enfoque de la integral definida y definirla no como el área bajo la curva si no como el área encerrada entre la curva y el Eje X.

Es posible determinar el área entre dos curvas basándose en la forma que calculamos la longitud de un intervalo, es decir, tomando el valor más grande y restándole el valor más pequeño. De esta forma, si consideramos dos funciones g(x) \leq f(x) continuas en un intervalo [a,b], podemos calcular el área encerrada entre las curvas que definen tomando el área de la función f(x) que está por encima y le restamos el área la función g(x) que está por debajo,

Área entre dos curvas | totumat.com

Por lo tanto, calculamos el área entre las curvas que definen las funciones f(x) y g(x) de la siguiente forma:

Vemos con algunos ejemplos como calcular encerradas entre curvas.

Ejemplos

Ejemplo 1

Calcule el área encerrada entre las curvas f(x)=x^3 y g(x)=0 en el intervalo [0,1].

Identificamos el área que queremos calcular

Notamos que la función g(x) está por encima de la función f(x). Entonces el área se calcula con la siguiente resta de integrales

$\displaystyle A$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{0} g(x) dx - \int_{-1}^{0} f(x) dx$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{0} 0 dx - \int_{-1}^{0} x^3 dx$

$\displaystyle = \ 0 - \int_{-1}^{0} x^3 dx$

$\displaystyle = \ -\left( \left. \frac{x^4}{4} \right|_{-1}^{0} \right)$

$\displaystyle = \ -\left( \frac{{0}^4}{4} - \frac{{-1}^4}{4} \right)$

$\displaystyle = \ -\left( \frac{0}{4} - \frac{1}{4} \right)$

$\displaystyle = \ \frac{1}{4}$

Este ejemplo nos señala por qué basta con multiplicar por menos uno al calcular el área bajo la curva de una de una función con imágenes negativas.

Ejemplo 2

Calcule el área encerrada entre las curvas f(x)=x y g(x)=x^2 en el intervalo [0,1].

Identificamos el área que queremos calcular

Notamos que la función f(x) está por encima de la función g(x). Entonces el área se calcula con la siguiente resta de integrales

$\displaystyle A$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{1} f(x) dx - \int_{0}^{1} g(x) dx$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{1} x dx - \int_{0}^{1} x^2 dx$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{1} \left( x- x^2 \right) dx$

$\displaystyle = \ \left. \left( \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} \right) \right|_{-1}^{0}$

$\displaystyle = \ \left( \frac{(1)^2}{2} - \frac{(1)^3}{3} \right) - \left( \frac{(0)^2}{2} - \frac{(0)^3}{3} \right)$

$\displaystyle = \ \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \right) - \left( 0 \right)$

$\displaystyle = \ \frac{1}{6}$

Ejemplo 3

Calcule el área encerrada entre las curvas $f(x)=-(x-2)^2 + 4$ y $g(x)=x^2$ en el intervalo [-1,3].

el área En los ejemplos anteriores los puntos de intersección entre ambas funciones eran obvios y así fue bastante claro determinar los puntos en los que una función estaba por encima de la otra, sin embargo, esto no siempre es así.

Antes de identificar el área que se debe calcular, es necesario calcular los puntos de intersección entre ambas funciones y así apreciar los puntos en los que la una función pasa a estar encima de la otra.

Para calcular los puntos de intersección entre dos funciones, basta con igualar las expresiones que las definen, es decir,

$-(x-2)^2 + 4 = x^2$

En este caso podemos agrupar todos los elementos de un sólo lado de la ecuación para plantear una ecuación cuadrática de la siguiente forma

$\displaystyle -(x^2 - 4x + 4) + 4 = x^2 \Rightarrow -x^2 + 4x - 4 + 4 = x^2 \Rightarrow -2x^2 + 4x = 0$

Y aplicando el método de su preferencia para calcular la solución de una ecuación cuadrática, obtenemos que los puntos de intersección entre las dos funciones son x=0 y x=2, notando que ambos están dentro del intervalo dado. Identificamos el área que queremos calcular

Entonces, para calcular el área debemos partir el intervalo en tres partes, ya que funciones involucradas se relacionan de forma diferente en cada una de estas partes. Entonces tenemos que calcular tres áreas y posteriormente sumarlas.

Notamos que la función g(x) está por encima de la función f(x) en el intervalo [-1,0]. Entonces el área se calcula con la siguiente resta de integrales

$\displaystyle A_1$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{0} g(x) dx - \int_{-1}^{0} f(x) dx$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{0} x^2 dx - \int_{-1}^{0} -(x-2)^2 + 4 dx$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{0} \left( x^2 - \left( -(x-2)^2 + 4 \right) \right) dx$

$\displaystyle = \ \int_{-1}^{0} \left( x^2 + (x-2)^2 - 4 \right) dx$

$\displaystyle = \ \left. \left( \frac{x^3}{3} + \frac{(x-2)^3}{3} - 4x \right) \right|_{-1}^{0}$

$\displaystyle = \ \left( \frac{(0)^3}{3} + \frac{(0-2)^3}{3} - 4(0) \right)$

$\displaystyle - \left( \frac{(-1)^3}{3} + \frac{(-1-2)^3}{3} - 4(-1) \right)$

$\displaystyle = \ \left( 0 - \frac{8}{3} - 0 \right)$

$\displaystyle - \left( - \frac{1}{3} - \frac{27}{3} + 4 \right)$

$\displaystyle = \ - \frac{8}{3} + \frac{1}{3} + 9 - 4$

$\displaystyle = \ \frac{8}{3}$

Notamos que la función f(x) está por encima de la función g(x) en el intervalo [0,2]. Entonces el área se calcula con la siguiente resta de integrales

$\displaystyle A_2$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{2} f(x) dx - \int_{0}^{2} g(x) dx$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{2} -(x-2)^2 + 4 dx - \int_{0}^{2} x^2 dx$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{2} \left( -(x-2)^2 + 4 - x^2 \right) dx$

$\displaystyle = \ \left. \left( -\frac{(x-2)^3}{3} + 4x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_{0}^{2}$

$\displaystyle = \ \left( -\frac{(2-2)^3}{3} + 4(2) - \frac{(2)^3}{3} \right)$

$\displaystyle - \left( -\frac{(0-2)^3}{3} + 4(0) - \frac{(0)^3}{3} \right)$

$\displaystyle = \ \left( 0 + 8 - \frac{8}{3} \right)$

$\displaystyle - \left( - \frac{(-8)}{3} + 0 + 0 \right)$

$\displaystyle = \ 8 - \frac{8}{3} - \frac{8}{3}$

$\displaystyle = \ \frac{8}{3}$

Notamos que la función g(x) está por encima de la función f(x) en el intervalo [2,1]. Entonces el área se calcula con la siguiente resta de integrales

$\displaystyle A_3$