APLICACIONES DE LA INTEGRAL DE RIEMANN ÁREA EN COORDENADAS CARTESIANAS Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función Riemann Integrable, se cumple que, el área E de la región limitada por las curvas : C œ 0 ÐBÑ ß C œ ! ß B œ + ß B œ , está determinada por E œ '+ 0 ÐBÑ.B , Observación Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función Riemann Integrable, se cumple que, el área E de la región limitada por las curvas : C œ 0 ÐBÑ ß C œ ! ß B œ + ß B œ , esta dada por : ya que 0 ÐBÑ Eœ ' , 0 ÐBÑ.B + œ '+ 0 ÐBÑ.B , ! para todo B en Ò+ß ,Ó como se muestra en la figura. 1 Observación En general si 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ , función Riemann Integrable, se cumple que, el área E de la región limitada por las curvas : C œ 0 ÐBÑ ß C œ ! ß B œ + ß B œ , está dada por E œ '+ ¸0 ÐBѸ.B , Ejemplo Calcule el área limitada por la gráfica de C œ B$ y el eje B en Ò #ß "ÓÞ Solución Graficando se tiene luego E œ '# ¸B$ ¸.B œ '# ¸B$ ¸.B '! ¸B$ ¸.B " ! " œ '# B$ .B '! B$ .B ! œ " B% ¸ % # " B% ¸ % ! " œÐ 2 " % %Ñ " % œ% Ejemplo Calcule el área limitada por la gráfica de C œ B# #B y el eje B en Ò #ß #ÓÞ Solución C œ B# #B Í ÐB "Ñ# œ C " À T ß graficando se tiene luego E œ '# ¸0 ÐBѸ.B œ '# ¸0 ÐBѸ.B '! ¸0 ÐBѸ.B # ! # œ '# ÐB# #BÑ.B '! ÐB# #BÑ.B ! # œ Ð B$ B# Ѹ# Ð B$ B# Ѹ! # ! # # œ Ð %$ %Ñ Ð %$ %Ñ œ "' 3 ) $ Ejemplo Calcule el área limitada por la grafica de C œ 68ÐBÑ y el eje B en Ò "# ß /Ó. Solución el grafico de la curva es: luego E œ ' " ¸0 ÐBѸ.B œ ' " ¸0 ÐBѸ.B '" ¸0 ÐBѸ.B / " # # / œ ' " 68ÐBÑ.B '" 68ÐBÑ.B " # # œ ÐB68ÐBÑ BѸ " ÐB68ÐBÑ BѸ" " # # œ " "# 68Ð "# Ñ œ " # " # #68Ð#Ñ # " $ # 68Ð#Ñ 4 Área comprendida entre dos gráficas Observación Sean 0 y 1 funciones continuas y 0 ÐBÑ 1ÐBÑ para todo B en Ò+ß ,Ó, entonces, el área E de la región limitada por las gráficas de: C œ 0 ÐBÑ ß C œ 1ÐBÑ ß B œ + ß B œ , E œ '+ ˆ0 ÐBÑ 1ÐBщ .B , esta dada por Ejemplo Calcule el área limitada por las gráficas de: C œ È B y C œ B# Solución Determinemos puntos de intersección C œ È B Í B# œ È B Í B % œ B Í B œ ! ” B œ " C œ B# C œ B# C œ B# C œ B# Í B œ ! ” B œ " luego Ð!ß !Ñ y Ð"ß "Ñ puntos de intersección Cœ! Cœ" luego E œ '! ÐÈB B# Ñ.B œ Ð #$ B # "$ B$ Ѹ! œ #$ "$ œ "$ tambien, lo podemos cálcular respecto a la variable C es decir, considerando las funciones de frontera " C œ È B Í C# œ B à E œ '! ÐÈC C # Ñ.C œ "$ ÈC œ B C œ B# " $ 5 " Ejemplo Calcule el área limitada por las gráficas de: C œ B# #B C œ B % en Ò %ß #Ó y Solución Determinemos puntos de intersección C œ B# #B Í B % œ B# #B Í B# $B % œ ! C œ B% C œ B% C œ B% Í Bœ"”Bœ % Í B œ" C œ B% Cœ$ ” Bœ % Cœ) luego Ð"ß $Ñ y Ð %ß )Ñ puntos de intersección luego E œ '% Ð B % B# #BÑ.B œ Ð %B "$ B$ $# B# Ѹ! " " œ% " $ $ # œ "$ ' tambien, lo podemosd resolver respecto a la variable Cß para lo cual consideremos las funciones fronteras B œ " È C " ß B œ " ÈC " ß B œ C % con lo cual, se tendra que : E œ '" ÐÐ " ÈC "Ñ Ð " ÈC "ÑÑ.C $ '$ ÐÐ C %Ñ Ð " ÈC "ÑÑ.C ) 6 œ "$ ' Ejemplo Calcule el área limitada por las gráficas de : C# œ " B y #C œ B # Solución Determinemos puntos de intersección C# œ " B Í C # œ " #C # Í C # #C $ œ ! B œ #C # B œ #C # B œ #C # Í C œ"”C œ $ Í C œ" ” C œ $ B œ #C # Bœ! Bœ ) luego Ð!ß "Ñ y Ð )ß $Ñ puntos de intersección además las fronteras están determinadas por las funciones C œ È" B ß C œ È" B ß C œ "# B " luego E œ ') Ð "# B " È" BÑ.B '! Ð È" B È" BÑ.B ! " œ Ð "% B# B #$ Ð" BÑ # Ѹ) Ð %$ Ð" BÑ # Ѹ! $ ! $ $ œ Ð #$ Ñ Ð "% '% ) #$ Ð*Ñ # Ñ % $ œ " $# $ Otra forma de resolver el problema, es considerando las relaciones inversas, las cuales definen las siguientes funciones frontera. B œ " C # ß B œ #C # luego : E œ '$ Ð" C # #C # Ñ.C œ '$ Ð$ #C C # Ñ.C " " œ Ð$C C # "$ C $ Ñ ¸$ œ Ð $ " œ Ð # "$ Ñ Ð * Ñ œ $# $ " 7 " $ Ñ Ð * * *Ñ Ejemplo Calcule el área limitada por las gráficas de: C œ =/8ÐBÑ y Solución C œ -9=ÐBÑ en ’ % ß % “ 1 &1 del gráfico se tiene que E œ ' 1 Ð=/8ÐBÑ -9=ÐBÑÑ.B œ Ð -9=ÐBÑ =/8ÐBÑѸ 1 &1 % &1 % % % œ Ð # È# Ñ Ð È## Ñ œ % È# 8 Ejemplo Calcular el área de la región limitada por las curvas : T À C œ B# #B # à P À C œ &B à P" À B œ # à P# À C œ B Solución Primero haremos un bosquejo de la gráfica del área a calcular. Ahora veamos las intersecciones que nos interesan para los límites de integración. a) T P À B# #B # œ &B B# $B # œ ! aB "baB #b œ ! Bœ" ” Bœ# Luego la integral que determina el área buscada es: E œ '# aB# #B # Bb.B '! aB# #B # &Bb.B ! " œ Š B$ $ œ B# # ˆ ) $ #B‹k!# Š B$ $ % # %‰ ˆ "$ 9 $ # $B# # #B‹k! #‰ œ " "" # Ejemplo Calcular el área de la región limitada por las curvas : T À B œ C # #C " à P À C œ B " Solución Primero haremos un bosquejo de la gráfica del área calcular. Observación: El área a calcular la encontraremos mediante rectangulos diferenciales horizontales, por lo tantoß nuestros límites de integración estarán en el eje yÞ Luego el área a calcular esta representada por la siguiente integral: E œ '! aC "b aC # #C "b.C œ '! a C # $C b.C $ œ Š C$ $ C# ‹k$! œ * $ # 10 $ #( # œ * # Ejemplo Calcular el área de la región W del plano en el primer cuadrante , limitada por las curvas : C œ B" à C œ B* à C œ B à C œ *B Solución Primero haremos un bosquejo de la gráfica del área calcular. Ahora veamos las intersecciones que nos interesan para los límites de integración. a) C œ " B " B • C œ *B œ *B " œ *B# kBk œ "$ B œ "$ ” B œ "$ b) C œ " B •C " B œB # œ B c) C œ B œ" kBk œ " Bœ" ” Bœ " c) C œ B • C œ B* B œ B* B# œ * kBk œ $ Bœ$ ” Bœ $ 11 * B • C œ *B œ *B B# œ " kBk œ " Bœ" ” Bœ " * B Luego la integral que determinará el área buscada es: " $ E œ ' " ˆ*B B" ‰.B '" ˆ B* B‰.B $ œ Š* B# 68B‹k"" Š*68B # $ œ * # B# $ # ‹k " ˆ "# 68 "$ ‰ ˆ*68$ *# ‰ ˆ "# ‰ œ 68 "$ *68$ œ )68$ Ejemplo Calcular el área de la región limitada por las curvas : B" Solución ¸C "¸ • ÐB "Ñ# Ÿ #C " Primero grafiquemos las relaciones : B " œ kC "k • aB "b# œ #C " a) B " œ kC "k Restricción: B " ! Ê B Si: C " ÊB"œC" C œB# " C "ÊB"œ C" C œ B 12 b) aB "b# œ #C " aB "b# œ #ˆC "# ‰ Esta gráfica corresponde a una parábola con vértice ˆ "ß "# ‰ Ahora encontremos la intersección que nos interesa, es decir, la parábola con la recta C œ B # Para eso tenemos la siguiente ecuación: # B # œ B# B B# œ % kBk œ # Bœ# ” Bœ # Luego la gráfica es la siguiente: Luego la integral que determina el área buscada es: # ! # E œ '" aB # a Bbb.B '! ŠB # Š B# B‹‹.B ! # œ '" a#B #b.B '! Š# œ a" #b ˆ# %$ ‰ œ &$ B# # ‹.B 13 œ aB# #Bbk!" Š#B B$ # ' ‹k! Ejemplo Dada la región achurada delimitada por las curvas Ðver fig.) : T À C # œ È #B % à V À C œ $È B " à W À C œ # à P À #C $B # œ ! à X À B œ ' Calcular el área de la región achurada Solución ! E œ '# È#B % # ˆ $# B "# ‰.B " '! È#B % # ˆ$ÈB "‰.B ' ' ŠÈ#B % # #‹.B " œ '# È#B % $# B $# .B '! ŠÈ#B % $ÈB $‹.B ! '" È#B %.B " ' œŒ œ ) $ œ '( $ È #B%$ $ %$ B# #$ Bk!# Œ a$ $b Œ È '$ $ È #B%$ $ #È B $Bk!" Œ $ # $ ˆ $) ‰ Œ '% $ 14 È '$ $ È #B%$ ' k" $ Ejemplo Dada la región achurada (ver fig) limitada por las curvas T À ÐC #Ñ# œ ÐB 'Ñ à P À C B œ # Calcular : El área de la región Solución Para calcular esta área utilizaremos rectángulos diferenciales horizontales. Los límites de integración estarán sobre el eje y. Ahora debo encontrar la intersección dela curva T con el eje y, es decir, cuando B œ !Þ aC #b# œ ' kC # k œ È ' C # œ È' ” C # œ È' C œ # È' ” C œ # È' Luego la integral que determina el área es la siguiente: E œ '! ' aC #b# a# Cb.C '# # œ '! a C# &C b .C '# #È' # œŠ œˆ ) $ C$ $ & C# ‹k#! Š # "!‰ œ %È ' Š#È'‹ $ $ C$ $ #È' ' aC #b# .C a C # %C #b .C #È' #C # #C ‹k# #Š# È'‹ #Š# È'‹ ˆ # ## $ 15 ) $ ) % ‰ Definición (Sólido de revolución) Llamaremos sólido de revolución al sólido obtenido al rotar una región plana en torno a una recta, la cual llamaremos eje de rotación Observación Si una región V en el plano BC que hace girar en torno a un eje P, generará un sólido llamado sólido de revolución (ver figura). 16 Volumen de un sólido de revolución Método de los cilindros Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función continua y sea T œ Ö>! ß >" ß ÞÞÞß >8 ×ß 75 ß Q5 como antes se tiene que, el volumen del sólido generado por el rectangulo de base >5 >5" y altura 75 ,al rotarlo en torno al eje B es : 1Ð75 Ñ# Ð>5 >5" Ñ con lo cual, el volumen del sólido generado por todos los rectangulos 8 ! incritos esta dado por À 1 Ð75 Ñ# Ð>5 >5" Ñ con lo cual , el volumen 5œ" del sólido generado por todos los rectangulos circunscritos esta dado por À 8 1! ÐQ5 Ñ# Ð>5 >5" Ñ , por lo tanto, se tendra que 5œ" Definición Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función continua, se cumple que, el volumen del sólido obtenido al rotar la región limitada por las curvas : C œ 0 ÐBÑ ß C œ ! ß B œ + ß B œ , en torno al eje B esta dado por : Z œ 1'+ Ð0 ÐBÑÑ# .B , 17 Método de los anillos Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función continua sea T œ Ö>! ß >" ß ÞÞÞß >8 ×ß 75 ß Q5 como antes se tiene que, el volumen del sólido generado por el rectangulo de base >5 >5" y altura 75 ,al rotarlo en torno al eje C es : #1 † >5" † Ð75 Ñ † Ð>5 >5" Ñ con lo cual, el volumen del sólido generado por todos los rectangulos 8 ! incritos esta dado por À #1 >5" † Ð75 Ñ † Ð>5 >5" Ñ 5œ" con lo cual , el volumen del sólido generado por todos los rectangulos 8 circunscritos esta dado por À #1! >5" † ÐQ5 Ñ † Ð>5 >5" Ñ 5œ" por lo tanto, se tendra que Definición Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función continua, se cumple que, el volumen del sólido obtenido al rotar la región limitada por las curvas : C œ 0 ÐBÑ ß C œ ! ß B œ + ß B œ , en torno al eje C esta dado por : Z œ #1'+ B † 0 ÐBÑ .B , 18 Ejemplo Calcule el volumen del sólido formado, haciendo girar la región limitada por las gráficas de C œ È B , C œ ! ß B œ % . 1.- en torno al eje B. 2.- en torno al eje C. Solución se tiene : 1.- Z œ 1'! Ð ÈBÑ# .B œ 1'! B.B œ % % 1 # B # ¸! œ ) 1 % 2.- Z œ #1'! B † ÈB .B œ #1'! B # .B œ % % $ %1 & B # ¸! œ & % "#)1 & tambien, se tiene que es posible calcular dichos volumenes,considerando las relaciones inversas de las relaciones determinadas por las fronteras de la región respecto a la variable B , es decir copnsiderando la variable C donde se tendra que las funciones fronteras son : B œ C# ß B œ % con lo cual, se tendra que 1.- Z œ #1'! C † C # .C œ #1'! C $ .C œ # # 1 # C % ¸! œ ) 1 # 2.- Z œ 1'! Ð %Ñ# .C 1'! Ð C # Ñ# .C œ "'1C ¸! # # # 19 1 & & C ¸! œ # "#)1 & Ejemplo Sea 0 ÐBÑ œ B# ". Calcule el volumen del sólido de revolución que se genera al girar la región bajo la gráfica de 0 entre B œ " y B œ " en torno al eje B. Calcule el volumen del sólido formado, haciendo girar la región limitada por las gráficas de C œ B# " , C œ ! ß B œ " ß B œ " . 1.- en torno al eje B. 2.- en torno al eje C. Solución se tiene : 1.- Z œ #1'! Ð B# "Ñ# .B œ #1'! ÐB% #B# "Ñ.B " " œ #1 Ð B& #$ B$ BÑ ¸! œ #1Ð "& " & # $ "Ñ œ &' "& 1 2.- Z œ #1'! B † Ð B# "Ñ .B œ #1'! ÐB$ BÑ.B " " œ #1 Ð B% "# B# Ñ ¸! œ #1 Ð "% % " 20 " # Ñœ $1 # Ejemplo Calcule el volumen del sólido de revolución que se genera al rotar la región limitada por : el eje C , C œ B$ ß B œ " y B œ #Þ 1.- en torno al eje B. 2.- en torno al eje C. Solución luego, se tiene que 1.- Z œ 1'" Ð B$ Ñ# .B œ 1'" B' .B # # " œ 1 Ð B( Ñ ¸" œ 1Ð "#) ( ( Ñ œ # ( "#( ( 1 2.- Z œ #1'" B † Ð B$ Ñ.B œ #1'" B% .B # # œ #1 Ð B& Ñ ¸" œ #1 Ð $# & & # " & '# & 1 Ñœ si consideramos las relaciones inversas ,se tiene que las funciones fronteras son : $ C BœÈ ß Bœ# ß Bœ" con lo cual $ C Ñ.C œ #1 ' Ð#C C $ Ñ.C 1.- Z œ #1'1 C † Ð# È " ) 8 œ Ð#1C# '1 ( C $ Ѹ" œ "#'1 ( ) % '1 ( "#( œ "#! ( 1 $ CÑ# .C 2.- Z œ 1'! Ð #Ñ# .C 1'! Ð"Ñ# .C 1'" ÐÈ ) " œ % 1 C ¸! 1 C ¸! ) " $1 & ) C $ ¸" œ Ð$# " & ) 21 *$ & Ñ1 œ '#1 & Ejemplo Calcule el volumen del sólido formado haciendo rotar la región limitada por las gráficas de C œ B #ß C œ B , B œ !ß B œ $. 1.- en torno al eje B. 2.- en torno al eje C. Solución se tiene que : las funciones fronteras respecto a la variable B son : C œB# ß C œB luego 1.- Z œ 1'! ÐÐ B #Ñ# ÐB# ÑÑ.B œ 1'! Ð%B %Ñ.B # # œ 1Ð #B# %BѸ! œ "'1 # # 2.- Z œ #1'! B † ÐB # BÑ .B œ #1'! #B.B œ #1 B ¸! œ )1 # # # tambien se tiene que las funciones frontera respecto a la variable C son : BœC ß Bœ# ß Bœ C# luego 1.- Z œ #1'0 C † ÐC Ñ.C #1'# C † Ð# C # Ñ.C œ #1'" Ð#C C $ Ñ.C % 2 œ Ð#1C# '1 ( ) C $ Ѹ" œ "#'1 ( ) '1 ( "#( œ "#! ( 1 $ CÑ# .C 2.- Z œ 1'! Ð #Ñ# .C 1'! Ð"Ñ# .C 1'" ÐÈ ) " œ % 1 C ¸! 1 C ¸! ) " $1 & ) C $ ¸" œ Ð$# " & ) 22 *$ & Ñ1 œ '#1 & % Observación Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , función continua, se cumple que, el volumen del sólido obtenido al rotar la región limitada por las curvas : C œ 0 ÐBÑ ß C œ ! ß B œ + ß B œ , 1.- En torno a la recta C œ - con - ! esta dado por : Z œ 1'+ ÐÐ0 ÐBÑ -Ñ# - # Ñ .B , 2.- En torno a la recta B œ - con - + esta dado por : Z œ 1'+ ÐB -Ñ0 ÐBÑ .B , 23 Ejemplo Calcule el volumen del sólido que se forma al rotar la región limitada por : C œ È B , C œ ! , ßB œ " ß B œ % 1.- En torno a la recta C œ "Þ 2.- En torno a la recta B œ #Þ 3.- En torno a la recta C œ $Þ 4.- En torno a la recta B œ &Þ Solución 1.- Z œ 1'" ÐÐÈ B "Ñ# "Ñ .B œ 1'" ÐB #È B Ñ .B % % œ 1Ð B# %$ B # Ѹ" œ # $ % "!" ' 1 2.- Z œ #1'" ÐB #ÑÈ B .B œ #1'" ÐB # #B # Ñ.B % % œ #1 Ð #& B # %$ B # Ѹ" œ & $ % '&# "& 1 3.- Z œ 1'" Ð* Ð È B $Ñ# Ñ .B œ ÞÞÞ % 4.- Z œ #1'" Ð& B ÑÈ B .B œ ÞÞÞÞ % 24 $ " Ejemplo Considere la región limitada por las curvas : B# œ C # , #C B # œ ! , B œ ! , B œ ". Calcule el volumen del sólido resultante, al girar la región en torno: 1.3.- Al eje B 2.A la recta B œ " A la recta C œ # Solución se tiene que las funciones frontera respecto a la variable B son : C œ B# # ß C œ B# # luego, se tiene que # 1.- Z œ 1'! ÐÐB# #Ñ# Ð B# # Ñ Ñ.B œ ÞÞÞÞ " # 2.- Z œ 1'! ÐÐB# # #Ñ# Ð B# # #Ñ Ñ.B œ ÞÞÞÞ " 3.- Z œ #1'! ÐB "ÑÐÐB# #Ñ Ð B# # Ñ Ñ.B œ ÞÞÞÞ " 25 Ejemplo Calcular el volumen del sólido obtenido al rotar la región limitada por las curvas : T À C œ B# #B # à P À C œ &B à P" À B œ # à P# À C œ ! en torno a la recta : i) B œ # à ii) B œ # à iii) C œ ! à iv) C œ " Solución i) ZBœ# œ #1' " Ð# BÑÐB# #B+#Ñ.B #1 ' # " ! Ð# BÑ Ð &BÑ .B œ #1'# Ð B$ #B %Ñ.B #1'! Ð"!B B# Ñ .B " " œ #1 Ð %" B% B# %BѸ# #1 Ð&B# "$ B$ Ѹ! " " *( ' 1 œ #1' ÐB #ÑÐB# #B+#Ñ.B " ii) ZBœ# œ #1' ÐB #Ñ Ð &BÑ .B # " ! œ #1'# ÐB$ %B# 'B %Ñ.B #1'! Ð &B# "!B Ñ .B " " 26 œ #1 Ð "% B% % $ œ #1 Ð ' iii) ZCœ! œ 1' B$ $B# %BѸ# # 1 Ð &$ B$ &B# Ñ ¸! " $# $ " % "$ Ñ œ " # # ÐB #B #Ñ # " && ' 1 .B 1' " # Ð&BÑ .B ! $ ¸ œ 1 Ð "& ÐB "Ñ& #$ ÐB "Ñ$ BÑ ¸# 1Ð #& $ B Ñ ! " œ " "!* "& 1 iv) ZCœ" œ 1' " # # œ 1' ÐB #B # "Ñ # " # # # ÐB #B $Ñ .B .B 1' 1' ! # ! # .B 1' .B 1' " ! Ð&B "Ñ# .B " Ð&B "Ñ# .B ! œ 1' ÐÐB "Ñ# #Ñ# .B 1' .B 1' Ð&B "Ñ# .B " ! # # " ! œ 1 Ð ÐB"Ñ $% ÐB "Ñ$ %BѸ# 1 B¸# 1 & " & œ #"% "& 1 27 ! Ð&B"Ñ$ " ¸ "& ! Ejemplo Calcular el volumen del sólido obtenido al rotar la región limitada por las curvas : T À B œ C # #C " à P À C œ B " en torno a la recta : i) B œ ! à ii) B œ % à iii) C œ ! à iv) C œ " à v) C œ % Solución i) ZBœ! 1'! ÒÐC "Ñ# ÐC# #C "Ñ# Ó.C $ œ 1'! ÒÐC "Ñ# ÐC "Ñ% Ó.C $ œ 1 Ð "$ ÐC "Ñ$ "& ÐC "Ñ& Ѹ! œ $ œ ii) ZBœ% œ 1' $ (% & 1 # ÒÐ% ÐC # #C "ÑÑ Ð% ÐC "ÑÑ# Ó.C œ 1' ÒÐ C # #C $ Ñ Ð C $ Ñ# Ó.C ! $ # œ 1' Ò ÐC "Ñ% )ÐC "Ñ# "' Ð C $ Ñ# Ó .C $ ! ! œ 1 Ð "& ÐC "Ñ& )$ ÐC "Ñ$ "'C œ "'$ & 1 28 " $Ð C $ Ñ$ Ѹ! $ iii) ZCœ! œ #1' $ CÒÐC "Ñ ÐC # #C +"Ñ Ó.C #1 ' ! $ CÐ C # $CÑ .C œ #1' Ð C $ $C # Ñ .C œ ! $ œ #1 Ð "% C % C $ Ѹ! œ ! iv) ZCœ" œ #1 ' $ #( # 1 $ ÐC "ÑÒÐC "Ñ ÐC # #C +"Ñ Ó.C œ #1' ÐC "ÑÐ C # $CÑ .C ! $ œ #1' Ð C $ #C # $CÑ .C ! $ œ #1 Ð "% C % #$ C $ $# C # Ѹ! ! $ œ 1 Ð "# C % %$ C $ $C # Ѹ! œ $ œ #1' Ð% CÑÒÐC "Ñ ÐC # #C "ÑÓ.C $ iv) ZCœ% œ #1' Ð% CÑÒ C # $CÓ.C ! $ œ #1' ÐC $ (C # "#CÓ.C ! $ ($ C $ 'C # Ѹ! œ ! œ #1 %& # 1 Ð "% C % $ 29 %& # 1 Ejemplo Dada la región achurada delimitada por las curvas Ðver fig.) : T À C # œ È #B % à V À C œ $È B " à W À C œ # à P À #C $B # œ ! à X À B œ ' Calcular el volumen del sólido obtenido al rotar dicha región en torno al eje : i) B œ ' à ii) C œ # ; iii) B œ $ à iv) C œ 7 à v) C œ " Solución i) ZBœ' œ #1'# Ð' BÑÈ #B % # ‘.B ' #1'# Ð' BÑ ‘.B #1' Ð' BÑÐ# Ð$È B "ÑÑ.B ! " $B# # #1'" Ð' BÑÐ#Ñ.B ! ' œ 21[ &$ ÐÈ #B $ %Ñ "#B #1Ð )B ' $# B# ѹ È #B% & % È #B $Ð ! %Ñ B ]¹ ' # # #1Ð") ")È B $B $BÈ Bѹ #1Ð"#B B# ѹ œ ÞÞÞ # " ' ! " ii) ZCœ# œ 1'# ÒÐÈ #B % %Ñ# ‘.B 1'# Ò Ð $# B "Ñ# ‘.B " ' 1' Ò Ð$È B " Ñ# ‘.B 1' Ò Ð% Ñ# ‘.B ' ! œ 1ÐB "'B %È #B %ѹ ! " ' # # 30 1Ð $% B$ Bѹ ! $ # #B # 1Ð *# B# $È B œ Ð() *# Ñ1 œ "%( # 1 iii) Z Bѹ 1Ð"'Bѹ " ' ! " œ #1'# ÐB $Ñ È #B % # ‘.B ' Bœ$ #1'# ÐB $Ñ $# B " ‘.B " #1' ÐB $Ñ $È B " ‘.B ! #1'" ÐB $Ñ # ‘.B ! ' œ #1 Ò Ð $% ÐÈ #B %Ñ$ B# #$ ÐÈ #B %Ñ$ 'BÓ¹ È #B%Ñ& & ' # #1Ð B # ""B $Bѹ ! $ #1ÐB# 'Bѹ # ' œ Ð "$*)% "& #% #1Ð '& È B " $( & "$!Ñ1 œ # B # 'È B $Bѹ # " ! ""&'% "& 1 #‘ iv) ZCœ( œ 1'# Ð( Ð $ .B # B "Ñ Ñ " 1' Ð( $È B " Ñ# ‘.B ! 1'" Ð( #Ñ# ‘.B 1'# Ð( ÐÈ #B % #ÑÑ# ‘.B ! " œ 1' * B# #%B '% ‘.B 1' Ð'% %)È B *B Ñ ‘.B ! ' ' 1'" Ð&Ñ# ‘.B 1' # œ $ $ %B % ' "#B '%B¹ ! # ' #& "!È #B % #B‘.B ! Ð'%B $#ÐÈ BÑ$ *# B# ѹ # " #! È #B %Ñ$ ¹ $ Ð # #%'" Ð %)) ÑÑ 1 œ 1 $ ' #&B¹ #*B B# # ' " œ Ð"#& )' ($ # ' 31 ! v) ZCœ" œ 1'# ÐÈ #B % # "Ñ# Ó.B ' #‘ 1'# Ò Ð $ .B # B " "Ñ " ' 1' Ð$È B " "Ñ# ‘.B 1' Ð# "Ñ# ‘.B ! ! " #‘ œ 1'# ÐÈ #B % $Ñ# Ó.B 1'# Ò Ð $ .B # BÑ " ' 1' Ð$È BÑ# ‘.B 1' Ð$Ñ# ‘.B ' ! œ 1ÒB "$B #ÐÈ #B %Ñ$ Ó¹ ! " ' # 1Ò *# B# Ó¹ 1Ò*BÓ¹ " ! œ Ð#'% ' # ' * # 1Ò $% B$ Ó¹ ! # " %&Ñ1 œ Ð %"( # Ñ1 Ejercicio Dada la región limitada por la gráfica de C œ #B B# y por el eje B . Calcule . 1.- El área de la región 2.- El volumen del sólido resultante,al rotar la región en torno al eje i).- C œ ! ß ii) B œ ! ß iii) C œ # ß iv) B œ % ß v) C œ $ Ejercicio Dada la región limitada por las gráficas : C œ B# y C œ B # Calcule . 1.- El área de la región 2.- El volumen del sólido resultante,al rotar la región en torno al eje i).- C œ ! ß ii) C œ $ ß iii) C œ & iv) B œ " ß v) B œ $ ß vi) B œ % 32 Longitud de un arco de curvas Observación Consideremos una función C œ 0 ÐBÑ con primera derivada continua en un intervalo Ò+ß ,Ó, y la porción de su grafico en dicho intervalo.Esta porción de grafica es llamada arco de curva (WÑ. Para determinará la longitud de dicho arco consideremos T œ ÖB! ß B" ß ÞÞÞß B8 × partición de Ò+ß ,Ó aproximemos W por medio de la suma de las longitudes de las cuerdas 65 ß donde 65 es la cuerda 5 -esima que une los puntos ÐB5" ß 0 ÐB5" ÑÑß ÐB5 ß 0 ÐB5 ÑÑ la longitud de dichas cuerdas es : ÈÐB5 B5" Ñ# Ð0 ÐB5 Ñ 0 ÐB5" ÑÑ# œ É" Ð0 ÐB5 Ñ0 ÐB5" ÑÑ# ÐB5 B5" Ñ# † ÐB5 B5" Ñ 5 Ñ0 ÐB5" Ñ œ Ê" Š 0 ÐB ÐB5 B5" Ñ# ‹ † ÐB5 B5" Ñ # pero, por el Teo. del Valor Medio se tiene que : ß 5 Ñ0 ÐB5" Ñ b05 − ÓB5" ß B5 Ò tal que 0 ÐB œ 0 Ð05 Ñ # ÐB5 B5" Ñ luego, se tendra que œ Ê" Š0 Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ ß # en donde considerrando la suma de las longitudes de las cuerdas se tendra que , # P œ ' É " ˆ0 w ÐBщ .B + 33 Definición Sea 0 una función para la cual 0 w es continua en un intervalo Ò+ß ,Ó. La longitud P de la gráfica en el intervalo, o longitud de arco, está dada por: # , P œ '+ É " ˆ0 w ÐBщ .B Ejemplo $ # Obtenga la longitud de la gráfica de C œ %B del origen Ð!ß !Ñ al punto Ð"ß %Ñ. Solución " " " " P œ '! È " $'B .B œ &% Ð" $'BÑ # ¸! œ &% Ð$(Ñ # &% $ " $ Ejemplo Obtenga la longitud de la gráfica de À #(C# œ %ÐB #Ñ$ desde Ð#ß !Ñ al punto Ð""ß 'È$Ñ. Solución Cœ # È ÐB $È $ #Ñ$ ß .C .B œ " È$ ÐB " #Ñ # luego "" "" P œ '# É " "$ ÐB #Ñ .B œ È" '# ÈB " .B $ œ # ÐB È $ $ "Ñ ¸ œ $ "" # # $ # # Ð"#Ñ $È $ 34 $ # # Ð$Ñ $È $ Superficie de un Sólido de Revolución Respecto al eje B ß Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , con 0 función continuaß sea T œ Ö>! ß >" ß ÞÞÞß >8 ×ß 75 ß Q5 como antes se tiene que, la superficie generado por el, extremo superior del rectangulo de base >5 >5" y altura 75 ,al rotarlo en torno al eje B es : 21Ð75 ÑÊ" Š0 Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ # ß con lo cual, la superficie generado por el, extremo superior de todos los rectangulos incritos esta dado por À 21! 75 Ê" Š0 Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ 8 # ß 5œ" con lo cual , la superficie generado por el, extremo superior de todos los rectangulos circunscritos esta dado por À 21! Q5 † Ê" Š0 Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ 8 # ß 5œ" por lo tanto, se tendra que Definición ß Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , con 0 función continua, se cumple que la superficie del manto obtenido al rotar el arco de curva generado por : C œ 0 ÐBÑ donde B − Ò+ß ,Ó en torno al eje B esta dado por : W œ #1 † '+ 0 ÐBÑ † Ê" Š0 ÐBÑ‹ .B , ß # La superficie de revolución, es la que se muestra en la figura,la generada por el arco de curva determinado por el K<+0 Ð0 Ñ: 35 Respecto al eje C ß Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ ! , con 0 función continuaß sea T œ Ö>! ß >" ß ÞÞÞß >8 ×ß 75 ß Q5 como antes se tiene que, la superficie generado por el, extremo superior del rectangulo de base >5 >5" y altura 75 ,al rotarlo en torno al eje C es : #1 † B5" † Ê" Š0 ß Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ # con lo cual, con lo cual, la superficie generado por el, extremo superior de todos los rectangulos incritos esta dado por À À #1! B5" † Ê" Š0 ß Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ 8 # 5œ" con lo cual , la superficie generado por el, extremo superior de todos los rectangulos circunscritos esta dado por À ß #1! B5" † Ê" Š0 Ð05 Ñ‹ † ÐB5 B5" Ñ 8 # 5œ" por lo tanto, se tendra que Definición ß Sea 0 : Ò+ß ,Óqqqqp‘ , con 0 función continua, se cumple que, ! la superficie del manto obtenido al rotar el arco de curva generado por : C œ 0 ÐBÑ donde B − Ò+ß ,Ó en torno al eje C esta dado por : W œ #1 † '+ B † Ê" Š0 ÐBÑ‹ .B , ß # La superficie de revolución, es la que se muestra en la figura,la generada por el arco de curva determinado por el K<+0 Ð0 Ñ: 36 Ejemplo Calcule el área W de la superficie que se forma haciendo girar la gráfica de C œ È B en el intervalo Ò"ß %Ó 1.- en torno al eje B. 2.- en torno al eje C Solución 1.- W œ #1 † '" ÈB † Ê" Š #È" B ‹ .B œ 1 † '" † È %B " .B # % œ 1 "' Ð%B "Ñ # ¸" œ $ % *1 # % $ 1 '" Ð&Ñ # 2.- W œ #1 † '" B † Ê" Š #È" B ‹ .B œ 1 † '" È %B# B .B % # % œ ÞÞÞÞ 37 Ejemplo Determine el área W de la superficie de revolución que se forma al hacer " $ girar C œ $B en el intervalo Ò"ß )Ó en torno al eje C. 1.- en torno al eje B 2.- en torno al eje C Solución 1.- W œ #1 † '" $B † Ê" Š B " $ 8 % #$ " ‹ .B œ #1 † '" $B † Ê # 8 " $ % B $ " % B$ .B " sea C œ B $ ß .C œ %$ B $ .B Í *% .C œ $B $ .B œ * #1 † '" É "' C" C * #1 .C œ † ÐÈÐCÐ" CÑ 68ÐÈ" C ÈCÑѸ" "' 8 8 " # % 2.- W œ #1 † '" B † Ê" Š B $ ‹ .B œ #1 † '" B $ † È B $ " .B # % " sea C# œ B $ " ß #$ C.C œ B $ .B œ $1 † ' È C# .C œ 1C $ ¸ È"( # È"( È# œ ÞÞÞ 38 Observación 1.- Tambien es posible calcular la superficie generada por un arco de curva considerando la variable C ß para lo cual basta considerar la función de la curva respecto a la variable C y usar la formula correspondiente 2.- Tambien es posible determinar toda la superficie generada por la rotación de una región en torno a un eje de rotación paraleto a los ejes de coordenadas para lo cual basta considerar las funciones frontera de la región respecto a la variable B ó C y calcular la suma de las superficies respectivas. Ejemplo Dada la región achurada definidas por las relaciones : C # B #C œ $ à C $B œ $ à C œ ! Expresar las integrales que permiten calcular la superficie del sólido obtenido al rotar la región en torno a la recta : 1.- C œ ! à 2.- B œ ! ; 3.- C œ " 4.- B œ " ; 5.- C œ % à 6.- B œ & Solución se tiene que, las funciones fronteras respecto a la variable B son : C # B #C œ $ Í ÐC "Ñ# œ B % Í C œ " È % B ß C œ " È % B à C œ $ $B à C œ ! 39 con lo cual 1.- WCœ! œ #1'! Ð" È% BÑÉ" % " %Ð%BÑ #1'$ Ð" È% BÑÉ" % 2.- WBœ! œ #1'! BÉ" % " %Ð%BÑ .B " %Ð%BÑ .B #1'! Ð$ $BÑÈ" *.B " .B #1'$ BÉ" % #1'! BÈ" *.B 1 Ð$# "# Ñ " 3.- WCœ" œ #1'! Ð" È% B "ÑÉ" % " %Ð%BÑ #1'$ Ð" È% B "ÑÉ" % " %Ð%BÑ .B .B " %Ð%BÑ .B #1'! Ð$ $B "ÑÈ" *.B #1'" Ð "ÑÈ" !.B " 4.- WBœ" œ #1'! ÐB "ÑÉ" % " %Ð%BÑ $ .B #1'$ ÐB "ÑÉ" % #1'! ÐB "ÑÈ" *.B 1 Ð%# ## Ñ " 5.- WCœ% œ #1'! Ð% " È% B ÑÉ" % " %Ð%BÑ #1'$ Ð% " È% B ÑÉ" % " %Ð%BÑ .B .B " %Ð%BÑ .B #1'! Ð% $ $B ÑÈ" *.B #1'" Ð %ÑÈ" !.B " 6.- WBœ& œ #1'! Ð& B ÑÉ" % " %Ð%BÑ $ .B #1'$ Ð& B ÑÉ" % #1'! Ð& B ÑÈ" *.B 1 Ð%# ## Ñ " 40 " %Ð%BÑ .B Otra forma de resolver el problema ,es considerando la variable C se tiene que, las funciones fronteras respecto a la variable C son : C # B #C œ $ Í B œ % ÐC "Ñ# à B œ $ C $ con lo cual 1.- WCœ! œ #1'! C † É " $ " * .C #1'! C † È " %ÐC "Ñ# .C $ 2.- WBœ! œ #1'! Ð% ÐC "Ñ# Ñ † È " %ÐC "Ñ# .C $ #1 ' ! $ $ C $ † É" " * .C 1Ð$# "# Ñ 3.- WCœ" œ #1'! ÐC "Ñ † É " $ #1 † " † Ð$ "Ñ " * .C #1'! ÐC "Ñ † È " %ÐC "Ñ# .C $ 4.- WBœ" œ #1'! Ð% ÐC "Ñ# "Ñ † È " %ÐC "Ñ# .C $ É" #1'! Ð $ C $ "Ñ † $ 5.- WCœ% œ #1'! Ð% C Ñ † É " $ " * " * .C 1Ð%# ## Ñ .C #1'! Ð% C Ñ † È " %ÐC "Ñ# .C #1 † % † Ð$ "Ñ $ 6.- WBœ& œ #1'! Ð& % ÐC "Ñ# Ñ † È " %ÐC "Ñ# .C $ #1'! Ð& $ $ C $ Ñ † É" 41 " * .C 1Ð%# ## Ñ Ejemplo Dada la región achurada : limitadas por las curvas : T À ÐC "Ñ# œ B y las rectas : P À C $B œ $ ; à Bœ! W À B# œ C " à Cœ$ 1.- Determinar el área de la región 2.-Expresar las integrales que permiten calcular el volumen del sólido obtenido al rotar la región en torno al eje 3) C œ # à 33Ñ B œ " 3.-Expresar las integrales que permiten calcular la superficie del sólido obtenido al rotar la región en torno al eje 3) C œ # à 33Ñ B œ " Solución se tiene que : ÐC "Ñ# œ B Í C œ " È B B# œ C " Í C œ B# " Í B œ È C " C $B œ $ Í C œ $B $ Í B œ C$ $ luego, las funciones frontera respecto a la variable B son C œ " È B à C œ $B $ à C œ B# " à C œ $ con lo cual : 42 1.- E œ '" ÐÐ$B $Ñ ÐB# "ÑÑ.B '! Ð $ Ð" È BÑÑ.B ! % œ '" Ð $B % B# Ñ.B '! Ð # È B Ñ.B ! % œ Ð $# B# %B 2.- 3Ñ " $ $B Ѹ" Ð #B #$ B # Ѹ! œ ! $ % #* ' ZCœ# œ 1'" ÐÐ$B &Ñ# ÐB# "Ñ# Ñ.B % 1' Ð Ð&Ñ# Ð$ È BÑ# Ñ.B ! ! 33Ñ ZBœ" œ #1'" ÐÐ$B $Ñ ÐB# "ÑÑÐB "Ñ.B % #1' Ð $ Ð" È BÑÑÐB "Ñ.B ! ! 3.- 3Ñ WCœ# œ #1'" È " *Ð$B $Ñ.B ! #1' È " %B# ÐB# "Ñ.B ! #1' È " ! † $.B % ! " #1'! É " % 33Ñ " %B † Ð" È BÑ.B WBœ" œ #1'" È " *ÐB "Ñ.B ! #1' È " %B# ÐB "Ñ.B ! #1 ' ! É " " % " %B † ÐB "Ñ.B 1Ð&# "Ñ %1 43 Ejemplo Dada la región limitada por las relaciones : ÐC #Ñ# Ÿ %B #% • C #B "! 1.- Calcular el área de la región 2.- Expresar las integrales que permiten calcular el volumen del sólido obtenido al rotar la región en torno al eje i) C œ ! à ii) B œ ! à iii) C œ # 3.- Expresar las integrales que permiten calcular la superficie del sólido obtenido al rotar la región en torno al eje i) C œ ! à ii) B œ ! à iii) C œ # Solución T À ÐC #Ñ# œ %ÐB 'Ñ à P À C œ #B "! con lo cual ,se tiene que : las funciones frontera respecto a la variable C son Bœ' con lo cual ÐC#Ñ# % ß Bœ "!C # E œ '! ÒÐ' ' 1.- ÐC#Ñ# Ñ Ð "!C % # ÑÓ.C ' # œ ! Ò" ÐC#Ñ #C ÑÓ.C % $ ' C# œ Ò C ÐC#Ñ Ó œ* "# % ! ' ¸ 44 ZCœ! œ #1'! CÒÐ' ' 2.- ZBœ! œ 1'! ÒÐ' ' ÐC#Ñ# Ñ % ÐC#Ñ# # Ñ % ZCœ# œ #1'! ÐC #ÑÒÐ' # Ð "!C # Ñ Ó.C ' WCœ! œ #1'! C É " ' 3.- WBœ! œ #1'! Ð' ' Ð "!C # ÑÓ.C ÐC#Ñ# Ñ % ÐC#Ñ# .C % ÐC#Ñ# É Ñ " % #1'! C É " %" .C É " %" .C #1'! Ð "!C # Ñ ' Ð "!C # ÑÓ.C ' ÐC#Ñ# .C % # WCœ# œ #1'! ÐC #ÑÉ " ÐC#Ñ .C % ' #1' ÐC #ÑÉ " "% .C ' ! 45