Área entre dos curvas

Propiedades de la Integral Definida

Al calcular áreas usando el Teorema Fundamental del Cálculo, no siempre encontraremos funciones elementales positivas, es por esto que debemos contar con herramientas para abordar áreas definidas por otro tipo de funciones. A continuación se presentan una serie de propiedades de la integral definida que permiten ampliar el espectro de áreas bajo curvas que podemos calcular.

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Sean $f(x)$ y $g(x)$ dos funciones continuas en un intervalo $[a,b]$ , $k$ un escalar y $c$ un elemento de $[a,b]$ , entonces tenemos que

Las primeras tres propiedades son análogas a las propiedades vistas en la integral indefinida y hacen referencia a la suma, resta y multiplicación por un escalar de funciones.

Propiedades de la Integral Definida | totumat.com

La siguiente propiedad nos permite comparar el tamaño del área bajo la curva que definen dos funciones considerando la forma en que estas están relacionadas.

Esta propiedad indica que al intercambiar los límites de integración, cambia el signo de la integral.

Las siguientes propiedades indican que si la función es cero entonces su integral será igual a cero y también que la integral definida sobre un sólo punto es igual a cero, respectivamente

Esta propiedad es muy interesante pues lo que indica que es que al calcular la integral de una función es posible partir el intervalo, de esta forma calcular la integral una parte de la función por un lado y otra parte por otro lado, finalmente se pueden juntar los resultados.

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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

$\displaystyle A$

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

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

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

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

$\displaystyle = \ 0$

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.

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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 $A_2$

Gracias a las propiedades del 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

$\displaystyle A_1$

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

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

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

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

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

$\displaystyle A_2$

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

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

$\displaystyle = \ \frac{{1}^4}{4} - \frac{{0}^4}{4}$

$\displaystyle = \ \frac{1}{4} - \frac{0}{4}$

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

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,

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.

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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 del 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 el porqué 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 del la función $g(x)$ . Entonces el área se calcula con la siguiente resta de integrales

$\displaystyle A$

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

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

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

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

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

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

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

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Ejemplo 3

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

En los ejemplos anteriores los puntos de intersección entre ambas funciones eran obvios y así fue bastante claro determinar los puntos en los que unas 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

$\displaystyle A_3$

$\displaystyle = \ \int_{2}^{3} g(x) dx - \int_{2}^{3} f(x) dx$

$\displaystyle = \ \int_{2}^{3} x^2 dx - \int_{2}^{3} -(x-2)^2 + 4 dx$

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

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

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

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

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

$\displaystyle = \ \left( \frac{27}{3} + \frac{1}{3} - 12 \right)$

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

$\displaystyle = \ 9 + \frac{1}{3} - 12 - \frac{8}{3} - 0 + 8$

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

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

$\displaystyle A = A_1 + A_2 + A_3 = \frac{8}{3} + \frac{8}{3} + \frac{8}{3} = 8$

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Ejercicios Propuestos por los usuarios de totumat

Ejercicio 1

Calcule el área encerrada entre las curvas $c_1 : y^2=4x$ y $c_2 : y^2=x+3$ .

Lo primero que debemos notar es que estas funciones están expresadas de forma implícita, así que será necesario reescribirlas como $y$ en función de $x$ para estudiar su gráfica en el plano cartesiano. Entonces,

$\displaystyle y^2=4x$

$\displaystyle \Rightarrow \ \sqrt{y^2} = \sqrt{4x}$

$\displaystyle \Rightarrow \ |y| = 2\sqrt{x}$

$\displaystyle \Rightarrow \ y = \pm 2\sqrt{x}$

Esto quiere decir que la función $y^2=4x$ representa ambas funciones $y = 2\sqrt{x}$ y $y = - 2\sqrt{x}$ al mismo tiempo. Por otra parte, tenemos,

$\displaystyle y^2=x+3$

$\displaystyle \Rightarrow \ \sqrt{y^2} = \sqrt{x+3}$

$\displaystyle \Rightarrow \ |y| = \sqrt{x+3}$

$\displaystyle \Rightarrow \ y = \pm \sqrt{x+3}$

Esto quiere decir que la función $y^2=x+3$ representa ambas funciones $y = \sqrt{x+3}$ y $y = - \sqrt{x+3}$ al mismo tiempo.

Para calcular los puntos de intersección entre estas dos funciones, debemos plantear un sistema de ecuaciones de dos ecuaciones y dos incógnitas, de la siguiente manera

$y^2=4x$

$y^2=x+3$

Para hallar la solución de este sistema de ecuaciones, restamos los elementos correspondientes de cada ecuación para obtener la siguiente ecuación:

$\displaystyle 0 = 4x - (x+3) \Rightarrow \ 0 = 4x - x -3$

$\displaystyle \Rightarrow \ 0 = 3x - 3$

$\displaystyle \Rightarrow \ -3x = - 3$

$\displaystyle \Rightarrow \ x = \frac{-3}{-3}$

$\displaystyle \Rightarrow \ x = 1$

De esta forma, concluimos que estas dos funciones se cortan cuando $x=1$ , es decir, en los puntos $(1,2)$ y $(1,-2)$ . Identificamos el área que queremos calcular,

Ya que hemos identificado el área que queremos calcular, podemos notar que esta es simétrica respecto al Eje X. Este hecho presenta una ventaja para hacer este cálculo, pues bastará con calcular sólo la mitad del área, ya sea la mitad superior o la mitad inferior, y posteriormente multiplicarla por dos. En este caso, procederemos a calcular la mitad superior:

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

Notamos que la curva $c_2$ está por encima del Eje X en el intervalo $[-3,0]$ . Entonces el área se calcula con la siguiente integral

$\displaystyle A_1 = \ \int_{-3}^{0} \sqrt{x+3} \ dx$

$\displaystyle = \ \int_{-3}^{0} (x+3)^{\frac{1}{2}} \ dx$

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

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

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

$\displaystyle = \ \frac{2}{3} \cdot (3)^{\frac{3}{2}} - 0$

$\displaystyle = \ \frac{2}{3} \cdot (3)^{\frac{3}{2}}$

Notamos que la curva $c_1$ está por encima de la curva $c_2$ en el intervalo $[0,1]$ . Entonces el área se calcula con la siguiente integral

$\displaystyle A_2 = \ \int_{0}^{1} \sqrt{x+3} - 2\sqrt{x} \ dx$

$\displaystyle = \ \int_{0}^{1} (x+3)^{\frac{1}{2}} - 2(x)^{\frac{1}{2}} \ dx$

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

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

$\displaystyle = \ \frac{(4)^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}} - 2 \cdot \frac{1}{\frac{3}{2}} - \left( \frac{(3)^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}} - 0 \right)$

$\displaystyle = \ \frac{2}{3} \cdot (4)^{\frac{3}{2}} - \frac{2}{3} \cdot (3)^{\frac{3}{2}} - \frac{4}{3}$

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

$\displaystyle A = 2 \cdot (A_1 + A_2) = 2 \cdot \left( \frac{2}{3} \cdot (4)^{\frac{3}{2}} - \frac{2}{3} \cdot (3)^{\frac{3}{2}} - \frac{4}{3} \right) \approx 1.0718$

4 comentarios en “Área entre dos curvas”

Charly dice:

04.04.2022 a las 1:17 am

Me ayudaría calculando el área limitada por las curvas y² = 4x ; y² = x + 3.

Me gustaMe gusta

Responder
- Anthonny Arias dice:
  
  04.04.2022 a las 9:34 am
  
  Hola, Charly. Claro que sí. El ejercicio que usted plantea ha sido anexado a esta misma publicación.
  
  Me gustaMe gusta
  
  Responder
Matemáticas 31 – Sección 01 – Semestre B2021 – totumat dice:

30.10.2021 a las 3:34 pm

[…] Calculo de Áreas entre dos curvas. […]

Me gustaMe gusta

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