modulo calculo integral

156
MDULO C`LCULO INTEGRAL Jorge EliØcer Rondon Duran UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD FACULTAD DE CIENCIAS B`SICAS E INGENIER˝A UNIDAD DE CIENCIAS B`SICAS BogotÆ D. C., 2007 dx x f ) (

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Page 1: Modulo Calculo Integral

MÓDULO

CÁLCULO INTEGRAL

Jorge Eliécer Rondon Duran

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA � UNAD �

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS

Bogotá D. C., 2007

dxxf )(

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Page 2: Modulo Calculo Integral

2

COMITÉ DIRECTIVO

Jaime Alberto Leal Afanador Rector

Gloria Herrera Vicerrectora Académica

Roberto Salazar Ramos Vicerrector de Medios y Mediaciones Pedagógicas

Maribel Córdoba Guerrero Secretaria General

MÓDULO

CURSO CÁLCULO INTEGRAL SEGUNDA EDICIÓN © Copyright Universidad Nacional Abierta y a Distancia ISBN 2007 Bogotá, Colombia

Page 3: Modulo Calculo Integral

3

CONTENIDO Introducción UNIDAD UNO: La Integración

- La Antiderivada - La Integral Indefinida - La integral Definida - Valor medio de una Función - Teorema fundamental del Cálculo - La Integral Impropia

UNIDAD DOS: Métodos de Integración

- Integrales Inmediatas - Integración por Cambio de Variable: Sustitución - Integración por Sustitución: Racionalización - Integración por Sustitución Trigonométricas - Integración por partes - Integración por Fracciones Parciales - Integración de Funciones Exponencial y Logarítmica - Integración de funciones Trigonométricas - Integración de funciones Hiperbólicas

UNIDAD TRES: Aplicación De las Integrales

- Análisis de Gráficas - Áreas de Superficies de Revolución - Longitud de una Curva - Volúmenes de Sólidos de Revolución: Método de Arandelas - Volúmenes de Sólidos de Revolución: Método de Casquetes

Cilíndricos - Volúmenes de Sólidos de Revolución: Método de Rebanadas - Integrales en la Física - Integrales en la Estadística - Integrales en la Economía

Page 4: Modulo Calculo Integral

4

INTRODUCCIÓN

La matemática es una ciencia eminentemente teórica, debido a que parte de teorías y

definiciones, cuyas demostraciones se soportan en el principio de la lógica, los axiomas

y postulados, que permiten el desarrollo de habilidades de pensamiento de orden superior, especialmente la Deducción, Inducción y la Abstracción, pero a su vez

presenta dificultades para poder desplegar dichas habilidades, ya que se requiere trabajar el sentido de análisis, desarrollo del raciocinio, aspectos no fáciles de activar en la mente humana. El Cálculo Integral es el área de las matemáticas, que pertenece al campo de formación

disciplinar y tiene carácter básico en cualquier área del saber, debido a que los

Ingenieros, Administradores, Economistas, Físicos, Químicos, por supuesto los Matemáticos y demás profesionales requieren de esta área del saber. Un buen conocimiento del cálculo diferencial, permite y facilita trabajar el curso de

cálculo integral, en donde se desarrollan teorías, principios y definiciones matemáticas

propias del cálculo infinitesimal. El objetivo fundamental es que los estudiantes puedan

identificar, comprender e interiorizar las temáticas que cubren el curso, con el fin de

adquirir conocimientos matemáticos que le den capacidad de resolver problemas donde el cálculo Univariado es protagonista. El Cálculo Integral es la rama de las Matemáticas muy utilizadas en Ciencias,

Tecnología, Ingeniería e Investigación, que requiere un trabajo sistemático y

planificado, para poder cumplir el propósito fundamental que es saber integrar, técnica

que permite solucionar problemas de estos campos. Por otro lado, la integración es

necesaria para otros escenarios como las Ecuaciones Diferenciales, los Métodos

Numéricos, la geometría diferencial, la Probabilidad, la Estadística Avanzada y otras

áreas del conocimiento. Las Unidades Didácticas que conforman el curso son: La Integración, Los Métodos de

Integración y Las Aplicaciones de las integrales. El la primera unidad se desarrolla lo

referente a la antiderivada o primitiva, la integral indefinida, la integral definida, el teorema fundamental del cálculo y las integrales impropias. La segunda unidad presenta

lo relacionado con las técnicas de integración, iniciando con las integrales inmediatas

producto de la definición de antiderivada, la integración por cambio de variable o

también llamada sustitución, integración por partes, integración por fracciones parciales,

integración de funciones trascendentales; tales como, exponencial, logarítmica,

trigonométricas e hiperbólicas. La tercera unidad presenta las aplicaciones de la integración, tales como áreas bajo curvas, longitud de una curva, volúmenes de sólidos

de revolución, la integración en la física, en la estadística y en la economía. En los ejercicios propuestos, para las primeras temáticas, no se dan las respuestas ya que

éstas son muy obvias, pero para las demás temáticas, se ofrecen las respuestas, con el

fin de motivar el procedimiento de los mismos. Es pertinente desarrollarlos de manera metódica y cuidadosa; además, confrontar la respuesta obtenida con la dada en el

módulo, cualquier aclaración compartirla con el tutor o el autor a través del correo

[email protected].

Page 5: Modulo Calculo Integral

5

Como el conocimiento se va renovando y actualizando, los aportes que se hagan al presente material serán bien venidos, esperando así una actividad continua de

mejoramiento en beneficio de todos los usuarios del material. Como el material presenta las temáticas fundamentales, es pertinente complementar con otras fuentes como libros, de los cuales se presentan en la bibliografía, Internet y otros. Es recomendable desarrollar el trabajo académico de manera adecuada, como se explicita en el modelo académico � pedagógico que la UNAD tiene, para obtener los mejores resultados del curso. El estudio independiente, como primer escenario, es fundamental para la exploración, análisis y comprensión de las temáticas. El

Acompañamiento Tutorial, debe permitir complementar el trabajo realizado en el escenario anterior, especialmente en la aclaración de dudas, complementación y

profundización pertinente. En este aspecto, se deben explorar las herramientas que

estén a la mano para aprovechar de la mejor manera dichos recursos, así el grado de aprendizaje es más amplio y se verá mejor reflejado el aprendizaje autónomo.

El Autor

Page 6: Modulo Calculo Integral

6

U N I D A D U N O

L A I N T E G R A C I Ó N

Page 7: Modulo Calculo Integral

7

LA INTEGRACIÓN dxxf )( :

En el mundo de las Matemáticas encontramos que existen operaciones opuestas, como

la suma y la resta, el producto y el cociente, donde una deshace o anula la otra. De la misma manera la Integración es una operación opuesta a la Diferenciación. La relación

Diferenciación � Integración es una de los conocimientos más importantes en el mundo

de las Matemáticas. Ideas descubiertas en forma independiente por los grandes

Matemáticos Leibniz y Newton. Inicialmente Leibniz al proceso de integración lo

llamo: �Calculus Summatorius� pero en 1.696 influenciado por Johann Bernoulli, de la

dinastía Bernoulli, le cambio el nombre a Calculus Integrelis.

Gottfried Wilhelm von Leibniz Julio 1646 - Nov 1.716

El cálculo ha sido una secuencia de áreas matemáticas entrelazadas, donde se utilizan

principios de Álgebra, Geometría, Trigonometría, se debe destacar que para desarrollar

el curso de Cálculo Integral, es pertinente tener claros los principios de las áreas nombradas y además los de Cálculo Diferencial, ya que como se dijo en el párrafo

anterior, la integración es la opuesta a la diferenciación.

LA ANTIDERIVADA:

Para conceptuar la Antiderivada, comencemos por pensar que se tiene una función, digamos )(xf , el trabajo consiste en encontrar otra función, digamos )(xD tal que: )()(' xfxD . Así D(x) es una antiderivada de f(x). Identificar una función a

partir de su derivada, consiste en hallar un �dispositivo� (técnica) que nos de todas las funciones posibles, donde f(x) es su derivada, a dichas funciones se les llama Antiderivadas de f(x). El dispositivo para éste proceso es llamado La Integración. Veamos un ejemplo sencillo: Sea f(x) = 2x, ¿cual será una función D(x) cuya derivada es 2x? Con algo se astucia y conocimientos sólidos en diferenciación podemos

identificar que D(x) = x2. Veamos: Si derivamos D(x) = x2 obtenemos f(x) = 2x. Otro ejemplo: f(x) = cos(x), ¿cual será un D(x)? Debemos buscar una función cuya

derivada es cos(x), evidentemente es sen(x), luego D(x) = sen(x).

Gran Filosofo, politólogo y matemático. Precursor de la Lógica Matemática, desarrollo el

Cálculo, independiente de Newton, publicando su

trabajo en 1.684, su notación es la que se utiliza

actualmente. Descubrió el sistema binario, muy

utilizado en los sistemas informáticos. Contribuyo a

la creación de la Real Academia de Ciencias en

Berlín en 1.670, siendo su primer presidente.

Page 8: Modulo Calculo Integral

8

Para la notación de antiderivada hubo diversas propuestas, pero la del gran Matemático

Leibniz es la más utilizada universalmente. dx... . Posteriormente se analizará esta

notación. Para los ejemplos anteriores con la notación de Leibniz se tiene:

cxdxx 2)2( Para el otro: cxsendxx )()cos(

Posteriormente se aclara el concepto de la c El conjunto de todas las antiderivadas de f(x) se le llama la Integral Indefinida de f(x)

y se puede escribir: cxDdxxf )()(

Demostración: Como G(x) y F(x) son antiderivadas de f(x), entonces tenemos que: G�(x) = F�(x), por

una definición previa que dice: si g�(x) = f�(x) entonces: g(x) = f(x) + c para todo x en

el intervalo I abierto. Por consiguiente: G(x) = F(x) + c, para alguna constante c. Ejemplo No 1: Encontrar todas las funciones cuya derivada es f(x) = 4x3 + 2. Solución: Una función puede ser x

4 + 2x + 5, ya que al derivarla obtenemos 4x3 + 2. Luego: Si f(x) = 4x3 + 2, entonces D(x) = x4 + 2x + 5, pero también puede ser D(x) = x4 + 2x + 12. En general cualquier función de la forma D(x) = x4 + 2x + C, es antiderivada de la función f(x), siendo C una constante.

DEFINICIÓN No 1:

Una función D(x) es una antiderivada de la función f(x), si: D�(x) = f(x). Para todo x en el dominio de f(x).

TEOREMA: Sean F(x) y G(x) antiderivadas de f(x) en un intervalo cerrado I, entonces: G(x) = F(x) + c para alguna constante c.

Page 9: Modulo Calculo Integral

9

Ejemplo No 2: Encontrar todas las funciones cuya derivada es: f(x) = sec2(x). Solución: Si recordamos sobre derivadas de funciones trigonométricas, podemos saber que la

función cuya derivada corresponde a sec2(x), es tan(x), luego: Si f(x) = sec2(x), entonces D(x) = tan(x) + C Por consiguiente, la forma de las funciones cuya derivada corresponde a sec2(x) es: D(x) = tan(x) + c Ejemplo No 3: Hallar algunas funciones cuya derivada es g(x) = 12 Solución: Cualquier función de la forma 12x + C es antiderivada de g(x), luego algunas de estas puede ser: G(x) = 12x + 5, G(x) = 12x + 10, G(x) = 12x + 25 En general: G(x) = 12x + C Los ejercicios propuestos, se deben desarrollar, utilizando las definiciones y teoremas, analizados en este aparte.

Page 10: Modulo Calculo Integral

10

EJERCICIOS: Encontrar la antiderivada F(x) + C de las siguientes funciones:

1. f(x) = 8

2. f(x) = 3x2 + 4

3. f(x) = x21 � x10

4. f(x) = 3/x4 � 6/x5

5. f(x) = (3x2 � 5x6) / x8 Desarrollar la operación propuesta:

6. dxx )6( 5

7. dxx2273

8.

dyy

yy

2

34

9. dxxxsen )(csc)( 2

10. dx

NOTA: Como la respuesta es directa, entonces NO se dan, por esto, los ejercicios se deben resolver en el trabajo individual y socializarlo en el pequeño grupo colaborativo.

Cualquier duda por favor consultar al Tutor. .

Page 11: Modulo Calculo Integral

11

LA INTEGRAL INDEFINIDA: Conociendo el concepto de Antiderivada, podemos formalizar desde el punto de vista matemático la integral indefinida. Leibniz (1.646 � 1.716) a la Antiderivada la llamo Integral Indefinida, quizás pensando que este tipo de integrales incluye una

constante arbitraria. Luego podemos definir la integral indefinida de la siguiente manera: Donde:

Símbolo de integración.

f(x) = Integrando dx = diferencial de la variable, D(x) = La integral de f(x) c = constante de integración. Veamos un poco esta nomenclatura matemática: Por definición de derivada tenemos:

dxxfxDxfxDdx

d)()(')()(

La operación opuesta:

dxxfxDdxfdx

xDd)())(()(

))((

cdxxfxDdxxfxDd )()()())((

No debemos olvidar la constante de integración. Con base en las definiciones anteriores y los conceptos analizados, se puede obtener algunas integrales, basado en la teoría de la antiderivada.

cxDdxxf )()(

Page 12: Modulo Calculo Integral

12

INTEGRALES INMEDIATAS:

INTEGRAL DERIVADA

Cxdx 1)( cxdx

d

cn

xdxx

nn

1

1

para n ≠ -1 nn

xcn

x

dx

d

1

1

cn

edxe

nxnx para n ≠ 0 nx

nx

ecn

e

dx

d

caLog

adxa

xx

)( para a > 0 x

x

acaLog

a

dx

d

)(

ck

kxdxkxsen

)cos()( para k ≠ 0 )(

)cos(kxsenc

k

kx

dx

d

cxLndx

x)(

1

xcxLn

dx

d 1)(

cxSenxdx

)(1

1 1

2

2

1

1

1)(

xxSen

dx

d

cxdxx )tan()(sec2 )(sec)tan( 2xcx

dx

d

PROPIEDADES:

Para las propiedades indefinidas, podemos destacar las siguientes propiedades, consecuencia de las aplicadas en la diferenciación.

1. dxxfdxxf )()(

2. dxxfkdxxkf )()(

3. ckxkdx

4. dxxkgdxxkfdxdxxkgdxxkf )()()()(

5. cxfLndxxf

xf

)(

)(

)('

La demostración se pude hacer por medio de sustitución.

Page 13: Modulo Calculo Integral

13

6.

cp

xfdxxfxf

pp

1

)()(')(

1

La demostración se puede hacer por medio de la técnica de sustitución. Veamos algunos ejemplos:

1. cxdxdx 444 Aplicando las propiedades 1 y 2.

2. cedxedxexxx 222

2

555 Aplicando propiedad 3 e integrales inmediatas.

3. dxxsendxxdxxdxxsenxx )(243)(243 3232

Aplicamos las propiedades 3 y 4, luego:

cxxxdxxsendxxdxx )cos(2)(243 4332

4. cxLndxx

x

4343

6 22 Aplicamos la propiedad 5.

5. cxsenxdxxxxsenx 5242 )2(5

5

1)2cos(210)2(5

Aplicamos la propiedad 6. CONSTANTE DE INTEGRACIÓN:

Retomando lo manifestado en el Teorema No 1, podemos observar que las antiderivadas de una función sólo se diferencian por una constante C dada. Si recordamos el ejemplo

cxdxx )tan()(sec2 , podemos especificar algunas antiderivadas.

D(x) = 2)tan( x , D(x) = 2)tan( x , D(x) = 5)tan( x , D(x) = 100)tan( x , � . A partir de lo anterior, se afirma que la constante de integración es propia de las

integrales indefinidas, ya que son muchas las antiderivadas de una función que contiene

el integrando. Por otro lado, cuando estamos integrando donde hay suma o resta, cada término tendrá

su constante de integración, pero todas las constantes obtenidas se pueden agrupar en una sola.

Page 14: Modulo Calculo Integral

14

Ejemplo No 1.

Desarrollar: dxxexx

))cos(27( 4

Solución: Aplicando las propiedades de suma y resta tenemos:

dxxexx

))cos(27( 4 = dxxdxedxxx )cos(27 4 desarrollando cada integral.

3215 )(2

5

7cxsencecx

x , luego las constantes las podemos agrupar en una

sola: 3215 )(2

5

7cxsencecx

x = Cxsenex

x )(2

5

7 5

Ejemplo No 2.

Hallar: dxexx

42

Solución: Aplicando las propiedades y las integrales inmediatas:

24

144

4

1

)2(

222 cec

Lndxedxdxe

xx

xxxx Agrupado las constantes:

ceLn

dxex

xxx

44

4

1

)2(

22

Page 15: Modulo Calculo Integral

15

EJERCICIOS: Hallar las antiderivadas de las funciones dadas: 1. 20)( xf 2. 2)( 4 xxf

3. x

xxf

1)(

4. xexsenxf 22)2(3)( Aplicando las propiedades, resolver las siguientes integrales.

5. dx6

6. dxxx )3(sec225 23

7. dxxsene

t

7)5(2

8. dxx

x

)tan(

)(sec2

9. dxttt 38)234( 2

10. dxe

ex

x

5

Page 16: Modulo Calculo Integral

16

LA INTEGRAL DEFINIDA: Para analizar las integrales definidas es necesario el estudio de los conceptos de Sumatorias, Sumas de Riemman y áreas bajo la curva. Cada una se irán desarrollando de manera secuencial, para poder interiorizarlas adecuadamente. El tema de Sumatorias, se desarrolló en el curso de Álgebra, Trigonometría y Geometría Analítica,

sin embargo para cualquier duda o aclaración es pertinente consultarlo en dicho curso. SUMAS DE RIEMMAN:

Comencemos por definir una función f(x) en el intervalo cerrado I = [a, b], en dicho

intervalo puede haber valores positivos y negativos; incluso, podría ser no continua.

Hacemos una partición P del intervalo I en n subintervalos, para facilidad se hace una partición regular, pero no necesariamente debe ser regular, dicha partición debe tener la

condición que: X0 < X1 < X2 < � < Xn-1 < Xn, donde a = X0 y b = Xn Ahora sea ∆Xi = Xi � Xi-1 El tamaño del subintervalo. En cada subintervalo se escoge

un �punto muestra�, puede ser un punto frontera. ix~ .

∆X1 = X1 � X0. ∆X2 = X2 � X1 Así para los demás

intervalos. Como la partición se hizo sobre la función f(x), entonces:

Suma de Riemman.

Aquí Rp es la suma de Riemman para f(x) en la partición P.

Georg Friedrich Bernhard Riemann Polígonos circunscritos.

1.826 Alemania � 1.866 Suiza

n

i

iip xxfR1

)~(

)()()( aFbFdxxf

b

a

Page 17: Modulo Calculo Integral

17

Ejemplo No 1: Evaluar la suma de Riemman para la función f(x) = x

2 +2 en el intervalo [-2, 2], la partición es regular, tomando P = 8 Solución: Tomemos X0 = -2 y Xn = 2. Se toma ix~ como el punto medio del i-ésimo intervalo.

También: 2

1

8

)2(2

ix ∆Xi = 0,5; con esto se obtienen 8 subintervalos, cuyos

puntos medios son: -1.75, -1.25, -0.75, -0.25, 0.25, 0.75, 1.25, 1.75. Apliquemos la fórmula de sumas de Riemman:

8

1

)~(i

iip xxfR Entonces:

Rp = [f(-1.75)+f(-1.25)+f(-0.75)+f(-0.25)+f(0.25)+f(0.75)+f(1.25)+f(1.75)] * 0.5 En la función se reemplaza: 0625,52)75,1()75,1( 2 xf y así para los demás. Rp = [5.0625 + 3.5625 + 2.5625 + 2.0625 + 2.0625 + 2.5625 + 3.5625 + 5.0625] * 0.5 Rp = [25.50] * 0.5 = 13.25

Ejemplo No 2: Evaluar la suma de Riemman para la función h(t) = t

3 � 2t, en el intervalo [1, 2]. La partición es regular y los puntos muestra definidos son: 20,1~

1 x , 38,1~2 x , 68,1~

3 x ,

92,1~4 x

Solución Tenemos todos los insumos para hacer la suma correspondiente:

4

1

)~(i

iip xxfR Entonces:

Rp = [f(1.20) + f(1.38) + f(1.68) + f(1.92)] * 0.25 Rp = [-0.672 � 0.131928 + 1.3816 + 3.2779] * 0.25 Rp = [3.855] * 0.25 = 0.9637 Resolver el ejemplo anterior utilizando 8 subintervalos P = 8, definiendo el tamaño de

cada subintervalo y el punto muestra de cada uno.

Page 18: Modulo Calculo Integral

18

AREA BAJO LA CURVA:

Concepto Intuitivo:

Para hallar el área de una figura con lados rectos, la geometría plana (estudiada en

matemática básica) permite calcular dichas áreas, por ejemplo rectángulos, triángulos,

paralelogramos, otros. Cuando la frontera de una figura es curva la situación es de un

análisis más profundo, ya que se requiere mayor trabajo matemático. El gran

matemático de la antigüedad ARQUIMEDES, propuso una solución consistente en que

al considerar una sucesión de polígonos inscritos que aproximen la región curva, que

puede ser más y más precisa, a medida que el polígono aumenta el número de lados. Cuando P tiende a infinito ( P ), el área del polígono se hace

semejante a la del círculo.

Pero la genialidad de Arquímedes, también lo llevo a demostrar que con polígonos circunscritos, se llegaba al mismo resultado.

Estimación por Sumas Finitas: Para determinar como se halla el área bajo la curva, utilizaremos el principio de los

polígonos inscritos y además una de las funciones más conocidas: f(x) = x2. El proceso

consiste en hallar el área de la región A ( R ) acotada por el intervalo [a, b], para nuestro caso tomemos: [0, 2] La partición P del intervalo [0, 2] en n subintervalos, cuya longitud ∆x es:

Page 19: Modulo Calculo Integral

19

nnn

xxx n 2020

Partición regular.

Comencemos: X0 = 0 X1 = X0 + ∆x = ∆x X2 = X1 + ∆x = ∆x + ∆x = 2∆x X3 = X2 + ∆x = 2∆x + ∆x = 3∆x Xi = Xi-1 + ∆x = (i � 1) ∆x + ∆x = i∆x Xn-1 = (n-1) ∆x Xn = n∆x Pero ∆x = 2/n, entonces: X0 = 0, X1 = 2/n, X2 = 4/n, � , Xi = 2i/n, ,� , Xn = n(2/n) = 2 El área de la región Ri es f(xi-1) ∆x . El área total de la región Rn será la suma de las áreas de todos los rectángulos inscritos en

la curva.

xxfxxfxxfRA nn )()()()( 110

Para la función que estamos analizando tenemos:

233

222 882

*2

)( inn

i

nn

ixxxxf ii

Luego:

6

)12)(1(8)1(210

8)(

32222

3

nnn

nn

nRA n

Revisar las propiedades de las sumatorias en el modulo de Álgebra, Trigonometría y

Geometría analítica, unidad tres, donde puedes reforzar estos conceptos. Luego:

23

23 132

3

432

6

8)(

nnn

nnnRA n Entonces:

23

44

3

8)(

nnRA n

Page 20: Modulo Calculo Integral

20

A medida que n se hace más grande, entonces el área de la suma de los rectángulos inscritos es más y más aproximado al área de la curva. Por consiguiente:

3

8

3

44

3

8)()(

2

nnLimRALimRAn

nn

NOTA: Realice la misma demostración pero usando rectángulos circunscritos. DEFINICIÓN: Sea f(x) una función definida en el intervalo cerrado [a, b] y continua en el intervalo abierto (a, b). Si f(x) ≥ 0 en [a, b], el área bajo la curva de f(x) en el intervalo definido

esta dado por:

n

i

in

xxfLimA1

)(

Ejemplo 1: Calcular el área bajo la curva de f(x) = 3x

2 � x en el intervalo [1, 3]. Solución:

Comencemos el proceso hallando nn

x213

10 x

n

n

nxxx

22101

n

n

nnnxxx

441

2)

21(12

n

n

nnn

nxxx

661

2423

n

in

n

ixxx ii

2211

Ahora por la definición:

n

i

iin

n

i

in

xxxLimxxfLimA11

3)(

n

in nn

in

n

inLimA

1

2222

3

Page 21: Modulo Calculo Integral

21

Desarrollando las potencias y multiplicando, obtenemos:

n

in n

in

n

inin

nLimA

12

22 2121232

Aplicando las propiedades de las sumatorias, tenemos:

n

i

n

in n

in

nn

inin

nLimA

112

22 22121232

n

i

n

in

inn

in

inn

LimA11

22

21

212123

2

n

i

n

i

n

in

in

nn

in

in

nn

LimA11

22

1

2*

212123

2

Recordemos las propiedades de las sumatorias.

6

1212

2

123

2 2

2

2nnn

n

nn

nn

nLimAn

2

2*

2 2nn

nn

n

n

nnn

nn

nnn

n

nnn

nLimAn

2

2

232 2264663

2

nnnnLimAn

222

4128

12126

2

2

4224426

nnnLimAn

2

42222

nnLimAn

Page 22: Modulo Calculo Integral

22

Aplicando límite: 220022 A Unidades cuadradas. EJERCICIOS:

1. Demostrar que el área bajo la curva para la función 222 xxy en el intervalo [0, 1] es

1/3. SUGERENICA: Siga el procedimiento anterior, teniendo en cuenta las propiedades de las sumatorias. Hallar el área del polígono circunscrito para la función propuesta: 2. f(x) = x + 1 donde a = -1 y b = 2 Con partición regular. 3. f(x) = x2 + 4 donde a = 2 y b = 4 Con partición regular. 4. g(x) = x3 donde a = 0 y b = 2 Con partición regular. Para las funciones dadas:

Determinar los puntos de evaluación, correspondientes a los puntos medios de cada

subintervalo dado según el valor de n. Graficar la función de los rectángulos que la aproximan. Calcular la suma de Riemman

5. f(x) = sex(x) [0, ð] y n = 4 6. g(x) = x3 � 1 [1, 2] y n = 4

7. 2)( xxh [1, 4] y n = 6

8. x

xxP

12)(

[2, 4] y n = 10

Page 23: Modulo Calculo Integral

23

LA INTEGRAL DEFINIDA: Conocidos y estudiados los conocimientos sobre Sumas de Riemman y áreas bajo la

curva, podemos hacer una definición formal sobre la integral definida. DEFINICIÓN: Sea f(x) una función definida en el intervalo cerrado [a, b], la integral definida de f(x)

que va de a hasta b se define como:

b

a

n

i

in

xxfLimdxxf1

)()( Llamada también la Integral de Riemman

Donde: a = Límite Inferior b = Límite Superior f(x) = El integrando; o sea, la función que se va a integrar. dx = Diferencial de la variable. Analizando un poco el límite de la sumatoria, igual que en el caso de la derivación.

n

i

ip

LxxfLim1

0)(

Esto significa que dado un å > 0, tan pequeño como se quiera, existe un ä > 0 tal que:

n

i

i Lxxf1

)(

Para todas las sumas de Riemman xxf i )( de la función definida en el intervalo

dado, si la norma p de la partición asociada, es menor que ä, se dice que el límite

dado existe y es L. Surge la pregunta: ¿Qué funciones son integrables? La respuesta es que NO todas las

funciones son integrables en un intervalo cerrado I. Asociado al caso de límite, se

requiere que la suma de Riemman tenga límite, ya que hay casos donde esta suma se

puede hacer muy grande, como es el caso de:

n

i in xLim

1

21

Existen además funciones acotadas que pueden no ser integrables, por el grado de complejidad de la misma, como es el caso de:

2

0

2

dxex

Page 24: Modulo Calculo Integral

24

Para esto existe un teorema de integrabilidad que nos garantiza las funciones integrables en un intervalo cerrado I, su demostración NO esta al alcance de este nivel ya que requiere cálculo avanzado. TEOREMA DE INTEGRABILIDAD: Si f(x) es acotada en el intervalo cerrado [a, b] y si f(x) es continua excepto en un

número finito de puntos, entonces f(x) es integrable en [a, b]. En particular si f(x) es

continua en todo el intervalo, entonces es integrable en [a, b].

Consecuencia de este teorema podemos ver que las funciones polinómicas, seno y

coseno, son integrables en todo el intervalo cerrado I. Las funciones racionales lo son en I siempre y cuando dicho intervalo no contenga puntos en donde el denominador es cero. Ahora podemos hacer la siguiente relación como conclusión de lo que venimos

analizando:

Área bajo la curva de y = f(x) en el intervalo cerrado [a, b] es equivalente a b

a

dxxf )(

PROPIEDADES DE LA INTEGRAL DEFINIDA: Las propiedades aplicadas a la integral indefinida, también son aplicables a las

integrales definidas. Veamos algunas.

1.

b

a

dxxf 0)( Para a = b

2. b

a

a

b

dxxfdxxf )()( Para a < b

3.

b

a

c

a

b

c

dxxfdxxfdxxf )()()( Para a < c < b

4.

b

a

b

a

b

a

dxxgdxxfdxxgxf )()(()(

5.

b

a

b

a

dxxfKdxxKf )()(

6.

b

a

abKKdx )(

7. Si f(x) y g(x) son funciones integrables en el intervalo I = [a, b] y si f(x) ≥ g(x) para

Page 25: Modulo Calculo Integral

25

todo x en [a, b], entonces: b

a

b

a

dxxgdxxf )()(

Las demostraciones se pueden consultar en un libro de cálculo, en la bibliografía se

proponen algunos. Sería pertinente que se consultaran. V A L O R M E D I O D E U N A F U N C I Ó N: El concepto de valor medio lo conocemos muy bien, por los principios de Estadística,

pero en este caso vamos a calcular el valor promedio de una función f(x) en un intervalo

cerrado I. Para este caso escogemos una muestra de puntos en el intervalo I, construyendo la Partición correspondiente, donde: x0 < x1 < x2 � < xn; además, x0 = a y

xn = b. La diferencia entre los puntos es: n

abx

El valor promedio de la función f(x) esta dado por el promedio de los valores de la

función en x1, x2, � xn:

n

i

in xfn

xfxfxfxfn

xf1

321 )(1

)(...)()()(1

)(

Si multiplicamos y dividimos por b � a tenemos:

n

abxf

abxf

n

i

i

1

)(1

)( Recordemos que: n

abx

, luego:

xxfab

xfn

i

i

1

)(1

)( Corresponde a la suma de Riemman.

DEFINICIÓN: Para la función f(x) integrable en [a, b] y sabiendo que la suma de Riemman tiene límite:

b

a

n

i

in

dxxfab

xxfab

Limxf )(1

)(1

)(1

Ejemplo 1: Hallar el valor promedio de la función sen(x) en [0, ð] Solución: Aplicando la definición tenemos:

Page 26: Modulo Calculo Integral

26

0

)(0

1)(

1)( dxxsendxxf

abxf

b

a

)0cos(()cos(1

)cos(1

)(1

)( 00

xdxxsenxf

211

1)( xf

El proceso requiere la aplicación del teorema fundamental del cálculo, el cual

estudiaremos en seguida. Ejemplo 2: Cual será el valor promedio de la función f(x) = x

2 � 2 en el intervalo [0, 4] Solución: Al igual que en el caso anterior, con la aplicación de la fórmula para valor promedio de

la función:

4

0

34

0

2 23

1

4

12

04

1)(

1)(

xxdxxdxxf

abxf

b

a

3

10

3

40

4

108

3

64

4

12

3

1

4

1)(

4

0

3

xxxf

310

)( xf

EJERCICIOS: 1. Hallar el valor promedio para la función f(x) = 4x

3 en el intervalo [1, 3]

2. Cual será el valor promedio de la función 16

)(2

x

xxg en el intervalo [0, 3]

3. Determinar el valor medio de la función: g(x) = sen2(x) cos(x) para el intervalo

[0, ð/2] 4. Cual será el valor promedio de la función f(x) = cos(x) en el intervalo [0, ð/2]

Page 27: Modulo Calculo Integral

27

TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO: En Matemáticas hay teoremas fundamentales, como en Aritmética, Álgebra,

Geometría; el Cálculo también tiene su teorema fundamental. Para estudiar el teorema fundamental del cálculo que en verdad son dos y no uno como dice el título, vamos a

estudiarlos por separado. PRIMER TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO: Para enunciar el teorema, analicemos la siguiente situación: Sea A(x) el área bajo la curva de la

función f(t) a dicha función se le llama función

acumulada, ya que va acumulando el área bajo la

curva dada t = a hasta t = x. donde x > 1. Sabemos que:

x

a

dttfxA )()(

Por otro lado, sabemos por definición de áreas bajo la curva que:

n

i

in

xxfLimxA1

)()(

Al relacionar las ecuaciones anteriores:

x

a

n

i

in

dttfxxfLim )()(1

Ahora definamos a B(x) como el límite de la sumatoria, de tal manera que )(xfdx

dB

Luego: )()( xfdttfdx

dx

a

TEOREMA: Sea f(x) una función continua en el intervalo cerrado [a, b] y sea x un

punto en (a, b), entonces:

)()( xfdttf

dx

dx

a

Page 28: Modulo Calculo Integral

28

Se debe anotar que x es variable y que la tasa de acumulación en t = x es igual al valor

de la función f(x) que se esta acumulando en t = x. Demostración: Por la definición de derivada:

x

a

xx

axx

dttfdttfx

Limx

xFxxFLimxF )()(

1)()()('

00

xx

xx

x

a

xx

ax

dttfx

Limdttfdttfx

Lim )(1

)()(1

00

Si observamos cuidadosamente la última expresión, podemos deducir que corresponde a

límite del valor promedio de f(x) en el intervalo [x, x + ∆x]. Como ∆x > 0, por

teorema de valor medio:

xx

x

cfdttfx

)()(1

Donde x < c < x + ∆x

Pero cuando ∆x tiende a cero, entonces c tiende a x; además, f(x) es continua.

)()()(1

)('00

xfcfLimdttfx

LimxFx

xx

ax

Este teorema en su concepto expresa que toda función f(x) continua en un intervalo

cerrado, tiene antiderivada. Ejemplo 1:

Desarrollar:

x

dttdx

d

1

4

Solución: Por la definición del teorema:

4

1

4xdtt

dx

dx

Page 29: Modulo Calculo Integral

29

Ejemplo 2:

Dado:

x

dtttxF1

2 24)( Hallar F�(x).

Solución: El integrado por definición es F�(x) = f(x) entonces: F�(x) = x

2 + 4x � 2

Si lo resolvemos por otro lado, tenemos:

x

dtttdx

d

dx

dF

1

2 24 por definición del

teorema: 242 xx

dx

dF

Ejemplo 3:

Si 2

1

)cos()(x

dttxP Calcular P�(x).

Solución: Como el límite superior tiene potencia, hacemos cambio de variable. U = x

2, luego:

u

dttxP1

.)cos()( Por la regla de la cadena:

dx

dudtt

du

d

dx

dP

dx

du

du

dP

dx

dPu

*)cos(*1

Desarrollando:

xudx

duu

dx

dP2*)cos(*)cos( recordemos que u = x2 en este contexto.

)cos(2)(' 2xxxP

Ejemplo 4

Sea

2

1

42)(x

dttxH Hallar H�(x).

Solución: Hacemos cambio de variable así: u = x

2 ahora:

Page 30: Modulo Calculo Integral

30

xudx

dudtt

dx

d

dx

dHu

2*42*)42(1

Reemplazando u tenemos

xxxxdx

dH842*42 32 Por consiguiente:

xxdx

dH84 3

SEGUNDO TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO En cálculo el estudio de los límites es fundamental, dos límites muy importantes en

cálculo son:

x

xfxxfLimxf

x

)()()('

0 y xxfLim i

n

)(

Por medio del teorema fundamental numero uno, se estudio la relación que tienen estos

dos límites, fundamental para resolver integrales definidas. La existencia de la antiderivada, lo garantiza el primer teorema fundamental del cálculo,

la evaluación de dichas integrales se garantiza por medio del segundo teorema

fundamental. TEOREMA: Sea f(x) una función continúa en un intervalo definido, por consiguiente es integrable en

el intervalo cerrado [a, b], sea P(x) una antiderivada de f(x) en el intervalo dado, entonces: Demostración: La demostración requiere los conocimientos de teoremas y definiciones estudiadas anteriormente, por lo cual se debe tener presente estos aspectos.

Sea la función x

a

dttfxG )()( para x en el intervalo [a, b], sabemos que )()(' xfxG

Para todo x en [a, b], luego G(x) es una antiderivada de f(x), pero P(x) es también

antiderivada de f(x). Por el teorema de antiderivada, sabemos: P�(x) = G�(x), donde P(x) y G(x) solo difieren por una constante, luego para todo x en

[a, b]: P(x) = G(x) + C, para P(x) y G(x) continuas en el intervalo dado, luego:

b

a

aPbPdxxf )()()(

Page 31: Modulo Calculo Integral

31

P(a) = G(a) + C y P(b) = G(b) + C en el intervalo cerrado definido.

Para

ax

a

dttfaG 0)()( ¿Recuerdas?

P(a) = G(a) + C ¡saber porque verdad! P(a) = 0 + C entonces: P(a) = C, por lo tanto: P(b) � P(a) = [G(b) + C] � C = G(b). Luego al igual que G(a), podemos decir:

bx

a

dttfbG )()( Por consiguiente:

b

a

dxxfaPbP )()()( Así queda demostrado el teorema.

Esta misma demostración se puede hacer por las sumas de Riemman, veamos: Primero participamos el intervalo [a, b] en: xo, x1, x2, � , xn donde xo = a y xn = b, además: ∆x = xi � xi-1, como ∆x es el tamaño de cada subintervalo, entonces:

n

abx

para i = 1, 2, 3, � , n Ahora:

P(b) � P(a) = [P(x1) � P(xo)] + [P(x2) � P(x1)] + � + [P(xn � P(xn-1)] resumiendo:

n

i

ii xPxPaPbP1

1 )()()()(

Como P(x) es una antiderivada de f(x) derivable en (a, b) y continua en [a, b], por el teorema del valor medio

xcfxxcPxPxP iiiiii )())((')()( 11 para ci � (xi-1, xi) donde i = 1,

2, 3, � Por asociación de las dos ecuaciones anteriores:

n

i

i

n

i

ii xcfxPxPaPbP11

1 )()()()()( Si tomamos limite a ambos lados de

la ecuación cuando n tiende a infinito, obtenemos:

b

an

n

i

in

dxxfaPbPLimxcfLim )())()(()(1

Por consiguiente:

Page 32: Modulo Calculo Integral

32

b

a

dxxfaPbP )()()(

Ejemplo 1:

Aplicar el segundo teorema fundamental del cálculo para resolver: b

a

xdx

Solución:

b

a

bx

ax

ababx

xdx22

222

2

1

222

Ejemplo 2:

Resolver la integral: dxxx

2

0

3 4

Solución:

2424

2

0

242

0

3 0204

1222

4

12

4

14 xxdxxx

48484

164

2

0

3 dxxx

Ejemplo 3:

Demostrar que: 12

4714

12

dx

xx

Solución:

Como 2

1

xx es continua en [1, 4], se puede aplicar el teorema fundamental, luego:

4

1

4

1

14

1

22

23

21

3

2)(

1xxdxxxdx

xx Evaluando:

4

1

3

11

3

5

4

1

3

1611

3

244

3

214

1

11

22

32

3

dx

xx

Page 33: Modulo Calculo Integral

33

12

47

4

1

3

1114

12

dx

xx

Ejemplo 4:

Hallar el valor de: 2

0

)(

dxxsen

Solución: La función seno es continua en el intervalo propuesto, luego se puede integral, por medio del teorema fundamental.

))0cos(()cos()cos()( 200

2

2

xdxxsen

110)(2

0

dxxsen

TEOREMA DE SIMETRÍA:

Si f(x) es una función par, entonces:

aa

a

dxxfdxxf0

)(2)(

Si f(x) es una función impar, entonces: 0)(

a

a

dxxf

Demostración: Vamos a demostrar la primera parte del teorema, el segundo se deja como ejercicio.

a

a

a

a

dxxfdxxfdxxf0

0

)()()( Ahora hacemos una sustitución u = -x, luego

du = -dx. Por definición, si f(x) es par. Se cumple: f(-x) = f(x), entonces:

0 00

)())(()(a aa

duufdxxfdxxf Luego:

aa

dxxfduuf00

)()( Por lo tanto:

Page 34: Modulo Calculo Integral

34

aaaa

a

dxxfdxxfdxxfdxxf000

)(2)()()(

EJERCICIOS: 1. Escribir las siguientes integrales como una sola:

a-)

3

2

2

0

)()( dxxfdxxf

b-)

1

2

2

0

)()( dxxfdxxf

2. Hallar 4

0

.)( dxxf donde:

12

12)( 2

xsix

xsixxf

3. Calcular 4

0

.)( dxxf donde:

31

32)(

2

xsix

xsixxf

4: Desarrollar:

1

0

102 21 dxxx

5. Hallar

dxxxsex2)cos()(

6. Para un gas ideal, la presión es inversamente proporcional al volumen, el trabajo requerido para aumentar el volumen de un gas particular de V = 2 a V = 4 esta dado por

la siguiente expresión: 2

1

)(V

V

dVVP donde la constante de proporcionalidad para este

caso es de 12. Cual será el valor de la integral. 7. La temperatura T en una región particular, esta dada por la función T(t) = 75 � 20cos(ð/6)t donde t = tiempo en meses. Estimar la temperatura promedio Durante todo el año.

Page 35: Modulo Calculo Integral

35

L A I N T E G R A L I M P R O P I A: El teorema fundamental del cálculo se puede aplicar bajo la condición de que la

función sea continua en el intervalo de integración. Por lo cual, cuando vamos a integral

lo primero que debemos observar es que se verifique el teorema. Existen casos en que el teorema NO se cumple, dichas situaciones son las que abordaremos en este aparte del curso. Integral Impropia con Integrando Discontinuo: La función que observamos es dada por la

ecuación:2

1)(

xxf y deseamos integrarla en

el intervalo [1, -2]. Sin pensarlo dos veces lo que haríamos es:

1

2

1

2

21

22 2

31

xdxx

x

dx

Obviamente la respuesta NO es correcta ¿Por qué? El problema requiere que recordemos dos términos: Continuidad y Acotación. La integral que estamos analizando se le llama Integral Impropia, debido a que el integrando es discontinuo en el intervalo propuesto.

Considere el caso de:

1

0 1 x

dx ¡Argumente y comparta con sus compañeros¡

DEFINICIÓN: Sea f(x) una función continua en el intervalo semiabierto [a, b), entonces: Si el límite existe y es finito, decimos que la integral impropia es convergente, donde el

límite es el valor de la integral. Si el límite no existe, decimos que la integral impropia

es divergente. Ejemplo 1:

Integral la función 3

1)(

xxf en el intervalo (0, 8].

Solución: Como la función es discontinua en x = 0, entonces planteamos una solución aplicando

la definición dada anteriormente.

b

a

t

abt

dxxfLimdxxf )()(

b

a

t

abt

dxxfLimdxxf )()(

Page 36: Modulo Calculo Integral

36

32

32

32

31

2

38

2

3

2

310

8

0

8

0

8

03

tLimxLimdxxLimdxx t

tt

tt

Evaluando obtenemos:

64*4

30

2

364

2

313

238

03

dx

x Por consiguiente:

618

03

dx

x

Ejemplo 2:

Determinar la convergencia o no convergencia de la siguiente expresión:

1

0 1 x

dx

Solución: Como la función NO esta definida para x = 1, debemos tomar el límite unilateral, luego

el intervalo a tomar será [0, 1), entonces:

tt

tt

xLimx

dxLim

x

dx

0011

1

0

1211

Evaluando:

2102121 01

1

0

t

t

xLimx

dx

La integral propuesta es convergente y converge a 2. Ejemplo 3:

Demostrar que 1

0

1dx

xk

es convergente si k < 1.

Solución:

111

00

1

0 1

1

t

k

tt

k

tk k

xLimdxxLimdx

x

Evaluando:

kk

t

kk

xLimdx

x

kk

t

k

tk

1

1

11

1

1

1 1111

0

1

0

Para k < 1

Page 37: Modulo Calculo Integral

37

¿Qué pasará si k ≥ 1? Hacer el análisis con los compañeros del pequeño grupo

colaborativo. DEFINICIÓN: Sea f(x) una función continua en el intervalo semiabierto (a, b], entonces: Al igual que en el caso anterior, si el límite existe la integral converge y si el límite no

existe, la integral diverge. Con las definiciones dadas, podemos resolver integrales impropias con integrado discontinuo. Con el fin de fortalecer el tema, estimado estudiante demostrar que:

a-)

1

021 x

dx Converge a

3 2

3

b-)

4

03 32 x

dx Converge a 33 1014

2

1

c-) 2

0

)2tan(

dxx Diverge.

Estos ejercicios deben desarrollarlos en el pequeño grupo colaborativo y socializarlo

con el tutor.

Integral Impropia con Límites de Integración infinitos:

En el campo de las integrales impropias, también podemos encontrar unas integrales

impropias donde uno de los límites es infinito, tal es el caso de:

0

2

dxex muy

utilizada en Probabilidad, pero también hay casos en Economía, Administración y otros. La resolución de este tipo de integrales, utiliza también límites para eliminar una posible

indeterminación.

b

a

b

tat

dxxfLimdxxf )()(

Page 38: Modulo Calculo Integral

38

DEFINICIÓN: Sea f(x) una función continua en el intervalo semiabierto [a, b) o (-∞, a], entonces:

a

R

aR

dxxfLimdxxf )()( o

a a

RR

dxxfLimdxxf )()(

Si los límites existen, entonces las integrales impropias son convergentes. Pero si el

límite no existe, entonces la integral impropia diverge. Ejemplo 1:

Determinar la convergencia o divergencia de:

12

1dx

x.

Solución: Observamos que el límite superior es infinito, entonces aplicando la definición

tenemos:

x

R

R

R

RLimdxxLimdx

x

1

11

2

12

1 Evaluando el límite, tenemos:

11011 1

12

RLimdxx R

La integral propuesta converge a 1. Ejemplo 2:

Demostrar que:

1

x

dx es divergente.

Solución: Siguiendo el mismo procedimiento anterior:

11

RR x

dxLim

x

dx

11

RR

xLnLimx

dx

Si evaluamos el límite:

Page 39: Modulo Calculo Integral

39

RLnLnx

dx1

1

Como el límite no existe, la integral diverge. En estudios matemáticos sobre fenómenos luminosos, electricidad, sonido y en general

en fenómenos ondulatorios, se puede encontrar integrales impropias, donde los dos límites de integración son infinitos. Para resolver ente tipo de integrales, hacemos uso

de la siguiente definición: DEFINICIÓN:

Sea f(x) una función continua en el intervalo (-∞, ∞), si

a

dxxf )( y

a

dxxf )( son

convergentes, decimos que

dxxf )( es convergente y su valor se puede hallar por la

siguiente relación:

a

a

dxxfdxxfdxxf )()()(

Si alguna de las integrales diverge o las dos, entonces la integral total diverge. Ejemplo 1:

Dada la integral:

dx

x21

1 Determinar si converge o diverge.

Solución: Inicialmente definamos a = 0 y así aplicando la definición:

a

a

dxx

dxx

dxx

222 1

1

1

1

1

1

En seguida aplicamos el límite:

a

b

c

acb

dxx

Limdxx

Lim22 1

1

1

1 Integrando:

ca

c

a

bb

xTanLimxTanLim )()( 11

Evaluando el límite:

Page 40: Modulo Calculo Integral

40

)()()()( 1111aTancTanLimbTanaTanLim

cb

Como a = 0, entonces:

0)(0 22 La integral converge. Ejemplo 2:

Demostrar que:

dxe

x

Diverge.

Solución: Aplicando la definición dada para estos casos tenemos:

0

0

dxedxedxexxx

Llamemos a la primea integral A y a la

segunda B

Desarrollemos la primera integral:

A= )(0

00R

R

o

R

x

RR

x

R

xeeLimeLimdxeLimdxe

Evaluando:

A = 101

110

0

eeedxe

x

Converge

Ahora desarrollemos la segunda integral:

B = )( 0

00

eeLimeLimdxeLimdxeR

R

R

o

x

R

R

x

R

x

Evaluando:

B =

10

0

eedxex

Diverge

Page 41: Modulo Calculo Integral

41

Vemos que la primera integral converge, pero la segunda diverge, por consiguiente la integral original diverge. Ejemplo 3:

Demuestre que: dxxex

2

converge a cero.

Solución: Aplique todos los pasos utilizados en los ejemplos anteriores para obtener la solución.

Es aconsejable que lo intente usted solo estimado estudiante, si no lo puede hacer, entonces utilice el recurso del pequeño grupo colaborativo, si aun persisten dificultades,

consuluelo con el Docente.

Page 42: Modulo Calculo Integral

42

EJERCICIOS: Determinar SI la integral converge o diverge, en caso de que converja, hallar el valor correspondiente:

1. dxx

1

03

1

2.

1

1

1dx

x

3. 1

0

)( dxxLn

4.

0

)tan( dxx

5.

14

dxex

6.

102 1

dxx

x

7.

1

021

2dx

X

8. 2

0

)cot(

dxx

9.

5

0

54

dxx

10.

5

4

1dx

x

Page 43: Modulo Calculo Integral

43

U N I D A D D O S

M É T O D O S D E I N T E G R A C I Ó N

Page 44: Modulo Calculo Integral

44

TÉCNICAS DE INTEGRACIÓN cLna

adxa

xx

Haciendo una reflexión sobre lo que hemos estudiado hasta el momento, vemos que el

proceso de integración se puede realizar utilizando el principio de la Antiderivada; es

decir, el principio de operación opuesta. Sin embargo existen una gran cantidad de funciones que NO se pueden integrar utilizando dicho principio, lo que conduce a buscar técnicas que permitan resolver la integral de cualquier función, por consiguiente

el trabajo en este apartado será el análisis de las técnicas de integración. INTEGRALES INMEDIATAS: Inicialmente vamos a hacer un recuento de las integrales que se pueden resolver utilizando el concepto de antiderivada. Recopilando lo estudiado en integrales indefinidas, las propiedades analizadas, podemos exponer a continuación las integrales obtenidas por definición de la antiderivada o

primitiva.

1. cxdx 2. ckxkdx para k = constante

3. cn

xdxx

nn

1

1

para n ≠ -1 4. cxLndxx

)(1

5. cLna

adxa

xx

para a > 0 y a ≠ 1 6. cen

dxenxnx

1 n ≠ 0

7. cnxn

dxnxsen )cos(1

)( n ≠ 0 8. cnxsenn

dxnx )(1

)cos( n ≠ 0

9. cxdxx )tan()(sec2 10. cxdxx )cot()(csc2

11. cxdxxx )sec()tan()sec( 12. cxdxxx )csc()cot()csc(

13. ca

xSen

xa

dx

1

22 a ≠ 0 14. c

a

xTan

axa

dx

1

22

1 a ≠ 0

15. ca

xSec

aaxx

dx

1

22

1 16. c

x

aCos

aaxx

dx

1

22

1

17. cxdxxsenh )cosh()( 18. cxsenhdxx )()cosh(

Page 45: Modulo Calculo Integral

45

La idea no es memorizar estas fórmulas, solo que con un buen análisis se pueden

utilizar en muchas situaciones. Ejemplo No 1:

Resolver: dxx4

Solución: Como podemos ver se trata de una función exponencial, luego con la fórmula numero 5

se puede resolver esta integral.

cLn

dxx

x 4

44

Ejemplo No 2:

Resolver: dx5

Solución: En este caso se trata de una constante, luego con la fórmula numero 2 se puede resolver

esta integral

cxdx 55

Ejemplo No 3:

Hallar la siguiente integral: dxex430

Solución: Tenemos la integral de una constante por una función, por las propiedades estudiadas, podemos sacar la constante de la integral y luego operar la función, veamos:

dxedxexx 44 3030 Por la fórmula 6, desarrollamos la integral.

cecedxexxx

444

2

15)

4

1(3030 Por consiguiente:

Page 46: Modulo Calculo Integral

46

cedxexx

44

2

1530

Ejemplo No 4:

Resolver: dxx)5cos(20

Solución: Se trata de la integral de una constante por una función trigonométrica, la solución es de

la siguiente manera:

cxsendxxdxx

)5(

5

120)5cos(20)5cos(20

ccxsendxx )5(4)5cos(20

Ejemplo No 5:

Resolver la siguiente integral: dxx22 4

Solución: Vemos que e integrado es un producto notable, es conveniente resolverlo primero paras poder luego hacer la integración.

dxdxxdxxdxxxdxx 168)168(4 242422

Se aplico la linealidad para las integrales, ahora resolvemos cada integral.

323

1524 16

3

8

5

1168 cxcxcxdxdxxdxx

Sumando las constantes en una sola, obtenemos:

cxxxcxcxcx 163

8

5

116

3

8

5

1 3532

31

5 Por consiguiente:

cxxxdxx 163

8

5

14 3522

Page 47: Modulo Calculo Integral

47

En algunos casos la función NO tiene la forma directa para resolverla como integral

inmediata, pero haciendo una pequeña transformación, se puede llevar la función dada a

una forma tal que se pueda aplicar alguna de las funciones inmediatas para resolverla. Ejemplo No 6:

Resolver la integral: dxxx

223

1

Solución: Si observamos detalladamente, esta función no tiene una forma conocida de las integrales inmediatas, sin embargo por la forma de la función se puede inferir que

podemos llevarla a la forma dxxa

22

1 Para esto debemos transformar el trinomio

a la forma a2 � x2, entonces: 1)12(323 22 xxxx organizando:

2)1(4 x ahora incluyámoslo en la integral:

dx

xdx

xdx

xx

2222 )1(2

1

14

1

23

1 Ya lo tenemos de la forma

de una integral inmediata, observemos la fórmula 13, luego:

cx

Sendxx

2

1

)1(2

1 1

22 Por consiguiente:

cx

Sendxxx

2

1

23

1 1

2

Ejemplo No 7:

Resolver la integral: dxx

xsen

2

02 )(cos16

)(

Solución: La forma de la función no es conocida, pero se puede transformar a la forma

a

xTandx

xa

122

1 según la forma propuesta. Entonces:

Sea U = cos(x) luego: dU/dx = -sen(x) entonces: dU = -sen(x)dx. Apliquemos la integral sin límites, para facilitar el proceso, al final se evalúan los límites.

Page 48: Modulo Calculo Integral

48

44

1

16)(cos16

)( 122

UTan

U

dUdx

x

xsen Pero U = cos(x),

Entonces reemplazamos:

4

)cos(

4

1

44

1 11 xTan

UTan Evaluando en los límites propuestos:

4

)0cos(

4

)2/cos(

4

1

4

)cos(

4

1

44

1 11

0

112

TanTanx

TanU

Tan

Resolviendo y simplificando:

4

1

4

1)4/1()0(

4

1

4

)0cos(

4

)2/cos(

4

1 11111TanTanTanTanTan

Luego:

4

1

4

1

)(cos16

)( 1

02

2

Tandxx

xsen

Ejemplo No 8:

Hallar la solución de la integral propuesta: dxx

xx

1

23 2

Solución: La función del integrado No tiene forma conocida, pero es un polinomio que podemos dividir para reducirlo lo más que se pueda.

1

113

1

23 2

xx

x

xx Aplaquémosle la integral.

dxx

xdxx

xx

1

113

1

23 2

Aplicando la linealidad obtenemos:

cxLnxxdxx

dxxdx )1(2

3

1

13 2

Un ejemplo más para adquirir destreza en este tipo de situaciones:

Page 49: Modulo Calculo Integral

49

Ejemplo No 9:

Resolver la integral dada a continuación: dxx

xsen )(cos

)(2

Solución: Separemos el cos2(x) en cos(x)*cos(x) y reorganizando:

dxxx

xsendx

xx

xsendx

x

xsen

)cos(

1*

)cos(

)(

)cos(*)cos(

)(

)(cos

)(2

Por identidades trigonométricas:

dxxxdxxx

xsen)sec(*)tan(

)cos(

1*

)cos(

)( Esta última integral tiene la forma de

la fórmula 11 de las integrales inmediatas, entonces:

cxdxxx )sec()sec(*)tan( Por consiguiente:

cxdxx

xsen )sec(

)(cos)(

2

Page 50: Modulo Calculo Integral

50

EJERCICIOS:

1. 42x

dx

2. dxxsen

x )(1

)cos(2

3. dxxx 22 2

4. dxx

24

1

5. dxxx 52

42

6. dxxsenh )5(

Page 51: Modulo Calculo Integral

51

INTEGRACIÓN POR SUSTITUCIÓN SUSTITUCIÓN POR CAMBIO DE VARIABLE:

La técnica de sustitución por cambio de variable, se utiliza cuando la función que se

desea integrar NO se le puede aplicar las fórmulas de las integrales inmediatas, pero

haciendo un �Truco Matemático� llamado cambio de variable, es posible la resolución

de muchas integrales. Pero la pregunta es ¿Qué funciones se pueden integrar por cambio de variable? Cuando la función que conforma el integrando es tal que una parte es la derivada de la otra parte y las dos están en forma de producto, se puede aplicar esta técnica. Las condiciones básicas para establecer que se puede aplicar una sustitución es una buena observación

de la función a integrar y algo de perspicacia matemática. Como el método tiene que ver con el producto de una función y su derivada, estaría

implícita la regla de la cadena, el siguiente teorema sustenta dicha técnica: TEOREMA: Sea g(x) una función derivable y supongamos que P(x) es una antiderivada de la

función f(x). Si además U = g(x), entonces:

CUPdUUfdxxgxgf )()()('))((

Por consiguiente:

CxgPCUP ))(()( Demostración: Podemos demostrar que la derivada de P(g(x)) + C es la función que conforma el

integrado, veamos:

)('*))(('))(( xgxgPCxgPdx

d Pero por hipótesis P(x) es antiderivada de

f(x), luego: )(')()('*)(' xgxgfxgxgP Así queda demostrado el teorema. Los pasos para aplicar la técnica de sustitución son:

1. elegir una variable digamos u, v, w, � que sustituya parte del integrado. 2. Hallar el diferencial de la variable seleccionada: du, dv, dw,�

CUPdUUfdxxgxgf )()()('))((

Page 52: Modulo Calculo Integral

52

3. Reemplazar todos los términos en el integrado de tal forma que queden

expresados solo en función de la nueva variable 4. Resolver la integral bajo la nueva variable. A veces no se puede hacer esto, lo

cual indica que dicha sustitución no es la adecuada y se debe intentar con otra forma de sustituir.

5. Una vez realizada la integración, la nueva variable se reemplaza por la variable

original y así obtenemos la integral deseada. Ejemplo No 1:

Desarrollar: dxxx 3624 410

Solución: Vemos que la función es un producto de dos funciones: 624 10x y 34 x lo que pinta para una sustitución. Definimos la nueva variable 104

xU , ahora

derivemos esta función: dxxdUxdx

dU 33 44 Reemplazando es la integral

original: dUUdxxx623624 410 Esta si se puede resolver:

cU

dUU 63

6362

. Pero la función original es x y no U, por lo cual se hace el

reemplazo de nuevo: 104

xU entonces:

c

xdxxx

63

10410

6343624

Ejemplo No 2:

Hallar: dxxsenx )(3 32

Solución:

Elegimos la nueva variable V = x3, ahora derivamos dxxdVxdx

dV 22 33 Si

reemplazamos:

cVdVVsendxxsenx )cos()()(3 32 Reemplazando el

Page 53: Modulo Calculo Integral

53

valor de V en función de x, tenemos:

cxcV 3cos)cos( por consiguiente:

cxdxxsenx )cos()(3 332

Ejemplo No 3:

Desarrollar: dxx

xsen

)(

Solución: Siguiendo los pasos descritos.

x

dxdu

x

dxdux

dx

duxu

222

12

1

Reemplazando en la integral.

cuduusenduusendxx

xsen )cos(2)(22)(

)(

Como xu reemplazamos en la integral obtenida, nos resulta.

cxdxx

xsen )cos(2

)(

Ejemplo No 4: Hallemos la integral de tan(x). Solución:

dxxsenx

dxx

xsendxx )(*

)cos(

1

)cos(

)()tan( Hacemos cambio de

variable: u = cos(x), luego: dxxsenduxsendx

du)()( reemplazando:

cuLnduu

dxx

xsen

1

)cos(

)( Pero u = cos(x) entonces:

Page 54: Modulo Calculo Integral

54

cxLndxx )cos()tan(

Ejemplo No 5:

Resolver: dxe

e

x

x

6

3

4

Solución: Observando detenidamente esta integral, vemos que tiene la forma de Sen-1(x), pero primero debemos ajustarlo par poder aplicar este tipo de integral.

dx

e

edx

e

e

x

x

x

x

232

3

6

3

24 Ahora si podemos hacer cambio de

variable. xew

3 Luego: dxedwx33 y

xe

dw 3

3 reemplazando en la integral:

c

wSen

w

dw

w

dw

dxe

e

x

x

23

1

23

1

23

4

1

22226

3

Finalmente:

ce

Sendxe

ex

x

x

23

1

4

31

6

3

SUSTITUCIÓN POR RACIONALIZACIÓN: Cuando el integrado presenta radicales, se puede presentar problemas para resolver la integral, la racionalización puede ser un camino para superar dicho problema, veamos

algunos casos. Ejemplo No 1:

Resolver:

dxxx

1

Solución: Haciendo un cambio de variable: dxuduxu 22 luego reemplazamos:

Page 55: Modulo Calculo Integral

55

cuLuduu

duuu

u

uu

ududx

xx

12

1

12

)1(2

212

Reemplazando xu tenemos finalmente:

cxLudxxx

121

Ejemplo No 2:

Hallar la integral de: dxxx3 Solución:

Haciendo 333 VxxVxV derivamos: dxdVV 23 ,

reemplazamos en la integral original:

dVVVdVVVVdxxx )33()3)(( 36233

Desarrollando: cVV 47

4

3

7

3 Si volvemos a reemplazar, obtenemos

finalmente:

cxxdxxx 34

37

43

733

Esperamos que estos ejemplos modelos permitan desarrollar destreza para resolver este tipo de integrales.

Page 56: Modulo Calculo Integral

56

EJERCICIOS: En los siguientes ejercicios desarrollar la integral, indicando paso por paso.

1. dxx x

2

3* Rta: cLn

x 2

332

1

2.

dx

x

xx

1

23 2

Rta: cxLnxx 12

3 2

3. dxxsen

xxsen

)(

)cos()( Rta: cxsenLnx )(

4.

dxx

x

4

3

3 Rta:

c

xxxxLn

32 3

9

32

27

3

93

5.

1

0 4

3dx

x Rta:

5

4246 Ln

6. dxx

x

4

2 2 Rta:

3

222 Ln

7. dxxx 233 Rta: cx

33 29

2

8. dxxsenx 1)()cos( Rta: cxsen 31)(

3

2

Page 57: Modulo Calculo Integral

57

SUTITUCIÓN TRIGONOMETRICA:

La sustitución trigonométrica, es una técnica que se puede utilizar cuando en el

integrando se presentan expresiones como: 22xa , 22

xa , 22ax ; siendo

a > 0, analicemos los tres casos: PRIMER CASO:

: 22xa : La sustitución es de la forma )(asenx para

22

. La

restricción se debe a que en este intervalo, la función mantiene sus condiciones para serlo como tal. Haciendo el reemplazo )(22222 senaaxa , organizando:

)(cos)(1)( 2222222 asenasenaa . Como 22xa esta dentro de una raíz,

entonces nos resulta )cos(a . Pero la expresión final debe expresarse en función de x y no de è, lo que se resuelve usando el siguiente gráfico:

Desarrollemos:

dxxa 22 Siendo )(asenx entonces:

dadx )cos( Haciendo el reemplazo:

dasenaa )cos()(222 esto es equivalente

a:

daadasena )cos()(cos)cos()(1( 2222

dada )(cos)(cos 2222 Por la identidad: 2

)2cos(1)(cos2 x

x

reemplazamos para poder integrar:

d

ad

adada )2cos(

222

2cos1)(cos

22222

La última parte si se puede integrar, luego:

csenaa

da )2(42

)(cos22

22

2212

22

22xa

x

a

xSen

adxxa

Page 58: Modulo Calculo Integral

58

Pero la variable original esta en función de X y no de è, luego transformamos a è en X, la gráfica anterior nos ayuda a hacer dicha transformación.

Por la gráfica:

a

xSen

a

xsen

1)( Por otro lado, También por la gráfica:

a

xa22

)cos(

Reemplazando:

a

xa

a

xa

a

xSen

asen

aadxxa

2221

22222 *

22)2(

42

cxax

a

xSen

adxxa

221

222

22

Ejemplo 1:

Desarrollar:

dxx 29

1

Solución:

Hacemos: ddxsenx cos3)(3 Reempezando:

dd

senddx

x )(cos3

)cos(3

)(19

)cos(3

)cos(39

)cos(3

9

12222

Simplificando: cdd

)cos(

)cos( Pero è debemos expresarlo como X,

lo que se hace por medio del cambio que se propuso inicialmente: )(3 senx

despejamos

a

xSen

a

xsen

1)( Finalmente:

ca

xSendx

x

1

29

1

Page 59: Modulo Calculo Integral

59

SEGUNDO CASO:

22xa La sustitución es de la forma )tan(ax para

22

El

procedimiento es similar al caso anterior, solo que la gráfica cambia:

a

x)tan( Despejando el ángulo:

a

xTan

1

Ejemplo 2:

Resolver: dxx 216

Solución:

Hacemos el cambio de variable: )tan(4 x luego: ddx )(sec4 2 y

reemplazamos: ddxx )(sec4*)(tan41616 2222 resolviendo:

dd )(sec4*)(sec4)(sec4*)(tan116 2222 Simplificando:

d)(sec16 3 . Esta integral se puede resolver por la siguiente fórmula.

(Posteriormente se demostrará)

duun

nuu

nduu

nnn )(sec1

2)tan()(sec

1

1)(sec 22

Para n ≠ 1

Siguiendo con el ejemplo:

cdd

)sec(

2

1)tan()sec(

2

116)(sec16 3

Resolviendo:

cLnd

)tan()sec(8)tan()sec(8)sec(

2

1)tan()sec(8

Debemos transformar el ángulo en la variable x.

Page 60: Modulo Calculo Integral

60

cxx

Lnxx

Ln

44

168

4*

4

168)tan()sec(8)tan()sec(8

22

Resumiendo: cxx

Lnxxd

4

16816

2

1)(sec16

223

Finalmente: cxx

Lnxxdxx

4

16816

2

116

222

TERCER CASO:

:22ax La sustitución es de la forma: )sec(ax para

22

. Los pasos

para desarrollar integrales de este tipo son similares a los casos anteriores.

a

x)sec(

a

xSec

1

Ejemplo 3:

Solucionar la integral propuesta: dxx

x

42

Solución: La sustitución: dtndxx )()sec(2)sec(2 si reemplazamos:

ddx

x

x)tan()sec(2

)sec(2

4)(sec44 22

Operando:

dddd 1)(sec2)(tan2)tan()(tan2)tan(22

1sec4 2222

Si aplicamos la linealidad, tenemos:

cdd 2)tan(22)(sec2 2

Page 61: Modulo Calculo Integral

61

Por la sustitución hecha, reemplazamos el ángulo por x, luego: Según la gráfica siguiente:

a

x)sec(

2

4)tan(

2

x

Si reemplazamos:

cx

Tanx

dxx

x

2

42

2

42

4 21

22

El propósito de esta técnica es que cuando se presenten casos de integrales que

contengan las formas descritas anteriormente, se utilicen adecuada y correctamente. Esto se adquiere con mucha observación de la integral propuesta y algo de perspicacia. Pero es pertinente que se desarrollen ejercicios sobre el caso para adquirir destreza en la misma.

Page 62: Modulo Calculo Integral

62

Ejercicios:

1. dxx

x

24

Rta: cxx

xLn

22

442

2

2. dx

x

x2

2

1 Rta: cxTanx

)(1

3.

dx

x

x

21

32 Rta: cxSenx

)(312 12

4.

dx

x

x

2

2

25

3 Rta: c

xSenxx

25

25

2

1925

2

1 12

5. dxx

x

1

12

2

4

2 Rta: 3

6.

dxxx

16

22

Rta: cx

xLn

1616

12

Page 63: Modulo Calculo Integral

63

INTEGRACIÓN POR PARTES:

En el mundo matemático, científico y otros, se presentan casos donde la integral es un

Producto de Funciones, casos donde se aplica la técnica llamada integración por partes.

En muchas ocasiones se ha manifestado que toda regla de derivación da origen a una

regla de integración. La integración por partes esta relacionada con la regla de la

cadena. Sean f(x) y g(x) dos funciones diferenciables, entonces:

)(*)()(*)()(*)( xfdx

dxgxg

dx

dxfxgxf

dx

d Si integramos las dos ecuaciones:

)(*)()(*)()(*)( xf

dx

dxgxg

dx

dxfxgxf

dx

d Tenemos:

dxxfxgdxxgxfxgxf )('*)()('*)()(*)( Reorganizando:

dxxfxgxgxfdxxgxf )(')()(*)()('*)( Llamemos a u = f(x) y v = g(x), si

reemplazamos en la ecuación anterior:

vduvuudv * Fórmula para la regla de la cadena.

El éxito de la técnica esta en la selección de las función u y v, tal que la integral del

segundo miembro de la ecuación se pueda integrar fácilmente. La elección debe ser tal

que u se pueda derivar y v se pueda integrar. Esto se adquiere con la práctica; es decir,

haciendo diversos ejercicios, aquí vamos a relacionar algunos modelos que darán las

pautas para aplicar esta técnica. Ejemplo 1: Desarrollar: dxxxsen )(

Solución: Vemos se presenta un producto, luego se sospecha una integración por partes. Hacemos

el cambio de variable. xu y dxxsendv )( , entonces debemos derivar u e integrar v, veamos: dxdu y )cos(xv Como ya tenemos todas las partes que necesitamos, reemplazamos en la ecuación:

dxxxxdxxxsenvduvuudv )cos())cos(()(*

vduvuudv *

Page 64: Modulo Calculo Integral

64

cxsenxxdxxxx )()cos()cos())cos((

Finalmente:

cxsenxxdxxxsen )()cos()(

Ejemplo 2:

Resolver: dxxLn )(

Solución: Una integral muy conocida, una vez desarrollada podemos asimilarla.

dxx

duxLnu1

)( Por otro lado: xvdxdv Si aplicamos la fórmula:

cxxxLndxx

xxxLnvduvuudv )(1

)(*

Entonces: cxLnxdxxLn 1)()(

Ejemplo 3:

Desarrollar la integral: dxxex

Solución:

Sea dxdxxu y xx

evdxedv luego:

dxexedxxevduvuudvxxx* Resolviendo:

cxedxxexx

1

Ejemplo 4:

Resolver: 2

6

2 )(csc

dxxx

Page 65: Modulo Calculo Integral

65

Solución:

Elegimos: dxduxu Por otro lado: )cot()(csc2xvdxxdv

Entonces: dxxxxdxxx )cot()cot()(csc2 Resolviendo la segunda

integral: )()cot()(csc2xsenLnxxdxxx Ahora evaluemos los límites:

2

6

2

6

2 )()cot()(csc

xsenLnxxdxxx Desarrollando:

26

3)(csc

2

6

2Lndxxx

NOTA: No podemos olvidar que elegir u debe ser tal que se pueda derivar y dv tal que se pueda integrar, tengamos esto muy en cuenta. Fenómeno de Recurrencia: Hay situaciones donde se debe aplicar la integración por

partes varias veces. Teniendo en cuenta los principios del método y lo desarrollado

sobre integración, se puede resolver cualquier problema de este tipo. Ejemplo 1:

Desarrollar dxexx2

Solución: Aplicando la resolución por partes: xdxduxu 22

y xxevdxedv

luego:

dxxeexdxxeexdxexxxxxx 22 222

La última integral la resolvemos por el mismo método:

dxduxu y xx

evdxedv Reemplazando de nuevo:

cexedxexedxxexxxxx

Reagrupando:

Page 66: Modulo Calculo Integral

66

cexeexdxxeexdxexxxxxxx 22 222

cxxecexeexdxexxxxxx 2222 222

El problema exigió aplicar el método dos veces. Ejemplo 2:

Resolver: dxxex )cos(

Solución:

dxedueuxx

y )()cos( xsenvdxxdv reemplazando:

dxexsenxedxxexxx )()cos()cos(

Debemos integrar esta última expresión:

dxedxeuxx y )cos()( xvdxxsendv Reemplazando:

dxexexdxexexdxexsenxxxxx )cos()cos()cos()cos()(

Como esta integral esta precedida de un signo negativo, entonces la integral quedaría:

dxexexxx )cos()cos( . Agrupando toda la integral, obtenemos:

dxexxexsenedxxexxxx )cos()cos()()cos( La

última integral es similar a la primera, luego las podemos agrupar así:

)cos()()cos()cos( xexsenedxexdxxexxxx

cxexsenedxxexxx

)cos()()cos(2

Finalmente:

Page 67: Modulo Calculo Integral

67

cxxsenedxxexx )cos()(

2

1)cos(

Ejemplo 3:

Demostrar que: dxxsenxxsendxxsen )(3

2)cos()(

3

1)( 23

Solución: Intente hacer el ejercicio con sus compañeros de pequeño grupo y luego socializarlo con el tutor, para determinar si el proceso esta bien o hay errores y de que tipo. Adelante.

Page 68: Modulo Calculo Integral

68

Ejercicios: Resolver las siguientes integrales usando el método de integración por partes, justificar

porque se utiliza este método.

1. dxxx )cos( Rta: cxxxsen )cos()(

2. dxxLnx )(2 Rta: cxxLnx

33

9

1)(

3

1

3. dxxx )(sec2 Rta: cxLnxx )cos()tan(

4. dyyy

2

0

1 Rta: 15

4348

5. dxx

xLn

)( Rta: cxxLnx 4)(2

6. dxxx 435 Rta: cxxx 2

5445

44

3

2 323

33

7. 2

0

2 )(cos

dxx Rta: 4

Page 69: Modulo Calculo Integral

69

FRACCIONES PARCIALES: En el curso de Álgebra, Trigonometría y Geometría Analítica, se estudiaron los

principios sobre fracciones parciales, se dio el concepto y algunos ejemplos ilustrativos, en este aparte se va ha a utilizar esta herramienta para desarrollar un tipo particular de integrales. Profundizaremos un poco sobre las fracciones parciales y luego las llevaremos al mundo de las integrales. Por un teorema de álgebra avanzada se afirma que toda fracción racional; es decir, el

cociente de dos polinomios, se puede descomponer en suma de fracciones racionales más simples. Para desarrollar el método de fracciones parciales, se debe tener en

cuenta: Para la fracción )(

)()(

xg

xfxp con g(x) ≠ 0 sea una fracción racional propia; es

decir, f(x) debe tener menor grado que g(x) y por otro lado, que g(x) se pueda descomponer en factores primos. Teóricamente cualquier polinomio con coeficientes

reales se puede escribir como producto de factores lineales reales y / o factores cuadráticos, es posible que obtenerlos no sea tarea fácil. Veamos a continuación algunos tipos de descomposición en fracciones parciales. Descomposición En Factores Lineales Simples: Cuando g(x) se puede descomponer fácilmente; digamos por factorización, para obtener factores lineales

simples de la forma (x � ë1), (x � ë2) . . . Ejemplo 1:

Descomponer en fracciones parciales la expresión: 6

13)(

2

xx

xxp

Solución: El polinomio lo podemos expresar de la siguiente manera:

326

13)(

2

x

B

x

A

xx

xxp

El trabajo consiste en encontrar los valores de A y B. Veamos como se realizaría.

)3)(2(

23

)3)(2(

)2()3(

32

xx

BBxAAx

xx

xBxA

x

B

x

A

Como el denominador es equivalente, entonces se debe igualar los numeradores.

BBxAAxx 2313 . Luego hacemos equivalencia entre términos: Para x: 3 = A + B Para términos independientes: -1 = -3A + 2B

dxx

b

x

adx

XQ

XP

)(

)(

Page 70: Modulo Calculo Integral

70

Tenemos dos ecuaciones con dos incógnitas, que se pueden resolver por los métodos

estudiados en el curso de Álgebra, Trigonometría y Geometría Analítica. Resolviendo tenemos que: A = 7/5 y B = 8/5, reemplazando en las fracciones propuestas obtenemos:

)3(5

8

)2(5

7

6

13)(

2

xxxx

xxp

Ejemplo 2:

Descomponer en fracciones parciales 23

75)(

2

xx

xxD

Solución: Factorizando el denominador:

12

75

23

752

xx

x

xx

x

Expresamos la última fracción como suma e fracciones parciales.

12

2

12

)2()1(

1212

75

xx

BBxAAx

xx

xBxA

x

B

x

A

xx

x

Haciendo equivalencia de numeradores: Descomposición En Factores Lineales Repetidos: En algunos casos cuando se busca linealizar el denominador aparece un término lineal al cuadrado, entonces se escribe la suma con dos términos lineales, uno con grado 1 y el otro con grado 2.

2112)(

)()(

x

B

x

A

px

bax

xg

xfxp

Veamos unos ejemplos: Ejemplo 3:

Descomponer en fracciones parciales: 21

2)(

x

xxp

Solución:

22 111

2

x

B

x

A

x

x

El desarrollo es similar al caso anterior, sumar fracciones e igualar términos:

Page 71: Modulo Calculo Integral

71

222 1

1

111

2

x

BxA

x

B

x

A

x

x Desarrollando el numerador.

22 11

1

x

BAAx

x

BxA Igualemos los numeradores:

BAAxx 2 Para la variable x: 1 = A Para término independiente: -2 = A + B Desarrollando, obtenemos que A = 1 y B = -3 Entonces:

22 1

3

1

1

1

2)(

xxx

xxp

Descomposición En Factores Cuadráticos: Cuando se presentan caso donde el denominador presenta términos cuadráticos que no se pueden reducir, se debe proceder como se ilustra en los siguientes ejemplos. Ejemplo 4:

Reducir a fracciones parciales: 11

342

xx

x

Solución: La expresión la podemos escribir como:

1111

3422

x

cBx

x

A

xx

x Observemos que como el denominador tiene término

cuadrático, el numerador debe tener término lineal, entonces:

1111

11

11 2

22

2

2

2

xx

CCxBxBxAAx

xx

xcBxxA

x

cBx

x

A

Como en los casos anteriores, el denominador es similar, luego solo igualamos el numerador: Para la variable x2: 0 = A + B Para la variable x: 4 = -B + C Para el término independiente: 3 = a � C Tenemos tres ecuaciones con tres incógnitas, existen varios métodos de resolución,

aplique la que desees y debes llegar a : A = 7/3 B = -7/3

Page 72: Modulo Calculo Integral

72

C = ½ Reemplazamos en la fracción original:

12

13

7

13

7

1111

34222

x

x

xx

cBx

x

A

xx

x Simplificando:

)1(6

143

13

7

1111

34222

x

x

xx

cBx

x

A

xx

x

Como en el caso de los factores lineales, en los cuadráticos, también se pueden

encontrar factores repetidos, en este caso el procedimiento es similar a los casos anteriores, veamos un ejemplo. Ejemplo 5:

Expresar como fracciones lineales: 22

2

23

12156

xx

xx

Solución: El planteamiento es así:

22222

2

)2(2323

12156

x

EDx

x

cBx

x

A

xx

xx

Realice todo el procedimiento como se ha venido haciendo y debe obtener: A = 1, B = -1, C = 3, D = 5, E = 0 Finalmente:

22222222

2

)2(

5

2

3

3

1

)2(2323

12156

x

x

x

x

xx

EDx

x

cBx

x

A

xx

xx

Podemos resumir esta temática, diciendo afirmando que las fracciones parciales, es un

método algebraico que permite rescribir expresiones racionales, como fracciones racionales sencillas, de tal forma que permite hacer integraciones para este tipo de expresiones algebraicas. INTEGRACIÓN POR FRACCIONES PARCIALES: Sabiendo como se resuelven las fracciones parciales, ahora apliquémosla para

desarrollar integrales: Ejemplo 1:

Desarrollar: dxxx

x

6

132

Page 73: Modulo Calculo Integral

73

Solución: Debemos tratar de linealizar el numerador, por medio de la factorización: Del ejemplo 1

de fracciones lineales simples, vemos que esta fracción se puede escribir así:

dx

xxdx

xx

xdx

xx

x

)3(5

8

)2(5

7

23

13

6

132

Aplicando la propiedad de la suma de integrales, podemos hacer:

dx

xdx

xdx

xdx

xdx

xx 3

1

5

8

2

1

5

7

)3(5

8

)2(5

7

)3(5

8

)2(5

7

Desarrollando:

cxLnxLndxx

dxx

35

82

5

7

3

1

5

8

2

1

5

7

Ejemplo 2:

Desarrollar:

21

2

x

x para x ≠ -1

Solución: Debemos aplicar fracciones parciales a la fracción dada, en el ejemplo 3 de la

descomposición de fracciones parciales, obtuvimos que:

22 1

3

1

1

1

2

xxx

x

Luego a partir de esto podemos aplicar la integral:

dx

xxdx

x

x

22 1

3

1

1

1

2 Operando:

dx

xdx

xdx

xx 22 1

3

1

1

1

3

1

1 La primera integral es inmediata, la

segunda se puede resolver por cambio de variable, veamos:

dxxdx

x

2

213

1

3 Definimos u = x � 1 luego du = dx, reemplazando:

cu

duu

12 Agrupando los términos:

Page 74: Modulo Calculo Integral

74

c

xxLn

uxLndx

xdx

x

1

31

131

1

3

1

12

Finalmente:

cx

xLndxx

x

1

31

)1(

22

Como se puede ver en los ejemplos expuestos, la transformación de la expresión

racional en fracciones más simples, es con el fin de llevar la función a una forma de

integración inmediata. Una vez integrada se hace el cambio de la variable de sustitución a la variable original. Ejemplo 3:

Integrar la función: 32

3422

23

xx

xxx

Solución: Como se trata de una fracción impropia, primero se debe hacer la división, para obtener

una fracción propia y así aplicar el método analizado.

13

352

32

352

32

34222

23

xx

xx

xx

xx

xx

xxx Ahora:

dx

xx

xx

xx

xxx

13

352

32

3422

23

Separando las integrales:

dx

xx

xxdxdx

xx

xx

13

352

13

352

La primera integral es directa, la segunda debemos hacer fracciones parciales, veamos:

1313

35

x

B

x

A

xx

x

Desarrollando, tenemos que A = 3 y B = 2. Favor corroborar este resultado: Entonces:

dxxx

xdxxx

xxx

1

2

3

32

32

3422

23

Aplicando la linealidad:

cxLnxLnxdxx

dxx

xdx

12331

2

3

32 2

Reorganizando:

Page 75: Modulo Calculo Integral

75

cxxLnxdxxx

xxx

2322

23

1332

342

Ejercicios: En cada caso, resolver la integral aplicando las fracciones parciales.

1. dxx 14

3 Rta: cxLn 14

4

3

2. dxx

x

1

52 Rta: cxLnxLn 1213

3. dxxx

x

6

12 Rta: cxLnxLn 3

5

42

5

1

4.

dx

x218

3 Rta: c

x

864

3

5. dxxx

x

428

952 Rta: cxTanxxLn

1831

31

248

316724

16

5 12

6. dxxx

x

23

3172 Rta: cxLnxLn 1423

3

5

7. dxxx

x 22

3

Rta: cxLnxLnxx 13

12

3

8

2

1 2

Page 76: Modulo Calculo Integral

76

INTEGRALES DE FUNCIONES TRASCENDENTALES

Todos sabemos que las funciones trascendentales tienen derivada, por lo cual también

tendrán su antiderivada, vamos a estudiar en seguida la integral de las funciones

exponencial y logarítmica. . INTEGRAL DE LA FUNCIÓN EXPONENCIAL: Toda función exponencial tiene una base a > 0 y diferente de uno.

Función: x

ay : Para definir la integral de este tipo de función, podemos partir de la

derivada y proceder a obtener la integral, veamos:

xay Entonces: )(aLna

dx

dy x para a ≠ 1. Para resolver la integral, hacer una

transformación de la siguiente manera: )()( axLnaLnx

eeax

Aplicando la integral:

dxedxaaxLnx )(

Multiplicamos y dividimos por )(

1

aLn tenemos:

dxaLneaLn

axLn )()(

1 )(

Hacemos cambio de variable: dxaLnduaxLnu )()(

ceaLn

eaLn

dueaLn

axLnuu )(

)(

1

)(

1

)(

1 Pero

xaxLnae

)(,

luego hacemos el reemplazo para obtener:

caaLn

dxaxx )(

1

Ejemplo 1:

Desarrollar: dxx2

cedxexx

Page 77: Modulo Calculo Integral

77

Solución: Según la fórmula obtenida la integración será de la siguiente manera:

cLn

dxxx 2

)2(

12

Ejemplo 2:

Resolver dxx23

Solución: Para facilitar el proceso hagamos un cambio de variable u = 2x luego du = 2dx reemplazando:

uuux

Lndu

dudx 3

)3(

1*

2

13

2

1

2332

Reemplazando la

variable u por 2x obtenemos:

cLn

dxxx

22 3)3(2

13

Ejemplo 3:

Resolver dxx

1

0

34

Solución: Siguiendo el procedimiento anterior podemos hallar dicha integral, solo que aquí

debemos evaluarla.

dxx

1

0

34 Como u = 3x, entonces: uux

Ln

dudx 4

)4(

1*

3

1

344

1

0

3

Reemplacemos la variable:

1

0

33 4)4(3

14

)4(1

*31 xx

LnLn Evaluando:

)4(3

63

)4(3

4

)4(3

44

031

0

3

LnLnLndx

x

Page 78: Modulo Calculo Integral

78

Función: x

ey : La función exponencial natural tiene como base el número de Euler,

para determinar su integral, realizamos el mismo procedimiento que el caso anterior.

dxedyedx

dyey

xxx Aplicamos la integral a ambos lados:

ceydxedyxx Por consiguiente:

cedxexx

Ejemplo 1:

Hallar la integral de x

e3

Solución: Haciendo cambio de variable u = 3x, luego du = 3dx, reemplazando:

ceduedu

edxeuuux 3

1

3

1

33

Finalmente reemplazamos u por 3x.

cedxexx

33

3

1

Ejemplo 2:

Desarrollar: dxex

13

Solución: Definimos u = 3x + 1, luego du = 3dx, entonces:

ceduedu

edxeuuux

3

1

3

1

313

Reemplazando u por 3x +1

obtenemos:

cedxexx

1313

3

1

Page 79: Modulo Calculo Integral

79

INTEGRAL DE LA FUNCIÓN LOGARÍTMICA:

Al igual que en la función exponencial, las funciones logarítmicas tienen su derivada. Es pertinente recordar las propiedades de este tipo de funciones.

Función: )(xLny : La integral de esta función se puede hacer por partes.

dxxLn )( donde u = Ln(x), luego du = dx / x.

Por otro lado: dv = dx, luego v = x Reemplazando:

cxdxxLndxx

xxxLndxxLn )(1

)()(

Finalmente:

cxxxLndxxLn )()(

Función: )(10 xLogy : Para resolver este tipo de integral, aplicamos la

conversión de cualquier logaritmo en logaritmo natural, lo cual se hace de la siguiente manera:

)10(

)()(10

Ln

xLnxLog Así, podemos desarrollar la integral.

dxxLnLn

dxLn

xLndxxLog )(

)10(

1

)10(

)()(10 La última integral, ya se desarrollo

por partes, luego:

cxxxLnLn

dxxLog )()10(

1)(10

Una forma alternativa para esta integral es:

cexLogxxLogdxxLog 101010 )()(

Intente demostrar la última igualdad, será muy interesante. Si la base del logaritmo es cualquier a > 0 y a ≠ 1, la integral es de la misma manera,

solo cambia la base.

Page 80: Modulo Calculo Integral

80

Ejemplo 1:

Resolver: dxx

xLog

)(2

Solución: Primero hacemos la transformación a logaritmo natural y luego hacemos una sustitución

para poder integrar, veamos:

dxx

xLn

Lndx

xLn

xLogdx

x

xLog

)(

)2(

1

)2(

)()( 22 para x > 0

Por sustitución: u = Ln(x), du = (1/x)dx Si reemplazamos:

cuLn

uduLn

dxx

xLn

Ln

2

2

1*

)2(

1

)2(

1)(

)2(

1 Reemplazamos u por

Ln(x), para obtener:

cLn

xLndx

x

xLog )2(2

)()( 22

Ejemplo 2:

Desarrollar: dxx

xLogLn4

1

2 )()2(

Solución:

dxx

xLogLndx

x

xLogLn

)()2(

)()2( 24

1

2 Esta integral se desarrolló en el ejemplo

anterior, luego:

2

)4(

2

)1(

2

)4(

2

)(

)2(2

)(*)2(

)()2(

2224

1

24

1

22 LnLnLnxLn

Ln

xLnLndx

x

xLogLn

Page 81: Modulo Calculo Integral

81

Ejercicios: Resolver las siguientes integrales, desarrollando paso por paso, para justificar la respuesta obtenida.

1. dxex

13

Rta: cex

13

3

1

2. dxx x )2(2

Rta: cLn

x 12

2)2(

1

3. dxeexx

2

22 2 Rta: ceexxx

44

4.

dxx

xLn

21)(

Rta: cxLn 31)(

3

1

5. dxx

xLn

)(2

Rta: cxLn )(3

1 3

6. dxx

xLn

)( Rta: cxLn

3)(3

2

Page 82: Modulo Calculo Integral

82

INTEGRAL DE LA FUNCIÓN TRIGONOMÉTRICA:

Dentro de las funciones trascendentales tenemos las funciones trigonométricas, las cuales también tienen integrales, analizaremos a continuación las integrales de dichas funciones.

Función: )(xseny : La integral de la función sen(x) la desarrollamos por el concepto de antiderivada, pero es pertinente relacionarla en este momento, ya que estamos analizando la integral de las funciones trigonométricas.

cnxn

dxnxsen )cos(1

)(

Demostración:

Tomemos: dxnxsen )( y hacemos una sustitución: u = nx, du = ndx, luego:

duusenuu

duusendxnxsen )(

1)()( La función cuya derivada es sen(u), es el

�cos(u), por consiguiente: cxn

cxn

dxnxsen )cos(1

))cos((1

)(

Función: )cos(xy : La integral de cos(x), también se desarrolló por el concepto de antiderivada.

cnxsenn

dxnx )(1

)cos(

Demostración:

Tomemos: dxnx)cos( y hacemos una sustitución: u = nx, du = ndx, luego:

duunn

duudxnx )cos(

1)cos()cos( La función cuya derivada es cos(u), es el

sen(u), luego: cnxsenn

dxnx )(1

)cos(

Función: )tan(xy : Con los conocimientos sobre identidades trigonométricas y la

integración por cambio de variable, podemos hallar la integral de la tangente, veamos:

cxLndxx )cos()tan(

cnxsenn

dxnx )(1

)cos(

Page 83: Modulo Calculo Integral

83

Demostración: Descomponemos la tangente en su equivalencia con seno y coseno, así:

dxx

xsendxx

)cos(

)()tan( Sea u = cos(x), luego du = -sen(x)dx, reemplazando:

cuLnu

dudx

x

xsen )cos(

)( Reemplazando el valor de u, obtenemos:

cxLndxx )cos()tan(

Funciones: )cot(xy : )sec(xy )csc(xy : Con los conocimientos adquiridos, se pueden obtener las siguientes integrales.

cxsenLndxx )()cot(

cxxLndxx )tan()sec()sec(

cxxLndxx )cot()csc()csc(

Demostración: Vamos a demostrar la integral de sec(x) y las demás se dejan como ejercicio para que lo

resuelvan en el pequeño grupo colaborativo y luego lo compartan con el docente.

dx

xx

xxxdx

xx

xxxdxx

)tan()sec(

)tan()sec()(sec)

)tan()sec(

)tan()sec(*)sec()sec(

2

Por

sustitución: dxxxxduxxu )(sec)tan()sec()tan()sec( 2 Reemplazando:

cuLnu

dudx

xx

xxx

)tan()sec(

)tan()sec()(sec 2

Como u = sec(x) + tan(x), reemplazamos para obtener finalmente:

cxxLndxx )tan()sec()sec(

Para la csc(x) la demostración es similar.

Page 84: Modulo Calculo Integral

84

Funciones tipo: )(xseny n : )(cos xy n : Para resolver integrales de este tipo, �echamos mano� de las identidades trigonométricas, las potencias y las técnicas de

integración estudiadas. Algunos ejemplos nos ayudarán a comprender la metodología. Ejemplo 1:

Resolver: dxxsen )(2

Solución:

Por la identidad: 2

)2cos(1)(2 x

xsen

Reemplazamos

dxxdx

xdxxsen )2cos(1

21

2)2cos(1

)(2

Por la propiedad de la linealidad:

cxsenxdxxdx

)2(

2

1

2

1

2

1)2cos(

2

1

2

1 Finalmente:

cxsenxdxxsen )2(4

1

2

1)(2

Ejemplo 2:

Resolver la siguiente integral: dxx)(cos 4

Solución:

Podemos expresar )2(cos)2cos(214

1

2

)2cos(1)(cos)(cos 2

2224

xxx

xx

Aplicándole la integral:

dxxxdxx

)2(cos)2cos(21

4

1)(cos 24

=

dxxdxxdx )2(cos4

1)2cos(

2

1

4

1 2 Desarrollando obtenemos:

dxxxsenx )2(cos4

1)2(

4

1

4

1 2 Para resolver la última integral, utilizamos la

Page 85: Modulo Calculo Integral

85

identidad siguiente: 2

)4cos(1)2(cos2 x

x

luego:

dxxdxx

dxx

)4cos(1

8

1

2

)4cos(1

4

1)2(cos

4

1 2 =

cxsenxdxxdx )4(32

1

8

1)4cos(

8

1

8

1 Reagrupando los resultados:

cxsenxxsenx )4(32

1

8

1)2(

4

1

4

1 Operando términos semejante:

xxx8

3

8

1

4

1 Finalmente:

cxsenxsenxdxx )4(32

1)2(

4

1

8

3)(cos 4

Funciones tipo: )(cos)( xxsenynm : Siendo m y n par. Cuando m y n son pares

positivos, usamos las identidades de ángulo mitad, para reducir el grado del integrado. Recordemos:

2

)2cos(1)(2 x

xsen

y 2

)2cos(1)(cos 2 x

x

Ejemplo 1:

Resolver: dxxxsen )(cos)( 22

Solución: Aplicando la identidad que se referencia

dxxx

dxxxsen

2

)2cos(1*

2

)2cos(1)(cos)( 22

Desarrollando:

dxxdxdxxx )2(cos4

1

4

1)2cos(1)2cos(1

4

1 2 Por la identidad

referenciada anteriormente: 2

)4cos(1)2(cos2 x

x

Reemplazamos:

Page 86: Modulo Calculo Integral

86

dxxxdxx

xdxxdx

)4cos(1

8

1

4

1

2

)4cos(1

4

1

4

1)2(cos

4

1

4

1 2

Resolviendo la última integral, obtenemos:

cxsenxxdxxdxxdxxx )4(32

1

8

1

4

1)4cos(

8

1

8

1

4

1)4cos(1

8

1

4

1

Simplificando términos semejantes: xxx8

1

8

1

4

1 Finalmente:

cxsenxdxxxsen )4(32

1

8

1)(cos)( 22

Ejemplo 2: Utilizando los argumentos que se han trabajado, mostrar que:

cxsenxsenxdxxxsen )2(48

1)4(

64

1

16

1)(cos)( 342

Trabájelo con el pequeño grupo colaborativo y luego compártalo con el docente para

identificar posibles fallas.

Sugerencia: ...2

)2cos(1)(cos

24

xx Lo demás es como se ha venido trabajando.

Funciones tipo: )(cos)( xxsenynm

: Siendo m ó n par. Para el caso donde m o n es un entero par y el otro cualquier valor, se utiliza la factorización con la

identidad fundamental. Ejemplo 1: Desarrollar la integral dada:

dxxsenx )()(cos 34

Solución:

Descomponemos el integrado así: dxxsenx )(cos1)(cos 24

Page 87: Modulo Calculo Integral

87

Por cambio de variable: u = cos(x) luego du = -sen(x)dx, entonces:

duuuduuudxxsenx 642424 1)(cos1)(cos

Operando la integral:

cuuduuu 7564

71

51

Reemplazando la variable:

cxxdxxsenx )(cos5

1)(cos

7

1)()(cos 5734

Ejemplo 2:

Mostrar que cxdxxsenx )(cos5

1)()(cos 54

Solución: Por cambio de variable u = cos(x), luego du = -sen(x)dx, entonces:

duuduudxxsenx444 )()()(cos

Operando la integral, tenemos:

cuduu 54

5

1 Reemplazando la equivalencia de u por cos(x), tenemos:

cxdxxsenx )(cos5

1)()(cos 54

Así queda demostrada esta integral.

Funciones tipo: dxnxmxsen )cos()( , dxnxsenmxsen )()( y dxnxsenmxsen )()( Para resolver este tipo de integrales, muy utilizadas en las áreas de ingeniería eléctrica,

química, de alimentos y otras, se utilizan identidades trigonométricas que permiten

resolver integrales de este tipo. Las identidades que resuelven el problema son:

1. xnmsenxnmsennxmxsen )()(2

1)cos()(

2. xnmxnmnxsenmxsen )cos()cos(2

1)()(

3. xnmxnmnxmx )cos()cos(2

1)cos()cos(

Page 88: Modulo Calculo Integral

88

Algunos ejemplos modelos nos ilustrarán el proceso. Ejemplo 1:

Resolver: dxxxsen )5cos()4(

Solución: Utilizando la primera identidad tenemos:

dxxsenxsendxxxsen ))54()54((2

1)5cos()4(

dxxsenxsendxxsenxsen )()9(2

1))54()54((

2

1

Desarrollando la integral, tenemos:

dxxsendxxsendxxsenxsen )()9(2

1)()9(

2

1

dxxsendxxsendxxsendxxsen )(2

1)9(

2

1)()9(

2

1

cxxdxxsendxxsen )cos(2

1)9cos(

18

1)(

2

1)9(

2

1

Por consiguiente:

cxxdxxxsen )9cos(18

1)cos(

2

1)5cos()4(

Ejemplo 2: Resolver: dxxx )4cos()cos(

Solución: Aplicando la identidad 3 de las vistas atrás podemos resolver dicha integral.

dxxxdxxx )41cos()41cos(2

1)4cos()cos(

Page 89: Modulo Calculo Integral

89

dxxxdxxx )3cos()5cos(2

1)41cos()41cos(

2

1

dxxdxxdxxx )3cos(2

1)5cos(

2

1)3cos()5cos(

2

1

cxsenxsendxxdxx )3(6

1)5(

10

1)3cos(

2

1)5cos(

2

1

Finalmente:

cxsenxsendxxx )3(6

1)5(

10

1)4cos()cos(

Ejercicios: Desarrollar los siguientes ejercicios, identificando con qué principio se esta trabajando,

para su solución.

1. dxxxsen )cos()(4 Rta: cxsen )(

5

1 5

2. dxxsenx )()(cos 22 Rta: cxsenx )4(

32

1

8

1

3. dxxxsen )4(cos)4( 25 Rta: cxxx )4(cos

28

1)4(cos

10

1)4(cos

12

1 753

4. dxxx

sen

2

cos2

24 Rta: cxsenxsenx )(

24

1)2(

32

1

16

1 3

5. dxxx )cos()2cos( Rta: cxsenxxxsen )()2cos(3

1)cos()2(

3

2

6. dxxsenLnx )()cos( Rta: cxsenxsenLnxsen )()()(

Page 90: Modulo Calculo Integral

90

INTEGRAL DE LA FUNCIÓN HIPERBÓLICA: En cursos anteriores se ha analizado las funciones hiperbólicas y sus derivadas, en este

aparte se estudiarán las integrales de dichas funciones.

Función senh(x): Recordemos que el seno hiperbólico es de la forma: xxee

2

1

y su derivada es el cosh(x), lo que esta plenamente demostrado Entonces para obtener la integral de cosh(x), utilizamos el principio de la primitiva.

cxdxxsenh )cosh()(

Demostración: Por el principio de la antiderivada, sabemos que la función cuya derivada es el senh(x)

corresponde al cosh(x), así se justifica la integral del senh(x).

Función cosh(x): El coseno hiperbólico es de la forma xxee

2

1 y su derivada es

senh(x), luego:

cxsenhdxx )()cosh(

Demostración: Se deja como ejercicio para que el estudiante con los principios aprendidos lo demuestre y por supuesto lo comparta con sus compañeros y su tutor.

Función tanh(x): Por definición sabemos que: )cosh(

)()tanh(

x

xsenhx .

cxLndxx )cosh()tanh(

Demostración:

Apliquémosle la identidad a la integral, entonces: dxx

xsenhdxx

)cosh(

)()tanh(

hacemos cambio de variable: u = cosh(x) y du = senh(x)dx, reemplazando:

cuLnu

dudx

x

xsenhdxx )cosh(

)()tanh( Reemplazando el valor de u

tenemos:

Page 91: Modulo Calculo Integral

91

cxLndxx )cosh()tanh(

Función coth(x): De la misma manera que la tangente hiperbólica, la cotangente

hiperbólica tiene su equivalencia: )(

)cosh()coth(

xsenh

xx donde:

cxsenhLndxx )()coth(

Demostración: Se deja como ejercicio para hacer en el pequeño grupo colaborativo. Función sech(x) y csch(x): Al igual que las funciones hiperbólicas anteriores, estas

últimas funciones, también tiene su integral. La demostración se recomienda trabajarla

con el tutor, para afianzar los conocimientos sobre este tipo de funciones.

cxsenhTandxxh )()(sec 1

cx

Lndxxh )2

tanh()(csc

Ejemplo 1:

Resolver: dxx)6cosh(

Solución: Hacemos cambio de variable u = 6x, du = 6dx, entonces reemplazamos:

cusenhduudu

udxx )(6

1)cosh(

6

1

6)cosh()6cosh(

Como u = 6x, reemplazamos a u por 6x, para dejar la integral en función de x y no de u.

cxsenhdxx )6(6

1)6cosh(

Ejemplo 2:

Desarrollar: dxx)3tanh(

Page 92: Modulo Calculo Integral

92

Solución: Como en el caso anterior, hacemos cambio de variable u = 3x, du = 3dx, entonces:

cuLnduudu

udxx )cosh(3

1)tanh(

3

1

3)tanh()3tanh(

reemplazando el valor de u por 3x, obtenemos:

cxLndxx )3cosh(3

1)3tanh(

Ejemplo 3:

Resolver: dxxsenh )(2

Solución: Para resolver esta integral, primero debemos aplicar la identidad que dice:

2

1)2cosh()(2

xxsenh Luego:

dxx

dxxsenh

2

1)2cosh()(2

Desarrollando tenemos:

dxdxxdxxdx

x

2

1)2cosh(

2

11)2cosh(

2

1

2

1)2cosh(

Operando tenemos:

cxxsenh 2

1)2(

2

1*

2

1 Resumiendo: cxxsenh

2

1)2(

4

1

Finalmente:

cxxsenhdxxsenh 2

1)2(

4

1)(2

Page 93: Modulo Calculo Integral

93

Ejercicios:

1. dxx

7tanh Rta: ceeLn

xx

777

2. dtt

tth

tanhsec Rta: cth sec2

3. dxxsenh )21( Rta: cx )21cosh(2

1

4. dxxsenh

x )(

)cosh( Rta: cxsenhLn )(

5. dxxx )5cosh( 2 Rta: cxsenh )5(2

1 2

6. dxxsensenhx ))(()cos( Rta: cxsen ))(cosh(

7. dxex

xsenh

1

0

)()cosh( Rta: 1)1(

senh

e

Page 94: Modulo Calculo Integral

94

U N I D A D T R E S

A P L I C A C I O N E S D E L A S

I N T E G R A C I Ó N

Page 95: Modulo Calculo Integral

95

APLICACIÓN DE LAS INTEGRALES

Analizados y aprendidos los principios sobre integración; además, estudiadas las diferentes técnicas

de integración, estamos en capacidad de realizara

diversas aplicaciones que tiene esta maravillosa área de

las matemáticas. Las integrales se pueden aplicar y

tiene aplicaciones en Ingeniería, Física, Estadística,

Economía, Administración, Geometría y otras. Como

ejercicio de ilustración vamos a abordar diversos contextos que permitan comprender la amplitud que tiene las integrales como herramienta matemática para resolver problemas

de diversa índole.

ANÁLISIS DE GRAFICAS

ÁREAS DE REGIONES PLANAS: Dentro de las áreas de regiones planas, tenemos dos casos, el área bajo la curva y el área

bajo curvas. Analicemos estos casos: Área Bajo Una Curva: Cuando tenemos una línea recta de la forma como se ilustra en

la figura, el área se puede calcular por una simple fórmula geométrica.

yabhbA )(2

1*

2

1

La situación es relativamente fácil de manejar, la situación

dificulta cuando la línea no es recta, sino un curva, para

dicho caso el procedimiento es más largo y cuidadoso. Sea y = f(x) una función definida en el

intervalo I = [a, b] y continua en el intervalo abierto I; además f(x) ≥ 0, Consideremos la

región R acotada por la curva y = f(x), las

rectas x = a y x = b, la idea es hallar el área de

la región R. Primero dividamos el intervalo I en n

subintervalos iguales n

abx

Los puntos de la partición:

Page 96: Modulo Calculo Integral

96

xo = a, x1 = xo + ∆x, x2 = x1 + ∆x = xo + 2∆x, � , xi = xi-1 + ∆x = xo + i∆x para i = 1,

2, 3, � , n. Cada subintervalo será la base de un rectángulo cuya altura será f(ci), para ci å [xi-1, xi]. luego se obtienen Ai = f(ci) ∆x, al sumar todas las áreas se obtiene una

aproximación al área de la región R así:

n

i

i xcfA1

)(

Si aumentamos el número de subintervalos; es decir, que n se haga suficientemente

grande, el área de R será cada vez más exacta.

b

a

n

i

in

dxxfxcfLimA )()(1

Por consiguiente:

Área bajo la curva: Ejemplo 1: Hallar el área bajo la curva para la función f(x) = 2x, entre x = 0 y x = 4. Solución: Aplicando la fórmula definida podemos hallar el área pedida

16042 224

0

24

0

xxdxA

El área es de 16 unidades cuadradas. Si resolvemos el problema por el método geométrico; es decir,

aplicando la fórmula para un

triángulo, obtenemos el mismo

resultado.

16842

1

2

1 xbxhA

FUNCIÓN y = 2x

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5

Variable x

Va

raib

le y

b

a

dxxfA )(

Page 97: Modulo Calculo Integral

97

Ejemplo 2: Hallar el área acotada por la curva g(x) = x

3 en el intervalo [1, 3] Solución:

Por la fórmula tenemos:

3

1

43

1

3

4

1xdxxA

3814

133

4

1

4

1 143

1

4

xA

2119

4

78381

4

1

4

13

1

4

xA Unidades cuadradas

Ejemplo 3: Calcular el área bajo la curva

23)( xxf en el intervalo [0, 1] Solución:

dxxA )3(1

0

2

1

0

3

3

13

xxA

oA *

3

10

3

13

3

8

3

13 A Unidades cuadradas.

FUNCIÓN y = x3

0

10

20

30

0 1 2 3 4

Variable x

f(x

)

FUNCIÓN Y = 3 - x2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Variable x

Va

ria

ble

y

Page 98: Modulo Calculo Integral

98

Área Entre Curvas:

Para desarrollar esta temática, partimos de dos funciones f(x) y g(x), asumiendo que f(x)

≥ g(x) para todo x en el intervalo [a, b], la idea es hallar el área entre las curvas f(x) y

g(x) sobre el intervalo dado. El método se hace utilizando rectángulos que aproximen el área de la región descrita.

Dividimos el intervalo en n

subintervalos n

abx

Los puntos

de la partición serán: xiaxi ,

para i = 1, 2, 3, � Cada subintervalo [xi-1, xi]. Forma la base de un rectángulo cuya altura será: f(ci)-g(ci) para ci � [xi-1, xi]. El área del rectángulo i-ésimo será: Ai = hi * ∆x Reemplazando: Ai = [f(ci)-g(ci)] * ∆x El área total será la suma de las áreas

de los n rectángulos, luego:

xcgcfLimAn

i

iin

*)()(

1

DEFINICIÓN: Sean f(x) y g(x) funciones continuas en el intervalo [a, b], luego el área de la región

acotada por las curvas f(x) y g(x) desde a hasta b esta dado por: Para hallar el área entre dos curvas se debe:

1. Hacer La gráfica explicativa, para identificar f(x) y g(x) y saber cual es la

función superior e inferior 2. Identificar los límites de integración 3. Establecer la fórmula de integración 4. Desarrollar la integración y valorar para hallar el área.

Ejemplo 1:

dxxgxfA

b

a

)()(

Page 99: Modulo Calculo Integral

99

Hallar el área entre las curvas f(x) = 4 � x y g(x) = x2 � 16. Solución: Hallamos los límites, que consiste en buscar

en donde x coinciden:

4520164 22 xxxxxx

Luego los límites son: x = -5 y x = 4 Vemos que la función f(x) > g(x), entonces:

dxxxA

4

5

2 164

4

5

324

5

2

3

1

2

12020

xxxdxxxA Evaluando tenemos:

6

675

6

425

3

125)5(

3

1)5(

2

1)5(20)4(

3

1)4(

2

1)4(20 3232

A

El área entre las curvas es de 675/6 unidades cuadradas. Ejemplo 2: Determinar el área comprendida entre las curvas f(x) = 2 � x2 y g(x) = x2, en el intervalo [0, 2]. Solución: Como se conocen los límites, no

hay necesidad de calcularlos, como se pudiera pensar, luego lo que debemos hacer es utilizar la fórmula para obtener el área, solo

que se debe establecer cual será la

función menor y cual la función

mayor. El problema lo debemos resolver en dos partes: La primera será el

intervalo de [0, 1], donde la función mayor es f(x) = 2 � x2 y la menor g(x) = x2. La segunda parte será el intervalo

[1, 2], donde la función mayor es g(x) = x2 y la menor 2 � x2.

Page 100: Modulo Calculo Integral

100

Para la primera parte:

dxxgxfA

1

0

1 )]()([ Reemplazando:

1

0

1

0

21

0

222 222 dxxdxdxxxA

Integrando:

3

4

3

220

3

21

3

2)0(2)1(2

3

22 33

1

0

31

01

xxA

Ahora hallamos la segunda parte.

dxxxdxxfxgA

2

1

222

1

2 2)]()([ Operando:

dxdxxdxxdxxxA

2

1

2

1

22

1

22

1

222 22)22(2 Integrando:

122123

22

3

222 332

1

2

1

32

1

2

1

22

xxdxdxxA Desarrollando:

3

82

3

1427*

3

212212

3

2 332

A

Finalmente sumamos las dos áreas para hallar el área total:

43

12

3

8

3

421 AA

El área entre las curvas es de 4 unidades cuadradas. Ejemplo 3: Determinar que el área entre las curvas cuyas funciones son: 2)( 2 xxf y

xxg )( en el intervalo [-2, 2] es 40 / 3.

Page 101: Modulo Calculo Integral

101

Solución:

dxxxA )(222

2

dxxxA )222

2

Integrando:

2

2

23 22

1

3

1

xxxA Evaluando:

42

3

842

3

8)2(*2)2(

2

1)2(

3

12*22

2

12

3

1 2323A

3

40

3

14

3

26A

Así el área entre las curvas son efectivamente 40 / 3 unidades cuadradas. Ejercicios: De los ejercicios propuestos, hallar el área entre las curvas propuestas

1. 2

2)(

xxf y 3)( xg Rta: 18 unidades cuadradas

2. 44 2yx y 14

yx Rta: 15

104 unidades cuadradas

3. )(cos)( 2xxf y 1)( xg Rta:

2

unidades cuadradas

4. 1)( 2xxh y

27)( xxj Rta: 3

64 unidades cuadradas

5. La intersección entre xexp )( y 21)( xxq Rta: Trabajarla con el Tutor.

Page 102: Modulo Calculo Integral

102

AREA DE SUPERFICIE DE REVOLUCIÓN

B

A

dsxfa )(2

Sabemos que toda curva representa una función, que se puede ilustrar en el plano cartesiano. Si giramos la curva alrededor de uno de sus ejes, se genera una Superficie de Revolución, el objetivo es determinar el área de la superficie generada. En la gráfica el giro se esta realizando

alrededor del eje x. y = f(x) denota una curva suave, con bxa . Subdividimos el intervalo a = xo < x1 < x2 < . . . < xn = b

Así la curva se divide en n partes.

Sea ∆si la longitud de i-ésimo pedazo de la

superficie y yi la ordenada, al girar se observa la banda de color amarillo que se forma. El área se puede aproximar por la de

un cono truncado; es decir, ii sy 2

Al sumar las áreas de todas las bandas y tomando el límite cuando la norma de la partición tiende a cero, obtenemos lo que

llamamos el área de la superficie de revolución.

n

i

iip

syLimA1

02 Aplicando los principios de sumatorias y límites:

b

a

dsxfA )(2 Como ds es el diferencial de longitud y equivale a:

dxxf2)('1 , reemplazando, obtenemos finalmente la ecuación del área de una

superficie de revolución. Área generada de la curva f(x) alrededor del eje x: Para calcular áreas de de superficies de revolución, se puede utilizar las integrales

ordinarias, pero en muchas ocasiones se requiere un método de aproximación conocido

como los métodos numéricos.

dxxfxfA

b

a

2)('1)(2

Page 103: Modulo Calculo Integral

103

Ejemplo 1: Hallar el área de la superficie generada al rotar sobre el eje x la función y = x

2 en el intervalo [0, 1] Solución: Como y = x2 entonces. y� = 2x Ahora aplicamos la ecuación para obtener

el área. 2

xy Cuando gira alrededor de x.

1

0

22 21*2 dxxxA

Esta integral no se puede resolver por los métodos tradicionales de integración, por lo

cual se recurre a los métodos numéricos, para sí obtener el valor aproximado de:

3,8097. Ejemplo 2:

Dada la curva xy la cual gira alrededor del eje x, cual será el área de la superficie

de revolución generada, para 20 x Solución:

Dado que x

xfxxf2

1)(')(

Ahora: x

xf4

1)(' 2

Luego aplicamos la

formula:

dxx

xA

4

112

2

0

1

0

22 412 dxxxA

Page 104: Modulo Calculo Integral

104

dxxdx

x

xxdx

x

xxA

2

0

2

0

2

0

144

142

4

142

2

32

1

2

1

4

1uduuA Como hicimos cambio de variable, volvemos a cambiar

la variable original. Entonces:

3825,422

7281729

219

214

233

2

0

3

xA

En muchos casos el giro de la curva se hace alrededor del eje y, luego en estos casos la ecuación cambio en algunos aspectos. Si x = f(y), siendo f(y) una curva suave y además mayor o igual a cero, el área de la

superficie generada al girar la curva f(y) alrededor del eje y es de la forma: Área generada de la curva f(y) alrededor del eje y: Ejemplo 3: Calcular el área de la superficie generada al girar alrededor del eje y, de la curva

3

3

1yx en 10 y

Solución:

Como 23 '3

1yxyx por otro lado: 422 '' yxyx Ahora aplicamos la

fórmula:

dyyydyyyA

1

0

431

0

43 13

21

3

12 Por cambio de variable:

dxyduyu34 41 Luego: duu

duudyyy 2

12

11

0

43

6

1

43

21

3

2

Integrando:

23

3

2

6

1u Cambiando de nuevo la variable, tenemos:

dyyfyfA

b

a

2)('1)(2

Page 105: Modulo Calculo Integral

105

189

19

11

0

34

yA Por consiguiente: 122

9

A

Ejercicios: Calcular el área de la superficie de revolución generada al girar alrededor del eje

establecido, de las funciones propuestas.

1. 24

8

1

4

1)(

xxxf Para 21 x Eje Y Rta:

20

253

2. 23

223

1)( xxg Para 20 x Eje Y Rta: 12

3. 3)( xxh Para 10 x Eje X Rta: 11010

27

4. La parábola pyx 42 En los puntos (0, 0) y

(2p, p) Eje Y Rta: 1223

8 2p

5. 22)( xrxm Para rxr Eje X Rta: 24 r

6. 3

3

1)( xxq Para 71 x Eje X Rta: 228

Page 106: Modulo Calculo Integral

106

LONGITUD DE UNA CURVA 22 )()( yxPQ

Cuando queremos medir la longitud de una línea recta, solo colocamos una regla o

metro y hacemos la medición. La situación cambia cuando la línea que se desea medir

es curva, por ejemplo medir la longitud de la cuerda de luz que va de un poste a otro.

Se desea calcular la longitud de la curva y = f(x) entre [a, b], donde la función es continua. Haciendo la partición

de manera usual, y uniendo los puntos de los segmentos de tal forma que se forme una trayectoria poligonal que aproxime la curva.

Longitud 22 )()( yxPQ

Para calcular la longitud del segmento total, se debe hacer la sumatoria de la partición,

es decir:

n

i

ii yxL1

22 La aproximación a la longitud de la curva

mejora, si la partición se hace más fina; o sea, la sumatoria tiene límite calculable,

cuando la norma de la partición tiende a cero. DEFINICIÓN: Una función f(x) cuya primera derivada es continua, se denomina SUAVE y su gráfica

es una curva suave. Para una función f(x) suave, por el teorema del valor medio, existe un punto )(, kk cfc

de la curva PQ

donde la tangente es paralela a dicho segmento.

Podemos inferir que: k

k

x

yxf

)('

Luego:

kk xxfy )('

Si reemplazamos en la fórmula que

tenemos para la longitud L, obtenemos:

Page 107: Modulo Calculo Integral

107

n

k

kkk xcfxL1

22 )('

Reorganizando el radical:

k

n

k

k xcfL 1

2)('1 Suma de Riemman.

DEFINICIÓN: Sea f(x) una función suave en [a, b], la longitud de la curva y = f(x) desde a hasta b equivale a: Ejemplo 1: Hallar la longitud de la curva y = x2 en el intervalo [-1, 1]. Solución: La ecuación para hallar la longitud de la curva, muestra que se debe hallar la derivada de la función y luego elevarla al cuadrado, realicemos esto: f(x) = x2 luego: f�(x) = 2x y (f�(x))

2 = (2x)2, con estos argumentos podemos aplicar la ecuación para hallar la longitud. De la curva.

dxxdxxfL

b

a

2

1

22 21)('1 Para resolver esta integral

podemos aplicar la fórmula siguiente:

cxaxLna

xax

dxxa 22

22222

22 Reemplazando:

2

1

222

1

2 21221

212

221

xxLnx

xdxxL

Simplificando y evaluando:

dxxfL

b

a

2)('1

Page 108: Modulo Calculo Integral

108

2

1

222

1

22 212

121212

2

121

2

2

xLnxxxxLnx

xL

22 2*112

12*111161

2

11612 LnLnL Desarrollando:

094.112

)5(5

2

)17(172

LnLnL

Ejemplo 2: Hallar la longitud de la curva 3)( xxf en el intervalo [1, 4]. Solución: Como en el caso anterior, veamos:

213

2

3)(')( Xxfxxf Ahora aplicamos la fórmula de longitud.

dxxdxxdxxfL

b

a

4

1

4

1

2

212

4

91

2

31)('1

Hacemos cambio de variable:

dxduxu4

9

4

91 Despejamos dx = (4/9) du, luego reemplazamos:

2

34

1 32

94

94

49

1 uduudxxL

Como xu4

91 , lo sustituimos para que la solución quede en función de x, como se

propone originalmente.

4

1

23

23

4

1 49

1278

32

94

49

1

xudxxL

Evaluando:

23

234

1

23

1*49

1278

4*49

1278

49

1278

xL

Page 109: Modulo Calculo Integral

109

2

3

232

32

3

4

13

27

810

27

81*

4

91

27

84*

4

91

27

8

L

634.77360.13697.94

13

27

810

27

8 23

23

L

LONGITUD DE UN ARCO EN FORMA PARAMETRICA )(tfx

En este aparte se analizará la longitud de curvas suaves, donde las funciones están

dadas en forma paramétrica. Las funciones paramétricas, definidas en x y y dependen de un parámetro t, según:

)(tfx

)(tfy

Para bta Al igual que en el caso de la longitud de curvas suaves, la idea es aproximar la curva por medio de un segmento formado por una trayectoria polinomial.

is Corresponde al segmento de

longitud de la curva.

iw Es la proyección de la

longitud de la curva en un triángulo rectángulo, del cual es

la hipotenusa. La longitud de

iw se obtiene de la siguiente

manera:

22iii yxw

Debemos definir ix y iy , los

cuales son equivalentes a:

)()( 1 iii tftfx y )()( 1 iii tgtgy Por el teorema del valor

medio, sabemos que existen los puntos ci y ki que pertenecen al intervalo ( ti-1, ti) tal que:

Page 110: Modulo Calculo Integral

110

iiii tcftftf )(')()( 1 y iiii tkgtgtg )(')()( 1 Luego:

22 )(')(' iiiii tkgtcfw La longitud total de la trayectoria

polinomial será:

i

n

i

ii

n

i

i tkgcfw 1

22

1

)(')(' Si observamos bien, deducimos que

corresponde la suma de Riemman. Por consiguiente, la longitud del arco establecido, será el límite de la ecuación anterior,

cuando la norma de la partición tiende a cero, entonces: Dicho de otra manera: Así se puede calcular la longitud de una curva con ecuaciones paramétricas. Ejemplo 1: Encontrar el perímetro del círculo 1622 yx , para 20 t . La forma paramétrica de la ecuación es: y = 4sen (t) y x = 4cos (t) Solución: Como se sabe como se comporta x e y respecto a t, derivamos las dos variables respecto al parámetro.

)(4)cos(4 tsendt

dxtx y )cos(4)(4 t

dx

dytseny

Por la fórmula de longitud:

2

0

2222

)cos(4)(4 dtttsendtdt

dy

dt

dxL

b

a

dttgtfL

b

a

22 )(')('

dtdt

dy

dt

dxL

b

a

22

Page 111: Modulo Calculo Integral

111

2

0

2

0

2222 )(cos)((16)cos(4)(4 dtttsendtttsenL

dtttsendtttsenL

2

0

222

0

22 )(cos)(4)(cos)(16

8)02(444)(cos)(42

0

2

0

2

0

22 tdtdtttsenL

El perímetro del círculo propuesto tiene como longitud 8ð. Ejemplo 2:

Calcular la longitud de la curva, cuya ecuación parametrica esta dada por: 3

3

1tx y

2

2

1ty para 10 t

Solución: Primero calculamos las derivadas de las funciones x e y.

23

3

1t

dt

dxtx y t

dt

dyty

2

2

1, ahora aplicamos la ecuación para hallar

la longitud.

dtttdtdt

dy

dt

dxL

b

a

1

0

22222

dtttdtttdtttL

1

0

21

0

241

0

222 1)

Por cambio de variable: tdtdutu 212 despejamos 2

dutdt Luego:

23

21

1

0

2

3

2*

2

1

2

1

21 uduu

duudtttL

No utilizamos los límites, ya que estamos trabajando con la variable u, cuando

sustituyamos de nuevo u por x sí hacemos la evaluación de los límites. Reemplazando obtenemos:

Page 112: Modulo Calculo Integral

112

1223

118

3

11

6

2

3

2*

2

11

0

3223

tuL

La longitud de la curva paramétrica es de 12231

Ejercicios: Solucionar los siguientes ejercicios. 1. Por integración hallar la longitud de la curva 32)( xxf en el intervalo [1, 3]

Rta: 52

2. Hallar la longitud de la curva 33 24)( xxg Entre 81 x Rta: 9

3. Cual será la longitud de la curva 22)( xxxh en el intervalo 20 x

Rta: dxxx

2

0

2 584 Por integración numérica se obtiene: 2,9578

4. Cual será la longitud de la curva )(2

1)( 2

xLnxxp en el intervalo [2, 4]

Rta: )2(4

16 Ln 6,1732

5. Los hilos de un tendido eléctrico suspendidos entre dos torres tiene la forma de una

catenaria, cuya ecuación es:

20cosh20)(

xxf , x e y se miden en metros,

Cual será la longitud de la cuerda que descansa

entre los dos postes.

2)cosh(

xxee

x

Rta: metrossenhsenh 47)1()1(20 6. Hallar la longitud de la curva, cuya ecuación paramétrica esta dada por: )(4 tsenx

y 5)cos(4 ty , en el intervalo [0, ð] Rta: 4 7. Calcular la longitud de la hipocicloide de cuatro vértices, que tiene como ecuaciones

paramétricas: )(3 tasenx y )(cos3 tay donde 20 t Rta: 6a

Page 113: Modulo Calculo Integral

113

VOLUMEN DE SUPERFICIE DE REVOLUCIÓN

b

a

dxxAV )(

Haciendo un seguimiento a las secciones anteriores, vemos que por medio de integrales podemos hallar áreas bajo la curva, longitud de curvas y área de superficies de una

curva al rotar. Ahora nos preguntaremos ¿Que ocurre con el volumen de figuras

engendradas al girar una curva? La respuesta esta dada también por medio de integrales. Para hallar el volumen de un sólido de revolución, hay varias técnicas, las cuales

analizaremos en seguida, solo es pertinente resaltar que sea el camino que se tome, las demostraciones siguen la línea de las sumas de Riemman. METODO DE ARANDELAS: Imaginémonos un tubo macizo, que

al hacerle una rebanada por el centro, se nos forma un tubo hueco, al particionarlo obtenemos arandelas. Toda arandela tiene un área y un

volumen, situación que vamos a

analizar.

V = Volumen de la arandela A = Área de la base h = Grosor

hAV * Pero:

22 rRA Luego:

hrRV *22

Utilizando un procedimiento similar al caso de las rebanadas o discos, podemos obtener el volumen del sólido formado por las arandelas. Podemos ver que R y r son funciones de x. Ejemplo 1: Dadas las curvas 2)( xxf y xxg 2)( , ubicadas en el primer cuadrante. Hallar el

volumen del sólido generado al girar alrededor del eje y acotado por las curvas dadas.

dxxrxRV

b

a

22 )()(

Page 114: Modulo Calculo Integral

114

Solución:

Como las funciones giran alrededor del eje Y, se debe expresar las funciones así: x = f(y), como vemos en la gráfica. Con estoa argumentos podemos hallar el volumen.

Reemplazando:

Integrando:

3

8

3

16864

1216

2122

4

0

34

0

2 yyV

El volumen del sólido generado es de 3

8 unidades cúbicas.

NOTA: Si observamos detenidamente, para este tipo de problemas, lo esencial es identificar las funciones R(x) y r(x); además, sobre cual eje gira. Si es alrededor del eje

x se expresa las funciones de la forma R(x) y r(x), pero si es alrededor del eje y se expresa como R(y) y r(y). Importante hacer la gráfica explicita de la situación. Ejemplo 2: Hallar el volumen del sólido generado al rotar sobre el eje x las curvas dadas por:

3 xy y 1)( 2 xxg Solución: Primero hallemos los límites de integración, esto ocurre cuando: 13 2

xx , si despejamos x obtenemos: x = -2 y x = 1. (Por favor corroborar estos límites) Entonces: 3)( xxR y 1)( 2 xxr

dxxxV

1

2

222 13 Desarrollando:

dyyryRV

b

a

22 )()(

dyyydydyy

yV

4

0

24

0

4

0

22

41

2

Page 115: Modulo Calculo Integral

115

1

2

421

2

242 )68(1296 dxxxxdxxxxxV

5

117

5

1

3

138

1

2

532

xxxxV

El volumen del sólido generado es de 5

117 unidades cúbicas.

Ejemplo 3: Hallar el volumen del sólido generado al rotar la curva 422 yx alrededor del

eje x = -1. Solución:

Observando las figuras, podemos ver que la curva gira alrededor del eje x = -1. lo que origina un cilíndrico hueco de radio 1, ahora:

241)( yyR y 1)( yr , luego:

2

2

22

2 141 dyyV Luego:

2

2

22 14421 dyyyV

2

0

222

2

22 4422442 dyyydyyyV Por simetría

2

0

2

0

22

0

22

0

22 28444422 dyydydyydyyyV Integrando:

Page 116: Modulo Calculo Integral

116

2

0

32

0

2

0

12

22

0

2

0

22

0

2

3

28)

2(

24

242844 yy

ySen

yy

ydyydydyyV

Evaluando:

2

0

32

0

2

0

12

22

0

2

0

22

0

2

3

28)

2(

24

242844 yy

ySen

yy

ydyydydyyV

)8(3

2160

224

3

28)

2(

24

24

2

0

32

0

2

0

12

2

yy

ySen

yy

yV

3

16164)8(

3

2160

224 2

V Operando:

3

324 2 V Unidades Cúbicas.

Page 117: Modulo Calculo Integral

117

Ejercicios: 1. Sea la región R la cual esta delimitada por las curvas y = f(x) y y = g(x), donde f(x) >

g(x), si R se hace girar alrededor del eje x entre los valores a y b. Cual sería el volumen

del sólido generado. 2. Cómo se hallaría el volumen del sólido generado, cuando se hace girar la curva

3

1

xy alrededor del eje y = -1, entre x = 1 y x = 3 Rta: dx

xxV

3

136

21

3. Calcular el volumen del sólido generado al girar alrededor del eje x las curvas: 1y

y )cos(xy entre -ð/2 y ð/2 Rta: 22

4. Hallar el volumen del sólido generado al girar alrededor del eje y las curvas 1x y

)tan(yx en: 4

0

y Rta: 44

1 2

5. Cual será el volumen del sólido generado por las curvas xy y 1y , cuando

giran alrededor del eje x. Rta: 3

2

6. Calcular el volumen del sólido generado al girar alrededor del eje y las curvas 2xy , la recta 0x y la recta 2x Rta: 8 Todas las respuestas, están dadas en unidades cúbicas.

Page 118: Modulo Calculo Integral

118

VOLUMEN DE SUPERFICIE DE REVOLUCIÓN METODO DE CASQUETES CILÍNDRICOS: En muchos problemas de diferentes áreas del saber, el método del casquete cilíndrico

es muy adecuado para la solución de la situación presentada. Un cascarón de forma

cilíndrica, es un sólido acotado por dos cilindros circulares rectos, de forma concéntrica,

con radio interior r y radio exterior R; además, una altura h

El volumen será: hAV b * Donde Ab es el

área de la base y h la altura. Pero el área de la

base será: 22

rRAb , luego:

hrRV *22 Desarrollando:

hrRrRV *

Para obtener la ecuación que permite hallar el

volumen, debemos hacer una transformación: Multiplicamos y dividimos por 2 la última

ecuación, luego:

hrRrR

V *2

2

Ahora, definimos radio promedio como: 2

rRR

y cambio del radio como:

rRr . Por consiguiente: rhRV 2 Para hallar el volumen del sólido de revolución al girar la región acotada por la curva y = f(x) al rededor de un eje de coordenadas, hacemos la partición, llevando la norma

de ésta a cero y, sumamos las fracciones formadas, de esta manera se logra obtener el

volumen del sólido.

hrRV *22

Page 119: Modulo Calculo Integral

119

Según la primera gráfica: xxxfV )(2 Si llevamos la partición a cero y

sumamos todas las partes, obtenemos:

La obtención de la ecuación, ha seguido los mismos

principios que hemos venido utilizando, o sea por medio de las sumas de Riemman.

Ejemplo 1:

Al hacer girar la curva xy alrededor del eje y entre las rectas x = 0 y x = 4, se genera un sólido de revolución, ilustrar el caso y hallar el volumen del sólido generado. Solución:

Como:

b

a

dxxxfV )(2 reemplazamos en los datos que tenemos:

dxxdxxxdxxxV

4

0

23

4

0

21

4

0

2*2*2 Aquí ya podemos integrar:

5

12804

5

4

5

22 2

54

0

25

xV Unidades cúbicas.

Ejemplo 2:

Dada la recta xh

ry

con r > 0 y h > 0, el eje x y la recta .hx La recta y se

hace girar al rededor del eje x. Encontrar el volumen del sólido generado. Resolverlo por:

a- Método de arandelas b- Método de casquetes

b

a

dxxxfV )(2

Page 120: Modulo Calculo Integral

120

Solución: a- Por el método de arandelas.

dxxh

rVdxxrxRV

hb

a

0

222 )()( Desarrollando el cuadrado e

integrando:

hhhh

xh

rdxx

h

rdxx

h

rdxx

h

rV

0

32

2

0

22

22

02

2

0

2

3

1

Evaluando:

hrhh

rx

h

rV

h

232

2

0

32

2

3

1

3

1

3

1

hrV2

3

1 Corresponde al volumen de un cono circular recto.

b- Por el método de casquete:

Page 121: Modulo Calculo Integral

121

dyyr

yhdyyr

hhydyyyfV

b

a

rr

0

2

0

122)(2

Desarrollando la integral.

r

rrhy

r

yhdyy

ryV

rr

322

3

1

22

1 32

0

32

0

2 Simplificando:

hrV2

3

1 Volumen de un cono circular recto.

Como podemos observar los dos métodos conllevan al mismo resultado. Ejemplo 3: Hallar el volumen del sólido generado al girar alrededor del eje y, la región por encima

de la parábola 2)( xxf y por debajo de la curva 22)( xxg . Solución: Por el tipo de grafica, las rebanadas verticales nos llevan a una buena solución.

222 xxh

Ahora:

b

a

dxxxfV )(2

1

0

1

0

321

0

2 414222 dxxxdxxxdxxxV

4

14

4

1

2

14

4

1

2

144

1

0

421

0

3 xxdxxxV

V Unidades cúbicas.

Page 122: Modulo Calculo Integral

122

Ejercicios: 1. Hallar el volumen del sólido generado por los planos perpendiculares a la recta

x = -1 y x = 1, las secciones transversales perpendiculares al eje entre estos planos son

cuadrados verticales cuyas bases van del semicírculo 21 xy al semicírculo

21 xy . Rta: 16/3 2. Hallar el volumen del sólido generado entre los planos perpendiculares al eje y por y = 0 y, y = 2. Las secciones transversales perpendiculares al eje y son discos

circulares cuyos diámetros van desde el eje y hasta la parábola 25yx

Rta: 8 3. Encontrar el volumen del sólido generado al girar alrededor del eje x la curva

xy

1 , con x = 2, x = 4 y el eje y. Rta:

4

4. Encontrar el volumen del sólido generado al girar alrededor del eje y la curva

14

1 3 xy , y = 1 � x y x = 1. Rta:

30

23

5. Se perfora un agujero redondo de radio r que para por el centro de una esfera sólida

de radio R, (R > r) encontrar el volumen del sólido producido Rta: 322

3

4rR

Page 123: Modulo Calculo Integral

123

VOLUMEN DE SUPERFICIE DE REVOLUCIÓN

b

a

dxxAV )(

METODO DE LAS REBANADAS: ( DISCOS ) Para hallar el volumen del sólido descrito en

la gráfica, en cada punto x del intervalo definido, la sección transversal del sólido

corresponde a la región R(x), cuya área es

A(x). Luego A es función de x de valor real. Las capas o rebanadas formadas se suman para formar el volumen del sólido en el

intervalo definido.

iii xcAV )(

Donde ic es el punto contenido en el intervalo ii xx ,1 . El volumen del sólido será

aproximadamente la suma de Riemman, cuando la partición se hace muy pequeña.

n

i

ii xcAV1

)( Sabiendo que el área se debe obtener según el tipo de figura que

se obtiene, el volumen será de la forma:

A(x) es el área de la figura obtenida.

NOTA: Es pertinente tener presente que para resolver problemas de este tipo, se requieren buenos principios de geometría plana y espacial, por lo cual se recomienda en caso de recordar algo al respecto, consultar el módulo de Matemáticas Básicas de la

UNAD. Ejemplo 1: Una pirámide de 3 m. de altura tiene base cuadrada de 3 m. de lado, hallar el volumen

de la pirámide. Solución: El área de la sección transversal es: A(x) = x

2 ahora:

273

113

3

1

3

1 333

0

33

0

2 xdxxV

b

a

dxxAV )(

Page 124: Modulo Calculo Integral

124

Resolviendo:

93

0

2 dxxV Unidades cúbicas.

El ejercicio fue relativamente fácil, ya que la figura el muy conocida, pero no ocurre

siempre así, veamos otros ejemplos. Ejemplo 2: Hallar el volumen del sólido de revolución al hacer girar la región R(x) alrededor del eje

X y acotada por la curva xxf )( en el intervalo 30 x . Solución:

El área para un círculo es:2

RA , como el volumen es área de la base por la altura, entonces:

xxfV 2)( Luego:

3

0

3

0

3

0

2)( xdxxdxdxxV

Integrando obtenemos:

2

903

2

1

2

1 223

0

23

0

xxdxV

Luego: 2

9V unidades cúbicas.

Ejemplo 3: Encontrar el volumen del sólido generado al rotar sobre el eje Y la región acotada por la

curva y = x2 en el intervalo [0, 4]. Solución: Como yxxy 2

Ya que necesitamos rotarlo alrededor de Y, como

2RA , Siendo yR , entonces:

Page 125: Modulo Calculo Integral

125

yyV 2

Por la suma de Riemman, obtenemos:

22

4

0

4

0

24

0

042

1

2

1 yydyydyV

Finalmente:

8042

1 22V Unidades cúbicas.

Ejemplo 4:

Dada la función 2

2

12 xy . Hallar el volumen del sólido generado por la curva

alrededor del eje y para 20 x . Solución:

Como el giro es alrededor del eje y, despejamos x,

luego: yxxy 242

12 2

. En seguida

aplicamos la ecuación para el volumen del sólido

alrededor del eje y, entonces:

2

0

2

0

24 dyyydyV

Desarrollando:

44242

02

2

0

yydyyV Unidades cúbicas.

Page 126: Modulo Calculo Integral

126

Ejercicios: 1. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región acotada por xy 2 , en

x = 0 y y = 0, alrededor del eje x. Rta: 3

8

2. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región limitada por la curva

xy para y = 2 y x = 0, alrededor del eje y. Rta: 5

32

3. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región limitada por la curva

xy para y = 2 y x = 0, alrededor del eje x = 4. Rta: 15

224

4. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región limitada por la curva

3xy para y = 0 y x = 1, alrededor de x = 1 Rta: 10

1.

5. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región limitada por la curva

12 xy para [0, 2], alrededor del eje x. Rta: 15

206

6. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región limitada por la curva

24 xy para [0, 2], alrededor del eje x. Rta: 15

256

7. Calcular el volumen del sólido generado al rotar la región limitada por la curva

24 xy para [0, 2], alrededor del eje y. Rta: 8 8. Una pirámide se levanta 500 metros sobre una base cuadrada de 750 metros de lado.

Cual será el volumen de la pirámide. Rta: 93.750 metros cúbicos

Page 127: Modulo Calculo Integral

127

LAS INTEGRALES EN LA FÍSICA

TRABAJO: En el curso de Física General, aprendimos que cuando un objeto se mueve

una distancia dada, se realiza un trabajo, pero para mover el objeto, se requiere de una fuerza constante w = f*d*cos (è), donde w = trabajo, d = distancia y è el ángulo entre

el vector fuerza y el vector distancia. La mayoría de los fenómenos de la naturaleza, presentan una característica la cual

consiste en que a medida que el objeto se mueve en una trayectoria, la fuerza varia, lo que indica que la fuerza es función de la distancia. Sea F(x) la fuerza a lo largo de la

trayectoria x y sea [a, b] un intervalo donde x es continua. La idea es hallar el trabajo realizado por la fuerza F(x) en dicho intervalo. Particionamos el intervalo [a, b] en k subintervalos y sea el punto ck en cada subintervalo [xk-1, xk]. Tomamos un

kkk xxc ,1 . El trabajo realizado a lo largo del intervalo será aproximadamente F(ck)

multiplicado por ∆xk, luego el trabajo total será:

Si la partición es grande, y su norma tiende a cero, podemos

definir el trabajo W realizado por una fuerza F(x) a lo largo del intervalo [a, b] de la siguiente manera:

La parte crucial para resolver problemas de este tipo es identificar claramente la función

fuerza. Ejemplo 1:

Cual será el trabajo realizado por una fuerza 2

2)(

xxF a lo largo del intervalo [1, 5].

Solución: Como tenemos la función fuerza, podemos aplicar directamente la ecuación del trabajo.

5

8

5

42

1

1

5

12

225

1

5

12

x

dxx

W Julios

En este ejemplo la función fuerza esta definida, pero en muchas ocasiones se debe

determinar la función fuerza a partir del análisis del fenómeno presentado.

b

a

dxxfw *)(

n

k

kk xcFW1

)(

b

a

dxxFW )(

Page 128: Modulo Calculo Integral

128

Ejercicios: 1. Un objeto se mueve a lo largo del eje x debido a una fuerza 212)( xxF en Newton, cual será el trabajo realizado si el objeto se desplaza de x = 1 metro a x = 3

metros. Rta: 158/3 Julios 2. Una partícula se mueve a lo largo del eje x debido a una fuerza 24)( xxF dinas. Si 100 ergios es el trabajo realizado para mover la partícula desde el origen hasta

un punto x = c Hallar c si debe cumplir que c>0 Rta: C ≈ 7,588 3. Por la Ley de Gravitación Universal de Newton, cuando dos partículas de masa m1 y m2 se atraen mutuamente, la magnitud de la fuerza de atracción es directamente

proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la

distancia entre ellas. 2

21 *

x

mmGF Donde G es la constante universal de la gravedad

y x la distancia entre las masas. Si m1=2 Kg y esta en el origen, m2= 4 Kg Qué

trabajo se realiza para mover m2 de del primer metro a quinto metro de distancia. Rta: (32/4)G Julios. LEY DE HOOKE:

Por teoría de la Física general, se sabe la ley de Hooke, la cual establece que para

mantener un resorte estirado o comprimido x unidades de su longitud natural, se requiere una fuerza kxxF )( , donde k es la constante del resorte; además, se ha

establecido que a mayor rigidez del resorte, mas alto es el valor de la constante. El trabajo realizado para estirar o comprimir un resorte, se puede calcular con la ecuación

definida para trabajo realizado por una fuerza variable. Ejemplo 1: Un resorte tiene una longitud de 2 metros, al aplicarle una fuerza de 35 Newton, dicho resorte se estira hasta 3,5 metros. Qué trabajo se requiere para que le resorte se estire 4 metros Solución:

Como b

a

dxxFW )( pero F(x) = kx, luego debemos determinar el valor de la

constante, lo cual se puede hacer con los datos del problema.

Page 129: Modulo Calculo Integral

129

Al aplicar 35 Newton, el resorte se estira de 2 a 3,5 Metros, entonces x = 1,5 metros. Entonces, por la ley de Hooke: 35 = k (1,5), despejamos k y obtenemos: k = 23,33 Nw/m. Ahora planteamos la función fuerza: xxF 33,23)( y así podemos hallar el trabajo.

64,18604665,112

33,2333,2333,23)( 22

4

0

4

0

24

0

xxdxxdxdxxFW

b

a

Julios.

Los límites de integración se obtiene sabiendo que el resorte se estira 4 metros desde su posición original; es decir, x = 0. Ejemplo 2: Un resorte es tal que la fuerza requerida para mantenerlo estirado s centímetros esta

dado por F = 12s. Si la longitud del resorte es de 30 centímetros y se estira hasta 45 centímetros, cual será el trabajo realizado para estira el resorte. Solución: Tenemos la función fuerza F = 12s, por otro lado el resorte se estira de 30 a 45 centímetros; es decir, 15 centímetros, luego:

135001562

1*1212 22

15

0

215

0

ssdsW ergíos.

Ejercicios: 1. La fuerza que mantiene un resorte estirado x centímetros es F(x) = 12x dado en dinas,

qué trabajo se realiza para estirar dicho resorte 8 centímetros. Rta: 384 ergios 2. El motor de un automóvil ejerce una fuerza )1(800)( xxxF en la posición x, cual será el trabajo realizado para 10 x , Rta: 703.983 pie-Lb 3. Una cuerda tiene 50 metros de longitud, que trabajo se hace para recogerla completamente, si se encuentra completamente vertical Rta: 780 Julios

Page 130: Modulo Calculo Integral

130

BOMBEO DE LÍQUIDOS:

Cuando se desea desplazar un líquido, es necesario hacer un trabajo. Debido a que los

recipientes o lugares donde se almacena el líquido no tiene forma regular, la ecuación

W = F*d no aplica directamente, se requiere una transformación según la forma del

recipiente, para si poder aplicar dicha ecuación. La resolución se sigue por las sumas de

Riemman. Con algunos ejemplos modelos podemos analizar problemas de este tipo. Ejemplo 1: Un tanque esférico de 10 metros de radio y lleno de agua, se desea bombear el agua por la parte superior del tanque. Determinar cuanto trabajo se debe hacer para bombear toda el agua. Solución:

Se debe hallar b

a

dxxFW )( La clave esta en determinar la función F(x) para el

fenómeno en mención. Inicialmente sabemos que el intervalo de la variable x esta entre 0 y 20 ¿porqué?

El radio r corresponde a la profundidad de x = ci y que es la hipotenusa del triángulo,

su valor es de 10 metros, la altura es 10 � ci, luego por Pitágoras:

2222222 20101001010 iiiiiii ccrcrrc

La fuerza para mover el líquido (agua), es la gravedad sobre el mismo.

pesoVgVVggmF ** Pero el peso es de 1.000 Kg/m3 que corresponde a la densidad del agua. Luego:

hrhrpesoVF22 10001000** Donde ya conocemos r2

Page 131: Modulo Calculo Integral

131

Entonces: xccF ii 2201000 Aplicando la teoría de partición y por la

sumas de Riemman.

iiii ccxccdFW 20201000* 2 Por consiguiente:

xccdFW ii 2

201000* El trabajo total será el realizado en cada

capa.

n

i

ii xccW1

2201000 Si aplicamos límite cuando n tiende a infinito:

20

0

20

0

322 404001000201000 dxxxxdxxxW Integrando:

33,333.1310004

1

3

402001000

20

0

432

xxxW Finalmente:

33,333.333'1333,333.131000 W Julios. Ejemplo 2: Un depósito en forma de cono circular recto esta lleno de agua, si la altura es de 10 pies y el radio de la parte más ancha es de 4 pies, hallar el trabajo para: a-) Bombear el agua del tanque por la parte superior b-) Bombear el agua 10 metros por encima del nivel del tanque. Solución:

a-)

Page 132: Modulo Calculo Integral

132

Según la gráfica, xy4

10 , el disco tiene como grosor y y altura y, tiene un radio

y10

4, luego el volumen será: yy

2

10

4 , con peso yv .

La fuerza necesaria para elevar el disco de agua es igual a su peso, entonces el trabajo requerido para elevar el disco de agua será:

yyydfw

10*)

10

4(* 2 Por consiguiente:

dyyydyyyw

10

0

3210

0

2 10100

1610

100

16 Resolviendo:

39,137.264

1

3

10

100

1610

100

1610

0

4310

0

32

yydyyyw Lb-pie

Se tomo la densidad como 62,4 Lb/Pie3 b-) El razonamiento es similar a la caso anterior, solo que para este caso la altura es 20 � y, luego:

dyyydyyyw

10

0

3210

0

2 20100

1620

100

16 Los límites no cambian ¿porque?

10

0

4310

0

32

4

1

3

20

25

420

25

4

yydyyyw Evaluando:

w = 130.687,60 Lb � pie Ejemplo 3: Mostrar que para un tanque lleno de agua, de forma cilíndrica vertical de 5 metros de

radio y 10 metros de altura, se debe hacer un trabajo de 69,3X106 Julios para bombear el agua 4 metros por encima del tanque. Solución:

Por un lado: hrV2 donde yh Luego: yV

25 . Por otro lado, como el peso del agua es de 9.800 N/m3, entonces: VVF 800.9 , Pero yV 25 . Luego: yyVF 000.24525*800.9 �.

Page 133: Modulo Calculo Integral

133

Ahora yFdFW 14** El tanque mide 10 metros de largo y 4 metros que debe subir demás el líquido hace que la altura sea 14 metros. Ahora si podemos hallar

el trabajo:

10

0

210

0

10

0 2

114000.24514000.24514000.245

yydyydyyW

Evaluando obtenemos: W = 69,3X106 Julios. Así queda demostrado el problema. Ejercicios: 1. Un tanque esférico esta lleno de agua, el radio es de 10 pies y se desea bombear por

la parte superior el agua hasta que el tanque quede a la mitad, que trabajo se realiza en este proceso. Rta: 816.814 pies-libra 2. Un tanque cilíndrico vertical tiene 20 metros de altura y 10 metros de radio, Qué

trabajo se realiza para bombear el agua a un nivel de 4 metros por encima del tanque. Dagua = 9.800 N/m3 Rta: 862�055.040 Julios 3. Un tanque de almacenamiento de forma cilíndrico vertical tiene Kerosén, cuyo peso

es 51,2 Lb/pie3, el tanque tiene 30 pies de alto y 20 pies de diámetro. Qué trabajo se

necesita para bombear el combustible hasta el nivel superior del tanque. Rta: 7�238.229,48 pies- libra 4. Un tanque tiene forma de cono circular invertido, 10 metros de altura y 4 metros de radio en la parte más ancha. Es llenado con agua hasta 8 metros de altura, Qué trabajo

se requiere para vaciar el tanque hasta la parte superior. Rta: 3,4X106 Julios

Page 134: Modulo Calculo Integral

134

MOMENTOS Y CENTRO DE MASA:

Recordando los principios de dinámica y mecánica, sabemos que el momentum es el

producto de la masa y la distancia respecto a un punto de equilibrio.

Momentum = x1*m1 + x2*m2 El triángulo nos indica el punto de

equilibrio.

Para un sistema de masas ç = m1, m2, m3, � mç ubicados en los puntos x1, x2, x3, � ,

xç respectivamente a lo largo del eje x, el momentun total M, será la suma de los

momentun individuales.

n

i

ii mxM1

* Cuando M = 0, se presenta equilibrio si el punto de equilibrio esta en el

origen. Generalmente esto no ocurre, la situación es cómo hallar el punto para que un

sistema de masas este en equilibrio. Si llamamos Ce el punto donde un sistema de masas puede estar en equilibrio, entonces: 0...332211 neneee mCxmCxmCxmCx Operando:

eneeenn CmCxCmCmmxmxmxmx ...... 321332211

Despejando Ce obtenemos lo que se conoce como el centro de masa:

n

i

i

n

i

ii

e

m

mx

C

1

1

Físicamente el centro de masa es el punto donde concentramos toda la masa del sistema.

Si deseamos distribuir dicha masa a lo largo de una recta de alambre con densidad variable, llegamos al siguiente planteamiento:

xxm )( . Siendo m la masa, )(x densidad en el punto x y x ubicación de la

masa respecto al punto de equilibrio. Luego:

Corresponde a la masa en un punto dado de la recta

Por otro lado: xxxM )( Por medio de la teoría de integrales llegamos a:

b

a

dxxm )(

Page 135: Modulo Calculo Integral

135

Con todo lo anterior, podemos hallar el centro de masa a lo largo de una varilla con densidad variable. Dicho de otra manera: La parte fundamental para resolver problemas de este tipo, es identificar claramente la función densidad en el punto establecido. Ejemplo 1: Una varilla de 20 cm. De longitud presenta una densidad de 12)( 2 xx , Hallar el centro de masa. Solución: Aplicando la ecuación: Reemplazando términos:

Integramos cada parte:

800.792

400

2

000.160

2

1

2

1)2(

20

0

2420

0

3 xxdxxx

3

940.1520

3

000.16

3

2)12(

20

0

320

0

2 xxdxx

Agrupamos los dos resultados:

Centímetros

b

a

dxxxM )(

b

a

b

ae

dxx

dxxx

C

)(

)(

m

MC e

b

a

b

ae

dxx

dxxx

C

)(

)(

20

0

2

20

0

2

)12(

)12(

dxx

dxxx

C e

13,14

3940.15

800.79eC

Page 136: Modulo Calculo Integral

136

Ejemplo 2: Encontrar el centro de masa de una lámina homogénea, cuya forma es una región

acotada por la curva y = sen(x) para 0 ≤ x ≤ ð. Solución: Cuando la lámina es homogénea, la densidad es constante, luego el centro de masa de la

región, será dada por la forma de la región, para estos casos hablamos de centróides.

La región es simétrica en x = ð/2,

pero para ya el centro de masa será

menor a 1/2, ya que la mayor cantidad esta por debajo de ½. Ahora:

)(*)(2

1xfxfM x

)(xfmx

Aplicando la fórmula obtenida:

0

0

2

0

0

0

)(

0)(

)(

)(2

1

)(

)(*)(2

1

dxxsen

dxxsen

dxxsen

dxxsenxsen

dxm

dxM

Ce

x

x

y Por identidades tenemos:

0

0)(

)(

)2cos(12

1

dxxsen

dxx

Ce y Integremos por separado y al fina agrupamos:

2

)2(42

)2(2

1

2

1)2cos(1

2

1

00

senxsenxdxx

2)0cos()cos()cos()(0

0

xdxxsen Agrupando:

422

)(

yCe

Page 137: Modulo Calculo Integral

137

Ejemplo 3:

Mostrar que el centroide de la región acotada por las curvas 3xy y xy , es:

7

3)( yCe

25

12)( xCe

Solución:

1

0

3

1

0

3

)(

)( dxxx

dxxxx

Ce x

1

0

423

1

0

525

)(

41

32

51

52

xx

xx

Ce x

Desarrollando:

25

12

125

51

)1(41)1(3

2

)1(51)1(5

2

)(

xCe

Referente al eje y tenemos:

1

0

3

1

0

232

1

0

3

1

0

33

)(

)()(2

1

)(

2

1

dxxx

dxxx

dxxx

dxxxxx

Ce y Desarrollando:

7

3

125

185

4

1

3

2

7

1

2

1

2

12

1

1

0

423

1

0

72

1

0

3

1

0

6

)(

xx

xx

dxxx

dxxx

Ce y

Page 138: Modulo Calculo Integral

138

Ejercicios:

1. Hallar el centro de masa de un objeto cuya función densidad es: 26

)( x

x para

0 ≤ x ≤ 6 Rta: Ce = 16/5

2. Calcular el centro de masa para un objeto que tiene como densidad: 44

)(2

x

x

para el intervalo: -2 ≤ x ≤ 2. Rta: Ce = 0 3. Tres partículas tienen masas 8, 4 y 6, están ubicadas a lo largo de una recta en 3, -2 y 3 respectivamente, ¿cual será el centro de masa? Rta: Ce = 17/9 4. Un alambre tiene forma semicircular con radio 10 cm y densidad de 12 gr/cm3 ¿Cuál será el centro de masa del alambre? Rta: Ce = 20/ð TEOREMA DE PAPPUS: Pappus, un griego de Alejandría, en el siglo III propuso dos fórmulas para relacionar los

centroides de superficies y con sólidos de revolución. Dichas fórmulas simplifican el

procedimiento para este tipo de problemas. Teorema Del Volumen: Si una región plana R se gira alrededor de una recta en el plano que no interfecta el interior de la región, entonces el volumen del sólido que se genera es igual al área de la

región multiplicada por la distancia recorrida por el centroide de la región durante el

giro. Si D es la distancia desde el eje de rotación al centroide, entonces:

ADV *2

Page 139: Modulo Calculo Integral

139

Veamos la demostración:

Sea L(y) = Longitud transversal de la sección R, perpendicular a y. Como

L(y) es continua.

2

1

)(2y

y

dyyyLV

Para y1 y y2 dados. La coordenada en y del centróide esta

dado por :

A

dyyyL

y

y

y

2

1

)(

Luego: 2

1

)(y

y

dyyyLyA

Reemplazando yA en la ecuación de volumen, tenemos:

yAV 2 Pero Dy Por consiguiente: Ejemplo No 1: La región acotada por )(xseny para x0 , se hace girar alrededor de x. Hallar el volumen por el teorema de pappus. Solución: Como

Hallamos el área: 2)0cos()cos()cos()(0

0

xdxxsenA

El volumen del sólido de revolución será:

2

00 0

2

2

1)2(

2

1

2)2cos(1

2)(

xsenxdxxdxxsenV

Si aplicamos Pappus:

DDDAV 4*2*22

ADV *2

ADV *2

Page 140: Modulo Calculo Integral

140

INVESTIGACIÓN: Leer y analizar el teorema para superficies.

MOVIMIENTO DE PROYECTILES:

Cuando estudiamos las derivadas, veíamos que a partir de la función posición

obteníamos la función velocidad y aceleración. y = s ( t ) y� = v(t) y�� = a(t) Ahora la idea es que a partir de la función aceleración obtener la función velocidad y

luego la función posición. Así describir el movimiento del cuerpo.

dt

dsv

2

2

dt

sd

dt

dva

Unos ejemplos nos ayudan a aclarar estos conceptos. Ejemplo No 1: Desde una altura de 20 metros, un nadador se lanza con una velocidad de 10 m/seg. en dirección ascendente. ¿Con qué velocidad toca el agua el nadador? Solución: h(t) es las altura sobre el nivel del mar.

gdt

hd

'

' Por la segunda ley de Newton

h(0) = 20 metros y 10)0( dt

dhmetros. Por las condiciones iniciales.

Luego: cgtdt

dhgdt

dt

dhg

dt

hd2

2

Como 10)0(10)( ccgtvdt

dh por consiguiente:

10)( gttv Ahora:

Page 141: Modulo Calculo Integral

141

ctgthdtgtdttvh 102

1)10()( 2

Para hallar la constante, tenemos:

20)0(10)0(2

120 2 ccg Luego:

20102

1 2 tgth

Ejemplo No 2: Una pelota es lanzada verticalmente hacia arriba con una velocidad de 50 m/seg. (se ignora la resistencia el aire) cual será la altura de la pelota cuando han transcurrido 2

seg. del lanzamiento. Solución: Por definición:

gdt

hd

2

2

Siendo g = 9,8

Ahora:

cgtgdtdt

dh

Como 50)0( dt

dh Entonces:

)(50 tvgtdt

dh

Pero v(0) = 50 entonces:

ctgtdtgth 502

150 2

Page 142: Modulo Calculo Integral

142

Como h(0) = o, Luego:

tgth 502

1 2

Cuando t = 2 seg, entonces:

6,214,78100)2(50)2(2

1 2 gh metros.

Ejemplo No 3: Del problema anterior, calcular la velocidad a los 3 seg. de haber sido lanzada la pelota. Solución:

Como ttv 8,950)( Entonces, reemplazando el tiempo tenemos:

./6,304,2950)3(8,950)( segmtv

Page 143: Modulo Calculo Integral

143

Ejercicios: 1. Las condiciones iniciales para un objeto que se deja caer desde una altura de 150 metros son: a-) y(0) = 150 y�(0) = 0 b-) y(0) = 0 y�(0) = 150 c-) y(0) = 50 y�(0) = 15 d-) y(0) = 15 y�(0) = 150 Rta: a 2. Una persona se encuentra a 20 metros de altura de una piscina olímpica, ¿Cuál será

la velocidad con que la persona toca el agua al dejarse caer de dicha altura?

Rta: 208 m/seg. 3. Un objeto se mueve según la ecuación: )(25)('' 0 wtsentx , siendo x�(t) = 0 y

x(0) = 0, además è0 = 0 y w = 1. Cual será la ecuación de x(t) para este problema.

Rta: ttsentx4

24)4(

16

25)(

4. sabiendo que gdt

dv Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba, con una

velocidad de 20 m/seg, a-) Cual será la altura máxima alcanzada por el cuerpo b-) El tiempo de vuelo del cuerpo. Rta: a-) 20,408 metros b-) 4,081 segundos

Page 144: Modulo Calculo Integral

144

LAS INTEGRALES EN LA ESTADÍSTICA

En Estadística las integrales son una herramienta para hallar probabilidades de ocurrencia de sucesos de variables aleatorias tipo continuo. Estudiaremos dos casos de los muchos que se presentan, como ilustración de las integrales a la ciencia de la

estadística. Función de distribución:

Es la probabilidad de que una variable aleatoria con función de densidad de

probabilidad f(x) tome un valor menor o igual que x.

)()( xFxXP Donde: F(x) es la función de distribución y x la variable aleatoria. Este tipo de función no puede ser negativa, ya que corresponde a una función de probabilidad,

tampoco puede ser decreciente debido a que es acumulativa; además, es acumulativa.

1)(0 xF . Entonces para cualquier x, )()( xXPxF , que significa el área bajo

la función de densidad de probabilidad sobre el intervalo (-∞, x]. Por la notación de

integrales: De la función de distribución se puede resaltar: -) F(-∞) = 0 y F(∞) = 1 -) p( x1 < X ≤ x2 ) = F ( x2 ) � F ( x1 ) -) p( x1 < X ≤ x2 ) = P ( X ≤ x2 ) � P ( X ≤ x1 ) ≥ 0 Función de Densidad de Probabilidad:

También se le llama Densidad de Probabilidad. Sea f(x) una función llamada como

función de densidad de probabilidad; entonces: Área bajo la curva: Donde )( bXaP significa la probabilidad que la variable aleatoria tome un valor entre a y b, la función f(x) obviamente debe ser integrable en el intervalo establecido.

Al elemento f(x)dx se le conoce como probabilidad elemental o elemento diferencial de probabilidad.

b

a

dxxfbxaP *)()(

x

dttfxF )()(

b

a

dxxfbXaP )()(

Page 145: Modulo Calculo Integral

145

Algunas propiedades de esta función: -) f(x) ≥ 0 ya que p(x)≥ 0

-) 1)()(

dxxfxp

-) 1)(0 bxap Ejemplo 1: Dada una función de distribución F(x) = 2x � x2 en [0, 1]. Hallar la función de

densidad de probabilidad Solución: La función de densidad se obtiene derivando la función de distribución Como f(x) = F�(x) entonces:

xdx

dFxf 22)(

Ejemplo 2: Para el ejemplo anterior, hallar la probabilidad de que un evento aleatorio sea 2,0X Solución:

36,004,04,0222)2,0(2,0

02

2,0

0

xxdxxXP Por consiguiente:

36,0)2,0( XP

Ejemplo 3: Una variable aleatoria tiene como función de densidad de probabilidad:

otrospara

xparaexf

x

0

02)(

2

Cual será la probabilidad de que la variable tome un valor entre 1 y 3. 31 X Solución:

Por definición:

b

a

dxxfbXaP )()(

Page 146: Modulo Calculo Integral

146

Como X esta en la condición para que xexf 22)( entonces:

3

1

23

1

2 22)31( dxedxeXPxx Operando:

1328,02

2)31( 6226

3

1

2

eeeee

XPx

Ejemplo 4: Para el ejemplo anterior, cual es la probabilidad de que la variable tome un valor mayor que ½. Solución: Siguiendo el procedimiento de la definición:

21

2

21

2

21

2

222)

2

1( x

xx

ee

dxeXP

3678,0)2

1( 11

eeeeXP

Existen muchas funciones de densidad de probabilidad, utilizadas en el mundo de la

Estadística, tales como: La Normal, Log normal, x2 de Pearson, otras. Estas se pueden explorar en el curso de Estadística y de Probabilidad.

Page 147: Modulo Calculo Integral

147

Ejercicios: 1. La densidad de probabilidad de una variable aleatoria esta dada por la función:

otroscasospara

xsix

xsix

xf

0

212

10

)(

a-) Hallar la función de distribución b-) Determinar la probabilidad de que una variable aleatoria con esta función de distribución tome un valor mayor a 1,8

Rta: a-) 2

2

12)( xxxF b-) 02,0)8,1( XP

2. Para el ejercicio numero 1, determinar la probabilidad de que una variable aleatoria con esta función de distribución, tome un valor entre 0,2 y 0,6 Rta: 16,0)6,02,0( XP 3. La función de distribución de una variable aleatoria esta dada por la expresión:

20

24

1)( 2

xpara

xparaxxF

Cual será la probabilidad de que la variable aleatoria: a-) Tome un valor menor que 3 b-) Tome un valor entre 4 y 5 Rta: a-) 555,0)3( xP b-) 09,0)54( xP 4. El consumo de energía de cierta planta es una variable aleatoria, cuya función de densidad de probabilidad es:

3

9

1)(

x

xexf

Para x > 0

La planta tiene una capacidad diaria de 12 millones de Kw/hr. Cual será la probabilidad de que el suministro de energía sea inadecuado en un día dado.

Rta: 0916,0)120( xP 5. la vida útil de un artículo electrónico es una variable aleatoria, con función de

densidad de probabilidad: xexf 66)( ¿Cuál es la probabilidad de que el artículo dure

menos de 3 meses? Rta: 7768,0)12/30( xP 6. Para el caso de la vida útil del artículo electrónico referenciado en el ejercicio

anterior, ¿Cuál será la probabilidad de que el artículo electrónico dure entre 2 y 4 años? Rta: 000006144,0)42( xP

Page 148: Modulo Calculo Integral

148

LAS INTEGRALES EN LA ECONOMÍA

En Economía son muy usados los términos demanda y oferta. La curva de demanda del

consumidor P = D(x), nos da el precio de demanda que el consumidor esta dispuesto a pagar por unidad para x unidades, la curva generalmente es decreciente, debido a que al vender cantidades mayores, el precio baja. La curva de oferta del productor P = S(x), nos da el precio por unidad al cual el vendedor esta dispuesto a ofrecer x unidades, la curva es creciente, ya que a mayores cantidades, el precio de venta sube.

CURVA DE OFERTA � DEMANDA La gráfica muestra la curva de oferta P = S(x) y la curva de demanda P = D(x). P(Xc,Yp) corresponde al punto de equilibrio. Utilidad: Es el concepto asociado con una función que describe el grado de beneficio o

satisfacción, cuando el consumidor recibe x unidades.

EXCEDENTE DEL CONSUMIDOR: (E.C.) En términos sencillos, el excedente del consumidor E.C. es la cantidad de dinero que

ahorra un consumidor cuando compra un artículo a P precio, para una cantidad x de artículos. Lo anterior se traduce en la utilidad del consumidor, cuando disminuye el

precio a razón de aumentar la compra del artículo. Para Q artículos el precio es P, luego el gasto total será QP. El área total bajo la curva es la

utilidad total U.

Q

dxxDU

0

)(

D(x) es la función demanda. Asi, el excedente del consumidor será entonces la utilidad menos los gastos totales.

Excedente del Consumidor

Q

QPdxxDCE0

)(..

Q

QPdxxDCE0

)(..

Page 149: Modulo Calculo Integral

149

EXCEDENTE DEL PRODUCTOR: (E.P.) Los economistas lo refieren a la utilidad que recibe el productor, cuando se ofrece mayores cantidades del artículo, a razón del aumento del precio. Esto significa los

ingresos extras que recibe el productor, cuando el consumidor aumenta la compra del artículo.

Como Q es la cantidad de artículos

ofrecidos a P precio, la cantidad recaudada será de QP. El excedente del productor E.P,

será el recaudo total menos el área bajo la

curva, que corresponde a la función oferta

de producción. Excedente del productor

Ejemplo 1: Dadas las funciones demanda D(x) = (x � 5)2 y de oferta S(x) = x2 + x + 3, hallar

a- El punto de equilibrio b- El E. C. en el punto de equilibrio c- El E. P. en el punto de equilibrio

Solución: a- El punto de equilibrio es donde D(x) = S(x), es decir: (x � 5)2 = x2 + x + 3. Haciendo las operaciones algebraicas: 32510 22

xxxx , despejamos la variable, luego: xE = 2. Ahora podemos hallar el valor de y, así: yE = (2 � 5)2 = 9, el punto de equilibrio será: P(2, 9) b- Para calcular el excedente del consumidor, utilizados la ecuación para E. C.

)9(*)2(53

15..

2

0

2

0

32 xQPdxxCE

Evaluando y simplificando:

667,1418667,3218125273

1.. CE

c- De igual manera que en el caso anterior, el excedente del productor se calcula con la ecuación para este fin.

Q

dxxSQPPE0

)(..

Page 150: Modulo Calculo Integral

150

dxxxdxxSQPPE

2

0

22

0

318)(. Desarrollando tenemos:

33,73

22

3

32183

2

1

3

118.

2

0

23

xxxPE

Ejemplo 2: La demanda de un producto esta gobernada por la función:

20001.02.0200.1)( xxxD ¿Cuál será el excedente del consumidor para un nivel

de ventas de 500 unidades? Solución: Para este caso Q = 500, luego P = 1.200 � 0,2(500) � 0,0001(500) = 1.075, entonces el gasto total será de QP = 500*1075 = 537.500 Ahora calculamos el E. C. utilizando la ecuación correspondiente.

500.5370001,02,0200.1..500

0

2 dxxxCE

500.5375,837.570500.5371033,31,0200.1..500

0

52 XxxCE

5,337.33500.5375,837.570.. CE

Ejemplo 3:

Determinar el E. P. Para un producto cuya función oferta es: xxxS 22

1)( , para

x = 20. Solución: Para este caso Q = 20, luego P = 20/2 + 2(20) = 50. Entonces: QP = 20*50 = 1.000 A continuación se calcula el E: P.

400100000.14

1000.12

2

1000.1..

20

0

2220

0

xxdxxxPE

500400100000.1.. PE

Page 151: Modulo Calculo Integral

151

Ejercicios:

1. La función oferta de cierto artículo esta dada por: 510

)( x

xs . Para un precio de

venta de $10. Calcular el excedente del productor cuando el precio de venta es de $10. Rta: E.P.=$4.166,67

2. La función demanda para un producto es de la forma 8

450)(

xxD .

a-) Cual será el nivel de venta para un precio de $10 b-) encontrar el excedente del consumidor para el nivel de ventas de la parte a. Rta: a-) Q = 37 b-)E.C.= 407,15 3. En un análisis económico, la función demanda y oferta son respectivamente:

24)( xxD y 62)( 2 xxxS . Calcular el excedente del productor en el punto de equilibrio.

Rta: E. P. = $1,67 4. Para el caso el problema 3, calcular el excedente del consumidor, cuando la venta es de un artículo.

Rta: E. C. = $3,33

COSTO TOTAL: Siguiendo el estudio de las integrales en la economía, se debe hacer notar otros términos

que en economía son frecuentes como costo marginal y costo total. El concepto de

�Marginal� hace referencia al cambio que manifiesta una cantidad, cuando hay un cambio muy pequeño de una segunda cantidad, en este orden de ideas si conocemos la

función costo marginal C�(x) o dC/dx, se puede hallar el costo total. C(x), entendiendo

este último como el costo necesario para producir x unidades de cierto artículo. El costo marginal será C�(x) siendo x=xi para i = 1, 2, 3, � Si la derivada existe,

entonces a dicha función se le llama función costo marginal. Con el principio de la antiderivada, podemos inferir que a partir del costo marginal podemos hallar el costo total. Al realizar el proceso de integración, la constante

arbitraria, se puede evaluar si se conoce el costo general; es decir, el costo sin producir unidad alguna, entonces:

Costo total de producción

NOTA: El costo marginal, no puede ser negativo, luego c�(x) ≥ 0

dxxcxC )(')(

Page 152: Modulo Calculo Integral

152

Ejemplo 1:

Dad la función costo marginal .123 xdx

dC la producción de 4 unidades, origina un

costo de $16. Hallar la función costo total. Solución:

Como 01230 xdx

dC Luego 4x Ahora:

cxxdxxxC 122

3)123()( 2

Pero C(4) = 16, entonces: c )4(12)4(2

316 2 despejando c, se obtiene: c = 40. Por

consiguiente:

40122

3)( 2

xxxC

Pero la mínima cantidad que se debe producir es de 4 unidades. 4x Ejemplo 2:

En un proceso de producción la función costo marginal esta dada por: 45

3

xdx

dC

El costo general es de $10, ¿Cuál será el costo total? Solución:

45

345

3)(

x

dxdx

xxC Aplicando cambio de variable: u = 5x + 4 entonces

du = 5dx, despejando dx = du/5, ahora reemplazamos en la integral original.

duu

u

du

x

dx 2/1

5

35345

3 Integrando se obtiene:

cucu

5

6

2/1*

5

3 2/1

Luego:

cxxC 455

6)(

Page 153: Modulo Calculo Integral

153

Para hallar el valor de c, tomamos las condiciones dadas: C(0) = 10, entonces:

c 4)0(55

610 Despejando c se obtiene: c = 38/5. Finalmente:

5

3845

5

6)( xxC

INGRESO TOTAL: Para estudiar el ingreso total, debemos recordar el concepto de ingreso marginal, denotado por R � (x), para x = xi con i = 1, 2, 3, � La función R � (xi) si existe se le llama ingreso marginal. �Esta función puede ser positiva, negativa o cero� Se interpreta

como la tasa de cambio del ingreso total cuando se requieren x unidades. A partir del ingreso marginal, podemos obtener el ingreso total, por medio de integrales indefinidas. Si p es el precio unitario y x las unidades vendidas, entonces el ingreso será: R(x) = p*x Según la ecuación anterior, el ingreso total lo podemos obtener a partir del ingreso

marginal. Ejemplo 1: Cual será el ingreso total para la función marginal R � (x) = 300 � x Solución:

Por definición: cxxdxxxRdxxRxR 2

2

1300300)()(')(

Para hallar el valor de c, partimos de la siguiente premisa: El ingreso es cero, cuando el número de unidades es cero; es decir, R(0) = 0 Reemplazando en la función obtenida: 300(0) � ½(0)

2 +c = 0, despejando c se obtiene que c = 0, por consiguiente:

2

2

1300)( xxxR

Recordemos que cuando x = 0, no hay ingresos.

dxxRxR )(')(

Page 154: Modulo Calculo Integral

154

Ejemplo 2: La utilidad total se le llama P(x) y se define como: Una compañía tiene para un artículo el valor de $100 la unidad; precio de venta. Si

produce diariamente x unidades, el valor por producción marginal es 2x + 20. El costo

general es de $700. Hallar a-) La función utilidad total b-) La utilidad que se obtiene al producir 40 unidades. Solución:

a-) C � (x) = 2x + 20 Entonces: cxxdxxxC 20202)( 2

Para C(0) = 700, luego: 700 = 02 + 20(0) + c, c = 700, la función costo total será:

70020)( 2 xxxC La función ingreso será: R(x) = 100x como tenemos la función costo total C(x),

entonces podemos calcular la función utilidad.

7008070020100)( 22 xxxxxxP

Así, la función utilidad total será: 70080)( 2 xxxP b-) Como conocemos la función utilidad, solo reemplazamos para x = 40, entonces:

700)40(80)40()40( 2 R Desarrollando:

900300.2200.3)40( xR

)()()( xCxRxP

Page 155: Modulo Calculo Integral

155

Ejercicios: 1. Para cierta mercancía la función ingreso marginal esta dada por: R � (x) = 20 � 4x, cual será el ingreso total cuando se requieren 10 unidades de la mercancía. Rta: R(x =10) = 0

2. La función costo marginal para cierto artículo esta gobernado por: 45

3)('

xxC

Si el costo general es de $10, cual será el costo total en la producción de 50 artículos. Rta: C( x = 50 ) = 26, 725 3. En la producción de una pasta de jabón para tocador, la función ingreso marginal se

determinó como: 228)(' xxxR . ¿Cuál será el ingreso total para 12 unidades? Rta: R(x =12) = 528 4. La fábrica de bombillas �El Alumbrador� tiene como precio de venta para su artículo

el valor de $700 la unidad. Si produce diariamente x unidades, el valor por producción

marginal es 5x + 8. El costo general es de $800. ¿Cuál será la utilidad al producir 50

bombillas? Rta: P(x) = $27.550

Page 156: Modulo Calculo Integral

156

BIBLIOGRAFÍA

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Bogotá, 2001. LARSON, Ronald, HOSTETLER, Robert. Cálculo Vol. 1, Mc Graw Hill, sexta

edición, México, 1.998. SMITH, Robert y MINTON, Ronald. Cálculo Vol. 1. Mc Graw Hill, Bogotá. 2000. THOMAS, George, FINNEY, Ross. Cálculo con Geometría Analítica Vol. 1. Edición

sexta, Addison Wesley Iberoamericana. México, 1987. LEYTOLD, Louis. El Cálculo con Geometría Analítica. Harla, México, 1.987. PURCELL, Edwin y Otros. Cálculo, Prentice hall, Octava Edición, México, 2.001 PITA, Claudio. Cálculo de Una Variable, Prentice hall, México, 1.998 APOSTOL, Tom M, Calculus Vol. 1, Editorial Reverte, España, 1.982