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Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Área de Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Cuatrimestre TRES Programa de la asignatura: Cálculo integral Clave: 050910310 Febrero de 2011 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA Alonso Lujambio Irazábal SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR Rodolfo Tuirán Gutiérrez PROGRAMA DE EDUCACIÓN SUPERIOR ABIERTA Y A DISTANCIA COORDINACIÓN GENERAL Manuel Quintero Quintero COORDINACIÓN ACADÉMICA Soila del Carmen López Cuevas DISEÑO INSTRUCCIONAL Karla Contreras Chávez EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN DE PROGRAMAS EDUCATIVOS Karina Montaño AGRADECEMOS LA COLABORACIÓN EN EL DESARROLLO DE ESTE MATERIAL A: Dr. Juan Carlos Flores García Secretaría de Educación Pública, 2011 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Tabla de contenidos I. INFORMACIÓN GENERAL DE LA ASIGNATURA ...................................................................... 6 a. Ficha de identificación ............................................................................................................ 6 b. Descripción ............................................................................................................................. 6 c. Propósito ................................................................................................................................ 8 II. FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA ............................................................................... 8 III. COMPETENCIA(S) A DESARROLLAR ...................................................................................... 8 IV. TEMARIO .................................................................................................................................... 9 V. METODOLOGÍA DE TRABAJO ................................................................................................ 10 VI. EVALUACIÓN ........................................................................................................................... 11 VII. MATERIALES DE APOYO ..................................................................................................... 12 VIII. DESARROLLO DE CONTENIDOS POR UNIDAD ................................................................. 13 UNIDAD 1. INTEGRALES .............................................................................................................. 13 Propósito de la unidad .............................................................................................................. 13 Competencia específica ........................................................................................................... 13 Presentación de la unidad ........................................................................................................ 13 1.1. Integral definida ................................................................................................................. 14 1.1.1. Área de una región ...................................................................................................... 14 Actividad 1. ¿Qué es área? ................................................................................................... 17 1.1.2. Área mediante suma de rectángulos infinitesimales ................................................... 17 1.1.3. Integral definida ........................................................................................................... 27 Actividad 2. Concepto de integral .......................................................................................... 29 1.1.4. Suma de Riemann....................................................................................................... 29 1.1.5. Evaluación de integrales ............................................................................................. 32 Actividad 3. Sumas de Riemann ........................................................................................... 33 1.1.6. Regla del punto medio ................................................................................................ 34 1.1.7. Propiedades de la integral definida ............................................................................. 35 1.2. Teorema fundamental del cálculo...................................................................................... 37 1.2.1. Teorema fundamental del cálculo ............................................................................... 38 Actividad 4. Resolución de problemas TFC .......................................................................... 42 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 1.2.2. Derivación e integración como procesos inversos ...................................................... 42 Actividad 5. Teorema fundamental del cálculo ...................................................................... 43 1.3. Integral indefinida .............................................................................................................. 43 En el siguiente apartado definiremos la integral indefinida como el proceso contrario a la derivación. Esto es una consecuencia del teorema fundamental del cálculo. .......................... 43 1.3.1. Integral indefinida ........................................................................................................ 43 1.3.2. Tabla de integrales indefinidas .................................................................................... 44 Actividad 6. Integral indefinida .............................................................................................. 45 1.4. Regla de sustitución .......................................................................................................... 46 1.4.1. Regla de sustitución .................................................................................................... 46 Actividad 7. Integración usando reglas de sustitución ........................................................... 49 1.4.2. Integrales definidas ..................................................................................................... 50 Actividad 8. Resolución de problemas de integrales definidas .............................................. 51 1.4.3. Simetría ....................................................................................................................... 52 Evidencia de aprendizaje. Desarrollo de integración ................................................................ 54 Consideraciones específicas de la unidad ............................................................................... 55 Fuentes de consulta ................................................................................................................. 55 UNIDAD 2. APLICACIONES DE LA INTEGRACIÓN .................................................................... 56 Propósito de la unidad .............................................................................................................. 56 Competencia específica ...........................................................................................................56 Presentación de la unidad ........................................................................................................ 56 2.1. Área entre curvas .............................................................................................................. 56 2.1.1. Área entre curvas mediante aproximación .................................................................. 57 2.1.2. Área entre curvas mediante integración ...................................................................... 59 Actividad 1. Área entre curvas .............................................................................................. 62 2.2. Volúmenes ........................................................................................................................ 62 2.2.1. Volumen de un sólido .................................................................................................. 63 2.2.2. Volúmenes de sólidos de revolución ........................................................................... 68 Actividad 2. Sólidos de revolución ......................................................................................... 70 Actividad 3. Sólidos de revolución en la vida diaria ............................................................... 71 2.2.3. Volúmenes de cascarones cilíndricos ......................................................................... 71 Actividad 4. Volúmenes de cascarones cilíndricos ................................................................ 74 2.3. Valor promedio de una función .......................................................................................... 74 2.3.1. Valor promedio ............................................................................................................ 74 2.3.2. Teorema del valor medio ............................................................................................. 75 Actividad 5. Valor medio de una función ............................................................................... 77 Evidencia de aprendizaje. Aproximación e integración de volumen ......................................... 77 Consideraciones específicas de la unidad ............................................................................... 78 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Fuentes de consulta ................................................................................................................. 79 UNIDAD 3. MÉTODOS DE INTEGRACIÓN ................................................................................... 80 Propósito de la unidad .............................................................................................................. 80 Competencia específica ........................................................................................................... 80 Presentación de la unidad ........................................................................................................ 80 3.1. Integración por partes ........................................................................................................ 80 3.1.1. Integrales por partes ................................................................................................... 81 Actividad 1. Métodos de integración ..................................................................................... 82 Actividad 2. Ejercicios de integración por partes ................................................................... 82 3.1.2. Sustitución para racionalizar ....................................................................................... 83 3.2. Integrales trigonométricas ................................................................................................. 84 3.2.1. Integrales trigonométricas ........................................................................................... 84 3.2.2. Integrales que contienen senos y cosenos ................................................................. 86 3.2.3. Integrales que contienen tangentes y secantes .......................................................... 89 Actividad 3. Resolución de problemas que contienen funciones trigonométricas ................. 90 3.2.4. Sustitución trigonométrica ........................................................................................... 90 Actividad 4. Ejercicios de sustituciones trigonométricas ....................................................... 92 3.3. Integración de funciones racionales mediante fracciones parciales .................................. 93 3.3.1. Q(x) es producto de factores lineales distintos ............................................................ 95 3.3.2. Q(x) contiene factores lineales, algunos se repiten ..................................................... 97 3.3.3. Q(x) contiene factores cuadráticos reducibles, ninguno se repite ............................. 100 3.3.4. Q(x) contiene un factor cuadrático irreductible repetido ............................................ 102 Actividad 5. Integración mediante fracciones parciales ....................................................... 104 3.4. Estrategias de la integración por medio de tablas integrales .......................................... 105 3.4.1. Tablas de fórmulas integrales ................................................................................... 105 Actividad 6. Formulas de integración .................................................................................. 106 3.4.2. Estrategias para integrar ........................................................................................... 106 Actividad 7. Resolución de integrales ................................................................................. 107 3.5. Integrales impropias ........................................................................................................ 107 3.5.1. Tipo 1. Intervalos infinitos .......................................................................................... 107 3.5.2. Tipo 2. Integrandos discontinuos .............................................................................. 110 Evidencia de aprendizaje. Cálculo de una integral ................................................................. 112 Consideraciones específicas de la unidad ............................................................................. 113 Fuentes de consulta ............................................................................................................... 113 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología I. INFORMACIÓN GENERAL DE LA ASIGNATURA a. Ficha de identificación Área Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Nombre del curso o asignatura Cálculo integral Clave de asignatura 050910310 Seriación Sin seriación Cuatrimestre Tercero Horas contempladas 72 b. Descripción El cálculo integral, junto con el cálculo diferencial, proporciona las herramientas matemáticas necesarias para resolver diversos problemas en diferentes áreas del conocimiento. El cálculo integral es una rama de las matemáticas que sirve para la integración o antiderivación a partir de la aplicación de conceptos obtenidos en Cálculo diferencial, y es la base de la resolución de problemas en el cálculo de longitudes de curvas, áreas de curvas y volúmenes, así como predicciones sobre problemas específicos en diferentes ámbitos. En la asignatura se expone la integral como la suma infinitesimal y la importancia del teorema fundamental del cálculo, que es el eslabón o conexiónentre el cálculo diferencial e integral, finalmente se abordan diversas técnicas de integración que son esenciales para enfrentar los problemas de una manera más sistemática. En la imagen ejemplo (lado izquierdo), la brocha es ancha cuando los valores del integrando son grandes y es angosta cuando los valores del integrando son pequeños. Esta es una analogía del Primer Teorema Fundamental de Cálculo que verás con el estudio de esta unidad. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología A continuación se describe los tópicos que se abordarán en cada una de las unidades temáticas: Unidad 1. En el desarrollo de esta unidad se exponen los conceptos fundamentales que proporcionan sustento al cálculo. En el tema de integral definida se revisa la manera de calcular el área de una región y cómo calcular el área bajo una curva mediante la suma de rectángulos infinitesimales. El análisis de estos cálculos conduce al concepto de sumas de Riemann, herramienta necesaria para evaluar una integral. Posteriormente, se evalúan algunas integrales y la regla del punto medio, así como algunas propiedades de la integral definida. También se revisa el teorema fundamental del cálculo que describe la derivación e integración como procesos inversos; se presenta una tabla de integrales indefinidas y se revisa una regla para hacer sustituciones que sirven para evaluar integrales. Al final de esta unidad se revisan las propiedades de simetría que poseen algunas integrales. Unidad 2. En esta unidad se presenta la integración con diversas aplicaciones para calcular áreas entre curvas mediante aproximación e integración, así como algunos métodos de aplicación para calcular volúmenes de ciertos sólidos, entre los que destacan sólidos de revolución o cascarones cilíndricos. Finalmente, se utiliza la integración para hallar el valor medio de ciertas funciones. Unidad 3. En esta unidad se centra el estudio en diferentes técnicas de integración como el método de la integración por partes y sustitución para racionalizar. Dentro de los métodos de integración trigonométrica se presentan las técnicas de integración para resolver integrales trigonométricas que contienen senos, cosenos, tangentes y secantes. Finalmente se abordan los métodos para realizar algunas sustituciones trigonométricas en el cálculo de integrales y los diferentes casos del método para integrar funciones racionales mediante fracciones parciales. Finalmente, la asignatura brinda las habilidades necesarias para aplicar las herramientas matemáticas en cursos posteriores, principalmente en la resolución de problemas de cálculo para satisfacer las necesidades de áreas afines como pueden ser las siguientes carreras: Telemática, Desarrollo de Software, Logística y Transporte, Biotecnología, Tecnología ambiental y Energías renovables. El material dispuesto en esta asignatura se imparte en el tercer cuatrimestre de la licenciatura de Matemáticas y sienta las base para el estudio de materias como: Cálculo de varias variables, Ecuaciones diferenciales I y II, Variable compleja I y II, Probabilidad I y II, Ecuaciones diferenciales parciales, Transformaciones y series, Estadística, Análisis matemáticos I y II, Sistemas lineales y no lineales, Optimizaciones y Topología. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología c. Propósito El propósito de la asignatura te permitirá: Identificar las bases del cálculo integral, desarrollado a partir de las sumas de Riemann, teorema fundamental del cálculo y algunas propiedades básicas de las integrales, así como los conceptos de integral definida, teorema del valor medio, integrales indefinidas e impropias. Resolver integrales usando tablas de integración y las propiedades de integrales. Calcular integrales aplicando métodos de integración, como integración por partes, sustitución, usando integrales trigonométricas (en sus diferentes casos) y mediante fracciones parciales (también en sus diferentes casos). Aplicar la integración para calcular áreas y volúmenes. d. Fundamentación de la asignatura En esta asignatura trataremos el cálculo integral desde el punto de vista práctico, sin tantas demostraciones, seremos concisos y nos enfocaremos en la ejercitación de los temas mediante la resolución de problemas. La metodología para que logres las competencias estará basada en foros, wikis y tareas, consistente que te permitirán lograrlas competencias específicas de cada unidad. e. Competencia(s) a desarrollar Utilizar herramientas matemáticas del cálculo integral para resolver problemas mediante el uso de las sumas infinitesimales, integración y teorema fundamental del cálculo con base en métodos y tablas de integración. Describir el proceso de integración para calcular áreas entre curvas, volúmenes, así como el valor promedio de una función a través del uso de integral definida e indefinida y el teorema fundamental del cálculo con base en definiciones, modelos y reglas. Analizar problemas modelo para calcular áreas entre curvas, volúmenes, así como el valor promedio de una función mediante el uso de aproximaciones, con base en definiciones, métodos y teoremas. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Utilizar métodos de integración para resolver integrales mediante reglas, identidades, sustituciones, simplificaciones, definiciones, estrategias y tablas, con base en ejercicios de práctica. f. Temario 1. Integrales 1.1. Integral definida 1.1.1. Área de una región 1.1.2. Área mediante suma de rectángulos infinitesimales 1.1.3. Integral definida 1.1.4. Sumas de Riemann 1.1.5. Evaluación de integrales 1.1.6. Regla del punto medio 1.1.7. Propiedades de la integral definida 1.2. Teorema fundamental del cálculo 1.2.1. Teorema fundamental del cálculo 1.2.2. Derivación e integración como procesos inversos 1.3. Integral indefinida 1.3.1. Integral indefinida 1.3.2. Tabla de integrales indefinidas 1.4. Regla de sustitución 1.4.1. Regla de sustitución 1.4.2. Integrales definidas 1.4.3. Simetría 2. Aplicaciones de la integración 2.1. Área entre curvas 2.1.1. Área entre curvas mediante aproximación 2.1.2. Área entre curvas mediante integración 2.2. Volúmenes 2.2.1. Volumen de un sólido 2.2.2. Volúmenes de sólidos de revolución 2.2.3. Volúmenes de cascarones cilíndricos Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 2.3. Valor promedio de una función 2.3.1. Valor promedio 2.3.2. Teorema del valor medio 3. Métodos de integración 3.1. Integración por partes 3.1.1. Integrales por partes 3.1.2. Sustitución para racionalizar 3.2. Integrales trigonométricas 3.2.1. Integrales trigonométricas 3.2.2. Integrales que contienen senos y cosenos 3.2.3. Integrales que contienen tangentes y secantes 3.2.4. Sustitución trigonométrica 3.3. Integración de funciones racionales mediante fracciones parciales 3.3.1. Q(x) es producto de factores lineales distintos 3.3.2. Q(x) contiene factores lineales, algunos se repiten 3.3.3. Q(x) contiene factores cuadráticos reducibles, ninguno se repite 3.3.4. Q(x) contiene un factor cuadrático irreductible repetido 3.4.Estrategias de la integración por medio de tablas integrales 3.4.1. Tablas de fórmulas integrales 3.4.2. Estrategias para integrar 3.5. Integrales impropias 3.5.1. Tipo 1. Intervalos infinitos 3.5.2. Tipo 2. Integrandos discontinuos g. Metodología de trabajo En esta asignatura es fundamental la dedicación en la resolución de ejercicios y perseverancia, ya que es posible que a la primera no te salgan los resultados; sin embargo no desesperes, es parte de la formación. Es indispensable que tengas una filosofía emprendedora proactiva al aprendizaje. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Es indispensable que en el desarrollo de tus actividades verifiques tu procedimiento, signos y operaciones. Es recomendable contar con una calculadora que te permita optimizar los tiempos en la resolución de las operaciones; sin embargo, esta herramienta no debe reemplazar tu proceso de aprendizaje en el desarrollo, análisis, ordenamiento, lógica e interpretación de resultados. Dado que la asignatura es de carácter práctico, es aconsejable que trabajes de manera colaborativa con otros de tus compañeros a través de foros, wikis y/o redes sociales incluyendo blog personal. También puedes hacer uso de páginas de internet para ampliar los temas vistos o incluso verlos desde otras perspectivas. La metodología empleada en el curso es la de aprendizaje basado en problemas (ABP), por lo cual es recomendable realizar muchos ejercicios empleando los diferentes métodos de integración. La mayoría de las tareas consiste en realizar ejercicios de acuerdo a los temas vistos. El papel del Facilitador(a) estará enfocado en guiarte en cada uno de los temas que conforman la asignatura. Te evaluará y te retroalimentará en cada una de tus tareas. La retroalimentación es con la finalidad de que vayas perfeccionando tu escritura, método, simbología, orden y procedimiento, así como coherencia. h. Evaluación En el marco del Programa de la ESAD, la evaluación se conceptualiza como un proceso participativo, sistemático y ordenado que inicia desde el momento en que el estudiante ingresa al aula virtual. Por lo que se le considera desde un enfoque integral y continuo. Por lo anterior, para aprobar la asignatura de Cálculo integral, se espera la participación responsable y activa del estudiante, así como una comunicación estrecha con su facilitador para que pueda evaluar objetivamente su desempeño. Por lo tanto, es necesaria la recolección de evidencias que permitan apreciar el proceso de aprendizaje de contenidos: declarativos, procedimentales y actitudinales. En este contexto la evaluación es parte del proceso de aprendizaje, en el que la retroalimentación permanente es fundamental para promover el aprendizaje significativo y reconocer el esfuerzo. Es requisito indispensable la entrega oportuna de cada una de las tareas, actividades y evidencias, así como la participación en foros, wikis, blogs y demás actividades programadas en cada una de las unidades, dentro del tiempo especificado y conforme a las indicaciones dadas. La calificación se asignará de acuerdo con la Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología escala establecida para cada actividad, por lo que es importante que el estudiante la revise antes de realizar la actividad correspondiente. A continuación presentamos el esquema general de evaluación. RECURSOS Y HERRAMIENTAS VALOR Actividades formativas (envíos a taller y tareas) 30% Interacción en el aula y trabajo colaborativo (foro y base de datos) 10% Examen final 10% E-Portafolio. Evidencias de aprendizaje y autorreflexión 50% Cabe señalar que, para aprobar la asignatura, se debe de obtener la calificación mínima indicada por la ESAD. i. Materiales de apoyo Stewart, James. (2008). Cálculo. Trascendentes tempranas. México: Cengage Learning. Larson, R. E. (2005). Cálculo. México: Mc Graw Hill. Apostol, T. M. (2008). Calculus. España: Reverté. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología II. DESARROLLO DE CONTENIDOS POR UNIDAD UNIDAD 1. INTEGRALES Propósito de la unidad En esta unidad desarrollarás tu habilidad para calcular integrales mediante sumas de Riemann y el teorema fundamental del cálculo, además de calcular volúmenes y promedios. También, estudiaremos la integral definida y la indefinida. Competencia específica Describir el proceso de integración para calcular áreas entre curvas, volúmenes, así como el valor promedio de una función a través del uso de integral definida e indefinida y el teorema fundamental del cálculo con base en definiciones, modelos y reglas. Presentación de la unidad En esta unidad empezaremos a desarrollar los fundamentos matemáticos para construir el cálculo integral. Verás que para calcular el área de una función, partiremos del hecho de sumar las áreas de rectángulos bajo una gráfica y el eje x, situación que nos conducirá al concepto de sumas de Riemann y al concepto de integral definida. Abordaremos algunas propiedades importantes de la integral definida que te permitirán desarrollar tus habilidades a la hora de evaluar una integral. En esta unidad te darás cuenta de que el cálculo integral y diferencial están ligados por un eslabón muy importante: el teorema fundamental del cálculo. Es una herramienta muy poderosa para evaluar integrales de manera muy práctica. Al igual que existen integrales definidas, también existen integrales indefinidas, mostraremos cuál es esa pequeña diferencia. Empezarás a calcular integrales no tan complicadas mediante el uso de tabla de integrales y mediante sustitución. Por último, revisaremos algunas reglas de simetría que algunas integrales poseen, ya que te permitirán ahorrarte trabajo cuando integres ciertas funciones. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 1.1. Integral definida En algunas ocasiones nos hemos encontrado en la situación de tener que calcular el área de alguna región de forma irregular, como ejemplo, calcular el área de un terreno de forma irregular para saber el valor monetario en función del precio por metro cuadrado. En esta sección veremos el desarrollo para llegar al concepto de integral definida. Veremos también algunas propiedades, también empezarás a evaluar algunas integrales sencillas mediante las sumas de Riemann. 1.1.1. Área de una región Algunos de nosotros tenemos la idea intuitiva de lo que es área. Sabemos que es fácil calcular las áreas de ciertas figuras simplemente con saber la forma y su fórmula. Nos viene a la mente que el área limitada por un cuadrado es la multiplicación de su lado por lado llA ; de un rectángulo es lado por su altura; de un triángulo es la multiplicación de su base por su altura hbA . Así sucesivamente podemos citar muchas figuras con sus respectivas fórmulas para calcular sus áreas. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología El área,entonces, es la región limitada por ciertas fronteras, como puede ser líneas rectas, como el caso del cuadrado, o bien, por líneas curvas, como el caso del círculo. Ahora nos enfrentamos a calcular el área de una figura que tiene forma irregular. Pensemos en un terreno. Por lo general, algunos terrenos no tienen una forma muy bien definida, veamos el siguiente ejemplo: Suponiendo que se conocen los lados del terreno, la pregunta es: ¿cuál es el área? La solución es sencilla: únicamente hay que dividirlo en triángulos, calcular el área de cada triángulo y sumar las áreas de todos los triángulos para encontrar el área total del terreno. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Así que el área total de este terreno es 4321 AAAAAT Veamos ahora una figura un poco más compleja ¿cómo se hallaría el área para la siguiente figura? La respuesta es, inscribir repetidamente el área de una figura geométrica cuya área es conocida, y para ello escogemos el cuadrado. El área de cada cuadrado representa una unidad de área. La figura quedaría así. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología El área aproximada de la figura es de 33 unidades de área. Podríamos ser más precisos, y para ello tendremos que hacer más pequeños nuestros cuadrados. Nota: Hace aproximadamente 2500 años, los griegos sabían cómo hallar el área de cualquier polígono al dividirlo en triángulos. También hallaron la forma de encontrar el área de una figura curva; lo que hicieron fue inscribir polígonos en la figura y hacer que el número de lados del polígono aumentara. Usaban el método conocido como de agotamiento o exhaución. Actividad 1. ¿Qué es área? Instrucciones 1. Presentación de cada uno de los integrantes. 2. ¿Qué esperas de la asignatura de Cálculo integral? 3. Discutan el significado de área. 4. ¿Qué es más fácil, obtener el área de una figura geométrica o de una irregular? ¿Por qué? 5. Explica con tus propias palabras qué entiendes por área. 1.1.2. Área mediante suma de rectángulos infinitesimales Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología En este subtema obtendremos el área bajo una curva por aproximación de rectángulos, como se muestra en el objeto de arriba. Posteriormente se tomará el límite de estos rectángulos. El procedimiento es el siguiente: Consideremos el siguiente desarrollo. Sea la función 2xy . Hallaremos el área bajo la curva en la región comprendida entre 0 y 1 del eje x. Podemos hallar el área aproximada, inscribiendo rectángulos debajo de la curva descrita por 2xy en la región comprendida entre 0 y 1. El área de la región está dada por la suma de todos los rectángulos inscritos en la región S. Dividamos el segmento [0,1] en 10 partes iguales, esto significa que la base de cada rectángulo es igual a 1/10. La altura para cada rectángulo es tomada del lado derecho de cada rectángulo, es decir, las alturas los rectángulos son los valores de la función 2)( xxf en los puntos extremos de la derecha. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Considerando de la imagen que, para cada número x de las abscisas, existe un valor para y, se cumple la función 2)( xxf . La altura para el primer rectángulo es 2 10 1 10 1 f . Para el segundo 2 10 2 10 2 f , Para el tercero 2 10 3 10 3 f , De manera análoga se calcula las demás alturas para cada uno de los rectángulos. Así que podemos escribir las alturas de los rectángulos de la siguiente manera: 2 10 92 10 82 10 72 10 62 10 52 10 42 10 32 10 22 10 1 ,,,,,,,, y 12 La suma de las áreas de todos los rectángulos es la suma aproximada debajo de la curva comprendida entre 0 y 1: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Realizamos la suma de todas las fracciones: 385.0200 77 10 R Esta es el área aproximada de la región S; sin embargo, nuestros rectángulos sobresalen por encima de la gráfica, lo cual quiere decir que el área que hemos calculado es mayor que el área A de la región S. A<0.385 Para tener una mejor estimación del área A bajo la curva, lo que tendremos que hacer es considerar un incremento de rectángulos, y así las bases de los rectángulos serán cada vez más pequeñas. Al calcular la suma total de rectángulos infinitesimales, obtendremos mejores estimaciones para el área de la región S. Si incrementamos infinitamente el número de rectángulos n, de tal forma que el ancho de cada uno de ellos se hiciera muy pequeño, veremos que la suma de todos los rectángulos superiores se aproxima al área A bajo la curva. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología De manera similar al desarrollo anterior, nR es la suma de n rectángulos de la figura de arriba, aquí el ancho de cada rectángulo vale n 1 y las alturas las obtenemos al evaluar los puntos ,...,, 321 nnn hasta n n en la función 2)( xxf , entonces, las alturas son: ,...,,, 24232221 nnnn así sucesivamente hasta 2 n n . El área total está dada por la suma de las áreas de todos los rectángulos. 21241231221221 n n nnnnnnnnnnR Factorizamos 2 11 nn 222211 3212 nR nnn 22221 3213 nR nn La suma de cuadrados tiene una expresión general dada por: 6 121 321 2222 nnn n Sustituimos la expresión en nuestro desarrollo anterior. 223 6 121 6 121 6 1211 n nn nn nnnnnn n Rn Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Ahora le aplicamos el límite cuando el número de rectángulos tiende a ser infinito n debajo de la curva. 26 121 lim n nn R n n Reacomodamos algunos términos: n n n n R n n 121 6 1 lim nn R n n 1 2 1 1 6 1 lim Recordemos que 0 1 lim nn . Evaluamos los límites, 3 1 2 6 1 0201 6 1 nR Por lo tanto, el área de la región S es: 3 1 nR Con la misma metodología se puede calcular el área de la región S, usando rectángulos inscritos cuyas alturas fueran los valores de f en los puntos extremos izquierdos de los subintervalos. Llegaríamos al mismo resultado cuando aplicamos el límite de infinitos rectángulos debajo de la función. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y TecnologíaEsto quiere decir que no importa donde se tome la altura de los rectángulos; ya sea que pongamos rectángulos superiores o rectángulos inferiores, siempre vamos a llegar al mismo resultado, los límites son iguales. Ahora estamos preparados para analizar una región más general. Hallemos el área de la curva siguiente. Tomemos la región mostrada en la figura de tal modo que subdividimos el intervalo [a, b] en n rectángulos de anchos iguales. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología El ancho del intervalo [a, b] es b-a; por lo tanto, el ancho para cada rectángulo es: n ab x Los puntos extremos de la derecha de los subintervalos son: , ,3 ,2 , 321 xnaxxaxxaxxax n Para un i-ésimo rectángulo que tiene un ancho x y una altura f (xi), que es el valor de f en los puntos extremos de la derecha, tiene un área igual a xxf i )( . Observa detenidamente la figura de abajo. Nota: Cuando decimos “i-ésimo” hacemos referencia a un elemento que se encuentra en la posición “i”, así que, si estamos hablando de rectángulos nos referimos a la posición i que tiene un rectángulo sobre el eje x. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Entonces, el área bajo la curva delimitada por el intervalo [a,b] es aproximadamente la suma de las áreas de todos los rectángulos. xxfxxfxxfxxfR nn )()()()( 321 Podemos asignar valores para n. Recuerda que n es el número de rectángulos que divide el intervalo [a,b]. Te aseguramos que esta aproximación va a mejorar a medida que se incrementa la cantidad de rectángulos bajo la curva, es decir, cuando n . Una vez analizado el caso general para un área aproximada, podemos definir el área A de la región S. Definición. El área A de una región S que se encuentra debajo de una función continua f es el límite de la suma de las áreas de los rectángulos de aproximación: xxfxxfxxfxxfRA n n n n )()()()(limlim 321 Ojo, para que el límite exista se está suponiendo una función f continua. Frecuentemente se usa la notación sigma para escribir de manera compacta las sumas que contienen muchos términos. Por ejemplo, Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología xxfxxfxxfxxfxxf n n i i )()()()()( 32 1 1 Nota: En la notación sigma n mi i xxf )( se identifican las siguientes partes. i=m, indica que debemos comenzar con i=m, n indica terminar con el elemento n, y el símbolo indica sumar. Por lo tanto, la definición anterior la podemos escribir de la siguiente manera: n i i n xxfA 1 )(lim Se tiene el mismo valor de área cuando se escogen los puntos extremos a la izquierda. n i i n xxfA 1 1)(lim Si en lugar de usar los puntos extremos izquierdos o derechos, se toma la altura del i-ésimo rectángulo como el valor de f en cualquier número xi * en el i-ésimo subintervalo [xi-1,xi]. Los números x1 * ,x2 * ,…xn * reciben el nombre de puntos muestra. La figura de abajo muestra los rectángulos de aproximación cuando se eligen puntos muestra diferentes a los puntos de los extremos. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología La expresión más general para el área bajo la gráfica de la función f es: n i i n xxfA 1 1)(lim 1.1.3. Integral definida Anteriormente habíamos obtenido un límite de la forma n i i n xxf 1 1)(lim cuando se calcula un área bajo una curva. Hablando más general, este tipo de límite se presenta en varias situaciones, incluso cuando la función f no es positiva, por tal motivo, a este tipo de límite se le da un nombre y una notación especial. Definición de integral definida. Si f es una función continua definida para axb, dividimos el intervalo [a,b] en n subintervalos de igual ancho nabx )( . Denotamos con x0 (=a), x1,x2,…xn (=b) los puntos extremos de estos subintervalos y elegimos los puntos muestra x1 * ,x2 * ,…xn en estos subintervalos de modo que xi * se encuentre en el i-ésimo subintervalos [xi-1, xi]. Entonces la integral definida de f, desde a hasta b es: n i i n b a xxfdxxf 1 )(lim)( Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Nota: En una integral se identifican las partes: b a dxxf )( El signo se llama signo de integral y corresponde a una S alargada, debido a que una integral es un límite de sumas. Las letras a y b son los límites de integración, a es el límite inferior y b es el límite superior de la integral. A f(x) se le llama integrando. dx no tiene significado, sin embargo denota con respecto a qué variable se está integrando, y de cálculo diferencial lo identificamos como un diferencial. Al procedimiento para calcular una integral se le llama integración. Nota: La integral definida b a dxxf )( es un número, no depende de x. Se puede tomar cualquier letra en lugar de x, sin cambiar el valor de la integral. Ejemplos: b a b a b a b a b a b a dssfdrrfdfdyyfdttfdxxf )()()()()()( Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 2. Concepto de integral Instrucciones 1. Construye el concepto de integral con base en los temas vistos. 2. Da ejemplos. 1.1.4. Suma de Riemann A la suma que está mostrada en la parte derecha de la definición de integral definida: n i i n b a xxfdxxf 1 )(lim)( se le conoce con el nombre de suma de Riemann. n i i xxf 1 )( Esta sumatoria representa la suma de áreas de los rectángulos de aproximación. La gráfica muestra la representación geométrica de la suma de Riemann de la función )(xf . Con este ejemplo podemos ver que la suma de Riemann es: 54321 5 1 )()()( AAAAAxxf i i Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Si 0)( ixf es positiva, la suma de Riemann puede interpretarse como una suma de áreas de los rectángulos de aproximación cuyas áreas son positivas. Por otra parte, los términos con signo negativo son inversos aditivos de áreas y surgen de las particiones o rectángulos que quedan debajo del eje x, ya que en ese tramo 0)( ixf . De la relación de la definición de integral definida y sumas de Riemann tenemos que: Si 0)( xf , la integral definida b a dxxf )( es el área bajo la curva )(xfy , desde a hasta b. Si )(xf adquiere tanto valores positivos como negativos la integral definida b a dxxf )( es la diferencia de áreas: abajo Rarriba R)( AAdxxf b a Cálculo integral Programa desarrolladoEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Donde arriba RA representa el área de la región por arriba del eje x y debajo de la gráfica )(xf ; y abajo RA representa la región debajo del eje x y arriba de la gráfica )(xf . Podemos ver un video de la suma de Riemann (viene en dos partes) muestra un ejemplo de como hallar el área bajo una curva aplicando el concepto de sumas de Riemann, aplicando el concepto de integral definida. http://www.youtube.com/watch?v=WAMDWommjOY http://www.youtube.com/watch?v=gRSUM98AHL0&feature=related Ejemplo Expresa xxxx n i iii n 1 5 sen lim como una integral en el intervalo [0,π]. Solución De acuerdo con la definición de integral definida, el límite siempre existe y da el mismo valor. No importa cómo se elijan los puntos muestra ix , podemos remplazar xxi tomando como puntos muestra los puntos extremos derechos, por lo tanto, el límite lo podemos escribir como: b a n i i n dxxfxxf )()(lim 1 Comparando el límite de la función dada )( ixf en la definición de integral definida )(xf con la integral de nuestra función, identificamos que: )()( xfxf i xxxxf i sen )( 5 cuando xxi . En consideración de lo anterior, podemos escribir la solución de la siguiente manera. 0 5 1 5 sen sen lim dxxxxxxxx n i iii n http://www.youtube.com/watch?v=WAMDWommjOY http://www.youtube.com/watch?v=gRSUM98AHL0&feature=related Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 1.1.5. Evaluación de integrales Antes de continuar con el procedimiento para calcular integrales definidas a través de sumas, es necesario que conozcas las siguientes identidades y reglas sencillas para trabajar con sumatorias. 2 )1( 1 nn i n i ncc n i 1 n i i n i i n i ii baba 111 )( 6 )12)(1( 1 2 nnn i n i n i ii n i acac 11 n i i n i i n i ii baba 111 )( 2 1 3 2 )1( nn i n i Consideremos el siguiente ejemplo. a) Evaluar la suma de Riemann para 2)( xxf , en el intervalo [3,5]. b) Evalúe 5 3 2dxx Solución. a) x estaba dado por: n ab x Sustituimos a y b, nn x 235 Para la i-ésima partición o rectángulo, i n xiaxi 2 3 La suma de Riemann está dada por: n i i xxf 1 )( , Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología recuerde que la función )(xf es 2)( xxf , así que sustituimos xi y x . n i n i n i n i n i i n i i n i nn i nnn i nn i xxxxf 1 2 1 2 1111 424222 1 2 2 2 3)2()( Sacamos de las sumas los términos que no dependan de i y sustituimos el valor de la sumatoria correspondiente, según las fórmulas que dimos al principio de la sección. n i n i n i n i n i i n i nn i nnn i nn i xxf 1 2 1 2 111 424222 1 2 2 2 3)( nnn nnn n n n i nn n i n i 1 22 1 122 1 22 2 )1(4 )( 24 1 2 2 1 1 2 Finalmente tenemos el n-ésimo término de la suma de Riemann. n xxf n i i 1 22)( 1 b) Aplicando el concepto de integral definida se tiene el área bajo la curva entre los límites 3 y 5 del eje x. 4)02(2 1 22lim)(lim)( 1 n xxfdxxfA n n i i n b a Actividad 3. Sumas de Riemann Instrucciones Realizar lo que se pide en cada punto. 1. Expresar xxxx n i iii n 1 tan coslim como una integral en el intervalo [0,π]. 2. Expresar xx n i ii n 1 38 3 4 lim como una integral en el intervalo [3,9]. 3. Expresar xxx n i ii n 1 32/1 lnlim como una integral en el intervalo [0,3]. 4. Evaluar las siguientes sumas de Riemann: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología a) Evaluar la suma de Riemann para 65)( xxf , en el intervalo [2,5]. b) Evalúa 5 2 65 dxx a) Evaluar la suma de Riemann para 7)( 3 xxf , en el intervalo [3,4]. b) Evalúa 5 2 3 7dxx a) Evaluar la suma de Riemann para xxxxf 32)( 2 , en el intervalo [-2,1]. b) Evalúa 1 2 2 32 xdxxx 5. Calcular la integral definida 1 2 2xdx mediante sumas de Riemann. 8. Calcular la integral definida 7 2 23 3 2 5 dxxx mediante sumas de Riemann. 1.1.6. Regla del punto medio Anteriormente el punto medio de un rectángulo más pequeño es ix , cuyo valor era arbitrario, podía estar entre 1ix y ix . Sin embargo, como cualquier suma de Riemann es una aproximación a una integral, es conveniente usar puntos medios denotados por ix . Tenemos la regla que dice. Regla de punto medio )()()()( 1 1 n n i i b a xfxfxxxfdxxf , donde n ab x Y )( 12 1 iii xxx que es el punto medio de intervalo o la base del rectángulo [ ii xx ,1 ] Ejemplo Calcular por aproximación la integral 2 1 1 dx x usando la regla del punto medio con n=5. Solución Si se tiene un intervalo [1, 2] y se toma n=5, se tienen 5 subintervalos que son: 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 y 2.0. 5 1 5 12 x Los puntos medios son 1.1)12.1(2 1 1 x , así sucesivamente para los demás: 1.3, 1.5, 1.7 y 1.9. La integral aproximada es: )9.1()7.1()5.1()3.1()1.1( 2 1 1 fffffxdxx Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 9.1 1 7.1 1 5.1 1 3.1 1 1.1 1 5 1 2 1 1 dxx 692.0 2 1 1 dxx 1.1.7. Propiedades de la integral definida En esta sección encontrarás las propiedades de la integral, las cuales son de gran utilidad para evaluar integrales. Considere que las funciones f y g son continuas. Si ba se cumple 1. a b b a dxxfdxxf )()( Si ba , 0x 2. a a dxxf 0)( Propiedades básicas de las integrales 3. b a abccdx )( , c es una constante. La integral de una suma es la suma de las integrales. 4. b a b a b a dxxgdxxfdxxgxf )()()()( Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 5. b a b a dxxfcdxxcf )()( , c es una constante. 6. b a b a b a dxxgdxxfdxxgxf )()()()( Si 0)( xf y bca se cumple la propiedad. 7. b a c a b c dxxfdxxgdxxf )()()( Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Propiedades de orden de la integral Lassiguientes propiedades son válidas para ba 8. Si 0)( xf para bxa , entonces a a dxxf 0)( 9. Si )()( xgxf para bxa , entonces b a b a dxxgdxxf )()( 10. Si Mxfm )( para bxa , entonces b a abMdxxfabm )()()( Esta última propiedad está ilustrada en la siguiente figura. Afirma que el área bajo la gráfica de f es mayor que el área del rectángulo de altura m y menor que el área del rectángulo de altura M. 1.2. Teorema fundamental del cálculo En esta sección veremos el teorema fundamental del cálculo, así como su importancia en cálculo para integrar y/o derivar. Recordemos que el teorema fundamental del cálculo establece la conexión entre las dos ramas del cálculo, el diferencial y el integral. En otras palabras, la diferenciación y la integración son procesos inversos. Dan la relación precisa entre la derivada y la integral. El TFC permite calcular integrales con mucha facilidad sin tener que emplear límites de sumas. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 1.2.1. Teorema fundamental del cálculo El teorema fundamental del cálculo se establece en dos partes. Veamos la primera parte. Primera parte del teorema fundamental del cálculo La primera parte del teorema fundamental del cálculo se deriva del siguiente análisis. Consideremos la siguiente gráfica. Tenemos una curva en rojo, representada por una función )(tf como lo muestra la gráfica. Por otra parte, podemos pensar en una función g(x) que describe el área bajo la curva desde a hasta x, representada por: x a dttfxg )()( Ahora, supongamos que queremos calcular el área de la franja azul encerrada bajo la gráfica y los intervalos x y x+h (ver la parte derecha). Por lo tanto el área que estamos buscando es simplemente la diferencia de áreas de la región limitada por [a, x+h] menos el área de la región limitada por [a, x]. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología También existe otra manera de estimar el área de ese pequeño segmento de área limitado entre x y x+h, mediante calcular el área del rectángulo verde cuya área es h por f(x). El área del rectángulo verde es aproximada al área de la franja azul, es decir: )()()( xghxgxhf Esta aproximación es más precisa cuando el ancho del rectángulo verde h tiende a cero. Se convierte en igualdad cuando h tiende a cero como límite. Ahora, si a la aproximación )()()( xghxgxhf la dividimos por h en ambos lados, se obtiene: h xghxg xf )()( )( Cuando h tiende a 0, se observa que el miembro derecho de la ecuación es sencillamente la derivada de la función y que el miembro izquierdo se queda como ƒ(x). Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología )( )()( lim)( 0 xf h xghxg xg h Se muestra entonces de manera intuitiva que ƒ(x) = )(xg , es decir, que la derivada de la función de área )(xg es en realidad la función ƒ(x). Dicho de otra forma, la función de área )(xg es la antiderivada de la función original. Lo que se ha mostrado es que, intuitivamente, calcular la derivada de una función y "hallar el área" bajo su curva son operaciones "inversas". Esto lo podemos enunciar en la primera parte del teorema fundamental del cálculo, que dice. Primera parte del TFC Dada una función f continua en [a,b], la función g definida por: x a dttfxg )()( bxa Es continua en [a,b] y derivable en (a,b), y )()( xfxg Con la notación de Leibniz para las derivadas podemos escribir el teorema fundamental del cálculo de la siguiente manera. Considérese que f es continua. )()( xfdttf dx d x a Recalquemos que esta ecuación indica que, si primero integramos f y luego derivamos el resultado, obtendremos nuevamente la función original f. Ejemplo Determinar la derivada de la función x dttxg 0 21)( Solución Reconoceremos las partes que describe el teorema fundamental del cálculo. x a dttfxg )()( . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Identificamos que 21)( ttf es una función continua según el teorema, por lo que finalmente: 21)( xxg En el siguiente video podemos ver cómo es que integración y diferenciación son procesos inversos. http://www.youtube.com/watch?v=OwcpLNyfriE&feature=related Segunda parte del teorema fundamental del cálculo La segunda parte del teorema fundamental del cálculo ofrece un método más sencillo para evaluar integrales. Segunda parte del TFC Dada una función f continua en [a,b], entonces b a aFbFdxxf )()()( F es cualquier antiderivada de f, de tal forma que F’=f Esto quiere decir que si conocemos una antiderivada F, de f, es posible evaluar b a dxxf )( con sólo restar los valores de F en los extremos del intervalo [a, b]. Nota: Existen estas otras formas para denotar el teorema fundamental del cálculo. )()()()()( aFbFxFxFxF b a b a b a Ejemplo Evalúa la integral 6 3 x dx . Solución Una antiderivada de xxf 1)( es xxF ln)( . Dado que los límites de integración se encuentran en [3,6] podemos omitir las barras de valor absoluto. 2ln 3 6 ln3ln6lnln 6 3 6 3 xx dx http://www.youtube.com/watch?v=OwcpLNyfriE&feature=related Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 4. Resolución de problemas TFC Instrucciones Realizar lo que se pide en cada punto. 1. Evalúa la integral dxex 5 1 . 2. Calcula el área bajo la curva 3xy desde 0 a 1. 3. Calcula 2 0 12 dxx . 4. Halla la integral de 3 1 x dx . 5. Calcula x dtt dx d 0 2 1 . 6. Evalúa la función dttF x 0 cos en x=0, 6 , 4 , 3 , 2 . 7. Halla la derivada de dttF x 3 2 cos . 1.2.2. Derivación e integración como procesos inversos Hemos visto la importancia que tiene el teorema fundamental del cálculo, nos muestra claramente que la integración y la derivación son procesos inversos. El teorema fundamental queda establecido como a continuación se enuncia. No lo olvides y tenlo siempre presente. Dada una función f continua en un intervalo cerrado [a, b]. 1. Si x a dttfxg )()( , entonces )()( xfxg . 2. b a aFbFdxxf )()()( , donde F es cualquier antiderivada de f, es decir, F’=f. Las dos partes del teorema fundamental del cálculo expresan que la derivación y la integración son procesos inversos. Cada una deshace lo que hace la otra. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 5. Teorema fundamental del cálculo Instrucciones 1. ¿Qué ventajas proporciona el teorema fundamental del cálculo? 2. ¿Qué consecuencias habría de no existir el teorema fundamental del cálculo? 1.3. Integral indefinida En el siguienteapartado definiremos la integral indefinida como el proceso contrario a la derivación. Esto es una consecuencia del teorema fundamental del cálculo. Cxdxx 32 3 1 233 2 xCx dx d Cuando quieras conocer una integral sin tener que evaluarla, deberás tener en mente esta imagen, te permitirá hallar de manera más sencilla la integral de una función. Las tablas de integrales resumen estos procesos inversos, te serán de gran ayuda. 1.3.1. Integral indefinida De las secciones precedentes habíamos llegado a dos puntos muy importantes del teorema fundamental del cálculo. 1. Si f es continua entonces x a dttf )( es una antiderivada de f. 2. Si b a aFbFdxxf )()()( , donde F es una antiderivada de f. Sin embargo, por practicidad, es precisa una notación para las antiderivadas. Por lo tanto, a la integral x a dttf )( se le llama integral indefinida. Integral indefinida )()( )()( xfxFxFdxxf Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Ejemplo derivada la es esta )(2 2 derivaci—n 2 xfxC x dx d indefinida integral o daantideriva la es esta 2 2x 2)( 2 ciónAntideriva C x dxxxf C es cualquier constante. El TFC trae como consecuencia que una integral definida es una familia de funciones para cada valor de C. Nota importante: La integral definida b a dxxf )( es un número. La integral indefinida dxxf )( es una familia de funciones, dado por C, que puede ser cualquier número. 1.3.2. Tabla de integrales indefinidas A continuación te desplegamos una lista de antiderivadas de funciones, o mejor dicho integrales indefinidas. Tabla de integrales indefinidas dxxfcdxxcf )()( dxxgdxxfdxxgxf )()()()( Ckxkdx )1( 1 1 nCn x dxx n n Cxdx x ln 1 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Cedxe xx C a a dxa x x ln Cxxdx cossen Cxxdx sen cos Cxxdx tansec 2 Cxxdx cotcsc 2 Cxdxxx sec tan sec Cxxdxx csccot csc Cxdx x 1 2 tan 1 1 Cxdx x 1 2 sen 1 1 De manera semejante a lo que se hizo en la sección anterior, puedes derivar la función del lado derecho para verificar que se obtiene el integrando. Observa. x Cx dx d Cxdx x 1 ln porque ln 1 Actividad 6. Integral indefinida Instrucciones 1. Calcular las siguientes integrales indefinidas y verificar su resultado por derivación: a) dx x 1 45 2 b) dxx c) dx x x 1 d) dxx senx 2cos e) dx xx xx 133 f) dx x xx 4 32 3 g) dttt 331 h) dz10 i) dsen cos7 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología j) d sen sen 21 1.4. Regla de sustitución Hemos visto cómo evaluar algunas integrales; sin embargo, si te presentan una integral de la siguiente forma, d1 de seguro te surgirán las siguientes preguntas: ¿Cómo le hago? ¿Existe algún truco? ¿Hay algún método para evaluarlas que tenga que ver con raíces? Las respuestas las encontrarás aquí. El radical aparentemente te la hace complicada, pero veremos una alternativa interesante para calcular integrales que contengan radicales, veremos que el método de sustitución es ideal para resolver este tipo de integrales. Lo esencial de esta regla es transformar una integral complicada en una integral más sencilla, Esto se lleva a cabo pasando de la variable original x a una nueva variable u que es función de x. 1.4.1. Regla de sustitución Hemos visto en nuestras tablas la forma de hallar ciertas antiderivadas; sin embargo, no tenemos las herramientas para evaluar integrales donde se vean involucradas radicales o integrales de la forma: dxxx 212 Para resolverlas implementaremos el siguiente método de sustitución: Lo que haremos será introducir un cambio de variable de ux . Designamos por conveniencia a ux 21 : Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 21 xu Calculamos el diferencial du (esto se estudió en cálculo diferencial). Es algo análogo a calcular una derivada. xdxdu 2 Ahora reacomodamos nuestra integral para facilitar la identificación de términos. Y sustituir estos dos últimos resultados en nuestra integral: duuduuxdxxdxxx du u 2/122 2112 Nuestra integral ha quedado en términos de la nueva variable u, procedemos a calcular la integral con la fórmula: C n x dxx n n 1 1 que vimos de la sección de tablas de integración. CuC u C u C u duu 2 3 2 3 2 2 2 1 2 1 1 2/1 3 2 1 2 3 2 2 2 1 2 1 Ahora que hemos calculado la integral en términos de la variable u procedemos a poner nuestro resultado en la variable anterior, es decir, xu . CxCu x 2 3 2 2 3 1 1 3 2 3 2 2 Finalmente podemos escribir que: Cxdxxx 2 3 22 1 3 2 12 Hemos visto que evaluamos de manera sencilla nuestra integral haciendo la introducción de un cambio de variable. Para comprobar nuestro resultado, simplemente, derivamos respecto de x usando la regla de la cadena, la cual se vio en cálculo diferencial. El procedimiento anterior lo escribimos con la siguiente regla: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Regla de sustitución Si tenemos una función )(xgu diferenciable en el intervalo I, y además continua en ese mismo intervalo, entonces: duufdxxgxgf )()()( Así que si )(xgu , entonces dxxgdu )( . La clave es pensar en du y dx como diferenciales. Ejemplo Encontrar dx x x 241 Solución Proponemos 241 xu , ahora calculamos el diferencial. xdxdu 8 Ahora reescribimos nuestra integral, de modo que se adapte a u y du para hacer el cambio de variable. Observa que del cociente se identifica al denominador como du y al denominador como u . u du x xdx dx x x 22 41 8 8 1 41 Identificamos a du y u y la integral se reescribe como: u du 8 1 Seguimos reacomodando términos que se pueden sacar de la integral. CuC u C u u du u du 2/1 2 1 2 1 1 2/1 8 2 8 1 18 1 8 1 8 1 2 1 2 1 Ahora colocamos nuestro resultado en términos de la variable inicial. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología CxCu u du 2/122/1 41 4 1 8 2 8 1 Finalmente nuestra integral queda expresada de la siguiente manera. Cxdx x x 2/12 2 41 4 141 Para comprobar, se precede a derivar. Actividad 7. Integración usando reglas de sustitución Instrucciones Resolver las siguientes integrales usando sustitución. 1. dxx 12 2. dxxx 21 22 3. xdx5cos5 4. xdxxsen 3cos3 2 5. duuu 2 43 6. dttt 29 2 7. ydyytg22sec 8. dxxtgx 11sec 9. dx x x 12 12 10. dxe x5 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 1.4.2. Integrales definidas Habíamos mencionado anteriormente en una nota que: la integral definida b a dxxf )( es un número y que la indefinida dxxf )( es una familia de funciones, dado por C. Sin embargo, como nos encontramos sumergidos en el tema de integrales definidas trataremos dos maneras de evaluar una integral definida. La primera consiste en hallar la integral como en los casos propuestos de la sección anterior para evaluar la integral. Supongamos que piden que evaluemos la integral: dxxx 3 0 212 , se calcula la integral y se procede a evaluar según los límites superior e inferior. 11000 3 2 1 3 2 10 3 2 01 3 2 31 3 2 1 3 2 12 2 3 2 3 2 3 22 3 2 3 0 2 3 2 3 0 2 xdxxx El otro método consiste en cambiar los límites de integración al momento de cambiar la variable. Con ello surge la siguiente regla. Regla de sustitución para las integrales definidas Si tenemos una función )(xg continua en el intervalo [a,b] y f también es continua en la imagen de )(xgu , entonces: )( )( )()()( bg ag b a duufdxxgxgf Analicemos el siguiente ejemplo: Calculemos la siguiente integral definida dx x xe 0 ln . Antes que nada procedamos a realizar el cambio de variable. xu ln Su diferencial es dxdu x 1 Identificamos términos y los intercambiamos por la nueva variable, teniendo así: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología ? ?0 ln ududx x xe El signos de interrogación “?”, denota que no sabemos los nuevos límites de integración. Ahora los límites de integración quedan definidos por la nueva variable Cuando 1x sustituida en xu ln da 0)1ln( u y cuando ex ; 1)ln( eu Por tanto los nuevos límites de integración son: 0 y 1, inferior y superior, respectivamente. Quedando así la nueva integral con sus nuevos límites de integración. 1 0 udu Resolvemos y evaluamos. 2 1 2 1 0 2 1 0 u udu Actividad 8. Resolución de problemas de integrales definidas Instrucciones Evaluar las siguientes integrales definidas. 1. dxx 2 0 12 2. dxxxe x 2 0 33 2 3. dxxxx 0 22cos 4. dx xx xe e 4 ln 3 2 5. dsen 3 4 5 6. dttt 2 0 6 cos Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 7. dxxsenx 2 2 cos 8. dxxx 2 0 3 2 9. dxxx 2 1 21 10. dxxe x 2 0 6 ln 1.4.3. Simetría En algunas integrales es posible simplificar los cálculos, poniendo atención a sus propiedades. En cálculo diferencial revisaste las propiedades de simetría de una función. Considera lo siguiente. Integrales de funciones simétricas Si tenemos una función f continua en el intervalo [-a, a]. i) Si f es par )()( xfxf , entonces aa a dxxfdxxf 0 )(2 ii) Si f es impar )()( xfxf , entonces 0 a a dxxf Gráficamente representamos los casos. El caso i) ilustra que f es positiva y par, por lo tanto, el área bajo la curva descrita por )(xf es el doble de área desde 0 hasta a, debido a que )(xf es simétrica. Lo puedes ver en la siguiente gráfica. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología )(xf es par, y se puede hacer aa a dxxfdxxf 0 )(2 En el caso ii) tratamos con una función impar. Las áreas se van a cancelar, ya que se trata de una diferencia de áreas. )(xf es impar, la integral se reduce a 0 a a dxxf En el siguiente video puedes verificar las funciones pares e impares: http://www.youtube.com/watch?v=qcGmhzmHTm8 http://www.youtube.com/watch?v=qcGmhzmHTm8 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Evidencia de aprendizaje. Desarrollo de integración Propósito Calcular el área de un jardín o patio de forma irregular de tu casa o de un vecino. Instrucciones 1. Busca un jardín o patio de forma irregular. 2. Dibújalo a escala en una hoja cuadriculada. 3. Calcula el área del jardín o patio en la hoja mediante cuadrados grandes inscritos (es preciso que asignes unidades). 4. Vuelve a calcular el área del jardín o patio disminuyendo el tamaño de los cuadrados a la vez que aumentas el número de ellos inscritos en tu jardín o patio. 5. Por último, halla el área de tu jardín o patio irregular haciendo los cuadrados lo más pequeños posibles, al mismo tiempo que aumentas el número de cuadrados dentro del área. 6. Anota en una tabla las áreas que obtuviste en los pasos 3,4 y 5 respecto de las áreas de los cuadrados. 7. ¿Qué conclusión puedes obtener cuándo aumentas el número de cuadrados al mismo tiempo que disminuyes su tamaño? 8. Ahora colocarás los cuadrados de tal manera que cubran las fronteras de tu jardín o patio, es decir, que los cuadrados estén por fuera de la frontera del jardín o patio de forma irregular. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 9. Calcula el área del jardín o patio en la hoja mediante cuadrados grandes. 10. Vuelve a calcular el área del jardín o patio disminuyendo el tamaño de los cuadrados a la vez que aumentas el número de ellos. 11. Por último, halla el área de tu jardín irregular haciendo los cuadrados lo más pequeño que puedas, al mismo tiempo que aumentas el número de cuadrados dentro y sobre la frontera del jardín o patio. 12. Anota en una tabla las áreas que obtuviste en los pasos 8, 9 y 10 respecto de las áreas de los cuadrados. 13. ¿Qué conclusión puedes obtener cuándo aumentas el número de cuadrados al mismo tiempo que disminuyes su tamaño? 14. ¿Qué puedes decir de la respuesta de la pregunta 7 y de la 13? ¿A qué conclusión llegas? Consideraciones específicas de la unidad Para abordar este curso de Cálculo Integral es necesario que tengas conocimiento sobre matemáticas, álgebra y cálculo diferencial. En esta sección requerimos el siguiente material: Calculadora. Tablas de integración. Puedes obtenerlas de algún libro o bien bajarlas de internet. Te aconsejamos que tengas las tablas para evaluar las integrales. Es necesario que repases las fórmulas para encontrar áreas a figuras geométricas planas y volumétricas comunes. Fuentes de consulta Apostol, T. M. (2008). Calculus. España: Reverté. Larson,R. E. (2005). Cálculo. México: McGraw Hill. Stewart, James. (2008). Cálculo. Trascendentes tempranas. México: Cengage Learning. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología UNIDAD 2. APLICACIONES DE LA INTEGRACIÓN Propósito de la unidad Al terminar la unidad contarás con las herramientas necesarias para hallar áreas entre curvas o regiones, obtendrás la capacidad necesaria para calcular el volumen de sólidos mediante integración. Incluso, serás capaz de calcular volúmenes mediante cascarones cilíndricos y obtendrás el conocimiento para aplicar la integración para encontrar el valor promedio de una función y valor medio de una función. Competencia específica Analizar problemas modelo para calcular áreas entre curvas, volúmenes, así como el valor promedio de una función mediante el uso de aproximaciones con base en definiciones, métodos y teoremas. Presentación de la unidad En esta unidad trataremos el caso de cómo calcular áreas limitadas por dos funciones, veremos que estos métodos tienen mucho que ver con el primer capítulo, donde analizamos la suma de Riemann para integración de ciertas áreas. De manera análoga utilizaremos el concepto de sumas de Riemann para llegar a la integral definida, útil para calcular el área entre dos curvas de funciones, limitadas al intervalo [a, b]. Veremos también los métodos de integración para calcular volúmenes de sólidos. Para ello revisaremos el concepto de volumen, que nos será de gran utilidad para tener la idea intuitiva de lo que es volumen. Calcularemos volúmenes usando los métodos de sólido de revolución y el método de cálculo de volúmenes mediante cascarones esféricos. Por otra parte, comprenderemos lo que es un valor medio de una función y el valor promedio de una función. 2.1. Área entre curvas Para hallar el área delimitada entre dos funciones como se muestra en la figura siguiente, usaremos los conocimientos adquiridos en las secciones previas. Usaremos el concepto de sumas de Riemann para calcular áreas. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 2.1.1. Área entre curvas mediante aproximación En la figura de arriba observamos que tenemos un área S delimitada por dos funciones )(xfy y )(xgy , delimitadas por las rectas verticales x=a y x=b. En principio estamos considerando que las funciones son continuas en el intervalo cerrado [a, b]. Nuestra intención es hallar el área S y para ello haremos un procedimiento análogo al que vimos al principio de la unidad uno. Para calcular el área de la región S consideremos que incrustamos rectángulos cuyas bases son del tamaño de x y alturas )()( ** iii xgxfh . Así que tenemos rectangulitos de área xha ii . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Nota: Recuerda que es indiferente cómo elijamos los puntos muestra, ya que pueden ser los del lado izquierdo, derecho o central. En este caso, tomaremos los del lado derecho ii xx * . Ya hemos definido las dimensiones de nuestros rectangulitos, entonces, así podemos definir nuestra suma de Riemann como: n i ii n i i xxgxfxhA 1 ** 1 aproximada )()( El área aproximada es la suma de las áreas de todos los rectángulos inscritos entre las dos funciones: n i ii xxgxfA 1 ** aproximada )()( Finalmente, arribamos a que el área S delimitada por las dos funciones está expresada como un límite, cuando n . n i ii n xxgxfA 1 ** )()(lim Esta expresión la podemos reescribir como n i i n xhA 1 lim , representa que vamos a realizar la suma de todos los rectangulitos pequeños incrustados dentro de la región S. Al mismo tiempo hacemos cada vez más delgados nuestros rectangulitos, de modo que el límite de la suma se aproxima al área real de la región S. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 2.1.2. Área entre curvas mediante integración Ahora que sabemos que el área de la región S es una aproximación de rectángulos inscritos infinitesimalmente delgados o, dicho de otra manera, es el límite de las sumas de las áreas de los rectángulos infinitamente delgados. Este límite se expresa como: n i ii n xxgxfA 1 ** )()(lim Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Teniendo un poco de imaginación, podemos darnos cuenta de que el límite de esta suma es la integral definida de gf . Por lo tanto, el área A de la región limitada por las gráficas )(xfy , )(xgy y las rectas verticales en x=a y x=b, considerando que f y g son continuas, además de que gf para cualquier valor de x en el intervalo [a, b] es: b a ii dxxgxfA )()( Es evidente de la figura que se cumple lo siguiente: b a b a b a dxxgxf dxxgdxxf xgxf A )()( )()( )( de debajo área )( de debajo área Ejemplo Hallar el área limitada por 22 xy , y por xy , acotada por las rectas verticales x=0 y x=1. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Solución En la figura de arriba se muestra la región limitada por ambas gráficas. Usamos la fórmula b a dxxgxfA )()( para calcular el área e identificamos los términos. 2)( 2 xxf ; xxg )( ; a=0 y b=1. El área del triangulo representativo es: xxxxxgxfA )()2()()( 2´ El área de la región está dada como: 6 17 2 2 1 3 1 2 23 2 )()2()()( 1 0 23 1 0 2 1 0 2´ x xx dxxx dxxxdxxgxfA b a Finalmente, tenemos que el área encerrada es: 6 17 A Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 1. Área entre curvas Instrucciones 1. Dibuja en un esquema la región encerrada por las curvas dadas. 2. Decide si integrar con respecto a x o y. 3. Dibuja un rectángulo típico de aproximación, marca su altura y su ancho. 4. Calcula el área de la región de las siguientes funciones: a) 2xy , xy 4 b) 1 xy , 29 xy , 1x , 2x c) xy , xy 3 , 4 yx d) x y 1 , 2 1 x y , 2x e) 24xy , 32 xy f) 92 xxy , 0y , 5x g) xxy 3 , xy 3 h) xy cos , xy 2sec , 4 x , 4 x i) senxy , xseny 2 , 0x , 2 x j) xey , xy , 0x , 1x 2.2. Volúmenes Posiblemente, alguna vez te hayas hecho preguntas como: ¿Con qué formula cálculo el volumen una botella de refresco, de vino o incluso el de una olla de barro?, ¿Cómo cálculo el volumen de una figura irregular?Pues, en esta sección, daremos respuesta a estas inquietudes. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología En esta sección encontrarás diferentes métodos de integración para calcular volúmenes de ciertos sólidos. 2.2.1. Volumen de un sólido La pregunta inicial en esta sección es ¿sabes qué es volumen? El volumen lo podemos definir como el espacio encerrado por varias superficies. Por ejemplo, en una caja, el espacio que está encerrado por las seis superficies planas corresponde al volumen encerrado por dicha figura. La manera de calcular el volumen es multiplicar el área de la base l por su altura h. Por lo tanto el volumen es hlV . Otro ejemplo es cuando se desea calcular el volumen de un tonel de forma cilíndrica para saber su capacidad. La manera de hacerlo es multiplicar el área de su base 2r por su altura h. El área de la base es el área de un círculo 2r . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología En este caso, el espacio está limitado por dos superficies planas (tapaderas) y una superficie cilíndrica que es una superficie curva que rodea el espacio geométrico buscado. El volumen es hrV 2 . Lo anterior lo podemos aplicar de manera muy práctica para figuras geométricas conocidas; sin embargo, para sólidos o cuerpos volumétricos que no tengan formas bien definidas (como los de abajo), lo que haremos es incrustar pequeños cilindros dentro del sólido de cierta anchura. Con lo cual realizamos la suma de Riemann, se aplica el límite y obtendremos una integral definida. De esta manera seremos capaces de hallar volúmenes a sólidos de diferentes formas. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Con esto se puede hacer una estimación del volumen del sólido, simplemente realizando la suma de todos los cilindros delgados que estén dentro de la región a calcular. Claro está, si aplicamos el límite cuando el número de cilindros va en aumento, llegaremos al valor exacto del volumen de la región interna del cuerpo S. * Para calcular el volumen de este cuerpo, lo primero que haremos es calcular el área de la sección transversal )( *ixA de S para multiplicarlos por una anchura x , esto está representado en la figura de arriba del lado derecho. Obtenemos cilindros pequeños con áreas cuyas bases miden )( *ixA y altura x o, como dicen, tenemos rebanadas del cuerpo de altura x con bases cuyas áreas miden )( *ixA . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Realizando la suma de todos los volúmenes de las rebanadas, tendremos el volumen aproximado del sólido. Ahora bien, si aplicamos el límite cuando n , es decir, aumentamos el número de cilindros o rebanadas dentro del sólido al mismo tiempo que disminuyen su achura, tenemos que xxAV i n )(lim * . Aplicando el concepto de integral definida tenemos el siguiente enunciado: Definición de volumen Sea un sólido limitado por x=a y x=b. Si el área de su sección transversal de S se encuentra en el plano Px, que pasa por x y es perpendicular al eje x, es A(x), donde A es una función continua, entonces el volumen de S es: b a i n dxxAxxAV )()(lim * Ejemplo Vamos a demostrar que el volumen de una esfera es 3 3 4 rV Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Solución Consideremos que la esfera está centrada en el origen. El plano Px secciona a la esfera en un círculo de radio 22 xry , es fácil identificar esto por el teorema de Pitágoras. Se tiene entonces que el área de la sección transversal está dada por: )()( 222 xryxA Usando la definición de volumen 3 3 3 0 3 2 0 22 22 3 4 3 2 3 2 parfuncion unaser por 2 )()( r r r x xr dxxr dxxrdxxAV r r r r r r Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 2.2.2. Volúmenes de sólidos de revolución Los sólidos de revolución son comunes en ingeniería y en todo tipo de objetos de uso cotidiano. Ejemplos de estos son los embudos, ruedas, discos, píldoras, botellas y pistones, entre otros. Si una región plana se hace girar en torno a una recta, el sólido resultante es un sólido de revolución y a esta recta se le llama eje de revolución o eje de giro. La fórmula para hallar el volumen de un sólido de revolución es la misma fórmula anterior. b a dxxAV )( Sólo hay que hallar el área de la sección transversal A(x) o A(y). Si la sección transversal es un disco, primero buscamos el radio del disco en términos de x o y, según el eje de giro x o y. Así que el área es: 2radio)(A Si la sección transversal es un anillo o arandela, necesitamos saber el radio interior y el radio exterior como se muestra en la figura siguiente. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Para calcular el área de la arandela, restamos el área exterior menos el área interior del disco. Lo que queda como 22 interior) radio(exterior) radio( A Lo anterior lo podemos enunciar de la siguiente manera: b a dxxgxfV 22 )()( Donde 22 )()( xgxf representa la diferencia de regiones acotadas por el radio exterior )(xf y el radio interior )(xg . Ejemplo Calcular el volumen del sólido al girar la región acotada por las gráficas de xy e 2xy alrededor del eje x. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología En este caso hay que identificar el radio interno y externo. Los límites son x=0, y x=1 xxf )( radio exterior 2)( xxg radio interior Se sustituye en la fórmula para volumen 10 3 52 )( )()()()( 1 0 52 1 0 4 1 0 22222 xx dxxx dxxxdxxgxfV b a En este caso, el eje de revolución fue x y se ha integrado con respecto a x. En el caso que el eje de giro sea y hay que integrar con respecto a y. Actividad 2. Sólidos de revolución Instrucciones 1. Calcula el volumen del sólido al girar la región limitada por las curvas dadas alrededor del eje especificado. 2. Haz un esquema de la región, del sólido y de un disco o anillo típico. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y TecnologíaActividad 3. Sólidos de revolución en la vida diaria Instrucciones 1. Comenta qué es un sólido de revolución. 2. ¿Dónde se ven implicados los sólidos de revolución en tu vida diaria? 3. Proporciona ejemplos. 2.2.3. Volúmenes de cascarones cilíndricos Veremos cómo calcular el volumen cuando se trata de cascarones, tomando de la analogía que una naranja tiene una cáscara. Prácticamente, lo que queremos es hallar el volumen de la cáscara sin considerar el núcleo. El método de los cascarones cilíndricos que enunciaremos a continuación, surge de la necesidad de resolver problemas que se complican con el método de la sección anterior. Por ejemplo, para calcular el volumen del sólido que se obtiene al girar alrededor del eje y la región que limitan 322 xxy y 0y . La región limitada es la siguiente. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Si rebanamos perpendicularmente al eje y, obtenemos un anillo o arandela; sin embargo, la situación se complica al tratar de calcular el radio interior y el radio exterior de la arandela, tendríamos que resolver la ecuación cúbica 322 xxy para escribir x en términos de y. Para calcular el volumen del cuerpo de una figura como la de abajo, se tiene que hacer girar alrededor del eje y la región debajo de la curva )(xfy desde a hasta b: b a dxxxfV )(2 donde ba 0 Ejemplo En este ejemplo hay que calcular el volumen del sólido que se obtiene girando la región limitada por 322 xxy y 0y alrededor del eje y. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Solución Miremos el dibujo siguiente que corresponde a las dos funciones, del diagrama identificamos un cascarón que tiene radio x, circunferencia xy 2 y altura 322)( xxxf El volumen para este cascarón es: 5 16 5 32 82 5 1 2 1 2 )2(2 )2(2)(2 2 0 54 43 32 xx dxxx dxxxxdxxxfV b a b a b a Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 4. Volúmenes de cascarones cilíndricos Instrucciones 1. En los siguientes ejercicios utiliza el método de los cascarones cilíndricos para hallar el volumen generado al girar la región acotada por las curvas dadas alrededor del eje y. x y 1 , 0y , 1x , 2x 2xy , 0y , 1x 2xy , 0y , 1x , 2x 2. En los siguientes ejercicios usa el método de los cascarones cilíndricos para calcular el volumen generado por las curvas dadas alrededor del eje x. 21 yx , 0x , 1y , 2y 3 yx , 2)1(4 yx 3. Realiza un bosquejo de la región calculada de cada uno de los ejercicios. 2.3. Valor promedio de una función En esta sección veremos cómo calcular el promedio de una cantidad infinita de números, en tales casos se ven involucrados hechos para calcular la temperatura promedio durante el día, si hay una cantidad infinita de medidas del termómetro. Hablando de manera general, veremos cómo calcular el valor promedio de una función, también cómo calcular el valor medio. Finalmente conoceremos el teorema de valor medio. 2.3.1. Valor promedio La definición es muy sencilla, así que no nos extenderemos mucho. Si tienes una función )(xf como la que muestra la siguiente gráfica, es posible encontrar su valor promedio. Veamos. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología El valor promedio de una función )(xf en un intervalo cerrado [a, b] está definido como: b a dxxf ab f )( 1 prom Revisemos el siguiente ejemplo. Ejemplo Calculemos el valor promedio de la función 21)( xxf en el intervalo [-1, 2]. Solución Identificamos el intervalo para el cual se quiere calcular el promedio, 1a y b=2. Los sustituimos en la definición. 2 33 1 )1( )1(2 1 )( 1 2 1 3 2 1 2 prom x x dxxdxxf ab f b a Hemos calculado el valor medio de la función 21)( xxf . El resultado es 2. 2.3.2. Teorema del valor medio Ahora quizá te surja la siguiente duda. ¿Hay algún número, c, tal que f sea exactamente igual al valor promedio de una función, prom)( fcf ? Según el siguiente teorema, resulta que sí: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Teorema del valor medio para las integrales. Si tenemos una función continua en un intervalo cerrado [a, b], existe un número tal que cumple: ))(()( abcfdxxf b a La figura de arriba muestra que cuando las funciones son positivas, hay un número c tal que el rectángulo de base es ab y altura f(c), tiene la misma área que la región bajo la gráfica de f en el intervalo [a, b]. Ejemplo Como ejemplo consideremos la función 21)( xxf continua en el intervalo [-1, 2]. El teorema de valor medio para las integrales dice que existe un número tal que: )1(2)()1( 2 1 2 cfdxx Sabemos que prom)( fcf , y del problema de la sección anterior se tiene que 2)( prom fcf Por lo tanto, si despejamos la función 21)(2 ccf , se tiene que hay dos números que satisfacen la relación prom)( fcf en el intervalo [-1,2]. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 5. Valor medio de una función Instrucciones Contesta las siguientes preguntas: 1. ¿Qué entiendes por valor medio de una función? 2. Da algunos ejemplos donde se pueda aplicar esta definición de valor medio de una función. 3. ¿Cuál es la diferencia entre valor medio y valor promedio? Evidencia de aprendizaje. Aproximación e integración de volumen Instrucciones 1. Selecciona un recipiente de forma irregular. 2. Usa tres tamaños diferentes de objetos esféricos de los que puedas conocer su volumen (ejemplos: limones, todos del mismo tamaño, canicas o chícharos). limones canicas chícharos 3. Halla el volumen aproximado de cada limón. Es suficiente con que calcules el de uno, por eso es necesario que todos sean del mismo tamaño. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 4. Halla el volumen aproximado de cada canica. 5. Calcula el volumen aproximado de cada chícharo. 6. Llena tu recipiente con limones. Toma una fotografía. 7. Calcula el área aproximada de tu recipiente usando el volumen conocido de los limones. 8. Llena tu recipiente con canicas. Toma una fotografía. 9. Calcula el área aproximada de tu recipiente usando las canicas. 10. Llena tu recipiente con los chícharos. Toma una fotografía. 11. Calcula el área aproximada con los guisantes. 12. Responde: ¿qué pasaría si usas arenapara calcular el volumen, considerando que cada grano es esférico y que todos son iguales? 13. Llena con arena tu recipiente escogido. 14. Vierte la arena dentro de un recipiente para que puedas conocer el volumen de la arena. 15. Responde: ¿qué volumen ocupa la arena?, ¿de qué volumen es tu recipiente escogido? ¿qué pasaría si usaras cada vez objetos más pequeñitos para calcular el volumen de tu recipiente de forma irregular? 16. Escribe tus conclusiones. 17. Elabora tu reporte. Consideraciones específicas de la unidad En esta sección requerimos el siguiente material: Calculadora. Tablas de integración. Existen libros en las bibliotecas que podrías utilizar o bien adquirir las tablas de Internet. Te aconsejamos que lleves contigo las tablas para evaluar las integrales. Es necesario que repases las fórmulas para encontrar áreas de figuras geométricas planas y volumétricas comunes. Es necesario que tengas conocimientos sobre: Álgebra Geometría analítica Cálculo diferencial Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Propiedades y reglas de las operaciones de sumatorias. Fuentes de consulta Apostol, T. M. (2008). Calculus. España: Reverté Larson, R. E. (2005). Cálculo. México: McGraw Hill. Leithold, L. (2009). El Cálculo. México: Oxford University Press Stewart, James. (2008). Cálculo. Trascendentes tempranas. México: Cengage Learning. . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología UNIDAD 3. MÉTODOS DE INTEGRACIÓN Propósito de la unidad Al término de la unidad habrás incrementado tu competencia en resolver integrales mediante diferentes métodos y reglas de integración. Desarrollarás tu habilidad de escoger métodos apropiados para resolver integrales. Identificarás integrales que requieran el uso de tablas de integrales para su resolución. Competencia específica Utilizar métodos de integración para resolver integrales mediante reglas, identidades, sustituciones, simplificaciones, definiciones, estrategias y tablas, con base en ejercicios de práctica. Presentación de la unidad En la unidad 1 hemos visto el teorema fundamental del cálculo, el cual menciona que es posible integrar una función si conocemos su antiderivada, o su integral definida. También hemos adquirido habilidad para resolver cierto tipo de integrales; sin embargo, existen integrales más complicadas que no es posible resolverlas con las fórmulas y métodos hasta ahora expuestos. Por ello, en este capítulo abordaremos diferentes técnicas y métodos para resolver integrales. Entre los métodos que veremos están integración por partes, integración usando funciones trigonométricas, integraciones por sustitución trigonométrica, integración de un cociente mediante la descomposición de fracciones parciales entre sus diferentes casos. También veremos el cómo abordar cierto tipo de integrales mediante tablas y/o aplicando algunas estrategias para realizar el proceso de integración con éxito. Incluso abordaremos las integrales impropias en donde extenderemos el concepto de integral definida al caso donde el intervalo es infinito y también al caso donde f tiene una discontinuidad infinita en un intervalo [a, b]. 3.1. Integración por partes Como inicio de la unidad empezaremos a estudiar el método de integración por partes. Dicho método es una consecuencia inversa del proceso de derivación de un producto de funciones. Veremos también el proceso de integración cuando tengamos funciones expresadas como raíces cuadradas. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 3.1.1. Integrales por partes La regla de integración por partes surge de la regla de derivación de un producto de dos funciones. Supongamos que f y g son funciones derivables. La regla de derivación de un producto de funciones establece: )()()()()()( xfxgxgxfxgxf dx d Si aplicamos la integral al producto de funciones, tenemos: dxxfxgxgxfdxxgxf dx d )()()()()()( En el primer término se cancela la integral. dxxfxgdxxgxfxgxf )()()()()()( Despejamos el primer término de la suma del lado derecho. dxxfxgxgxfdxxgxf )()()()()()( Llegamos a lo que se conoce como fórmula de integración por partes. Si renombramos los términos )(xfu y )(xgv y sus respectivos diferenciales dxxfdu )( y dxxgdv )( ; reescribimos la fórmula de integración por partes como: duvuvdvu Reescribiendo de esta manera una integral, es más sencillo resolverla. Escrita de esta manera te será más fácil recordarla. Ejemplo Queremos determinar la integral de la forma dxxsenx . Solución Antes de realizar la integral identificamos a u y v . u dv u v v du Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Lo que está en rosa es lo que identificamos y lo que está en amarillo es lo que tenemos que encontrar para poder aplicar la regla. xu encontrar: dxdu senxdxdv encontrar: xv cos Sustituimos en nuestra fórmula de integración por partes, y procedemos a integrar las integrales faltantes. En caso de que fuera necesario, volvemos nuevamente a aplicar la regla de integración por partes. En este caso no es necesario. Csenxxx dxxxcoxx dxxxsenxdxx duvvudvu cos cos )cos()cos( La integral del coseno la sacamos de las tablas de integrales. El objetivo de la integración por partes es obtener una integral más fácil de resolver, en comparación con la inicial. Actividad 1. Métodos de integración Instrucciones 1. Investiga por tu cuenta y responde las siguientes preguntas: 2. ¿Qué otros métodos de integración existen y en qué consisten? Actividad 2. Ejercicios de integración por partes Instrucciones Integra por partes las siguientes integrales. 1. dxxx 322 2. d 2sec 3. dxxe x 2 4. dxex x 32 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 5. dxxx ln 6. dxsenxx )ln(cos 7. dxxx cos 8. dxxx 5 1 ln 9. dxx 2)(ln 10. dxsenxex 3.1.2. Sustitución para racionalizar En esta sección evaluaremos integrales que tienen una expresión de la forma n xg )( , en la cual efectuaremos una sustitución n xgu )( . Ejemplo Evaluar la integral dx x x 4 Solución Haremos la sustitución de n xgu )( , es decir: 4 xu que es lo mismo que 42 xu , despejando x y determinando sus diferencias, 42 ux ; ududx 2 Sustituyendo en la integral, llegamos a: du u u du u u udu u u dx x x 4 2 4 22 4 4 2 2 2 2 2 Este último término será evaluado usando fracciones parciales. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 3.2. Integrales trigonométricas En esta secciónnos enfrentaremos a integrales que contienen funciones trigonométricas. Para ello conoceremos y aplicaremos algunas identidades trigonométricas frecuentemente usadas. 3.2.1. Integrales trigonométricas Las identidades trigonométricas juegan un papel importante a la hora de integrar ciertas combinaciones de funciones trigonométricas. La idea central de este método consiste en reescribir una integral dada en una integral más accesible que permita realizar el proceso de integración de forma práctica. Podemos usar las siguientes identidades, según nuestra conveniencia a la hora de evaluar integrales. 1cossen 22 xx ó xx 22 cos1sen ó xx 22 sen1cos xxen 2cos1 2 1 s 2 xx 2cos1 2 1 cos2 1sectan 22 xx xx 2csccot1 2 Para evaluar integrales de la forma dxnxmx cossen , dxnxmx sen sen ó dxnxmx cos cos , puedes usar las siguientes identidades. )(sen )(sen 2 1 cossen BABABA )( c)( cos 2 1 sen sen BAosBABA )( c)( cos 2 1 coscos BAosBABA Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Además, podemos usar otras identidades como: Identidades recíprocas senx x 1 csc x x cos 1 sec x x tan 1 cot x senx x cos tan senx x x cos cot Identidades pitagóricas 1cossen 22 xx xxan 22 sec1t xx 22 csccot1 Identidades de paridad senxx )(sen xxos cos)(c xx tan)(tan Ejemplo Queremos evaluar la integral dxx cos 3 . Como notarás, no la puedes evaluar directamente con los métodos anteriormente vistos. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Solución Por ello, utilizaremos las identidades anteriores para hacerla más fácil de resolver. Para empezar, x3cos lo podemos reescribir con ayuda de las funciones trigonométricas como: xxxxx cos) sen1(coscoscos 223 Reescribiendo la integral inicial con un cambio de variable xu sen y xdxdu cos Cuu du dxxxdxx 3 2 23 3 1 )u1( cos) sen1(cos Regresamos a la variable inicial x, reemplazando xu sen Cxxdxx 33 sen 3 1 sen cos 3.2.2. Integrales que contienen senos y cosenos En esta sección conocerás el método de evaluar integrales de la forma dxxx n cos senm Para evaluar este tipo de integrales, hay que considerar los siguientes tres casos: CASO UNO. En el caso que tengamos 12 kn una potencia impar, descomponemos el xncos en factores, posteriormente utilizamos la identidad xx 22 sen1cos con la intención de expresar los factores restantes en términos de funciones trigonométricas senos. Finalmente, tenemos la integral con potencia par reescrita en términos de senos. dxxxxdxxx kk cos)(cos sen cos sen 2m12m Reemplazando nuestra identidad xx 22 sen1cos tenemos una integral de la forma, dxxxxdxxx kk cos)sen1( sen cos sen 2m12m Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Puedes resolver esta integral haciendo un cambio de variable xu sen y al hacer xdxosdu c . Al final tendríamos que resolver una integral de la forma: duuu mk )1( 2 CASO DOS. Si te enfrentaras con integrales donde la potencia m es impar, 12 km . Usamos la misma técnica que en el caso uno. Descomponemos xnsen en factores, sustituimos la identidad xx 22 cos1sen dxxxx dxxxxdxxx nk nkn cos sen )cos1( cos sen )(sen cos sen 2 212k Esta forma se puede resolver por medio de una sustitución, haciendo xosu c , senxdxdu . Como en la expresión no tenemos un dxxsen )( multiplicamos ambos lados por -1 y nos queda la expresión dxxsendu )( . Finalmente tendrás que calcular esta integral. duuu nk )1( 2 Como te darás cuenta esta integral es más fácil de resolver. CASO TRES. Veremos que éste es más fácil, ya que se trata de un caso donde las potencias son pares, tanto para el seno como para el coseno. En este caso tendremos que aplicar las siguientes identidades: xxen 2cos1 2 1 s 2 xx 2cos1 2 1 cos2 xxx 2sen 2 1 sen cos Ejemplo Determina Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología xdxxsen 25 cos Solución Podríamos convertir x2cos a xsen21 pero nos quedaríamos con una expresión en términos de senx sin factor xcos extra. En vez de eso, separamos un sólo factor seno y reescribimos el factor xsen4 restante en términos de xcos : xsenxxxsenxxsenxxsen 22222245 cos)cos1(cos)(cos Sustituyendo xu cos , tenemos senxdxdu luego . Otro ejemplo Evaluar = Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología = = = 3.2.3. Integrales que contienen tangentes y secantes En esta sección nos interesa evaluar integrales de la forma: dxxx n sec tanm . Tienes dos casos. i) Cuando la potencia kn 2 es par: descompondrás xnsec en factores, manteniendo en un factor una potencia igual a 2. Reemplazarás la identidad xx 22 tan1sec . Expresarás la integral en términos de xtan . dxxxx dxxxxdxxx k kk sec)tan1( tan sec)(sec tan sec tan 212m 212m2m Hacemos una sustitución y y la integral que evaluarás quedaría así: duuudxxxan m k k 1 22m 1 sec t ii) Cuando la potencia 12 km es impar: lo que harás será descomponer xk 12tan en factores, manteniendo en un factor una potencia igual a 2. Después reemplazarás la identidad 1sectan 22 xx . Posteriormente, expresarás la integral en términos de sec x. dxxxxx dxxxxxdxxx nk nkn tansecsec)1sec( tansecsec)tan( sec tan 12 1212k Convertimos y y nos queda una forma más sencilla de integral: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Actividad 3. Resolución de problemas que contienen funciones trigonométricas Instrucciones Calcula las siguientes integrales: 1. dxmxsen 3 2. dxxx sectan 2 3. dxxxsen 45cos 4. dxxcsc 5. dxxsen 2)21( 3.2.4. Sustitución trigonométrica En esta sección aprenderemos a integrar funciones de la forma dxxa 22 , siendo a una constante MAYOR a cero. Haremos un cambio de variable de x a mediante la sustitución asenx . Emplearemos la identidad 22 1cos sen con el objetivo de quitar la raíz, observa: coscos)1( 222222222 aasenasenaaxa Podrás ver que, con este cambio de variable, la integral se convierte en una más sencilla facilitando la integración. Hemos eliminado la raíz que nos complicaba el trabajo. A este tipo de sustitución se le llama sustitución inversa. Existen otros casos en los que se puede emplear el mismo seguimiento. A continuación tenemos una tabla donde se muestra la expresión y lo que puedes usar dependiendo de los signos de lostérminos del radicando. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Forma del radical Sustitución Nuevo límite de integración Identidad empleada 1. 22 xa asenx 22 22 1cos sen 2. 22 xa tanax 22 22 tan1sec 3. 22 ax secax 2 0 ó 2 3 1sectan 22 En video puedes ver algunos ejemplos. http://www.youtube.com/watch?v=g8mXuZD0Pb8 http://www.youtube.com/watch?v=MDzUKb46y-4&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=uviuFSY2vzw&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=HxOfazuF3U4&feature=related Ejemplo Determina la integral dx xx 4 1 22 Solución Identificamos que se trata del segundo caso que se encuentra en la tabla. Entonces, la sustitución empleada será tan2x definida en el intervalo 2/2/, . El diferencial de x es ddx 2sec2 . Trabajando con el radical y realizando las sustituciones respectivas se tiene: sec2sec2sec4)1(tan44 222 x Reemplazamos en nuestra integral original: d d xx dx 222 2 22 tan sec 4 1 )sec2)(tan2( sec2 4 http://www.youtube.com/watch?v=g8mXuZD0Pb8 http://www.youtube.com/watch?v=MDzUKb46y-4&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=uviuFSY2vzw&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=HxOfazuF3U4&feature=related Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología El integrando lo podemos reescribir de la siguiente forma: 22 2 2 coscos cos 1 tan sec sensen La integral queda: d sen d xx dx 2222 cos tan sec 4 Realizando la sustitución senxu y su respectivo diferencial se tiene: 2222 4 1cos 4 1 4 u du d sen dx xx dx Resolviendo CC sen C uu du 4 csc 4 11 4 1 4 1 2 Emplearemos el triángulo siguiente para identificar los lados y la cosecante del ángulo en cuestión. x x 4 csc 2 C x x xx dx 4 4 4 2 22 Actividad 4. Ejercicios de sustituciones trigonométricas Instrucciones Calcula la integral mediante sustitución trigonométrica en cada caso. Dibuja el rectángulo asociado. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 1. dx xx 9 1 22 2. dx xx 22 25 1 3. dxxx 4 23 4. dx x x 2 5 42 dx xx 136 1 2 3.3. Integración de funciones racionales mediante fracciones parciales Revisaremos algunos métodos para calcular integrales racionales de la forma: xQ xP xf En donde )(xP y )(xQ son polinomios. Para integrar funciones con esta forma, lo que haremos es expresar a )(xf como una suma de fracciones más sencillas, siempre que el grado del polinomio P sea de menor grado que el polinomio Q. Nota: Recordemos que un polinomio se puede expresar de la siguiente manera. 01 1 1 axaxaxaxP n n n n En donde 0na . El grado del polinomio está denotado por n . Por otra parte, debemos considerar que una función propia )(xf es cuando el grado de )(xP es menor que el grado de )(xQ . Y una impropia es cuando el grado de )(xP es mayor que el grado de )(xQ . Considerando el caso que tengamos una función impropia, lo primero que haremos será realizar la división de polinomios )(xP entre )(xQ hasta obtener el residuo. Es decir, Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología )( )( )( )( )( )( xQ xR xS xQ xP xf En donde )(xR y )(xS también son polinomios. Revisemos el siguiente ejemplo para entenderlo mejor. Ejemplo Supongamos que nos piden determinar la integral racional de: Solución Observemos. Se trata de una integral impropia, pues el grado del polinomio P es mayor que el grado del polinomio Q. Procedemos a realizar la división y la sustituimos dentro del radicando, tenemos: dxx xxdx x xx 1 2 2 1 2 3 Cxx xx 1ln22 23 23 El cálculo de la integral fue más trivial al realizar la división. Sin embargo, después de haber realizado la división, es posible que nos quedemos trabajando con el cociente )( )( xQ xR que pueda tener la forma de una función propia. El grado de )(xR es menor que el grado de )(xQ . )( )( xQ xR Cuando tengas esto, lo que debes hacer es descomponer el denominador Q(x) en factores, tanto como sea posible para convertir nuestro cociente )( )( xQ xR en una suma de fracciones parciales cuyos denominadores son potencias de polinomios de grado menor o igual a dos. dx x xx 1 3 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología rFFF xQ xR 21 )( )( El siguiente paso consiste en expresar la función racional propia, )( )( xQ xR como una suma de fracciones parciales, dependiendo del factor que esté contenido en )(xQ . ibax A ó jcbxax BAx 2 Esto siempre va a ser posible. Veremos en las siguientes secciones los diferentes casos que se pueden encontrar para el denominador )(xQ de la función propia. 3.3.1. Q(x) es producto de factores lineales distintos Sea el caso que tengamos una función propia. El grado de )(xP es menor que el grado de )(xQ . rFFF xQ xR 21 )( )( Caso I, cuando el denominador Q(x) es un producto de factores lineales distintos. Es decir, puedes representar tu polinomio )(xQ como producto de factores lineales, la potencia de cada uno de ellos es uno. No debe haber factores repetidos. Con esto es posible reescribir el cociente como: donde kAAA ,,, 21 son constantes a encontrar. Ejemplo Resuelve la siguiente integral. kk babxabxaxQ 2211 kk x bxa A bxa A bxa A xQ xR 22 2 11 1 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Solución Se trata de una función propia, ya que el polinomio del denominador es de mayor grado que el polinomio del numerador. Como comentamos anteriormente, tenemos que expresar el denominador en términos de factores de grado uno. Mira, lo hemos puesto con TRES FACTORES LINEALES DISTINTOS, con polinomios de grado uno. ¿Soy muy redundante? Pues, sí, ¡que no se te olvide que el grado de cada factor es uno! Entonces, ahora reescribimos nuestro cociente como el resultado de fracciones parciales, en términos de las constantes A, B y C . Lo que haremos ahora es hallar las constantes A , B y C . Para lograrlo multiplicamos ambos lados de la expresión por 212 xxx . Reordenado para conseguir la igualación de literales. Encontramos que los coeficientes en ambas ecuaciones tienen que ser iguales. CBA 221 CBEA 22 dx xxx xx 232 12 23 2 212232232 223 xxxxxxxxx 212212 122 x C x B x A xxx xx 122212122 xCxxBxxxAxx AxCBEAxCBAxx 222212 22 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología A21 Es un sistema de ecuaciones que hay que resolver para encontrar los valores de A , B y C . Puedes usar cualquier método que desees para resolverlo. Resolviendo el sistema de ecuaciones se encontraron los siguientes valores Al resolver el sistema obtenemos: 2 1 A , 5 1 B y 10 1 C Finalmente, podemos reescribir nuestra integral original en términos de fracciones parciales Cxxx dx xxx dx xxx xx 2 10 1 12ln 10 1 ln 2 1 2 1 10 1 12 1 5 11 2 1 232 12 23 2 Recalcando, el denominador )(xQ se escribió como un producto de factores lineales distintos kk babxabxaxQ 2211 3.3.2. Q(x) contiene factores lineales, algunos se repiten Si )( )( )( )( )( )( xQ xR xS xQ xP xf , analizaremos el caso II, cuando el denominador Q(x) es un producto de factores lineales, algunos de los cuales se repiten. Sea el cociente de polinomios rFFF xQ xR 21 )( )( El cual es una función propia, donde descomponemos el denominador Q(x) en un producto de factores lineales, algunos de los cuales se repiten. r r bxa A bxa A bxa A 11 2 11 2 11 1 212212 122 x C x B x A xxx xx Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Observa que los factores )( 11 bxa se repiten r veces. Un ejemplo claro es el siguiente: 32232 3 1111 1 x E x D x C x B x A xx xx Hicimos esto, ya que el factor x es lineal y se repite 2r veces, por lo que se escriben los términos x A y 2x B . Y también el factor )1( x es lineal y se repite 3r , por lo que puedes escribir tres términos )1( x C , 2)1( x D y )1( x E Analicemos un ejemplo de integración. Ejemplo Determine la integral dx xxx xxx 1 142 23 4 Solución El primer paso es dividir para obtener el cociente de la forma anteriormente vista )( )( )( )( )( )( xQ xR xS xQ xP xf Dividiendo resulta 1 4 1 1 142 2323 4 xxx x x xxx xxx El segundo paso es expresar a 123 xxxxQ en factores. Factorizamos, dado que 1 es solución de 0123 xxx tenemos el primer factor )1( x , también a )1( 2 x lo podemos descomponer en dos factores )1( x )1( x . Reescribiendo tenemos: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 11 111111 2 223 xx xxxxxxxx El factor lineal 1x , aparece dos veces. Con esto ya podemos trabajar con la parte )( )( xQ xR así que este cociente queda expresado como: Realizando la misma técnica del ejemplo anterior para hallar las constantes, multiplicamos por el mínimo común denominador 11 2 xx y obtenemos CBAxCBxCA xCxBxxAx 2 11114 2 2 Igualamos coeficientes en relación con las literales: 0 42 0 CBA CB CA Resolviendo el sistema de ecuaciones obtenemos: 1A , 2B y 1C Una vez que hemos hallado el valor de las constantes procedemos a sustituirlas en nuestras fracciones parciales y reescribimos nuestra integral para resolverlas. C x x in x x x Cxin x xinx x dx xxx xdx xxx xxx 1 1 1 2 2 1 1 2 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 142 2 2 223 24 11111 4 22 x C x B x A xx x Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Una vez más hemos descompuesto el denominador Q(x) en un producto de factores lineales, algunos de los cuales se repiten. r r bxa A bxa A bxa A 11 2 11 2 11 1 3.3.3. Q(x) contiene factores cuadráticos reducibles, ninguno se repite Caso III. Es el caso tal que la descomposición de xQ contiene factores cuadráticos irreducibles, de los cuales ninguno se repite. Esto es cuando xQ posee el factor cbxax 2 , en donde 042 acb . El cociente )( )( xQ xR tendrá un término de la forma: cbxax BAx 2 Siendo Ay B constantes a ser determinadas. Considera que es posible que xQ contenga términos lineales y no lineales. Si el denominador contiene factores lineales, utilizarás el método de la sección anterior para determinar las fracciones parciales debido a los términos lineales. Y para determinar la forma de las fracciones parciales cuando los factores del denominador tienen factores cuadráticos, usarás el método expuesto en esta sección. El siguiente ejemplo lo ilustra mejor. Ejemplo La función 412 22 xxx x xf descompuesta en fracciones parciales queda de la siguiente manera: 412412 2222 x EDx x CBx x A xxx x Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Las fracciones parciales 12 x CBx y 42 x EDx surgen debido a los factores cuadráticos 12 x y 42 x respectivamente; y la fracción 2x A es consecuencia del término lineal )2( x . Veamos un ejemplo donde se tenga que integrar una función racional. Ejemplo Calcule la siguiente integral dx xx xx 4 42 3 2 Solución Procedemos a descomponer )4(4)( 23 xxxxxQ y reescribimos el cociente (surgen dos fracciones, una debido a un factor lineal y otra debido al factor cuadrático). 44 42 22 2 x CBx x A xx xx Igual que en los ejemplos anteriores multiplicamos por 42 xx para resolver los valores de A, B y C. ACxxBA xCBxxAxx 4 442 2 22 Resolviendo llegamos a los valores 1A 1B , 1C Entonces, al reemplazar estos valores para A, B, y C, la integral toma la forma: dx x x x dx xx xx 4 11 4 42 23 2 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Fíjate que esta integral, ahora está expresada como la integral de una suma, que es lo mismo que la suma de dos integrales. dx x x dx x dx xx xx 4 11 4 42 23 2 El cálculo del primer término es trivial; sin embargo, el segundo término lo podemos expresar en dos partes como: dx x dx x x dx x x 4 1 44 1 222 La primera integral la resolvemos usando una sustitución de variable con 42 xu y xdxdu 2 respectivamente. En la segunda integral se usa la integral: C a x aax dx 1 22 tan 1 Identificamosque 2a . Observemos que finalmente nuestra integral original puede ser descompuesta en tres fracciones parciales, una lineal y dos cuadráticas. CxxInxIn dx x dx x x dx x dx xx xx 2tan4 4 1 4 1 4 42 1 2 12 2 1 223 2 3.3.4. Q(x) contiene un factor cuadrático irreductible repetido En este tópico tendremos el caso IV en el cual el denominador )(xQ se puede descomponer en el factor rcdxax 2 repetido r veces. )( )( xQ xR se descompone en las fracciones parciales de la forma: r rr cbxax BxA cbxax BxA cbxax BxA 22 22 2 11 Ejemplo Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Descompón en fracciones parciales el siguiente cociente: 322 23 111 1 xxxxx xx Solución 322222322 23 11111111 1 x JIx x HGx x FEx xx DCx x B x A xxxxx xx El factor x es lineal y tiene potencia 1r , por lo que se escribe el término x A , el factor )1( x es lineal y tiene potencia 1r , por lo que también se escribe el término )1( x B . El factor )1( 2 xx es cuadrático y tiene potencia 1r , por lo que se escribe el término )1( 2 xx DCx . Ahora pon mucha atención, como el factor 32 )1( x no es lineal y tiene una potencia 3r , es posible escribir tres factores de la forma: )1( 2 x FEx , 22 )1( x HGx y 32 )1( x JIx . Ejemplo Determinar dx xx xxx 22 32 1 21 Solución Para la descomposición de fracciones, debemos poner atención en la potencia r de cada factor )(xQ . El factor x es lineal y tiene potencia 1r , por lo que se escribe el término x A ; sin embargo, el factor )1( 2 x no es lineal y tiene potencia 1r , entonces se escribe el término )1( 2 x CBx y el término 22 )1( x DDx . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Entonces tenemos que el cociente )( )( xQ xR es: 22222 32 1112 21 x EDx x CBx x A x xxx Multiplicamos por 22 1xx para hacer una igualación de coeficientes: AxECxDBACxxBA ExDxxxCxxBxxA xEDxxxCBxxAxxx 234 232424 22223 2 12 1112 Se tiene: 0 BA 1C 22 DBA 1 EC 1A Resolviendo el sistema de ecuaciones se llega a las soluciones: 1A 1B 1C 1D 0E Sustituyendo los valores de las constantes, llegarás a: C x xxx x xdx x dx dx x x x dx dx x x x x x dx xx xxx 12 1 tan1lnln 111 11 11 1 21 2 12 2 1 2222 22222 32 Actividad 5. Integración mediante fracciones parciales Instrucciones Evalúa cada una de las siguientes integrales usando el método de descomposición de fracciones parciales: 1. dx xx x 2 2 1 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 2. dx x x 3 2 1 3. dx xx xx 23 2 2 235 4. dx xx xxx 45 12 24 23 5. dx xx xx 11 12 22 2 3.4. Estrategias de la integración por medio de tablas integrales Dado que la integración ofrece más retos que la diferenciación, daremos unos puntos que debes tener en consideración cuando trates de resolver integrales. Es de mucha ayuda tener tablas de integrales y es muy aconsejable tratar de memorizarlas, por lo menos las fórmulas básicas de integración. 3.4.1. Tablas de fórmulas integrales La tabla siguiente te será de mucha ayuda a la hora de resolver integrales. Tabla de fórmulas de integración 1. 1 1 n x dxx n n con )1( n 11. xxdxx tanseclnsec 2. xIndx x 1 12. xxdxx cotcsclncsc 3. xx edxe 13. xIndxx sectan 4. a a dxa x x ln 14. senxIndxxcot 5. sen x xdx cos 15. xdxxsenh cosh 6. xsendxxcos 16. xsenhdxxcosh Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología 7. xdxx tansec 2 17. a x aax dx 1 22 tan 1 8. xdxx cotcsc2 18. a x sen xa dx 1 22 9. xdxxx sectansec 19. ax ax aax dx ln 2 1 22 10. xdxxx csccotcsc 20. 22 22 ln axx ax dx Actividad 6. Fórmulas de integración Instrucciones Agrega fórmulas de integración que pueden ser útiles para integrar. 3.4.2. Estrategias para integrar Hemos visto varias técnicas de integración; sin embargo, es necesario tener una estrategia para enfrentar las integrales. Para resolver una integral, lo primero que tienes que hacer es: 1. Simplificar el integrando en lo posible. 2. Detectar si existe una sustitución obvia. 3. Clasificar el integrando de acuerdo a la forma que tenga, para aplicar los métodos apropiados de integración ya sean: a. Integración de funciones trigonométricas b. Integración de funciones racionales c. Integración por partes d. Integración de radicales 4. Intentar de nuevo si no se ha llegado a la respuesta con los primeros pasos, se puede intentar con lo básico, por sustitución o por partes. a. Prueba la sustitución b. Intenta integrar por partes c. Intenta integrar modificando el integrando Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología d. Relaciona integrales con problemas resueltos anteriormente, considera que la experiencia es muy importante. e. Utiliza varios métodos de integración, a veces no se llega al resultado con un método. Una manera más eficiente que te ayudará a incrementar tus habilidades para resolver integrales es la experiencia, por lo cual te recomiendo que resuelvas tantos integrales como te sea posible para cada uno de los métodos vistos a lo largo del curso y en especial de esta unidad. ¡Ánimo!, sigue resolviendo muchas integrales. Actividad 7. Resolución de integrales Instrucciones Evalúa las siguientes integrales: 1. dx x 8 1 3 2. dx e e x x 1 1 3. dxx 21ln 4. dxaxsen 5. dxxx seccosh 3.5. Integrales impropias Una integral impropia es aquella que se encuentra en el caso que está definida en un intervalo infinito y también en el caso donde existe una discontinuidad infinita en [a, b]. Estudiemos ambos casos. 3.5.1. Tipo 1. Intervalos infinitos Consideremos una integral en un intervalo infinito. Por ejemplo, la curva descrita por la función 2 1 x y . Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología La región S está acotada por la función 2 1 x y y el eje x , acotada en el lado izquierdo por la recta vertical 1x en el ladoderecho hasta el infinito. En principio se pensaría que el área S es infinita; sin embargo, esto no es así. El área de una región acotada por la vertical 1x y por la recta vertical movible en el eje tx está dada por: tx dx x tA t t 1 1 11 1 1 2 Si nos ponemos a hacer cálculo variando t , sin importar qué tan grande sea, notaremos que el área no rebasa el valor de una unidad, por lo tanto, concluimos que 1)( tA . Observamos también, que si calculamos el límite cuando t , llegamos a un valor diferente de infinito. 1 1 1limlim t tA tt El área de la región es igual a uno y esto lo podemos escribir como: 1 1lim1 1 21 2 dx xt dx x t Este ejemplo te dio una noción intuitiva de que el área no es infinita; sin embargo, considera la definición siguiente, la cual te expone tres casos: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Definición de una integral impropia de tipo 1 i) Si te enfrentaras a una integral que existe de la forma dxxf t a para cualquier at , entonces: dxxfdxxf t ata lim ¡Mucho ojo! Siempre y cuando exista el límite como un número finito. ii) Si te enfrentaras a una integral que existe de la forma dxxf b t para cualquier bt , entonces: dxxfdxxf b tt b lim ¡Mucho ojo! Siempre y cuando exista el límite como un número finito. Estos dos casos de integrales impropias nos permiten nombrarlas como convergentes si existe dicho límite y divergentes si no lo hay. iii) Si en ambas integrales dxxf a y dxxf b de los casos anteriores, son divergentes, entonces por definición se tiene la suma de integrales: dxxfdxxfdxxf a a Ejemplo Determina si la integral es divergente o convergente dxx 1 Solución De acuerdo con la definición anterior, la integral se amolda al caso i. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología tt xdx x dx x tt t t t t lnlim1lnlnlim lnlim 1 lim 1 111 El valor es infinito, no es un número finito, por lo tanto de la definición podemos concluir que la integral impropia diverge. Si tuvieses una integral impropia de la forma: 1 1 dx x p Será convergente siempre y cuando 1p y divergente cuando 1p . 3.5.2. Tipo 2. Integrandos discontinuos Tenemos abajo una tabla que define las integrales impropias con integrandos discontinuos. Definición de una integral impropia de tipo 2 i) Si te enfrentaras a una integral cuya f es continua en [a, b) y discontinua en b. dxxfdxxf t abt b a lim ¡Mucho ojo! Siempre y cuando exista el límite como un número finito. ii) Si te enfrentaras a una integral cuya f es continua en (a, b] y discontinua en a. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología dxxfdxxf b tat b a lim ¡Mucho ojo! Siempre y cuando exista el límite como un número finito. Estos dos casos de integrales impropias nos permiten llamarlas como convergentes si existe dicho límite y divergentes si no lo hay. iii) Si tienes una discontinuidad en c que está entre los intervalos a y b , y además son convergentes las integrales dxxf c a y dxxf b c , por definición tendrás: dxxfdxxfdxxf b c c a b a Ejemplo Determina la integral dx x 5 2 2 1 Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Solución La gráfica de la función es la siguiente. Observa y veras que tiene una asíntota vertical en 2x . La discontinuidad es infinita marcada en 2x . De la definición ii) de esta sección, se tiene: 32 232lim 22lim 2 lim 2 2 5 2 5 2 5 2 t x x dx x dx t t t tt Por lo tanto, podemos concluir que se trata de una integral impropia convergente. El área es región sombreada de la región. Evidencia de aprendizaje. Cálculo de una integral Instrucciones 1. Escribe tu nombre, fecha de nacimiento y edad. 2. Sean a y b dos constantes definidas por: a= la suma de los dígitos que forman tu fecha de nacimiento. b= la suma de los dos dígitos que forman tu edad. Ejemplo: 23 de junio, implica que: Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología a=2+3=5 18 años, implica que: b=1+8=9 3. Sustituye los valores a y b en la integral original antes de empezarla a evaluar. 4. Resuelve la siguiente integral mediante los métodos necesarios abordados en la unidad 3. a a ba bxeabx baxbx b a xxabxb bxax xbxa xba xx dxxsen ba 1 2 2 233 22 2 7 2)( )( tansec cos 5. Escribe tu desarrollo. 6. Escribe en una lista los métodos de integración usados. Consideraciones específicas de la unidad En esta sección requerimos el siguiente material: Calculadora. Tablas de integración. Existen libros en las bibliotecas que podrías utilizar o bien adquirir las tablas de Internet. Te aconsejamos que lleves contigo las tablas para evaluar las integrales. Es necesario que repases las fórmulas para encontrar áreas a figuras geométricas planas y volumétricas comunes. Es necesario que tengas conocimientos sobre: Álgebra Geometría analítica Cálculo diferencial Propiedades y reglas de las operaciones de sumatorias. Fuentes de consulta Apostol, T. M. (2008). Calculus. España: Reverté. Cálculo integral Programa desarrollado Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingenierías y Tecnología Larson, R. E. (2005). Cálculo. México: Mc Graw Hill. Leithold, L. (2009). El Cálculo. México: Oxford University Press. Stewart, James. (2008). Cálculo. Trascendentes tempranas. México: Cengage Learning.