La PizarraMatemática.

Bachillerato

Áreas entre curvas e integrales con signo

Antes de integrar necesitamos saber qué región estamos midiendo. Dibujaremos sus fronteras y una franja pequeña: su altura será la distancia entre las dos curvas. Después sumaremos esas franjas con una integral, cuidando cuándo cambia cuál está arriba.

1. El área suma tamaños; la integral con signo puede cancelar

Una suma de altura por anchura aporta positivo sobre el eje y negativo debajo. La integral de f mide esa acumulación neta, que puede ser cero o negativa aunque la región tenga tamaño positivo.

Tomar el módulo al final perdería parte del área
Área y saldo son preguntas distintas−21Área 2Área 1/2Geométrica: 2+1/2=5/2Con signo: −2+1/2=−3/2Primero separar donde cambia el signo.
La recta y x se estudia entre menos dos y uno. Debajo del eje queda un triángulo rojo de base dos y altura dos, área dos. Encima queda un triángulo verde de base uno y altura uno, área un medio. Las escalas horizontal y vertical son ambas sesenta unidades de dibujo por unidad real. El área geométrica suma las dos magnitudes y da cinco medios. La integral con signo resta dos y suma un medio, dando menos tres medios. Su módulo tres medios tampoco es el área total, porque ya ha habido cancelación. Se parte en cero antes de sumar contribuciones positivas.

El área respecto al eje es ∫|f(x)|dx bajo condiciones de integrabilidad. No suele coincidir con |∫f(x)dx|: tomar el módulo al final no recupera las partes que ya se cancelaron.

Dos triángulos de tamaños diferentes

Área entre y=x y el eje en [−2,1].

  1. Debajo

    De −2 a cero hay un triángulo de base dos y altura dos: área dos.

  2. Encima

    De cero a uno hay otro de base uno y altura uno: área un medio.

  3. Comparar preguntas

    Área total 5/2; integral neta −2+1/2=−3/2, cuyo módulo tampoco da 5/2.

Resultado

La región se parte donde cambia el signo.

Lo comprobamos

Cada área geométrica es no negativa.

Todo debajo del eje

Área entre y=−3 y el eje en [1,3].

  1. Distancia

    La altura geométrica es tres, no menos tres.

  2. Anchura

    Tres menos uno da dos.

  3. Área

    El rectángulo tiene área 3·2=6; la integral de la función vale −6.

Resultado

Cambiar de interpretación cambia el signo usado.

Lo comprobamos

El área no se vuelve negativa por estar bajo el eje.

2. Arriba menos abajo mide una distancia vertical

Si f y g son continuas en [a,b] y f≥g, una franja vertical tiene altura f(x)−g(x) y anchura pequeña Δx. Su área aproximada es [f(x)−g(x)]Δx.

Refinar la suma da A=∫ₐᵇ(f−g)dx.
La resta es la distancia vertical entre las dos fronteras de la misma franja
Una franja: altura por anchuray=2xy=x²02Altura: 2x−x² ≥ 0A=∫₀²(2x−x²)dx=4/3Fronteras: x=0 y x=2.
La recta y dos x y la parábola y x cuadrado se cruzan en cero cero y dos cuatro. Entre cero y dos la recta queda encima porque dos x menos x cuadrado es x por dos menos x, no negativo. La región verde está limitada por las dos curvas; un segmento vertical más grueso muestra su altura en x uno coma dos, de uno coma cuarenta y cuatro a dos coma cuatro. Las escalas son ciento veinte unidades de dibujo por horizontal y setenta por vertical. Integrar la altura dos x menos x cuadrado da área cuatro tercios, no el área completa bajo una sola curva.

Importa la ordenada mayor, no el valor absoluto ni el nombre f o g. La resta también funciona con las dos curvas negativas o a lados opuestos del eje.

La altura entre recta y parábola

Entre y=2x e y=x² en [0,2].

  1. Orden

    2x−x²=x(2−x)≥0 en ese intervalo.
  2. Franja

    Su extremo superior está en 2x y el inferior en x².

  3. Planteamiento

    A=∫₀²(2x−x²)dx=[x²−x³/3]₀²=4/3.
Resultado

No se integra solo la curva superior.

Lo comprobamos

La altura es cero en las dos intersecciones y positiva entre ellas.

Restar una frontera negativa

Curvas y=−1 e y=−4 entre x=0 y x=2.

  1. Cuál está arriba

    −1 es mayor que −4.

  2. Altura

    −1−(−4)=3.
  3. Área

    ∫₀²3dx=6.
Resultado

La resta produce la distancia positiva correcta.

Lo comprobamos

Restar valores absolutos daría otra cuenta.

3. Las fronteras pueden venir dadas o salir de los cruces

Si se pide la región encerrada solo por dos curvas, resolvemos f(x)=g(x) y buscamos qué cruces delimitan zonas acotadas. Si se dan rectas verticales, esas rectas ya son fronteras aunque las curvas no se corten allí.

Puede haber ninguna región encerrada, varias regiones o una descripción que incluya fronteras adicionales. Antes de calcular comprobamos también dominios y singularidades: una solución algebraica excluida no es una intersección real de las gráficas.

Encontrar primero los extremos

Región encerrada por y=4−x² e y=x+2.

  1. Igualar

    4−x²=x+2, luego x²+x−2=(x+2)(x−1)=0.
  2. Cruces

    x=−2 y x=1; las alturas son cero y tres respectivamente.

  3. Orden

    La diferencia 2−x−x²=(1−x)(x+2) es no negativa entre ambos.
Resultado

La región se integra de −2 a uno con la parábola arriba.

Lo comprobamos

Las coordenadas de los cruces son (−2,0) y (1,3).

Sin cruces pero con región bien delimitada

y=eˣ, y=0, x=0 y x=1.

  1. Cruces

    La exponencial nunca vale cero.

  2. Fronteras dadas

    Las dos verticales cierran los lados de la región.

  3. Plantear

    A=∫₀¹eˣdx=e−1.
Resultado

No hacen falta dos intersecciones entre las curvas.

Lo comprobamos

Las fronteras del enunciado determinan qué parte medimos.

4. Si cambia el orden, partimos antes de sumar

La fórmula general es A=∫|f−g|dx cuando esa función sea integrable. Localizamos ceros y singularidades de la diferencia y justificamos su signo en cada tramo.

Una intersección tangencial puede no cambiar el orden. No alternamos las fórmulas por costumbre. Tomar el módulo de la integral de un tramo solo sirve como atajo si la diferencia no cambia de signo dentro.

Un cruce interior produce dos integrales

Área entre y=x e y=−x en [−1,2].

  1. Diferencia

    x−(−x)=2x, negativa antes de cero y positiva después.
  2. Partir

    A=∫ de −1 a cero de (−2x)dx+∫₀²2xdx.
  3. Sumar

    Las partes valen uno y cuatro: total cinco.

Resultado

El valor absoluto de la integral neta sería tres y perdería área.

Lo comprobamos

El signo se mantiene dentro de cada tramo escogido.

Tocar no obliga a intercambiar

y=x² e y=0 en [−1,1].

  1. Cruce

    Solo coinciden en cero.

  2. Signos

    x²≥0 a ambos lados: la parábola sigue arriba.
  3. Área

    ∫ de −1 a uno de x²dx=2/3.
Resultado

No hace falta cambiar el orden al pasar por cero.

Lo comprobamos

Se mira el signo, no solo la existencia del cruce.

5. Una franja horizontal resta derecha menos izquierda

A veces resulta más sencillo escribir las fronteras como x=L(y) y x=R(y). Para una altura fija y, la franja mide R(y)−L(y). Integramos esa longitud entre las alturas inferior y superior.

Al despejar x cuidamos las ramas de raíces. Si cambia la frontera izquierda o derecha, también hay que dividir. Cambiar a dy no elimina la necesidad de describir correctamente la región.

Una parábola orientada hacia la derecha

Región entre x=y² y x=2y.

  1. Alturas de cruce

    y²=2y da y=0 y y=2.
  2. Orden horizontal

    2y−y²=y(2−y)≥0: la recta es la frontera derecha.
  3. Integrar

    A=∫₀²(2y−y²)dy=4/3.
Resultado

La anchura es una diferencia de coordenadas x.

Lo comprobamos

No se intercambian las palabras arriba/abajo con derecha/izquierda.

Dos ramas de una misma circunferencia

Disco x²+y²≤4.

  1. Ramas

    Para −2≤y≤2, la izquierda es −√(4−y²) y la derecha +√(4−y²).
  2. Anchura

    La diferencia es 2√(4−y²).

  3. Integral

    A=∫ de −2 a dos de 2√(4−y²)dy=4π, coherente con radio dos.
Resultado

Elegir solo la raíz positiva perdería media región.

Lo comprobamos

La altura y recorre el diámetro completo.

6. Evaluar la primitiva y aplicar simetría a la altura correcta

Una vez planteada una altura continua buscamos su primitiva H y calculamos H(b)−H(a). Las constantes se cancelan. Elegimos sustitución, partes u otro método después del planteamiento geométrico.

Si la altura que integramos es par en [−a,a], duplicamos la mitad derecha. Una función impar tiene integral neta cero en un intervalo simétrico; su módulo puede tener área positiva.

Una región simétrica

Área entre y=4 e y=x².

  1. Cruces

    x²=4 da −2 y dos; la altura 4−x² es par y no negativa entre ellos.

  2. Simetría

    A=2∫₀²(4−x²)dx.
  3. Evaluar

    2[4x−x³/3]₀²=2(8−8/3)=32/3.
Resultado

La simetría reduce la cuenta a media región.

Lo comprobamos

No se duplica otra vez después de integrar el intervalo completo.

Imparidad no significa área nula

Área entre y=x³ y el eje en [−1,1].

  1. Integral neta

    La imparidad da integral cero.

  2. Altura geométrica

    |x³| es par y no negativa.

  3. Evaluar

    A=2∫₀¹x³dx=1/2.
Resultado

El área es un medio.

Lo comprobamos

La simetría se aplicó a la función que realmente representa distancias.

7. Una región infinita puede tener área finita

Una región que se alarga sin fin o se acerca a una singularidad requiere una integral impropia: truncamos, calculamos y tomamos el límite. Puede converger o divergir.

Como el área suma magnitudes no negativas, sus divergencias no pueden compensarse. Con una singularidad interior revisamos cada lado por separado; no evaluamos una primitiva a través del punto ausente.

Una cola que sí suma un área finita

Región bajo y=1/x² para x≥1.

  1. Truncar

    A(R)=∫₁ᴿx⁻²dx=1−1/R.
  2. Límite

    Cuando R→+∞, A(R)→1.
  3. Interpretar

    Aunque la región tiene anchura infinita, las alturas decrecen lo suficiente.

Resultado

El área total es uno.

Lo comprobamos

El resultado no se deduce solo de que la curva se acerque al eje.

Otra cola que se acerca al eje pero diverge

Región bajo y=1/x para x≥1.

  1. Truncar

    A(R)=∫₁ᴿdx/x=lnR.
  2. Límite

    lnR crece sin cota.

  3. Comparar

    Ambas curvas tienden a cero, pero sus áreas no tienen el mismo comportamiento.

Resultado

El área es infinita.

Lo comprobamos

Una altura que tiende a cero no garantiza convergencia de la suma.

8. Signos, cotas y unidades ayudan a comprobar

Un área geométrica no puede ser negativa. Si aparece un menos, revisamos orden de curvas y orientación de límites.

Si 0≤altura≤M en anchura b−a, entonces 0≤A≤M(b−a).

Si ambos ejes representan longitudes en una misma unidad, el área lleva unidades cuadradas. Si representan magnitudes diferentes, la integral tiene el producto de sus unidades y puede medir otra cosa. El dibujo orienta; los signos y la derivada de la primitiva justifican el valor exacto.

Comparar con un rectángulo que encierra la región

Entre y=2x e y=x², de cero a dos.

  1. Máxima altura

    2x−x²=1−(x−1)²≤1.
  2. Rectángulo

    Anchura dos y altura uno dan área dos.

  3. Comprobar

    El resultado 4/3 es positivo y menor que dos.

Resultado

La cota detectaría, por ejemplo, un resultado cuatro.

Lo comprobamos

La altura máxima de la franja no es la altura máxima de la curva superior.

El producto de unidades tiene significado

Un caudal constante de tres litros por segundo durante cuatro segundos.

  1. Altura y anchura

    El eje vertical mide L/s y el horizontal s.

  2. Integral

    Tres por cuatro da doce.

  3. Unidades

    (L/s)·s=L: se han acumulado doce litros.
Resultado

No se anuncian unidades cuadradas si los ejes no son dos longitudes.

Lo comprobamos

La misma operación altura por anchura puede representar una magnitud distinta de superficie.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Recta y parábola

Área entre y=x e y=x².

  1. Región

    Buscamos la región encerrada solo por y=x e y=x².
  2. Cruces

    x=x² equivale a x(x−1)=0: entradas cero y uno.
  3. Orden

    En [0,1], x−x²=x(1−x)≥0: la recta está arriba.
  4. Altura e integral

    A=∫₀¹(x−x²)dx.
  5. Evaluar

    [x²/2−x³/3]₀¹=1/2−1/3=1/6.
  6. Comprobar

    Es positivo y menor que el triángulo bajo y=x, cuya área es un medio.

Resultado

Área 1/6.

Lo comprobamos

Es positiva y menor que el área del triángulo bajo y=x.

EJEMPLO RESUELTO 2

Una recta que cruza el eje

Área entre y=x y el eje en [−1,1].

  1. Distinguir la pregunta

    Se pide área geométrica, así que usamos |x|.

  2. Partir en el cambio de signo

    En [−1,0], |x|=−x; en [0,1], |x|=x.
  3. Lado izquierdo

    ∫ de −1 a cero de (−x)dx=1/2.
  4. Lado derecho

    ∫₀¹xdx=1/2.
  5. Sumar magnitudes

    El área total es uno.

  6. Contrastar

    La integral con signo de x en [−1,1] sería cero, por cancelación, y no responde a la superficie pedida.

Resultado

Área 1.

Lo comprobamos

La integral con signo de x en [−1,1] sería cero.

Los símbolos que hemos usado

f(x),g(x)
Alturas de las gráficas que limitan una región verticalmente.
a,b
Fronteras izquierda y derecha, con a<b.
f(x)−g(x)
Altura de una franja cuando f está por encima de g.
A
Área geométrica no negativa.
∫ₐᵇf(x)dx
Integral definida con contribuciones positivas o negativas según f.
R(y),L(y)
Fronteras derecha e izquierda al integrar mediante franjas horizontales.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

Practicar este tema →

Para ampliar