El método de las capas cilíndricas

Al hacer girar una región sobre el eje y, puedes rebanarla en arandelas perpendiculares al eje o bien en cilindros delgados paralelos a él: las capas, cada una de radio x y altura h(x). El volumen da exactamente el mismo resultado de las dos formas, y aquí se calculan ambos por separado. Lo que cambia es la dificultad de la integral, y la dirección del corte lo decide todo.

Capas respecto al eje y
Pappus
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Lección

La teoría — El método de las capas cilíndricas

Al hacer girar la región bajo y = h(x), a ≤ x ≤ b, alrededor del eje y, se obtiene un sólido cuyo volumen viene dado por capas cilíndricas como V = 2π∫ₐᵇ x h(x) dx: cada franja vertical en x engendra un cilindro hueco de radio x, altura h(x) y grosor dx.

Qué significa cada símbolo

h(x)
la altura de la región en x: borde superior menos borde inferior
x
el radio de la capa: su distancia al eje de giro

De dónde viene la fórmula

  1. Una capa. Al desenrollarlo, un cilindro delgado de radio x, altura h y grosor Δx equivale casi a una placa plana de longitud 2πx y altura h, de modo que su volumen se aproxima a 2πx·h·Δx.
  2. Suma de las capas. Suma las franjas y haz que Δx tienda a cero.

Problemas resueltos al detalle

  1. El mismo sólido por dos métodos 2 pasos

    La región bajo y = x² en [0, 1] gira alrededor del eje y. Halla el volumen por capas y por arandelas.

    Abre este problema en la herramienta

    1. Por capas: radio x, altura x².

    2. Por arandelas: proyectando en y, la región va desde x = √y hasta x = 1.

    Respuesta

    π/2 ≈ 1,5708 por ambos métodos.

  2. Cuando las capas son el camino fácil 2 pasos

    Gira la región bajo y = sen x en [0, π] alrededor del eje y. Halla el volumen.

    Abre este problema en la herramienta

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    1. Por capas: radio x, altura sen x.

    2. ∫x sen x dx por partes, con u = x y dv = sen x dx:

    Respuesta

    2π² ≈ 19,7392. Por arandelas exigiría integrar arcsen y, y por eso nadie lo hace así.

  3. Una región entre dos curvas 1 pasos

    La región comprendida entre y = x e y = x² en [0, 1] gira alrededor del eje y. Halla el volumen.

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    1. Por capas: radio x, altura x − x².

    Respuesta

    π/6 ≈ 0,5236.

  4. Un toro 2 pasos

    El disco (x − 2)² + y² ≤ 1 gira alrededor del eje y. Halla el volumen.

    Abre este problema en la herramienta

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    1. Por Pappus: el área por la distancia que recorre el centro.

    2. Por capas, la altura en x es 2√(1 − (x − 2)²):

    Respuesta

    4π² ≈ 39,4784. La integral por capas requiere un cambio de variable y el área de un semicírculo; a Pappus le basta una sola línea.

  5. Una raíz por capas 1 pasos

    La región bajo y = √x en [0, 4] gira alrededor del eje y. Halla el volumen.

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    1. Por capas: radio x, altura √x; el integrando queda como una potencia de x.

    Respuesta

    128π/5 ≈ 80,4248.

  6. Capas respecto al eje x 2 pasos

    Calcula por capas el volumen generado al girar la región bajo y = x² en [0, 1] alrededor del eje x.

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    1. Respecto al eje x las capas avanzan en la dirección de x: radio y, y longitud desde x = √y hasta x = 1.

    2. Comprobación por discos:

    Respuesta

    π/5 ≈ 0,6283 por ambos métodos. Las capas siempre son paralelas al eje de rotación y su radio es la distancia a él.

Dos cortes, un mismo volumen 🖖

Pulsa y = x², dos métodos. Las capas dividen el sólido en cilindros concéntricos de radio x y altura x², y suman 2πx·x² en [0, 1]. Las arandelas lo cortan en perpendicular al eje: discos de radio 1 con un orificio de radio √y, sumando π(1 − y) en [0, 1]. Ninguno de los dos cálculos se apoya en el otro y ambos dan 1,5708 = π/2. No hay magia en ello: son dos formas de cortar el mismo cuerpo en rebanadas finas, y el volumen no depende del cuchillo.

Corta en la dirección que haga fácil describir la región 🖖

Pulsa sen x: ganan las capas. La región es muy cómoda de describir en x, 0 ≤ y ≤ sen x para 0 ≤ x ≤ π, de modo que las capas conducen a 2π∫x sen x dx: una sola integración por partes y llegas a 2π². Con respecto a y, en cambio, la región va desde arcsen y hasta π − arcsen y, lo que obliga a calcular π∫((π − arcsen y)² − (arcsen y)²) dy. Esta herramienta lo resuelve y obtiene el mismo 19,7392, pero nadie elegiría ese camino a lápiz y papel. Antes de decidirte por un método, fíjate respecto a qué variable se expresan de forma sencilla las curvas de la región; el corte debe avanzar a lo largo de la otra.

Un toro es el área del disco por la distancia que recorre su centro 🖖

Pulsa Un toro. El disco de radio 1 centrado en x = 2 engendra un anillo cuyo volumen por capas es 39,4784 = 4π². Es simplemente el área del disco, π, multiplicada por la distancia que recorre su centro al girar, 2π·2 = 4π. Papo de Alejandría enunció este resultado hacia el año 340, en el libro VII de su Colección matemática, para cualquier región que gire en torno a una recta que no la corte; Paul Guldin volvió a publicarlo en 1640, y hoy suele llevar su nombre.

Ruta de aprendizaje

Aplicaciones de la integral

Referencias (3)