| Volumen por secciones | |
|---|---|
| Una arandela |
Lección
La teoría — Volumen por secciones
Si la sección de un sólido en x tiene un área A(x) para a ≤ x ≤ b, su volumen es V = ∫ₐᵇ A(x) dx. Al girar alrededor de un eje, una región genera discos, A = πR², o arandelas, A = π(R² − r²), donde R y r son las distancias al eje.
Qué significa cada símbolo
A(x)- área de la sección en x, perpendicular al eje
R, r- radios exterior e interior de la arandela, medidos respecto al eje de giro
De dónde viene la fórmula
- Corta y suma las secciones. Una lámina fina de espesor Δx tiene un volumen muy cercano a A(x)Δx. Suma todas y haz que Δx tienda a cero: la suma se convierte en la integral.
- Discos y arandelas. Al girar una región alrededor de un eje, cada corte es un disco o un disco perforado: resta el área del hueco, no su radio.
Problemas resueltos al detalle
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Un disco alrededor del eje x 1 pasos
Calcula el volumen cuando la región bajo y = √x en [0, 4] gira alrededor del eje x.
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Cada sección es un disco de radio √x:
Respuesta
8π ≈ 25,1327.
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La fórmula del cono a partir de discos 2 pasos
Demuestra que un cono de radio r y altura h tiene un volumen de πr²h/3.
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Oriéntalo a lo largo del eje x con el vértice en 0: el radio en x es rx/h.
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Integra las áreas de los discos:
Respuesta
πr²h/3. Con r = 1 y h = 3 la página muestra 3,1416, que es π.
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Una arandela 1 pasos
La región entre y = x e y = x² en [0, 1] gira alrededor del eje x. Halla el volumen.
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Radio exterior x, radio interior x²:
Respuesta
2π/15 ≈ 0,4189. La integral π∫(x − x²)² dx da 0,1047, la advertencia que señalamos sobre las arandelas.
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Una arandela respecto a otra recta 2 pasos
La región bajo y = x² en [0, 1] gira alrededor de la recta y = −1. Halla el volumen.
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Mide los radios desde y = −1: el borde exterior está en x² + 1 y el hueco en 1 (el eje x):
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Desarrolla e integra:
Respuesta
13π/15 ≈ 2,7227. Si olvidas desplazar los radios en 1 obtendrías el volumen de discos alrededor del eje x, π/5, que corresponde a otro sólido.
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Secciones transversales cuadradas 1 pasos
La base de un sólido es la región bajo y = √x en [0, 4]. Cada sección perpendicular al eje x es un cuadrado. Halla el volumen.
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El cuadrado en x tiene lado √x:
Respuesta
8. Sin giros ni π: la geometría de la sección fija A(x), y no hace falta nada más.
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Secciones transversales semicirculares 1 pasos
La base de un sólido es el disco x² + y² ≤ 1. Las secciones perpendiculares al eje x son semicírculos apoyados en cuerdas. Halla el volumen.
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La cuerda en x mide 2√(1 − x²), de modo que el radio del semicírculo es √(1 − x²):
Respuesta
2π/3 ≈ 2,0944. La mitad del volumen de la esfera unidad, que tiene círculos enteros donde este sólido tiene semicírculos.
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La esfera 1 pasos
Demuestra que una esfera de radio r tiene un volumen de 4πr³/3.
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Gira el semicírculo y = √(r² − x²) alrededor del eje x: el disco en x tiene radio √(r² − x²).
Respuesta
4πr³/3. Arquímedes lo dedujo como dos tercios del cilindro circunscrito, 2πr³.
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Ruta de aprendizaje
Aplicaciones de la integral
Referencias (4)
- The method as the page computes it: the slicing method, V = ∫ₐᵇ A(x) dx, derived from Riemann sums, the disk method (equation 6.3) and the washer method (equation 6.5, π[(f(x))² − (g(x))²]): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.2, “Determining Volumes by Slicing”.
- Insight block 1: the cone as one third of the cylinder, first stated by Democritus, the proof attributed to Eudoxus by Archimedes in On the Sphere and Cylinder: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Eudoxus of Cnidus”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated April 1999).
- Insight block 3: Cavalieri's principle in his Geometria indivisibilibus continuorum nova quadam ratione promota (1635): J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Bonaventura Francesco Cavalieri”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated July 2014).
- Insight block 3: Zu Geng's principle, “a generalisation of what is often called Cavalieri's principle”; Zu Geng born about 450, died about 520: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Zu Geng”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated December 2003).