2. Área Sob uma Curva por Integração

por M. Bourne

Conhecemos áreas sob curvas mais cedo na secção Integração (ver 3. Área Sob uma Curva), mas aqui desenvolvemos o conceito mais profundamente. (Pode também estar interessado em Arquimedes e na área de um segmento parabólico, onde aprendemos que Arquimedes compreendeu as ideias por detrás do cálculo, 2000 anos antes de Newton e Leibniz o terem feito!)

É importante esboçar a situação antes de começar.

Desejamos encontrar a área sob a curva `y = f(x)` de `x = a` a `x = b`.

Podemos ter várias situações:

Caso 1: Curvas que estão inteiramente acima do eixo x.

A curva y = f(x), completamente acima do eixo x. Mostra um rectângulo “típico”, Δx largo e y alto.

Neste caso, encontramos a área simplesmente encontrando a integral:

`”Área”=int_a^bf(x)dx`

De onde veio esta fórmula?

Continua abaixo ⇩

Mini-electuras de vídeo

Para algum fundo:

Mini-electuras de Integração

Diferença entre Integrais Indefinidos e Definitivos

Integração por Substituição

Área sob uma Curva dos Primeiros Princípios

No diagrama acima, é mostrado um “rectângulo típico” com largura `Δx` e altura `y`. A sua área é `yΔx`.

Se adicionarmos todos estes rectângulos típicos, começando em `a` e terminando em `b`, a área é aproximadamente:

`sum_{x=a}^\b(y)Deltax`

Agora se deixarmos `Δx → 0`, podemos encontrar a área exacta por integração:

`”Área”=int_a^bf(x)dx`

Isto decorre dos Sums de Riemann, do capítulo Introdução à Integração.

Exemplo do caso 1

Need Graph Paper?

P>Encontrar a área por baixo da curva `y = x^2+ 2` de `x = 1` a `x = 2`.

Resposta

A curva y = x2 + 2, mostrando a parte sob a curva de x = 1 a x = 2.

`texto = int_a^b f(x) dx`

“=int_1^2(x^2+2)dx`

`=_1^2“

“`=“

`=13/3\ texto^2`

Caso 2: Curvas que estão inteiramente abaixo do eixo x

Consideramos o caso em que a curva está abaixo do eixo `x`- para a gama de valores `x` a ser considerada.

Neste caso, o integral dá um número negativo. Precisamos de tomar o valor absoluto deste para encontrar a nossa área:

`”Área”=|int_a^bf(x)dx|“

Exemplo do Caso 2

Encontrar a área delimitada por `y = x^2 – 4`, o eixo `x` e as linhas `x = -1` e `x = 2`.

Resposta

A curva y = x2 – 4, mostrando a parte sob a curva de x = -1 a x = 2.

A área requerida está totalmente abaixo do eixo `x` neste exemplo, pelo que precisamos de utilizar sinais de valor absoluto.

`texto = |int_a^bf(x) dx|`

“=|int_-1^2(x^2-4) dx|`

`=|_-1^2|`

“==|`

“=|-9|`

`==9\ texto^2`

Caso 3: Parte da curva está abaixo do eixo x, parte dela está acima do eixo x

Neste caso, temos de somar as partes individuais, tomando o valor absoluto da secção onde a curva está abaixo do eixo `x`- (de `x = a` a `x = c`).

`”Área”=|int_a^cf(x)dx|+int_c^bf(x)dx`

se não o fizermos desta forma, a área “negativa” (a parte abaixo do eixo `x`) será subtraída da parte “positiva”, e a nossa área total não será correcta.

Exemplo do Caso 3

Qual é a área delimitada pela curva `y = x^3`, `x = -2` e `x = 1`?

Resposta

A curva y = x3, mostrando a parte sob a curva de x = -2 a x = 1.

Podemos ver pelo gráfico que a porção entre `x = -2` e `x = 0` está abaixo do eixo x, pelo que precisamos de tomar o valor absoluto para essa porção.

“texto= |int_-2^0x^3 dx|+int_0^1x^3 dx`

“=|_-2^0|+_0^1“

`=|(0-16/4)|+(1/4-0)`

`==4+1/4“

`==4.25\ text^2`

Não o faça assim!

Se encontrar cegamente o integral do limite inferior ao limite superior, não obterá a área real em tais casos.

`texto= int_(-2)^1x^3 dx`

“_(-2)^1`

`=(1/4-16/4)`

`=-15/4`

`=-3.25`

Esta não é a resposta correcta para a área sob a curva. É o valor da integral, mas claramente uma área não pode ser negativa.

É sempre melhor esboçar a curva antes de encontrar áreas sob curvas.

Sumário (até agora)

Em cada um dos casos 1, 2 e 3, estamos a somar elementos da esquerda para a direita, assim:

Estamos (efectivamente) a encontrar a área ao colocar horizontalmente as áreas dos rectângulos, largura `dx` e alturas `y` (que encontramos ao substituir os valores de `x` por `f(x)`).

Então

`A=int_a^bf(x)dx`

(com sinais de valor absoluto, se a curva passar por baixo do eixo `x`).

Caso 4: Certas curvas são muito mais fáceis de somar verticalmente

Em alguns casos, é mais fácil encontrar a área se tomarmos somas verticais. Por vezes a única forma possível é somar verticalmente.

Neste caso, descobrimos que a área é a soma dos rectângulos, alturas `x = f(y)` e largura `dy`.

Se nos for dado `y = f(x)`, então precisamos de reexprimir isto como `x = f(y)` e precisamos de somar de baixo para cima.

Então, no caso 4, temos:

“A=int_c^df(y)dy`

Exemplo do Caso 4

P>Conte a área da região delimitada pela curva `y=sqrt(x-1)`, o eixo `y` e as linhas `y = 1` e `y = 5`.

Resposta

Sketch first:

51015202530123456xy

x
dy
x = y2 + 1

A curva x = y2 + 1, mostrando a parte “debaixo” da curva de y = 1 a y = 5.

Neste caso, exprimimos x em função de y:

`y=sqrt{x-1}`

`y^2=x-1`

`x=y^2+1“

Então a área é dada por:

“A=int_1^5(y^2+1) dy=_1^5`

`=45 1/3\ text`

Nota: Para este exemplo em particular, poderíamos também tê-lo resumido horizontalmente (integrando `y` e utilizando `dx`), mas primeiro teríamos de o dividir em secções.

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