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Matemática (51) · Unidad 6 — Integrales

Hallar parámetros y aplicaciones de la integral

Acá la integral deja de ser el resultado y pasa a ser un dato: te dicen cuánto tiene que dar y hay que encontrar el parámetro, o te dan una aceleración y hay que llegar a la posición. En los dos casos la integral se usa al revés.

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La explicación

Cuando la integral es el dato

El ejercicio típico de parcial no pide calcular una integral: pide hallar el valor de una letra para que la integral valga algo. El procedimiento es siempre el mismo, y lo importante es que el parámetro se arrastra como si fuera un número durante toda la cuenta.

1. Integrá normalmente, tratando a la letra como una constante.
2. Aplicá Barrow. Te queda una expresión con la letra adentro.
3. Igualá al valor que pide el enunciado. Ahora es una ecuación común.
4. Despejá y descartá las soluciones imposibles: si el parámetro es un extremo de integración, tiene que respetar el orden y el dominio.
5. Reemplazá el valor hallado y verificá que la condición se cumple.

Los dos lugares donde puede estar el parámetro

Cuando el parámetro es un extremo, hay que revisar que el resultado tenga sentido: un extremo negativo cuando la función no está definida ahí, o un a menor que el otro extremo cuando el enunciado pedía un intervalo, se descartan.

Leer un área de un gráfico

Si te dicen que cierta región sombreada mide 10 y esa región está debajo del eje, la integral correspondiente vale −10. Con ese dato y las propiedades del tema 6.4 se calcula todo lo demás, sin conocer la fórmula de la función:

∫ab[k·f(x) + m] dx = k·∫abf(x) dx + m·(b − a)

Ese último término es el área del rectángulo de base b − a y altura m: es el que más se olvida.

De la aceleración a la posición

Es la aplicación física de todo el tema, y usa que la derivada de la posición es la velocidad, y la de la velocidad es la aceleración. Integrando se recorre el camino inverso:

a(t) → ∫ → v(t) → ∫ → x(t)

Cada integración trae una constante, y cada constante se despeja con un dato inicial: la velocidad inicial fija la primera, la posición inicial la segunda. Por eso los enunciados siempre dan v(0) y x(0): sin ellos el problema no tiene una única respuesta.

1. Integrá a(t) y llamá C1 a la constante.
2. Usá el dato de velocidad (casi siempre en t = 0) para despejar C1.
3. Integrá la v(t) ya completa y llamá C2 a la nueva constante.
4. Usá el dato de posición para despejar C2.
5. Recién ahí contestá lo que preguntan.

Y una lectura que aparece seguido: la integral definida de la velocidad entre dos instantes es el desplazamiento en ese lapso, o sea x(t2) − x(t1). Es Barrow aplicado a la física.

El control

Siempre el mismo y siempre barato: reemplazá el valor que hallaste y comprobá que la condición del enunciado se cumple. Si pedían que la integral diera 0 y con tu a da 0, terminaste. Si da otra cosa, el error está en la cuenta y no en el planteo.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Hallar a > 0 tal que la integral definida de 2x + 1 entre 0 y a valga 6.

Planteo: el parámetro está en el extremo de arriba, así que la integral va a quedar como una expresión en a, y de ahí sale una ecuación.

Integro normalmente:

F(x) = x² + x

Aplico Barrow con el extremo de arriba sin número:

∫0a (2x + 1) dx = F(a) − F(0) = (a² + a) − 0 = a² + a

Igualo al valor pedido y resuelvo la ecuación, que quedó cuadrática:

a² + a = 6  →  a² + a − 6 = 0  →  a = 2 o a = −3

Descarto la que no sirve. El enunciado pide a > 0, así que a = 2. (La solución a = −3 no es un error de cuenta: es una solución legítima de la ecuación que el enunciado descarta. Por eso siempre conviene mirar la condición sobre el parámetro antes de contestar.)

Control: reemplazo y verifico que la condición se cumple.

∫02 (2x + 1) dx = (4 + 2) − 0 = 6 ✔

Dónde se pierde el punto: entregar las dos soluciones sin mirar la condición, o quedarse con la negativa. Y no hacer el control, que acá cuesta diez segundos.

Y uno del nivel del parcial

Un móvil tiene aceleración a(t) = 4t + 2 (en m/s^2). En t = 0 su velocidad es 3 m/s y su posición es 0. Hallar la velocidad en t = 2 y la posición en t = 3.

Planteo: me dan la aceleración y quieren posición, así que hay que integrar dos veces, y cada integración necesita su dato inicial para fijar la constante.

Primera integración: de a a v.

v(t) = ∫(4t + 2) dt = 2t² + 2t + C1

El primer dato. v(0) = 3, y en t = 0 los dos términos con t se anulan:

v(0) = 0 + 0 + C1 = 3  →  C1 = 3
v(t) = 2t² + 2t + 3

Lo que pide primero: v(2) = 2·4 + 2·2 + 3 = 8 + 4 + 3 = 15 m/s.

Segunda integración: de v a x. Ahora se integra la velocidad completa, con el 3 incluido:

x(t) = ∫(2t² + 2t + 3) dt = 2t³/3 + t² + 3t + C2

El segundo dato. x(0) = 0 hace que C2 = 0, así que x(t) = 2t³/3 + t² + 3t.

Lo que pide después:

x(3) = 2·27/3 + 9 + 9 = 18 + 9 + 9 = 36 m

Control por otro camino: como x(0) = 0, la posición en t = 3 también es el desplazamiento, o sea la integral de la velocidad entre 0 y 3. Calculándola directo: ∫03(2t² + 2t + 3) dt = 18 + 9 + 9 = 36 ✔ Y un control de razonabilidad: la velocidad media en esos 3 s anda por los 12 m/s, así que 36 m está en el orden correcto.

Dónde se pierde el punto: integrar la aceleración dos veces seguidas sin meter C1 en el medio. Si arrastrás la velocidad sin el 3, la posición te queda 9 metros más corta y todo lo demás está bien hecho.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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