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6° Naturales · Matemática
Integrales · Integral definida

Teorema fundamental del cálculo y regla de Barrow

Te conviene dominar: Reglas de derivación (5° año de la Escuela Secundaria (Ciclo Superior))
Te conviene dominar: Continuidad de funciones (5° año de la Escuela Secundaria (Ciclo Superior))

Una cooperativa agrícola de Mendoza mide cuántos litros por minuto entran a un tanque de riego y quiere saber cuántos litros se juntaron en total. Sumar rectángulos para cada función sería interminable. ¿Existe un método rápido que use lo que ya sabés de derivadas? Sí: la regla de Barrow, que se apoya en el teorema fundamental del cálculo. Al final de la página volvemos a esta pregunta.

La regla de Barrow

Una integral definida se calcula con cualquier primitiva (antiderivada) del integrando: evaluás la primitiva en los dos extremos y restás.

Esquema de la regla de Barrow: la integral definida es la primitiva evaluada en b menos la primitiva evaluada en a. ∫ₐᵇ f(x) dx = G(b) − G(a) 1. buscá una primitiva G de f 2. evaluá en b y en a, y restá

Además de Barrow, vas a usar estas propiedades de la integral definida.

Practica★☆☆Sin empezar
Un panel solar térmico tiene un diseño cuya sección transversal superior está delimitada por la función $f(x) = 3x^2 + 2$, donde $x$ se mide en metros. Calcula el valor…

Un panel solar térmico tiene un diseño cuya sección transversal superior está delimitada por la función $f(x) = 3x^2 + 2$, donde $x$ se mide en metros. Calcula el valor de la integral definida en el intervalo $[0, 2]$ utilizando la Regla de Barrow.

0 1 2 x 2 14 y f(x) = 3x² + 2 ∫₀² f(x) dx
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El consumo eléctrico de una vivienda durante la primera hora de la mañana se modeliza mediante la función $f(x) = e^x + x$, donde $x$ es el tiempo en horas. Calcula el…

El consumo eléctrico de una vivienda durante la primera hora de la mañana se modeliza mediante la función $f(x) = e^x + x$, donde $x$ es el tiempo en horas. Calcula el consumo total acumulado, representado por la integral definida:

$$\int_{0}^{1} (e^x + x) \, dx$$
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Dada una función $f(x)$ continua en el intervalo $[1, 8]$, se conocen los valores de las siguientes integrales definidas: $\int_1^5 f(x) \, dx = 7$…

Dada una función $f(x)$ continua en el intervalo $[1, 8]$, se conocen los valores de las siguientes integrales definidas:

  • $\int_1^5 f(x) \, dx = 7$

  • $\int_5^8 f(x) \, dx = -3$

Utiliza las propiedades de la integral definida para calcular el valor de $\int_1^8 2 \cdot f(x) \, dx$.

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Calcula el valor de la integral definida de la siguiente función definida a trozos en el intervalo $[0, 2]$: $$f(x) = \begin{cases} e^{2x} & \text{si } 0 \le x \le 1 \\…

Calcula el valor de la integral definida de la siguiente función definida a trozos en el intervalo $[0, 2]$:

$$f(x) = \begin{cases} e^{2x} & \text{si } 0 \le x \le 1 \\ \frac{e^2}{x} & \text{si } 1 < x \le 2 \end{cases}$$

Comprueba previamente si la función es continua en $x = 1$ para asegurar que es integrable.

0 1 2 x 1 e² y f(x) = e²ˣ f(x) = e²/x (1, e²) A₁ A₂
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Áreas y valor medio con Barrow

La integral definida es un área con signo: cuenta positivo lo que está sobre el eje $x$ y negativo lo que está debajo. Por eso, para hallar el área geométrica hay que cuidar el signo.

Gráfica de sen x entre 0 y π, con el área bajo la curva sombreada, que vale 2. área = 2 0 π x
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Calcula el área del recinto plano limitado por la gráfica de la función $f(x) = \sin(x)$, el eje de abscisas $OX$ y las rectas verticales $x = 0$ y $x = \pi$. Esboza el…

Calcula el área del recinto plano limitado por la gráfica de la función $f(x) = \sin(x)$, el eje de abscisas $OX$ y las rectas verticales $x = 0$ y $x = \pi$. Esboza el recinto antes de aplicar la Regla de Barrow.

X Y 0 1 π/2 π f(x) = sin(x) x=0 x=π S

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

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Determina el área de la región encerrada entre la curva $f(x) = x^2 - 4$ y el eje $OX$ en el intervalo $[0, 2]$. Recuerda que si la función es negativa en el intervalo,…

Determina el área de la región encerrada entre la curva $f(x) = x^2 - 4$ y el eje $OX$ en el intervalo $[0, 2]$. Recuerda que si la función es negativa en el intervalo, el área se corresponde con el valor absoluto de la integral definida.

x y −2 −1 1 2 3 1 −1 −2 −3 −4 0 f(x) = x² - 4 (0, −4) Área
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Determina el valor del parámetro real positivo $a$ sabiendo que el área limitada por la curva $f(x) = 3x^2$, el eje $OX$ y las rectas verticales $x = 0$ y $x = a$ es…

Determina el valor del parámetro real positivo $a$ sabiendo que el área limitada por la curva $f(x) = 3x^2$, el eje $OX$ y las rectas verticales $x = 0$ y $x = a$ es exactamente igual a 27 unidades de área. Utiliza para ello la Regla de Barrow.

X Y 0 a f(a) f(x) = 3x² Área = 27 u²
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Dada la función $f(x) = |x^2 - 2x|$, calcula el valor de la integral definida en el intervalo $[0, 3]$ utilizando la Regla de Barrow: $$\int_0^3 |x^2 - 2x| \, dx$$…

Dada la función $f(x) = |x^2 - 2x|$, calcula el valor de la integral definida en el intervalo $[0, 3]$ utilizando la Regla de Barrow:

$$\int_0^3 |x^2 - 2x| \, dx$$

Explica brevemente por qué es necesario dividir el intervalo de integración para resolver este ejercicio.

0 1 2 3 −1 1 2 3 x y f(x) = |x² - 2x| y = x² - 2x A₁ A₂
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La velocidad de un prototipo de vehículo eléctrico durante los primeros 4 segundos de una prueba viene dada por la función $v(t) = t^2 - 3t + 4$ (en m/s). a) Calcula el…

La velocidad de un prototipo de vehículo eléctrico durante los primeros 4 segundos de una prueba viene dada por la función $v(t) = t^2 - 3t + 4$ (en m/s).

  1. a) Calcula el espacio total recorrido por el vehículo entre los instantes $t = 1$ s y $t = 3$ s aplicando la Regla de Barrow.
  2. b) Justifica si el vehículo se detiene en algún momento durante ese intervalo.
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Halla el valor medio de la función $f(x) = \sqrt{x+1}$ en el intervalo $[0, 3]$ y determina el punto $c \in (0, 3)$ cuya existencia garantiza el Teorema del Valor Medio…

Halla el valor medio de la función $f(x) = \sqrt{x+1}$ en el intervalo $[0, 3]$ y determina el punto $c \in (0, 3)$ cuya existencia garantiza el Teorema del Valor Medio del Cálculo Integral. Interpreta el resultado geométricamente.

0 1 2 3 c 1 2 f(c) f(x) = √(x+1)
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Dada la función $f(x) = x^2 - 4$, considera la función integral $H(x) = \int_{0}^{x} |f(t)| \, dt$. a) Expresa $H(x)$ como una función definida a trozos para valores de…

Dada la función $f(x) = x^2 - 4$, considera la función integral $H(x) = \int_{0}^{x} |f(t)| \, dt$.

  1. a) Expresa $H(x)$ como una función definida a trozos para valores de $x \in [0, 5]$.
  2. b) Estudia la derivabilidad de $H(x)$ en el punto $x = 2$. ¿Es aplicable directamente el Teorema Fundamental del Cálculo en ese punto?
  3. c) Utiliza la Regla de Barrow para calcular el valor exacto de $H(3)$.
t y A₁ A₂ 2 3 4 −4 y = |t² - 4| y = t² - 4
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El logotipo de una nueva marca de ropa urbana está delimitado por las gráficas de las funciones $f(x) = \operatorname{sen}(\pi x)$ y $g(x) = ax$, con $a > 0$, en el…

El logotipo de una nueva marca de ropa urbana está delimitado por las gráficas de las funciones $f(x) = \operatorname{sen}(\pi x)$ y $g(x) = ax$, con $a > 0$, en el primer cuadrante.

  1. a) Determina el valor de $a$ para que la recta $y = ax$ pase por el máximo relativo de la función $f(x)$ en el intervalo $[0, 1]$.
  2. b) Para el valor de $a$ hallado, calcula mediante la Regla de Barrow el área de la región encerrada entre ambas gráficas.
0 0,5 1 1 x y f(x) = sen(πx) g(x) = ax Máximo Área
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La función definida por una integral

Fijá el extremo inferior $a$ y dejá que el superior varíe: para cada $x$, $F(x) = \int_a^x f(t)\,dt$ es el área acumulada desde $a$ hasta $x$. $F$ es una función nueva, con un valor por cada $x$.

Animación de la función integral: la línea discontinua vertical se desplaza por el eje hacia la derecha y luego hacia la izquierda, y el área sombreada bajo la curva desde a hasta x crece y decrece con ella. La etiqueta F(x) = área hasta x acompaña al borde. a x F(x) = área hasta x

El teorema fundamental del cálculo

Acá está la pieza que une la derivada con la integral: la derivada del «área acumulada» es la función original. Lo vas a usar sin demostración.

Una idea gráfica: si $x$ avanza un poquito, el área gana una franja angosta cuya altura es $f(x)$. Por eso la rapidez con que crece el área es justo $f(x)$.

Esquema del teorema fundamental: integrar y derivar son operaciones inversas, F(x) igual a la integral de a a x de f y F'(x) igual a f(x). F(x) = ∫ₐˣ f(t) dt ⇄ F′(x) = f(x) integrar y derivar son operaciones inversas

Cuando el límite superior no es $x$ sino una función de $x$ (por ejemplo $x^2$), se suma la regla de la cadena.

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Un programador de videojuegos está diseñando la trayectoria de un proyectil. La velocidad del objeto en función del tiempo $t$ viene dada por la expresión…

Un programador de videojuegos está diseñando la trayectoria de un proyectil. La velocidad del objeto en función del tiempo $t$ viene dada por la expresión $v(t) = \int_1^t (3x^2 - 4x) \, dx$.

Aplica el Teorema Fundamental del Cálculo Integral para hallar la expresión de la aceleración instantánea $a(t)$, sabiendo que la aceleración es la derivada de la velocidad respecto al tiempo ($a(t) = v'(t)$).

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Halla el valor de la derivada de la siguiente función integral en el punto $x = 2$: $$F(x) = \int_{0}^{x} \sqrt{t^3 + 1} \, dt$$ Explica qué teorema matemático estás…

Halla el valor de la derivada de la siguiente función integral en el punto $x = 2$:

$$F(x) = \int_{0}^{x} \sqrt{t^3 + 1} \, dt$$

Explica qué teorema matemático estás utilizando para resolver el problema sin necesidad de calcular la primitiva.

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Practica★★☆Sin empezar
Calcula la función derivada $F'(x)$ de la siguiente función integral utilizando el Teorema Fundamental del Cálculo y la regla de la cadena: $$F(x) = \int_{1}^{x^2}…

Calcula la función derivada $F'(x)$ de la siguiente función integral utilizando el Teorema Fundamental del Cálculo y la regla de la cadena:

$$F(x) = \int_{1}^{x^2} \frac{\ln(t)}{t + 1} \, dt$$

Indica el dominio de definición de la función $F(x)$ para que la integral esté bien definida.

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Usar el teorema: tangentes, crecimiento y extremos

Como $F'(x)=f(x)$, el signo del integrando te dice cómo se comporta $F$ sin calcular ninguna primitiva: si $f>0$, $F$ crece; si $f<0$, decrece; donde $f$ cambia de positivo a negativo, $F$ tiene un máximo relativo, y si cambia de negativo a positivo, un mínimo relativo. Y la derivada de $f$ da la curvatura de $F$, porque $F''=f'$.

Practica★★☆Sin empezar
Sea la función $G(x)$ definida por: $$G(x) = \int_{0}^{x} (t^2 - 4)e^{t} \, dt$$ Halla la ecuación de la recta tangente a la gráfica de $G(x)$ en el punto de abscisa…

Sea la función $G(x)$ definida por:

$$G(x) = \int_{0}^{x} (t^2 - 4)e^{t} \, dt$$

Halla la ecuación de la recta tangente a la gráfica de $G(x)$ en el punto de abscisa $x = 0$.

Nota: Recuerda que para hallar la ordenada del punto de tangencia debes calcular $G(0)$ y para la pendiente debes aplicar el Teorema Fundamental del Cálculo.

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Dada la función integral $H(x) = \int_{0}^{x} \frac{t-1}{t^2+4} \, dt$: a) Halla los intervalos de crecimiento y decrecimiento de $H(x)$. b) Determina las coordenadas de…

Dada la función integral $H(x) = \int_{0}^{x} \frac{t-1}{t^2+4} \, dt$:

  1. a) Halla los intervalos de crecimiento y decrecimiento de $H(x)$.
  2. b) Determina las coordenadas de los extremos relativos (máximos o mínimos) de $H(x)$ y clasifícalos.
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Un equipo de ingenieros está diseñando la trayectoria de un dron de carreras. La velocidad vertical del dron en el intervalo de tiempo $[0, 4]$ segundos viene dada por…

Un equipo de ingenieros está diseñando la trayectoria de un dron de carreras. La velocidad vertical del dron en el intervalo de tiempo $[0, 4]$ segundos viene dada por la función $v(t) = \int_{0}^{t} \frac{1}{1 + z^4} \, dz$.

  1. a) Sin calcular la integral explícitamente, justifica por qué el dron siempre está subiendo o manteniéndose en la misma altura.
  2. b) Calcula la aceleración vertical del dron en el instante $t = 1$ segundo.
  3. c) ¿En qué instante la aceleración vertical es máxima? Justifica tu respuesta estudiando la derivada segunda de la posición.
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Sin realizar cálculos complejos de integración, justifica razonadamente por qué el valor de la siguiente integral es igual a $0$, basándote en las propiedades de las…

Sin realizar cálculos complejos de integración, justifica razonadamente por qué el valor de la siguiente integral es igual a $0$, basándote en las propiedades de las funciones impares y la simetría del intervalo:

$$\int_{-2}^{2} (x^5 + 3x^3 - x) \, dx$$

La figura muestra la gráfica de $f(x)=x^5+3x^3-x$ en el intervalo $[-2,\,2]$, con las regiones comprendidas entre la curva y el eje $X$ sombreadas.

Gráfica de f(x) = x⁵ + 3x³ − x entre x = −2 y x = 2, con las regiones entre la curva y el eje X sombreadasxy−220y = f(x)
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Sea la función $f(t) = \frac{\ln(t)}{t^2}$ definida para $t > 0$. Se define una nueva función integral $G(x)$ como: $$G(x) = \int_{x}^{x^2} f(t) \, dt$$ a) Aplicando el…

Sea la función $f(t) = \frac{\ln(t)}{t^2}$ definida para $t > 0$. Se define una nueva función integral $G(x)$ como:

$$G(x) = \int_{x}^{x^2} f(t) \, dt$$
  1. a) Aplicando el Teorema Fundamental del Cálculo y la regla de la cadena, obtén la expresión de la derivada $G'(x)$.
  2. b) Determina los intervalos de crecimiento y decrecimiento de $G(x)$ en su dominio.
  3. c) Halla el valor de $x > 1$ para el cual la función $G(x)$ alcanza un máximo relativo.
t y 1 x x² f(t) G(x)
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Calcula el valor del siguiente límite utilizando la Regla de L'Hôpital y el Teorema Fundamental del Cálculo: $$\lim_{x \to 0} \frac{\int_{0}^{x^2} \left( e^{t^2} - 1…

Calcula el valor del siguiente límite utilizando la Regla de L'Hôpital y el Teorema Fundamental del Cálculo:

$$\lim_{x \to 0} \frac{\int_{0}^{x^2} \left( e^{t^2} - 1 \right) \, dt}{x^6}$$

Explica razonadamente cada paso, justificando la derivación de la función integral.

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Sea $f(x)$ una función continua en $\mathbb{R}$ tal que $\int_{0}^{1} f(x) \, dx = 2$. Halla el valor de la constante $k$ para que la siguiente igualdad se cumpla,…

Sea $f(x)$ una función continua en $\mathbb{R}$ tal que $\int_{0}^{1} f(x) \, dx = 2$. Halla el valor de la constante $k$ para que la siguiente igualdad se cumpla, sabiendo que el área bajo la curva de la izquierda se ha desplazado y escalado:

$$\int_{0}^{2} f\left(\frac{x}{2}\right) \, dx + \int_{1}^{\sqrt{2}} x \cdot f(x^2 - 1) \, dx = k$$

Utiliza el método de cambio de variable en las integrales definidas para relacionarlas con el dato inicial.

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Sea la función definida por la integral $F(x) = \int_{0}^{x} \frac{t - 1}{e^t + 1} \, dt$. a) Halla los puntos críticos de $F(x)$ y clasifícalos utilizando el criterio…

Sea la función definida por la integral $F(x) = \int_{0}^{x} \frac{t - 1}{e^t + 1} \, dt$.

  1. a) Halla los puntos críticos de $F(x)$ y clasifícalos utilizando el criterio de la primera derivada.
  2. b) Estudia la curvatura de $F(x)$ y determina si posee puntos de inflexión.
  3. c) ¿Existe algún valor de $x$ para el cual $F(x)$ sea negativo? Razona la respuesta basándote en el signo del integrando y los límites de integración.
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Considera la función integral $L(x) = \int_{1}^{x} \frac{\sqrt{1 + t^3}}{t} \, dt$ definida para $x \geq 1$. a) Demuestra que $L(x)$ es una función estrictamente…

Considera la función integral $L(x) = \int_{1}^{x} \frac{\sqrt{1 + t^3}}{t} \, dt$ definida para $x \geq 1$.

  1. a) Demuestra que $L(x)$ es una función estrictamente creciente en su dominio.
  2. b) Se sabe que la gráfica de $L(x)$ tiene una recta tangente en el punto de abscisa $x = 2$ cuya ecuación es $y = mx + n$. Calcula el valor de la pendiente $m$.
  3. c) Determina la aceleración de crecimiento de la pendiente (derivada segunda) en ese mismo punto.
x y 0 1 2 L(2) P(2, L(2)) L(x) y = mx + n Δx = 1 Δy = m
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Resumen

Volviendo al tanque de riego: si $q(t)$ son los litros por minuto, el total acumulado entre $t_1$ y $t_2$ es $\int_{t_1}^{t_2} q(t)\,dt=Q(t_2)-Q(t_1)$, con $Q$ una primitiva de $q$.

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