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Cálculo Diferencial e Integral II: Área de una superficie de revolución

Por Miguel Ángel Rodríguez García

Introducción

En la sección anterior vimos como calcular el volumen de una superficie de revolución por el método de capas cilíndricas, ahora, en esta entrada veremos como calcular el área de una superficie de revolución.

Área de una superficie de revolución

Consideremos una región delimitada por el eje $x$, las rectas $x=a$ y $x=b$ y la curva que tiene como función $y=f(x)$, continua en el intervalo $[a , b]$, giramos esta región alrededor del eje $x$ obteniendo una superficie de revolución como en la figura $(1)$.

Figura 1: Aproximación de un cono al area $\Delta S_{i}$

Dividimos el intervalo $[a , b]$ en $n$ subintervalos en donde el i-ésimo subintervalo es $[x_{i-1}, x_{i}]$ y sea $\Delta S_{i}$ el valor del área superficial del i-ésimo subintervalo $[x_{i-1}, x_{i}]$ lo podemos calcular viéndolo como un tronco cónico (encerrado en líneas puntuadas, figura $(1)$) en donde su área de superficial es:

$$S=\pi (r_{1}+r_{2})g \tag{1}$$

Donde $g$ es la generatriz del tronco cónico, $r_{1}$ y $r_{2}$ son los radios respecto al eje de rotación.

Para dar correspondencia a la figura $(1)$, sea $g_{i}= \Delta L_{i}$ la generatriz del i-esimo tronco cónico, que se aproxima a la gráfica $y=f(x)$ como se muestra en la figura $(1)$ en el intervalo $[x_{i-1}, x_{i}]$, por lo que el área superficial del i-esimo tronco cónico designado como $\Delta S_{i}$, lo podemos aproximar mediante la relación $(1)$ como:

$$\Delta S_{i}\approx \pi (f(x_{i-1})+f(x_{i}))\Delta L_{i}$$

Pero $\Delta L_{i}$ lo podemos aproximar por la definición de la longitud de arco en el intervalo $[x_{i-1}, x_{i}]$, así:

$$\Delta L_{i}\approx \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x$$

Con $\Delta x=x_{i}-x_{i-1}$, por tanto:

$$\Delta S_{i}\approx \pi (f(x_{i-1})+f(x_{i}))\sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x \tag{2}$$

Por otro lado, en el curso de Cálculo I, se vio el desarrollo de Taylor de una función $f(x)$, por lo que la definición del desarrollo en Taylor está dado de la forma:

$$y(x+h)\approx y(x)+hy'(x)+\frac{h^{2}y^{\prime \prime}(x)}{2!}+….$$

Aplicando lo anterior para $f(x_{i-1})$ suponiendo que $\Delta^{n} x$ es pequeño respecto al término $\Delta x$, se tiene que:

$$f(x_{i-1})=f(x_{i-1}+x_{i}-x_{i})=f(x_{i}-\Delta x) \approx f(x_{i})-f'(x_{i})\Delta x$$

Substituyendo en $\Delta S_{i}$ $(2)$, tenemos que:

$$\Delta S_{i}\approx \pi \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})} (f(x_{i-1})+f(x_{i}))\Delta x=\pi \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x (f(x_{i})-f'(x_{i})\Delta x+f(x_{i}))$$

$$=\pi \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x (2f(x_{i})-f'(x_{i})\Delta x)=\pi \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x 2f(x_{i})-\pi \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta^{2} x f'(x_{i})$$

Observemos que cuando $n$ es demasiado grande el termino $\Delta^{2} x$ es pequeño respecto al término $\Delta x$, por lo que para $n$ lo suficientemente grande podemos despreciar el termino $\Delta^{2}x$, así:

$$\Delta S_{i}\approx 2 \pi f(x_{i}) \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x$$

Sumando todas las $n$ áreas superficiales y tendiendo $n \to \infty$ tenemos que el área de superficie $A_{s}$ es:

$$A_{s}=\lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^{n} \Delta S_{i}=\lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^{n} 2 \pi f(x_{i}) \sqrt{1+(f'(x_{i})^{2})}\Delta x$$

Se define el área superficial de un sólido de revolución si una función $f(x)\geq 0$ es continua en el intervalo $[a, b]$ y gira alrededor del eje $x$ como:

$$A_{s}=\int_{a}^{b} 2 \pi y \sqrt{1+\left ( \frac{dy}{dx} \right )^{2}}dx =\int_{a}^{b} 2 \pi f(x) \sqrt{1+(f'(x)^{2})}dx \tag{3}$$

Análogamente, se define el área superficial de un sólido de revolución alrededor del eje $y$ como:

$$A_{s}=\int_{c}^{d} 2 \pi x \sqrt{1+\left ( \frac{dx}{dy} \right )^{2}}dy =\int_{c}^{d} 2 \pi f(y) \sqrt{1+(f'(y)^{2})}dy \tag{4}$$

Ejemplos

  • Determinar el área de la superficie generada al hacer girar la curva $2\sqrt{x}$, donde $1 \leq x \leq 2$ alrededor del eje x.
Figura 2: Grafica de la función $f(x)=2\sqrt{x}$ y su correspondiente superficie de revolución.

Tenemos que $a=1$, $b=2$ y la curva que tiene como función $f(x)=2\sqrt{x}$, derivando obtenemos:

$$\frac{dy}{dx}f(x)=\frac{1}{\sqrt{x}}$$

La gráfica la vemos en la figura $(2)$, así, utilizamos la relación $(3)$ y calculamos el área como:

$$S=\int_{1}^{2} 2\pi (2\sqrt{x}) \sqrt{1+\left ( \frac{1}{\sqrt{x}} \right )^{2}}dx$$

Vemos que:

$$\sqrt{1+\left ( \frac{1}{\sqrt{x}} \right )^{2}}=\sqrt{1+\frac{1}{x}}=\sqrt{\frac{x+1}{x}}=\frac{\sqrt{x+1}}{\sqrt{x}}$$

Sustituyendo esta expresión:

$$S=\int_{1}^{2} 2\pi (2\sqrt{x}) \frac{\sqrt{x+1}}{\sqrt{x}} dx= \int_{1}^{2} 4\pi \sqrt{x+1} dx$$

Utilizando el método de sustitución tenemos que esta integral nos da por resultado:

$$S=4\pi \frac{2}{3}\left [ (x+1)^{2/3} \right ]\bigg|_{1}^{2}=\frac{8 \pi}{3}(3\sqrt{3}-2\sqrt{2})$$

  • El segmento de recta $x=1-y$, $0 \leq y \leq 1$ se hace girar alrededor del eje $y$ para generar el cono de la figura $(3)$, determinar el área de su superficie lateral (la cual excluye el área de la base).
Figura 3: Grafica de la recta $x=1-y$ y su correspondiente superficie de revolución.

Tenemos que $c=0$, $d=1$ y la función de la curva:

$$x=1-y \Rightarrow \frac{dx}{dy}=-1 \Rightarrow \sqrt{1+\left ( \frac{dx}{dy} \right )^{2}}=\sqrt{1+(-1)^{2}}=\sqrt{2}$$

Utilizamos la relación $(4)$ y calculamos el área superficial como:

$$S= \int_{0}^{1} 2\pi f(y) \sqrt{2}dy=\int_{0}^{1} 2\pi (1-y) \sqrt{2}dy=2\pi \sqrt{2}\left [ y-\frac{y^{2}}{2} \right ]\bigg|_{0}^{1}=2\pi \sqrt{2}(1-\frac{1}{2})=\pi \sqrt{2}$$

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no son para evaluación, pero son ejercicios para que practiques lo aprendido que te ayudaran en el desarrollo del entendimiento del tema, por lo que te invitamos a resolver los siguientes ejercicios propuestos relacionados con el tema visto.

  1. El segmento de recta $y=\frac{x}{2}$, $0 \leq x \leq 4$ se hace girar alrededor del eje x para generar un cono, determinar el área de su superficie lateral.
  2. Un segmento de recta $y=\sqrt{2}$, $\frac{3}{4} \leq x \leq \frac{15}{4}$ se hace girar alrededor del eje x determinar el área de su superficie.
  3. El segmento de recta $x=\frac{y^{3}}{3}$, $0 \leq y \leq 1$ se hace girar alrededor del eje y determinar el área de su superficie.
  4. Un segmento de recta $x=2 \sqrt{4-y}$, $0 \leq y \leq \frac{15}{4}$ se hace girar alrededor del eje y determinar el área de su superficie.
  5. El segmento de recta $y= \sqrt{x+1}$, $1 \leq x \leq 5$ se hace girar alrededor del eje x determinar el área de su superficie.

Más adelante…

En esta entrada vimos como calcular el área de superficie de un sólido generado a partir de una curva respecto de un eje. En la siguiente sección trabajaremos con un teorema relacionado con el cálculo de estas áreas llamado el teorema de Pappus-Guldinus.

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