¡Buenas! En esta entrada se demostrará matemáticamente las fórmulas que todos conocemos de área y volumen de cuerpos conocidos como cubos, círculos, esferas, pirámides…
Para ello, cómo no, emplearemos la integración numérica, una herramienta matemática esencial para cualquier tipo de cálculo que incluya una suma infinitesimal de diferentes valores.
Para poder comprender a la perfección determinados cálculos expuestos hay que saber como mínimo integrar en una variable, y es muy recomendable visitar este artículo: Integrales dobles y triples. Cambios de variables
Tabla de contenidos
Las fórmulas

Para calcular un área o volumen, lo que se hace es calcular la integral (Simple, doble, triple, curvilínea, de superficie…) de la función constante f=1 sobre el recinto cuyas dimensiones queremos calcular.
Paralelepípedo
Emplear integrales para este cuerpo geométrico es equivalente a matar moscas a cañonazos; no obstante, como primera utilidad básica de las integrales dobles y triples vamos a calcular su volumen
Volumen
Nuestro recinto de integración es un paralelepípedo de lados a,b y c. Por lo tanto, la integral queda:

Círculo
Todo el mundo conoce sus fórmulas: y
. Pero, ¿Cómo se deducen?
Antes que nada, hay que saber que si queremos representar gráficamente una función con forma de circunferencia no se puede representar tan fácilmente de la forma y=f(x) ya que no es inyectiva, es decir, para un valor de x aparecen 2 valores de y (La fórmula general para un radio r y centrado en el origen de coordenadas es . (En el caso de querer pintar un círculo, basta con cambiar = por <=). Por ello se emplea la parametrización:

Cuyo determinante jacobiano, para el cambio de variables es: r
Si quieres saber más de la circunferencia y cómo se obtiene su fórmula de una manera más detallada, este es tu artículo
Aquí puedes jugar un poco con la ecuación de la circunferencia: Enlace a Desmos
Perímetro
El recinto es ese “alambre” que conforma el borde externo del círculo. Por lo tanto, la curva parametrizada de dicho alambre es:

Calculando la integral curvilínea sobre la función constante f=1——->

Área
Para calcular el área basta con calcular la integral sobre el recinto delimitado por la circunferencia. Para facilitar los cálculos pasamos de coordenadas cartesianas (x,y) a polares (r,) empleando el jacobiano r para el cambio de variable.
Esfera
En el caso de las esfera sus fórmulas son algo más desconocidas. para el volumen y
para el área de su superficie.
Al igual que con el círculo, emplearemos otras coordenadas, las coordenadas esféricas. La ecuación de la esfera en cartesianas es .
La parametrización es:
, con
Cuyo jacobiano es
Aquí puedes jugar un poco con la ecuación de la esfera: Entra a Geogebra 3D y pega esto en el editor: Superficie(r*sen(u)*cos(v),r*sen(u)*sen(v),r*cos(u),u,0,pi,v,0,2pi)
Área
Para calcular el área, basta con calcular el recinto recorrido por la parametrización con r=R. Calculamos la integral haciendo el cambio de variable con el jacobiano.
Volumen
Para el volumen calculamos la integral de todo el recinto empleando las variables
Pirámide
La forma de calcular el volumen de una pirámide es idéntica a la de un paralelepípedo; la complicación es establecer los límites de integración (el recinto).
Tirando de lógica, la coordenada z va a ser libre, variando desde 0 a h. Las coordenadas x e y van a depender de la coordenada z en cuanto a los máximos valores que toman, partiendo desde -b/2 a b/2 como máximo en la base y tomando como valor único 0 cuando la z=h (pico de la pirámide). Basándonos en este planteamiento, tomamos los límites de las variables:
Volumen
Calculamos la integral sobre el recinto delimitado por dxdydz
Cono
El cono es muy similar a la pirámide. No obstante, debemos de emplear coordenadas polares para poder parametrizar correctamente la base circular. Emplearemos las variables . Siguiendo una deducción similar a la pirámide nos queda:
Volumen
Calculamos la integral sobre el recinto delimitado por dxdydz y hacemos el cambio de variable a polares con jacobiano r
Que, como anticipábamos, al igual que la pirámide su fórmula es
Cilindro
El cilindro es quizás la figura más intuitiva a la hora de calcular el área de la superficie y su volumen. A pesar de ser obvio, vamos a mostrar cómo se podría calcular su volumen de forma integral (Siendo, claramente, área de la base * altura) para que se comprenda mejor el funcionamiento de integrales triples.
Emplearemos las variables tal que:
Volumen
Calculamos la integral sobre el recinto delimitado por dxdydz y hacemos el cambio de variable a polares con jacobiano r
2 comentarios en «Demostración de las fórmulas de área y volumen mediante integrales»