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Integrais

Área entre curvas: a de cima menos a de baixo, passo a passo

Calcule a área entre duas curvas passo a passo: a de cima menos a de baixo, pontos de interseção, curvas que se cruzam e quando integrar em relação a y.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura

Nesta página
  1. A fórmula da área entre duas curvas
  2. Como calcular a área entre curvas em 5 passos
  3. Exemplo resolvido 1: uma reta e uma parábola
  4. Exemplo resolvido 2: uma parábola voltada para baixo e uma reta
  5. Exemplo resolvido 3: curvas que se cruzam
  6. Integrando em relação a y
  7. Referência rápida: dx ou dy?
  8. Erros comuns com área entre curvas
  9. Pratique o cálculo de áreas entre curvas

Você já sabe calcular a área sob uma curva. Mas e a área presa entre uma parábola e uma reta, ou entre \sin x e \cos x? A ideia é simples (subtrair a de baixo da de cima), e o trabalho de verdade está em encontrar onde as curvas se encontram e acompanhar qual delas está em cima.

A fórmula da área entre duas curvas

Se f(x) \ge g(x) em [a, b], a área da região entre elas é

A = \int_a^b \big[f(x) - g(x)\big]\,dx

Em palavras: a de cima menos a de baixo, integrada da esquerda para a direita.

Por que funciona? Fatie a região em faixas verticais finas. Cada faixa tem largura dx e altura igual à distância entre as curvas, f(x) - g(x). Somar todas as faixas é exatamente o que a integral faz. Não importa se as curvas estão acima ou abaixo do eixo x: a distância entre elas continua a mesma.

Como calcular a área entre curvas em 5 passos

  1. Esboce as curvas, mesmo que de forma grosseira.
  2. Encontre as interseções igualando as duas funções e resolvendo. Elas geralmente são os seus limites.
  3. Decida qual curva está em cima usando um ponto de teste entre as interseções.
  4. Monte \int_a^b (\text{cima} - \text{baixo})\,dx.
  5. Integre e calcule com o Teorema Fundamental do Cálculo.

Exemplo resolvido 1: uma reta e uma parábola

Encontre a área entre y = x e y = x^2.

Passo 1. Interseções. Faça x = x^2, então x^2 - x = 0, x(x - 1) = 0, o que dá x = 0 e x = 1.

Passo 2. Qual está em cima? Teste x = \frac{1}{2}: a reta dá 0.5, a parábola dá 0.25. A reta está em cima.

Passo 3. Monte e integre.

A = \int_0^1 (x - x^2)\,dx = \left[\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}\right]_0^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{1}{6}

Exemplo resolvido 2: uma parábola voltada para baixo e uma reta

Encontre a área da região limitada por y = 4 - x^2 e y = x + 2.

Região limitada pela parábola y = 4 − x² e pela reta y = x + 2, que se encontram em x = −2 e x = 1
As curvas se interceptam em (-2, 0) e (1, 3). Entre esses pontos, a parábola está em cima.

Passo 1. Interseções. Faça 4 - x^2 = x + 2:

x^2 + x - 2 = 0 \quad\Rightarrow\quad (x + 2)(x - 1) = 0 \quad\Rightarrow\quad x = -2,\ x = 1

Passo 2. Qual está em cima? Teste x = 0: a parábola dá 4, a reta dá 2. A parábola está em cima.

Passo 3. Monte. Primeiro simplifique a de cima menos a de baixo:

(4 - x^2) - (x + 2) = 2 - x - x^2

Passo 4. Integre.

A = \int_{-2}^{1} (2 - x - x^2)\,dx = \left[2x - \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}\right]_{-2}^{1}

Em x = 1: 2 - \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{7}{6}.

Em x = -2: -4 - 2 + \frac{8}{3} = -\frac{10}{3}.

A = \frac{7}{6} - \left(-\frac{10}{3}\right) = \frac{7}{6} + \frac{20}{6} = \frac{27}{6} = \frac{9}{2}

O gráfico abaixo mostra a mesma ideia de outro jeito. A área entre duas curvas é igual à área sob a diferença f(x) - g(x), que aqui é a parábola y = 2 - x - x^2.

Área sob a função diferença y = 2 − x − x² de −2 a 1, igual à área entre as curvas
Integrar a de cima menos a de baixo é o mesmo que encontrar a área sob y = 2 - x - x^2. As duas valem \frac{9}{2}.

Exemplo resolvido 3: curvas que se cruzam

Encontre a área entre y = \sin x e y = \cos x de x = 0 até x = \frac{\pi}{2}.

Passo 1. Interseções. \sin x = \cos x quando \tan x = 1, então x = \frac{\pi}{4} neste intervalo. As curvas se cruzam dentro do intervalo.

Passo 2. Qual está em cima, parte por parte?

  • Em [0, \frac{\pi}{4}]: em x = 0, \cos 0 = 1 > \sin 0 = 0. O cosseno está em cima.
  • Em [\frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{2}]: em x = \frac{\pi}{2}, \sin = 1 > \cos = 0. O seno está em cima.

Passo 3. Divida e integre.

\int_0^{\pi/4} (\cos x - \sin x)\,dx = \Big[\sin x + \cos x\Big]_0^{\pi/4} = \left(\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}\right) - (0 + 1) = \sqrt{2} - 1
\int_{\pi/4}^{\pi/2} (\sin x - \cos x)\,dx = \Big[-\cos x - \sin x\Big]_{\pi/4}^{\pi/2} = (0 - 1) - \left(-\sqrt{2}\right) = \sqrt{2} - 1

Passo 4. Some.

A = 2(\sqrt{2} - 1) = 2\sqrt{2} - 2 \approx 0.828

Se você tivesse integrado \cos x - \sin x no intervalo inteiro sem dividir, as duas partes se cancelariam e você obteria 0, que claramente não é a área.

Dica: uma forma compacta de escrever isso é A = \int_a^b |f(x) - g(x)|\,dx. O módulo serve de lembrete para dividir onde quer que as curvas se cruzem.

Integrando em relação a y

Algumas regiões são difíceis de fatiar na vertical. Se a região é limitada à esquerda e à direita por curvas da forma x = h(y), fatie na horizontal:

A = \int_c^d \big[\text{direita}(y) - \text{esquerda}(y)\big]\,dy

em que c e d são valores de y.

Exemplo resolvido 4: uma parábola deitada e uma reta

Encontre a área entre x = y^2 e y = x - 2.

Região entre a parábola deitada x = y² e a reta y = x − 2
A metade de cima y = \sqrt{x} e a metade de baixo y = -\sqrt{x} formam a parábola x = y^2. Ela encontra a reta em (1, -1) e (4, 2).

Passo 1. Reescreva as duas como x em função de y. A parábola é x = y^2 e a reta é x = y + 2.

Passo 2. Interseções. y^2 = y + 2 dá y^2 - y - 2 = 0, então (y - 2)(y + 1) = 0 e y = -1 ou y = 2.

Passo 3. Qual está à direita? Teste y = 0: a reta dá x = 2, a parábola dá x = 0. A reta está à direita.

Passo 4. Integre.

A = \int_{-1}^{2} \big[(y + 2) - y^2\big]\,dy = \left[\frac{y^2}{2} + 2y - \frac{y^3}{3}\right]_{-1}^{2}

Em y = 2: 2 + 4 - \frac{8}{3} = \frac{10}{3}. Em y = -1: \frac{1}{2} - 2 + \frac{1}{3} = -\frac{7}{6}.

A = \frac{10}{3} + \frac{7}{6} = \frac{27}{6} = \frac{9}{2}

Em x, a fronteira de baixo muda em x = 1 (de -\sqrt{x} para a reta), então você precisaria de duas integrais: \int_0^1 2\sqrt{x}\,dx + \int_1^4 (\sqrt{x} - x + 2)\,dx = \frac{4}{3} + \frac{19}{6} = \frac{9}{2}. Mesma resposta, o dobro de trabalho.

Referência rápida: dx ou dy?

Situação Fatia Fórmula
Uma curva em cima, uma embaixo Vertical \int_a^b (\text{cima} - \text{baixo})\,dx
Uma curva à direita, uma à esquerda Horizontal \int_c^d (\text{direita} - \text{esquerda})\,dy
A de cima ou a de baixo muda no meio do caminho Tente dy, ou divida a integral em dx
As curvas se cruzam dentro do intervalo Qualquer Divida em cada cruzamento

Erros comuns com área entre curvas

  1. A de baixo menos a de cima. Você obtém o tamanho certo com o sinal errado. Se uma área deu negativa, essa é a primeira coisa a conferir.
  2. Não dividir nos cruzamentos. As partes se cancelam e a resposta fica pequena demais, às vezes zero.
  3. Usar limites em x numa integral em dy. Ao integrar em y, os limites devem ser os valores de y dos pontos de interseção.
  4. Perder um sinal ao simplificar. (4 - x^2) - (x + 2) é 2 - x - x^2. Distribua o sinal de menos em todos os termos da curva de baixo.
  5. Chutar os limites. Os limites vêm de resolver f(x) = g(x), e não de onde as curvas cortam os eixos, a menos que o enunciado diga isso.

Pratique o cálculo de áreas entre curvas

Esses problemas seguem os mesmos cinco passos toda vez, e a parte difícil costuma ser a álgebra para encontrar as interseções. A prática cria o hábito de esboçar primeiro. A lição interativa abaixo confere cada montagem e cada resposta na hora, para você aprender a perceber uma troca entre a curva de cima e a de baixo antes que ela custe pontos. Em seguida, a mesma ideia de fatiar leva aos volumes de revolução.

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Área entre curvas

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Perguntas frequentes

Como calcular a área entre duas curvas?

Encontre onde as curvas se interceptam para obter os limites, decida qual curva está em cima e integre a de cima menos a de baixo entre esses limites. O resultado é sempre positivo se você subtraiu na ordem certa.

Como saber qual curva está em cima?

Escolha qualquer ponto de teste entre os pontos de interseção e substitua nas duas funções. O maior valor indica a curva de cima em todo aquele trecho, desde que as curvas não se cruzem no meio. Um esboço rápido também ajuda.

E se as curvas se cruzarem no meio do intervalo?

Divida a integral em cada ponto de cruzamento. Em cada parte, use a curva que estiver em cima ali. Somando as partes, você obtém a área total. Integrar sem dividir faz as partes se cancelarem, o que dá a resposta errada.

Quando integrar em relação a y?

Integre em y quando a região for mais fácil de descrever da esquerda para a direita, por exemplo quando uma das fronteiras é uma parábola deitada x = y^2, ou quando integrar em x exigiria duas ou mais integrais separadas. Nesse caso, use a da direita menos a da esquerda, com limites em y.

A área entre curvas pode ser negativa?

Não. Área é sempre positiva. Se você obteve um número negativo, subtraiu as curvas na ordem errada ou as curvas se cruzam dentro do intervalo e você precisa dividir a integral.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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