Volumen de una esfera mediante integrales

Derivación, fórmula y solución paso a paso utilizando el método de discos

Halla el volumen de una esfera utilizando integrales y el método de discos.

En lo que sigue, \( C \) representa la constante de integración.

Problema y derivación

Problema: Halla el volumen de una esfera generada al girar el semicírculo \( y = \sqrt{R^2 - x^2} \) alrededor del eje x.

La gráfica de \( y = \sqrt{R^2 - x^2} \) desde \( x = -R \) hasta \( x = R \) se muestra a continuación. Sea \( f(x) = \sqrt{R^2 - x^2} \). El volumen está dado por la fórmula 1 en Volumen de un sólido de revolución:

\[ \large{\text{Volume} = \color{red}{\int_{x_1}^{x_2} \pi (f(x))^2 \, dx}} \]
volumen de una esfera
Figura 1. Volumen de una esfera generado por la rotación de un semicírculo alrededor del eje x

Plantear la integral definida con límites desde \( -R \) hasta \( R \):

\[ \text{Volume} = \int_{-R}^{R} \pi f(x)^2 \, dx \]

Sustituye \( f(x) \) por su expresión \( \sqrt{R^2 - x^2} \):

\[ = \int_{-R}^{R} \pi \left(\sqrt{R^2 - x^2}\right)^2 \, dx \]

Simplifica:

\[ = \int_{-R}^{R} \pi (R^2 - x^2) \, dx \]

Integra:

\[ = \pi \left[ R^2 x - \frac{x^3}{3} \right]_{-R}^{R} \]

Evalúa la integral:

\[ = \pi \left[ \left(R^3 - \frac{R^3}{3}\right) - \left(-R^3 + \frac{R^3}{3}\right) \right] = \frac{4}{3} \pi R^3 \]

Esta es la conocida fórmula para el volumen de una esfera. Hacer girar un semicírculo de radio \( R \) alrededor del eje x genera una esfera de radio \( R \).

Más enlaces y referencias