Cálculo de áreas del plano a partir del teorema de Green

Una herramienta muy potente en el cálculo integral es el teorema de Green. Consideremos un campo vectorial F(x,y)=(P(x,y),Q(x,y)), C una curva cerrada en el plano y S la superficie interior delimitada por la curva.

Entonces: CF dr=S(QxPy) dx dy

La aplicación en el cálculo de áreas es el siguiente, considerar un campo tal que QxPy=1. Entonces el término de la derecha no es más que el área del recinto S. Por lo tanto, podremos calcularla haciendo una integral de línea en la frontera del recinto.

De campos que cumplan la propiedad QxPy=1 hay muchos, pero los más utilizados son:

  • F(x,y)=(0,x)
  • F(x,y)=(y,0)
  • F(x,y)=(y,x)

Ejemplo

Por ejemplo vamos a calcular el área delimitada por la curva parametrizada por: α(θ)=(3sin(2θ)cos(θ),3sin(2θ)sin(θ))

con θ[0,π2].

imagen

Ahora tomamos el campo vectorial F(x,y)=(0,x) e integramos el campo a lo largo de la curva α(θ). Calculemos, pues: α(θ)=(6cos(2θ)cos(θ)3sin(2θ)sin(θ),6cos(2θ)sin(θ)3sin(2θ)cos(θ))

y tenemos:

Área=D1 dx dy=CF dr=0π2F(α(t))α(t) dt=0π2(0,3sin(2t)sin(t))(6cos(2t)cos(t)3sin(2t)sin(t),6cos(2t)sin(t)3sin(2t)cos(t)) dt=0π23sin(2t)cos(t)(6cos(2t)sin(t)3sin(2t)cos(t)) dt=180π2cos(t)cos(2t)sin(t)sin(2t) dt+90π2sin2(2t)cos2(2t) dt=90π2sin2(2t)cos(2t) dt+90π2sin2(2t)(1+cos2(2t)2) dt=92[sin3(2t)3)]0π2+920π21cos(4t)2 dt+920π2sin2(2t)cos(2t) dt=98π