Iii CAL2 • Integrales

CALC_BEE_375

MIT Integration Bee 2026

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Enunciado

Calcular la integral definida:
$$ \int_{-1}^{1} \max\left(0, \sqrt{1 - x^2} - \frac{1}{2}\right) \, dx $$

Solución Paso a Paso

1. Determinación de los límites de integración:
La función $\max(0, f(x))$ toma el valor de $f(x)$ cuando $f(x) > 0$ y $0$ en caso contrario. Debemos hallar el intervalo donde $\sqrt{1 - x^2} - \frac{1}{2} \geq 0$:
$$ \sqrt{1 - x^2} \geq \frac{1}{2} \implies 1 - x^2 \geq \frac{1}{4} \implies x^2 \leq \frac{3}{4} \implies -\frac{\sqrt{3}}{2} \leq x \leq \frac{\sqrt{3}}{2} $$

2. Planteamiento de la integral:
Fuera del intervalo $[-\frac{\sqrt{3}}{2}, \frac{\sqrt{3}}{2}]$, el integrando es $0$. Por lo tanto:
$$ I = \int_{-\sqrt{3}/2}^{\sqrt{3}/2} \left(\sqrt{1 - x^2} - \frac{1}{2}\right) \, dx $$

3. Resolución geométrica/trigonométrica:
La integral $\int \sqrt{1 - x^2} \, dx$ representa el área de un sector circular. Evaluando en los límites:

  • El área bajo $\sqrt{1-x^2}$ de $-\frac{\sqrt{3}}{2}$ a $\frac{\sqrt{3}}{2}$ es el área de un sector circular de radio 1 con ángulo correspondiente.

  • Usando la sustitución $x = \sin \theta$, $dx = \cos \theta d\theta$. Límites: $\theta \in [-\pi/3, \pi/3]$.


$$ \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \cos^2 \theta \, d\theta = \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \frac{1 + \cos(2\theta)}{2} \, d\theta = \left[ \frac{\theta}{2} + \frac{\sin(2\theta)}{4} \right]_{-\pi/3}^{\pi/3} = \frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{4} $$

4. Resta del rectángulo:
Restamos la integral de la constante $1/2$ en el mismo intervalo:
$$ \int_{-\sqrt{3}/2}^{\sqrt{3}/2} \frac{1}{2} \, dx = \frac{1}{2} \left( \frac{\sqrt{3}}{2} - \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) \right) = \frac{\sqrt{3}}{2} $$

5. Cálculo final:
$$ I = \left( \frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{4} \right) - \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{4} $$
$$ \boxed{\frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{4}} $$

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