AYT Matematik · İntegral

İntegral ile Alan Hesabı

~10 dk okumaZorluk: Zor18 çözümlü soru

Belirli integral, bir eğri ile x-ekseni arasında ya da iki eğri arasında kalan bölgenin alanını verir. Anahtar incelik işaret meselesidir: integral, eksenin altında kalan bölgelerde negatif değer üretir. Bu konuda eğri-eksen arası alanı, eksen altı bölgelerin nasıl ele alınacağını ve iki eğri arası alanı "üst eksi alt" mantığıyla işliyoruz.

1. Eğri ile x-Ekseni Arasındaki Alan

[a,b] aralığında f sürekli olsun.

Eğer aralık boyunca f(x)\ge 0 ise, eğri ile x-ekseni arasındaki alan doğrudan integraldir:

A=\int_{a}^{b} f(x)\,dx

Eğer aralık boyunca f(x)\le 0 ise, bölge eksenin altında kalır; integral negatif çıkar. Alan pozitif bir büyüklük olduğundan mutlak değer alınır:

A=\Big|\int_{a}^{b} f(x)\,dx\Big|=-\int_{a}^{b} f(x)\,dx

Dikkat: Alan her zaman pozitiftir. İntegralin işareti bölgenin eksene göre konumunu söyler; alan ise bu büyüklüğün mutlak değeridir.

xyaby = f(x)A
Şekil 1 — f(x)\ge 0 iken y=f(x) eğrisi ile x-ekseni arasında, x=a ile x=b arasındaki taranmış alan A=\int_{a}^{b} f(x)\,dx'tir.

Eğri Ekseni Kesiyorsa: Bölgeleri Ayır

Eğer f, [a,b] üzerinde işaret değiştiriyorsa (yani ekseni kesiyorsa), tüm aralıkta tek bir integral yanlış sonuç verir; çünkü eksen üstü ve altı bölgeler birbirini götürür. Doğru yöntem: kökleri (f(x)=0 çözümleri) bul, aralığı bu noktalardan parçalara ayır, her parçanın integralinin mutlak değerini topla.

A=\sum_{i}\Big|\int_{x_{i}}^{x_{i+1}} f(x)\,dx\Big|

2. İki Eğri Arasındaki Alan

[a,b] aralığında f(x)\ge g(x) ise (yani f üstte, g altta), iki eğri arasında kalan alan:

A=\int_{a}^{b}\big(f(x)-g(x)\big)\,dx

Bu formülde sınırlar a ve b, eğrilerin kesişim noktalarının apsisleridir. Kesişimi bulmak için f(x)=g(x) denklemini çözeriz. İki eğri arasında her iki bölge eksenin altında bile olsa, "üst fonksiyon eksi alt fonksiyon" farkı [a,b] üzerinde pozitif olduğundan mutlak değere gerek kalmaz.

xyy = xy = x²01A
Şekil 2 — y=x doğrusu (üstte) ile y=x^{2} parabolü (altta) arasında, kesişim apsisleri x=0 ve x=1 arasında kalan taranmış bölge: A=\int_{0}^{1}\big(x-x^{2}\big)\,dx=\dfrac{1}{6}.
DurumAlan formülü
f(x)\ge 0\displaystyle\int_{a}^{b} f(x)\,dx
f(x)\le 0\displaystyle -\int_{a}^{b} f(x)\,dx
Eksen üstü + altıparçalara ayır, mutlak değerleri topla
İki eğri (f üst, g alt)\displaystyle\int_{a}^{b}\big(f(x)-g(x)\big)\,dx
Örnek
Soru

y=x^{2} eğrisi, x-ekseni ve x=0 ile x=2 doğruları arasında kalan alanı bulunuz.

  1. [0,2] üzerinde x^{2}\ge 0 olduğundan alan doğrudan integraldir.
  2. İntegrali al: \displaystyle A=\int_{0}^{2}x^{2}\,dx=\Big[\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{0}^{2}.
  3. Sınırları yerine yaz: A=\dfrac{2^{3}}{3}-\dfrac{0^{3}}{3}=\dfrac{8}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{8}{3} birimkare.
Örnek
Soru

y=4-x^{2} parabolü ile x-ekseni arasında kalan alanı bulunuz.

Önce parabolün ekseni kestiği noktaları (y=0) bul; bunlar integralin sınırlarıdır. Aralıkta 4-x^{2}\ge 0 olduğuna dikkat et.

  1. Kesişim noktaları: 4-x^{2}=0 \Rightarrow x=\pm 2. Sınırlar -2 ile 2.
  2. [-2,2] üzerinde 4-x^{2}\ge 0 olduğundan alan doğrudan integraldir.
  3. İntegrali al: \displaystyle A=\int_{-2}^{2}\big(4-x^{2}\big)\,dx=\Big[4x-\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{-2}^{2}.
  4. Sınırları yerine yaz: A=\Big(8-\dfrac{8}{3}\Big)-\Big(-8+\dfrac{8}{3}\Big)=16-\dfrac{16}{3}=\dfrac{32}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{32}{3} birimkare.
Örnek
Soru

y=x^{3} eğrisi ile x-ekseni arasında, x=-1 ile x=1 arasında kalan alanı bulunuz.

x^{3} fonksiyonu x=0'da işaret değiştirir; bölge hem eksenin altında hem üstündedir. Net integral ile alanı karıştırma.

  1. Önce net integral: \displaystyle\int_{-1}^{1}x^{3}\,dx=\Big[\dfrac{x^{4}}{4}\Big]_{-1}^{1}=\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{4}=0. Bu alan değildir; eksen altı ve üstü bölgeler birbirini götürmüştür.
  2. Eğri x=0'da ekseni kesiyor; bölgeyi [-1,0] ve [0,1] olarak ayır.
  3. y=x^{3} tek fonksiyon olduğundan iki parçanın alanları eşittir; simetriyle alan, sağ parçanın iki katıdır:
  4. \displaystyle A=2\int_{0}^{1}x^{3}\,dx=2\Big[\dfrac{x^{4}}{4}\Big]_{0}^{1}=2\cdot\dfrac{1}{4}=\dfrac{1}{2}.
Sonuç: A=\dfrac{1}{2} birimkare. (Net integral 0 olsa da alan \dfrac{1}{2}'dir.)
Örnek
Soru

y=x doğrusu ile y=x^{2} parabolü arasında kalan alanı bulunuz.

Kesişimleri x=x^{2} denkleminden bul. 0<x<1 aralığında hangisinin üstte olduğunu bir deneme noktasıyla (x=\tfrac{1}{2}) kontrol et.

  1. Kesişimler: x=x^{2}\Rightarrow x^{2}-x=0\Rightarrow x(x-1)=0\Rightarrow x=0,\ x=1. Sınırlar 0 ile 1.
  2. Üst-alt: x=\dfrac{1}{2} için y=x=\dfrac{1}{2}, y=x^{2}=\dfrac{1}{4}. Demek ki 0<x<1 üzerinde doğru üstte: x\ge x^{2}.
  3. "Üst eksi alt" yaz: \displaystyle A=\int_{0}^{1}\big(x-x^{2}\big)\,dx=\Big[\dfrac{x^{2}}{2}-\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{0}^{1}.
  4. Sınırları yerine yaz: A=\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{3}=\dfrac{1}{6}.
Sonuç: A=\dfrac{1}{6} birimkare.
Örnek
Soru

y=2-x^{2} ile y=x^{2} parabolleri arasında kalan alanı bulunuz.

Kesişimleri 2-x^{2}=x^{2} denkleminden bul. Tepe noktası daha yüksek olan parabol üsttedir.

  1. Kesişimler: 2-x^{2}=x^{2}\Rightarrow 2=2x^{2}\Rightarrow x^{2}=1\Rightarrow x=\pm 1. Sınırlar -1 ile 1.
  2. Üst-alt: x=0 için 2-x^{2}=2, x^{2}=0. Demek ki y=2-x^{2} üstte, y=x^{2} altta.
  3. "Üst eksi alt" yaz: \displaystyle A=\int_{-1}^{1}\big((2-x^{2})-x^{2}\big)\,dx=\int_{-1}^{1}\big(2-2x^{2}\big)\,dx.
  4. İntegrali al: \displaystyle A=\Big[2x-\dfrac{2x^{3}}{3}\Big]_{-1}^{1}.
  5. Sınırları yerine yaz: A=\Big(2-\dfrac{2}{3}\Big)-\Big(-2+\dfrac{2}{3}\Big)=4-\dfrac{4}{3}=\dfrac{8}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{8}{3} birimkare.

Çözümlü Sorular

Örnek
Soru

y=2x doğrusu ile y=x^{2} parabolü arasında kalan alanı bulunuz.

  1. Kesişimler: x^{2}=2x\Rightarrow x^{2}-2x=0\Rightarrow x(x-2)=0\Rightarrow x=0,\ x=2.
  2. Üst-alt: x=1 için 2x=2, x^{2}=1; doğru üstte.
  3. \displaystyle A=\int_{0}^{2}\big(2x-x^{2}\big)\,dx=\Big[x^{2}-\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{0}^{2}=4-\dfrac{8}{3}=\dfrac{4}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{4}{3} birimkare.
Örnek
Soru

y=x^{2}-4 eğrisi ile x-ekseni arasında, x=0 ile x=3 arasında kalan alanı bulunuz.

  1. Eğri x=2'de ekseni kesiyor: [0,2] üzerinde x^{2}-4\le 0, [2,3] üzerinde x^{2}-4\ge 0. Bölgeyi ayır.
  2. \displaystyle\int_{0}^{2}\big(x^{2}-4\big)\,dx=\Big[\dfrac{x^{3}}{3}-4x\Big]_{0}^{2}=\dfrac{8}{3}-8=-\dfrac{16}{3}, mutlak değeri \dfrac{16}{3}.
  3. \displaystyle\int_{2}^{3}\big(x^{2}-4\big)\,dx=\Big[\dfrac{x^{3}}{3}-4x\Big]_{2}^{3}=(9-12)-\Big(\dfrac{8}{3}-8\Big)=-3+\dfrac{16}{3}=\dfrac{7}{3}.
  4. Topla: A=\dfrac{16}{3}+\dfrac{7}{3}=\dfrac{23}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{23}{3} birimkare.
Örnek
Soru

y=\sqrt{x} eğrisi ile y=x doğrusu arasında kalan alanı bulunuz.

  1. Kesişimler: \sqrt{x}=x\Rightarrow x=x^{2}\Rightarrow x(x-1)=0\Rightarrow x=0,\ x=1.
  2. Üst-alt: x=\dfrac{1}{4} için \sqrt{x}=\dfrac{1}{2}, x=\dfrac{1}{4}; \sqrt{x} üstte.
  3. \displaystyle A=\int_{0}^{1}\big(\sqrt{x}-x\big)\,dx=\Big[\dfrac{2}{3}x^{3/2}-\dfrac{x^{2}}{2}\Big]_{0}^{1}=\dfrac{2}{3}-\dfrac{1}{2}=\dfrac{1}{6}.
Sonuç: A=\dfrac{1}{6} birimkare.
Örnek
Soru

y=\sin x eğrisi ile x-ekseni arasında, x=0 ile x=\pi arasında kalan alanı bulunuz.

  1. [0,\pi] üzerinde \sin x\ge 0 olduğundan alan doğrudan integraldir.
  2. \displaystyle A=\int_{0}^{\pi}\sin x\,dx=\big[-\cos x\big]_{0}^{\pi}.
  3. Sınırları yerine yaz: A=-\cos\pi-(-\cos 0)=-(-1)+1=2.
Sonuç: A=2 birimkare.
Örnek
Soru

y=6-x^{2} parabolü ile y=x doğrusu arasında kalan alanı bulunuz.

  1. Kesişimler: 6-x^{2}=x\Rightarrow x^{2}+x-6=0\Rightarrow (x+3)(x-2)=0\Rightarrow x=-3,\ x=2.
  2. Üst-alt: x=0 için 6-x^{2}=6, y=x=0; parabol üstte.
  3. \displaystyle A=\int_{-3}^{2}\big((6-x^{2})-x\big)\,dx=\Big[6x-\dfrac{x^{3}}{3}-\dfrac{x^{2}}{2}\Big]_{-3}^{2}.
  4. Üst sınır: 12-\dfrac{8}{3}-2=\dfrac{22}{3}. Alt sınır: -18+9-\dfrac{9}{2}=-\dfrac{27}{2}.
  5. Fark: A=\dfrac{22}{3}-\Big(-\dfrac{27}{2}\Big)=\dfrac{44}{6}+\dfrac{81}{6}=\dfrac{125}{6}.
Sonuç: A=\dfrac{125}{6} birimkare.
Örnek
Soru

y=\dfrac{1}{x^{2}} eğrisi, x-ekseni ve x=1 ile x=3 doğruları arasında kalan alanı bulunuz.

  1. [1,3] üzerinde \dfrac{1}{x^{2}}\ge 0 olduğundan alan doğrudan integraldir.
  2. \displaystyle A=\int_{1}^{3}x^{-2}\,dx=\Big[-\dfrac{1}{x}\Big]_{1}^{3}.
  3. Sınırları yerine yaz: A=-\dfrac{1}{3}-\Big(-1\Big)=1-\dfrac{1}{3}=\dfrac{2}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{2}{3} birimkare.
Örnek
Soru

y=x^{2}-2x parabolü ile x-ekseni arasında kalan alanı bulunuz.

  1. Kökler: x^{2}-2x=0\Rightarrow x(x-2)=0\Rightarrow x=0,\ x=2. Sınırlar 0 ile 2.
  2. [0,2] üzerinde, örneğin x=1 için 1-2=-1<0; bölge eksenin altında, integral negatif çıkar.
  3. \displaystyle\int_{0}^{2}\big(x^{2}-2x\big)\,dx=\Big[\dfrac{x^{3}}{3}-x^{2}\Big]_{0}^{2}=\dfrac{8}{3}-4=-\dfrac{4}{3}.
  4. Alan mutlak değerdir: A=\dfrac{4}{3}.
Sonuç: A=\dfrac{4}{3} birimkare.

Sınav Tarzı Sorular

Aşağıdaki sorular, ÖSYM'nin AYT'de sorduğu çok kavramlı, dolaylı (5 şıklı) soru tarzına örnek olarak özgün biçimde hazırlanmıştır.

Örnek
Soru

k>0 olmak üzere, y=kx doğrusu ile y=x^{2} parabolü arasında kalan bölgenin alanı \dfrac{9}{2} birimkaredir.

Buna göre k kaçtır?

A) 2 · B) \dfrac{5}{2} · C) 3 · D) \dfrac{7}{2} · E) 4

  1. Kesişimler: x^{2}=kx\Rightarrow x(x-k)=0\Rightarrow x=0,\ x=k. Sınırlar 0 ile k.
  2. Üst-alt: 0<x<k üzerinde doğru üstte (kx\ge x^{2}). Alan: \displaystyle A=\int_{0}^{k}\big(kx-x^{2}\big)\,dx.
  3. İntegrali al: \displaystyle A=\Big[\dfrac{kx^{2}}{2}-\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{0}^{k}=\dfrac{k^{3}}{2}-\dfrac{k^{3}}{3}=\dfrac{k^{3}}{6}.
  4. Eşitliği kur: \dfrac{k^{3}}{6}=\dfrac{9}{2}\Rightarrow k^{3}=27\Rightarrow k=3.
Sonuç: C) 3
Örnek
Soru

y=x^{2}-3x parabolü ile y=x doğrusu arasında kalan bölgenin alanı A birimkaredir.

Buna göre A kaçtır?

A) \dfrac{16}{3} · B) \dfrac{20}{3} · C) \dfrac{28}{3} · D) \dfrac{32}{3} · E) \dfrac{40}{3}

  1. Kesişimler: x^{2}-3x=x\Rightarrow x^{2}-4x=0\Rightarrow x(x-4)=0\Rightarrow x=0,\ x=4. Sınırlar 0 ile 4.
  2. Üst-alt: x=2 için doğru y=2, parabol y=4-6=-2; doğru üstte.
  3. "Üst eksi alt" yaz: \displaystyle A=\int_{0}^{4}\big(x-(x^{2}-3x)\big)\,dx=\int_{0}^{4}\big(4x-x^{2}\big)\,dx.
  4. İntegrali al: \displaystyle A=\Big[2x^{2}-\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{0}^{4}=32-\dfrac{64}{3}=\dfrac{96-64}{3}=\dfrac{32}{3}.
Sonuç: D) \dfrac{32}{3}
Örnek
Soru

y=x^{3}-4x eğrisi ile x-ekseni arasında, x=-2 ile x=2 arasında kalan bölgenin alanı A birimkaredir.

Buna göre A kaçtır?

A) 0 · B) 4 · C) 6 · D) 8 · E) 16

  1. Kökler: x^{3}-4x=0\Rightarrow x(x^{2}-4)=0\Rightarrow x=-2,\ 0,\ 2. Eğri x=0'da ekseni kesiyor; bölgeyi ayır.
  2. Net integral tuzağı: y=x^{3}-4x tek fonksiyondur; \displaystyle\int_{-2}^{2}\big(x^{3}-4x\big)\,dx=0 çıkar, ama bu alan değildir.
  3. Tek fonksiyon olduğundan iki parçanın alanları eşittir; simetriyle \displaystyle A=2\Big|\int_{0}^{2}\big(x^{3}-4x\big)\,dx\Big|.
  4. İntegrali al: \displaystyle\int_{0}^{2}\big(x^{3}-4x\big)\,dx=\Big[\dfrac{x^{4}}{4}-2x^{2}\Big]_{0}^{2}=4-8=-4, mutlak değeri 4.
  5. Alan: A=2\cdot 4=8.
Sonuç: D) 8
Örnek
Soru

y=4-x^{2} parabolü ile y=x^{2}-4 parabolü arasında kalan bölgenin alanı A birimkaredir. Buna göre A kaçtır?

A) \dfrac{32}{3} · B) \dfrac{48}{3} · C) \dfrac{64}{3} · D) \dfrac{80}{3} · E) \dfrac{128}{3}

Kesişimleri 4-x^{2}=x^{2}-4'ten bul. Üstteki y=4-x^{2}, alttaki y=x^{2}-4'tür; "üst eksi alt" farkını al.

  1. Kesişimler: 4-x^{2}=x^{2}-4\Rightarrow 8=2x^{2}\Rightarrow x^{2}=4\Rightarrow x=\pm 2. Sınırlar -2 ile 2.

  2. Üst-alt: x=0 için 4-x^{2}=4, x^{2}-4=-4; y=4-x^{2} üstte.

  3. "Üst eksi alt": \displaystyle A=\int_{-2}^{2}\big((4-x^{2})-(x^{2}-4)\big)\,dx=\int_{-2}^{2}\big(8-2x^{2}\big)\,dx.

  4. Çift fonksiyon simetrisi: \displaystyle A=2\int_{0}^{2}\big(8-2x^{2}\big)\,dx=2\Big[8x-\dfrac{2x^{3}}{3}\Big]_{0}^{2}=2\Big(16-\dfrac{16}{3}\Big)=2\cdot\dfrac{32}{3}=\dfrac{64}{3}.

Sonuç: C) \dfrac{64}{3}
Örnek
Soru

y=\dfrac{1}{x} eğrisi, x-ekseni ve x=1 ile x=k (k>1) doğruları arasında kalan bölgenin alanı \ln 4 birimkaredir.

Buna göre k kaçtır?

A) 2 · B) 3 · C) 4 · D) e^{2} · E) 16

  1. [1,k] üzerinde \dfrac{1}{x}>0 olduğundan alan doğrudan integraldir: \displaystyle A=\int_{1}^{k}\dfrac{1}{x}\,dx.

  2. Antiderivatif: \big[\ln x\big]_{1}^{k}=\ln k-\ln 1=\ln k.

  3. Eşitliği kur: \ln k=\ln 4\Rightarrow k=4.

  4. Çeldirici kontrolü: \ln 4=2\ln 2 olduğundan \ln k=2\ln 2 yazıp k=e^{2} sanmak (D) yaygın hatadır; doğrusu k=4'tür.

Sonuç: C) 4
Örnek
Soru

y=x^{2} parabolü ile y=8 doğrusu ve y-ekseni arasında, birinci bölgede (yani x\ge 0) kalan bölgenin alanı A birimkaredir.

Buna göre A kaçtır?

A) \dfrac{16\sqrt2}{3} · B) \dfrac{32\sqrt2}{3} · C) 16 · D) \dfrac{40\sqrt2}{3} · E) \dfrac{64}{3}

x\ge 0 bölgesinde, y=8 doğrusu üstte, y=x^{2} parabolü altta. Parabolün doğruyu kestiği apsis x^{2}=8\Rightarrow x=2\sqrt2'dir; soldaki sınır y-ekseni, yani x=0.

  1. Kesişim (sağ sınır): x^{2}=8\Rightarrow x=2\sqrt2 (x\ge 0). Sol sınır y-ekseni: x=0.

  2. Üst-alt: 0<x<2\sqrt2 üzerinde y=8 üstte, y=x^{2} altta.

  3. "Üst eksi alt": \displaystyle A=\int_{0}^{2\sqrt2}\big(8-x^{2}\big)\,dx=\Big[8x-\dfrac{x^{3}}{3}\Big]_{0}^{2\sqrt2}.

  4. x=2\sqrt2 için: x^{3}=(2\sqrt2)^{3}=8\cdot 2\sqrt2=16\sqrt2 ve 8x=16\sqrt2. Yani A=16\sqrt2-\dfrac{16\sqrt2}{3}=\dfrac{48\sqrt2-16\sqrt2}{3}=\dfrac{32\sqrt2}{3}.

Sonuç: B) \dfrac{32\sqrt2}{3}

Sık Yapılan Hatalar

Sınav İpucu