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Día: 3 de diciembre de 2025

MathBio: Integral triple

Posted on 3 de diciembre de 2025

La integral triple de una función, \(f(x,y,z)\), en una región cerrada del espacio, \(Q\), con un volumen \(V\), no es más que la generalización del concepto de integral simple y doble. Así
\[\iiint_{Q} f(x,y,z) dV = \underset{l,m,n \to \infty}{lim}\sum_{l}^{i=1}\sum_{m}^{j=1}\sum_{n}^{k=1}f(x_{ijk}^{*},y_{ijk}^{*},z_{ijk}^{*})\Delta V\]

Si la función es \(f(x,y,z)=1\), tendremos el volumen del sólido encerrado en \(Q\), \[Volumen=\iiint_Q\,dV\]

De este modo, cuando el sólido viene dado por un paralepípedo, \(Q=\{[a,a’]\times [b,b’]\times [c,c’]\}\), calcular el volumen es resolver mediante integrales iteradas:
\[\iiint_Qf(x,y,z)\,dV=\int_a^{a’}\int_b^{b’}\int_c^{c’}f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx.\]

Ejemplo: Cuál es el volumen encerrado en el recinto \(Q=[0,1]\times[1,2]\times[0,2]\)

Nos piden calcular \[\iiint_Q\ dV=\int_{0}^{1}\int_{1}^{2}\int_{0}^{2} \ dz\,dy\,dx.\] Aplicando la definición: \[\int_{0}^{1}\int_{1}^{2}\int_{0}^{2} \ dz\,dy\,dx=\int_{0}^{1}\left[\int_{1}^{2}\left[z\right|_{0}^{2}\,dy\right]\,dx=\] \[=\int_{0}^{1}2\left[y\right|_{1}^{2}\,dx=2\left[x\right|_{0}^{2}=4\]

Igual como en el caso de la integral doble se cumple:\[\iiint_Q(\lambda f(x,y,z)+\mu g(x,y,z))\,dV=\lambda\iiint_Q f(x,y,z)\,dV+\mu\iiint_Q g(x,y,z)\,dV.\]
A veces es más práctico verlo como la integral doble en una región del plano XY de una función; es decir,

\[V=\iiint_QdV=\iint_R\left(\int_{f(x,y)}^{g(x,y)}dz\right)dA,\]

Ejemplo: Cuál es el volumen encerrado en la región sólida \(Q=\{(x,y,z);\ 0\leq x\leq 1,\ 0\leq y\leq 1,\ 0\leq z\leq x-y^2\}\)

Nos piden calcular \[\iiint_Q\ dV=\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\int_{0}^{x-y^2} \ dz\,dy\,dx.\] Veámoslo: \[\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\int_{0}^{x-y^2} \ dz\,dy\,dx=\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\left[\int_{0}^{x-y^2} \ dz\right]\,dy\,dx=\]\[=\int_{0}^{1}\left[\int_{0}^{1}\left[z\right|_{0}^{x-y^2}\,dy\right]\,dx=\int_{0}^{1}\left[\int_{0}^{1}\left[{x-y^2}\right]\,dy\right]\,dx=\] \[=\int_{0}^{1}\left[yx-\frac{y^3}{3}\right|_0^1\,dx=\int_{0}^{1}\left[x-\frac{1}{3}\right]\,dx=\left[\frac{x^2}{2}-\frac{x}{3}\right|_{0}^{1}=\frac{1}{2}-\frac{1}{3}=\frac{1}{6}\]

En general, si \(Q=\{(x,y,z)|a\leq x \leq b,\, h_1(x)\leq y \leq h_2(x),\,g_1(x,y)\leq z \leq g_1(x,y)\}\), tendremos
\[\iiint_{Q}\, f(x,y,z) dV = \int_{a}^{b}\int_{h_1(x)}^{h_2(x)}\int_{g_1(x,y)}^{g_2(x,y)}\, f(x,y,z) dz dy dx\]

Veamos unos ejemplos:

Ejemplo: Calcular \(\int_{0}^{1}\int_{0}^{y}\int_{0}^{x} \cos(x+y+z)dz\,dx\,dy\),

Resolvamos primero
\[ I_1 = \int_{0}^{x} \cos(x+y+z)dz= \left[ \sin(x+y+z) \right]_{z=0}^{z=x}=\sin(2x+y) – \sin(x+y) \]
Ahora,
\[
\begin{align}
I_2 &= \int_{0}^{y} \left( \sin(2x+y) – \sin(x+y) \right) dx \\
&= \left[ -\frac{1}{2}\cos(2x+y) + \cos(x+y) \right]_{x=0}^{x=y}\\
&=-\frac{1}{2}\cos(3y) + \cos(2y)-\frac{1}{2}\cos(y)
\end{align}
\]
Por último,
\[
\begin{align}
I &= \int_{0}^{1} \left( \cos(2y) – \frac{1}{2}\cos(3y) – \frac{1}{2}\cos(y) \right) dy\\
&= \left[ \frac{1}{2}\sin(2y) – \frac{1}{6}\sin(3y) – \frac{1}{2}\sin(y) \right]_{0}^{1}\\
&= \frac{1}{2}\sin(2) – \frac{1}{6}\sin(3) – \frac{1}{2}\sin(1)
\end{align}
\]


Ejemplo: Calcular \(\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\int_{0}^{x}\int_{0}^{xz} x^2\, \sin(y)dy\,dz\,dx\),

\[
\begin{align}
I &=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\int_{0}^{x}\int_{0}^{xz} x^2\, \sin(y)dy\,dz\,dx \\
&=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\int_{0}^{x}\left(\int_{0}^{xz} x^2\, \sin(y)dy\right)\,dz\,dx \\
&=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\int_{0}^{x}\left(x^2 \left[ -\cos(y) \right]_{y=0}^{y=xz}\right)\,dz\,dx \\
&=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\int_{0}^{x}\left(x^2 \left( 1 – \cos(xz) \right)\right)\,dz\,dx \\
&=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\left(\int_{0}^{x}\left(x^2 \left( 1 – \cos(xz) \right)\right)\,dz\right)\,dx \\
&=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\left(x^2 \left[ z – \frac{1}{x}\sin(xz) \right]_{z=0}^{z=x}\right)\,dx \\
&=\int_{0}^{\sqrt{\pi}}\left(x^3 -x\sin(x^2)\right)\,dx \\
&\mbox{(hacemos un cambio de variable}\,u=x^2 \mbox{para resolver}\, \int \,x\sin(x^2)\,dx\\
&=\left[ \frac{x^4}{4} \right]_{0}^{\sqrt{\pi}}+ \frac{1}{2} \left[ -\cos(u) \right]_{0}^{\pi}\\
&=\frac{\pi^2}{4} – 1
\end{align}
\]


Ejemplo: Calcular \(\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\int_{0}^{\sqrt{1-z^2}} \left(\frac{z}{y+1}\right)dx\,dz\,dy\),

Vamos a calcularla paso a paso.

Paso 1: Integral interior (respecto a \(x\))

Integramos \(\left(\frac{z}{y+1}\right)\) con respecto a \(x\):
\[
\begin{aligned}
I_1 &= \int_{0}^{\sqrt{1-z^2}} \left(\frac{z}{y+1}\right)dx \\
&= \left(\frac{z}{y+1}\right) [x]_{x=0}^{x=\sqrt{1-z^2}} \\
&= \left(\frac{z}{y+1}\right) (\sqrt{1-z^2} – 0) \\
&= \frac{z\sqrt{1-z^2}}{y+1}
\end{aligned}
\]

Paso 2: Integral media (respecto a \(z\))

Sustituimos e integramos con respecto a \(z\):
\[
\begin{aligned}
I_2 &= \int_{0}^{1} \frac{z\sqrt{1-z^2}}{y+1} dz \\
&= \frac{1}{y+1} \int_{0}^{1} z\sqrt{1-z^2} dz
\end{aligned}
\]
Para la integral interna \(\int_{0}^{1} z\sqrt{1-z^2} dz\), usamos la sustitución \(u = 1 – z^2\), de donde \(z\,dz = -\frac{1}{2}du\).

\[
\begin{aligned}
\int_{0}^{1} z\sqrt{1-z^2} dz &= \int_{1}^{0} \sqrt{u} \left(-\frac{1}{2}du\right) \\
&= \frac{1}{2} \int_{0}^{1} u^{1/2} du \\
&= \frac{1}{2} \left[ \frac{u^{3/2}}{3/2} \right]_{0}^{1} \\
&= \frac{1}{3} (1^{3/2} – 0^{3/2}) = \frac{1}{3}
\end{aligned}
\]
Sustituyendo el resultado en \(I_2\):
\[
I_2 = \frac{1}{y+1} \cdot \frac{1}{3} = \frac{1}{3(y+1)}
\]

Paso 3: Integral exterior (respecto a \(y\))

Resolvemos la última integral con respecto a \(y\):
\[
\begin{aligned}
I &= \int_{0}^{1} \frac{1}{3(y+1)} dy \\
&= \frac{1}{3} \int_{0}^{1} \frac{1}{y+1} dy \\
&= \frac{1}{3} \left[ \ln|y+1| \right]_{0}^{1} \\
&= \frac{1}{3} \left( \ln(2) – \ln(1) \right) \\
&= \frac{1}{3} \ln(2)
\end{aligned}
\]


Bibliografía

  • Capítulo 15 del libro Cálculo de varias variables, de James Stewart.

Ejercicio: ¿Cuál es el volumen del sólido coloreado en la imagen?

  • 1/12
  • 4/13
  • 1
  • Ninguno de ellos

A.)

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