capÍtulo vi integraciÓn 6.1 integral...

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137 CAPÍTULO VI INTEGRACIÓN 6.1 INTEGRAL INDEFINIDA La integral indefinida de f(x) denota la familia de primitivas de f(x). Es decir si F'(x) = f(x) para todo x, entonces donde f(x) se llama integrando y C constante de integración, dicha constante hace que la integral sea indefinida. La diferencial dx en la integral indefinida identifica la variable de integración, es decir el símbolo ∫ f(x) dx denota la primitiva de f respecto a x, de modo similar a cómo dy/dx denota la derivada de y respecto a x. La naturaleza inversa de las operaciones de integración y derivación puede simbolizarse del siguiente modo: La derivación es la inversa de la integración: la integración es la inversa de la derivación: 6.2 REGLAS BÁSICAS DE INTEGRACIÓN C x dx ) 1 dx x f k dx x f k ) ( ) ( ) 2 dx x g dx x f dx x g x f ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 f(x)dx = F(x)+C d f(x)dx = f(x) dx f (x)dx = f(x)+C

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137

CAPÍTULO VI

INTEGRACIÓN

6.1 INTEGRAL INDEFINIDA

La integral indefinida de f(x) denota la familia de primitivas de f(x). Es decir si

F'(x) = f(x) para todo x, entonces

donde f(x) se llama integrando y C constante de integración, dicha

constante hace que la integral sea indefinida.

La diferencial dx en la integral indefinida identifica la variable de integración,

es decir el símbolo ∫ f(x) dx denota la primitiva de f respecto a x, de modo

similar a cómo dy/dx denota la derivada de y respecto a x.

La naturaleza inversa de las operaciones de integración y derivación puede

simbolizarse del siguiente modo: La derivación es la inversa de la integración:

la integración es la inversa de la derivación:

6.2 REGLAS BÁSICAS DE INTEGRACIÓN

Cxdx)1

dxxfkdxxfk )()()2

dxxgdxxfdxxgxf )()()()()3

f(x)dx = F(x)+C

d f(x)dx = f(x)

dx

f (x)dx = f(x)+C

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138

11

)41

nCn

xdxx

nn

Ejemplo 1. Calcule la integral indefinida

Ejemplo 2. Halle

Ejemplo 3. Encuentre

6.3 REGLA GENERAL DE LAS POTENCIAS PARA LA

INTEGRACIÓN

Si u es una función diferenciable de x, entonces

donde n ╪ -1 y C es una constante

3 2/3( x +2 - 3 )dxx x

1/ 2 3 2 / 32 33/2 4 5/3

3/2 4 5/3

x x x(x + x - x )dx = + 2 - 3 + C =

3 54

2 3

2 1 9= + - + Cx x x

3 2 5

C + x2

5 - x

5

3 + x2 = )dxx10 + x + x(

= )dxx

10 + x + x(

4-5/31/25-2/31/2-

5

3 21/2-

C + x7

3 - x3 - x

5

36 - x6 - =

= )dxx3 - x18 - x36 - x(-24 =

= )dxx + x2x*3 + xx4*3 + x-3(8 =

dx)x+3(2x-

7654

6543

64223

32

n+1n u

u u dx = +Cn+1

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139

Demostración: Utilizando la regla de las potencias en la derivación, se tiene

donde n ╪ -1

Ejemplo 1. Encontrar la integral

Ejemplo 2. Evaluar la siguiente integral indefinida

Ejemplo 3. Hallar

n+1n

n+1n

n+1n

n+1n

d n+1u( + C ) = ( ) u + 0u

dx n+1 n+1

ud ( + C ) = u dxu

n+1

ud + C = u u dx

n+1

u + C = u u dx

n+1

42 3

3 2

5 53 342 3

( - 1 dx)x x

sea, u = - 1 u = 3x x

1 1 ( - 1 ( - 1) )x x3 ( - 1 dx = + C = + C)x x

3 3 5 15

2

2 2( )

2

2

1/2

2

1/2

4xdx

1 + x

sea, u = 1 + u = 2xx

4xdx = 2 (1 + x 2xdx =)

1 + x

2 2 (1 + x + C = 4 1 + x + C)

2 3

8x + 10dx

(2x + 5x + 2 )

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140

2

22

2

22

2

-

3

sea, u = 2x + 5x + 2 u = 4x + 5

4x + 5 (2x + 5x + 2 )= 2 dx = 2 + C

-(2x + 5x + 2 )

1= + C

(2x + 5x + 2 )

6.3.1 PROBLEMAS VARIOS

El estudiante deberá familiarizarse con las fórmulas de integración, de manera

que le resulte fácil transformar una integral a otra que permita su integración a

través de una de las 19 fórmulas básicas.

Ejemplo 1.

dxx

xdx

x

dxx

x

4

2

2

1

4

3

4

3

22

2

Fórmulas 15 y 3

Cxx

Arctg 4ln2

1

22

3 2

Ejemplo 2.

dxx

x

22

3

Cxx

dxx

xxdx

x

x

2ln2

2

2

2

22

22

3

Ejemplo 3.

dxxx

x

44

22

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141

Fórmulas 3 y 1

Cx

xxdxx

xx

dxxx

dxxx

xdx

xx

x

1

)2(444ln

)2(

1444ln

44

14

44

42

44

442

12

2

2

222

Cx

xx2

444ln 2

Ejemplo 4.

xdxtg2

Cxtgxdxx )1(sec2

Ejemplo 5.

dxxcos1

1

dxxsen

xdx

x

xdx

x

x

x )(

cos1

)cos1(

cos1

cos1

cos1

cos1

122

Cecxxdxxecxxec coscot)cot.cos(cos 2

Ejemplo 6.

3

2

1 11 dt

t t

2 3 2 2 3 4 5

3 3 1 1 1 3 3 11 dt dt

t t t t t t t t

1 2 3 42 3 4 53 3 3 3

1 2 3 4

t t t tt t t t dt C

2 3 4

1 3 1 1

2 4C

t t t t

Este problema puede ser resuelto de manera más sencilla del siguiente modo:

3

2

1 11 dt

t t

Ct

41

14

1

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142

Ejemplo 7.

3

2 3dx

x

1

22 33 2 3

12 22 32

xdx C

x

3 2 3x C

NOTA. Es importante que el estudiante resuelva los ejercicios 1 al 14 del

trabajo práctico No. 5. páginas 253 y 254

6.4 CÁLCULO DE INTEGRALES UTILIZANDO DERIVE

El formato para hallar integrales indefinidas es el siguiente: INT(u,x)

Ejemplo 1 Si se desea hallar la integral

dxxx

x

225

652

Ingrese en la barra de entrada de expresiones

INT((5x - 6)/(5x^2 - 2x - 1),x) luego de introducir y simplificar derive

mostrará:

#1 dxxx

x

225

652

#2 22

1115

1115ln117

2

)225ln( 2 x

x

xx

Ejemplo 2

#3 dxx

x2

2

9

#4 2

9

2

3arcsin9

2xx

x

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143

#5 dxx

x2

2

sin1

sin

#6 2

21

2

322)2cos(

)2sin(arctan2

xx

x

#7 dxxxx

x

)22()1( 22

#8 )1(5

1

25

)1ln(

50

)22ln(

25

)1arctan(7 2

x

xxxx

#9 dxx

x

16

#10 12

)1(

1ln

6

3

3

3

32arctan3

22

242

x

xxx

#11 dxxx ))tan(ln()sin(

#12 2

tanln2

))(ln(cot)cos( 2 xxx

#13 dxxx 33 ln

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144

#14 128

3

64

)(ln(3

64

))(ln(3

32

))(ln( 424224324 xxxxxxx

6.5 ÁREA E INTEGRAL DEFINIDA

y y

f(Mi)

f(mi)

x x

a x b a x b

s(Δ) Área de rectángulos inscritos S(Δ) Área de rectángulos circunscritos

menor que el área real A mayor que el área real A

s(Δ) < A < S(Δ)

lim ( ) lim ( )n n

s A S

Por tanto

0 01 1

lim ( ) lim ( )n n

i i i ix x

i i

f m x A f M x

01

lim ( )n

xi

A f x x

Esto nos permite definir la integral definida con las siguientes consideraciones;

Sea f definida en un intervalo cerrado [ , ]a b y sea ci un punto del subintervalo [

xi - 1, xi ] de anchura Δ xi. Entonces, si

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145

existe, denotaremos este limite por

y lo llamaremos INTEGRAL DEFINIDA de f entre a y b

Donde a y b son los límites superior e inferior de la integral, respectivamente,

f(x) es el integrando, dx el diferencial de x

Una propiedad importante de las integrales es que; si f es continua en [ , ]a b ,

entonces también es integrable en [ , ]a b .

6.6 TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO

Si una función f es continua en el intervalo [ , ]a b , entonces

Donde F es cualquier función tal que F'(x) = f(x) para todo x en [ , ]a b . Nótese

la desaparición de la constante de integración C.

Este teorema ofrece el método para calcular la integral definida, que permite

calcular el área debajo de la curva desde a hasta b, donde a < b. La aparición de

un signo negativo como resultado de la integral significa que; a) los límites de

integración fueron cambiados hallándose la curva por encima del eje x. b) la

curva tiene su gráfica por debajo del eje x.

La integral definida goza de las mismas propiedades de la integral indefinida

además de:

x)cf( ii

n

1=ix 0

lim

x)cf( f(x)dx ii

n

1=ix

b

a0

lim

F(a) - F(b) = f(x)dx

b

a

b c b

a a c

f(x)dx f(x)dx + f(x)dx

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146

Ejemplo 1. Determinar el área comprendida entre y = 3x² + 1; x = 0; x = 2;

y=0

x y

0 1

1 4

2 13

Ejemplo 2. Hallar el área comprendida entre y = -x² + 2x + 3 ; y = 0

-x² + 2x + 3 = 0

x² - 2x - 3 = 0

(x - 3) (x + 1) =0

3

1

233

1

2 33

)32( xxx

dxxx

66,103

1112

3

193)1(

3

)1(93

3

3 23

23

10 =(0) - 2)+2( = x+x[

= 1)dx+(3x

3

2

0

3

2

0

]

2

dx

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147

Ejemplo 3. Evaluar

Ejemplo 4 Graficar la función y hallar la integral 1

2 3

1

( 1)x x dx

3,619 = ))(4 - (16 8

3 =] )(4 - )[(8

8

3

= ) (4 - )2 + [(48

3 = )x + [(4

4

3

2

1 =

dx x + 4 2x 2

1 =dx x + 4 x

4/34/34/3

4/34/32

0

4/3

3

2

0

3

2

0

] 22

22

dx

dx

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148

Como la curva tiene dos partes, se hace necesaria la división de la integral en

dos partes de la forma

0 1

2 3 2 3

1 0

( 1) ( 1)x x dx x x dx

Como la gráfica es simétrica al origen puede evaluarse una de las integrales y

multiplicarse por dos para tener el área total

0

420

2 3

11

112 2 ( 1)

2 4

xx x dx

0

4 42

1

1 1 11 1 1 1

4 4 4x

Ejemplo 5. Hallar el área comprendida entre

(3 ) 0y x x y

Graficando tenemos

dx

dx

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149

Las raíces de la ecuación (3 ) 0 0 ; 3x x son x x por tanto, se

debe evaluar la integral

3

0

(3 )x x dx

3

3 53 2 2312 2

0

0

3 33 5

2 2

x xx x dx

3

5 52 23 3

2 2

0

3 12 32 2 3 4,1569

5 5 5

xx

NOTA. Resulta necesario que se refuerce el conocimiento adquirido

resolviendo los problemas15 al 24 de la práctica No. 5 página 254

dx

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150

6.7 ÁREA DE UNA REGIÓN COMPRENDIDA ENTRE DOS CURVAS

Si f y g son funciones continuas en [a , b] y g(x) < f(x) para todo x en [a , b],

entonces el área de la región limitada por y = f(x); y = g(x); x = a ; x = b es

y

f(x)

g(x)

dx

a b

Ejemplo 1. Hallar el área de la región comprendida entre y = x3 ; y = x en el

intervalo [0 , 1], haga un gráfico del problema.

g(x)]dx - [f(x) = A

b

a

4

1 =

=)] 0 ( - )4

1 -

2

1[( =

= 4

x -

2

x[ =)dx x - (x = A ]

1

o

43

1

o

2

dx

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151

Ejemplo 2. Hallar el área entre las curvas y = 2 - x² ; y = - x

Igualando tenemos: 2 - x² = - x

x² - x - 2 = 0

(x - 2) (x + 1) = 0 ===> x = 2 ; x = - 1

y

2

2

22

9 =

2

1 - 3 - 8 = A

= )3

1 +

2

1 + (-2 - )

3

8 - 2 + (4 =

3

x -

2

x + [2x =

= dx)] x - x + [(2 = dxx)] (- - )x - [(2 = A

]2

1-

3

2

1-

2

1-

dx

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152

Ejemplo 3. Hallar el área comprendida entre x = y² - 2 ; x = 6 - y²

El gráfico de este ejemplo muestra claramente que hallar el área

correspondiente utilizando dx se torna dificultosa siendo más conveniente

utilizar dy, por tanto:

y² - 2 = 6 - y² 2y² = 8 y = ± 2

3

64

3

323216

3

1616

3

168

3

2

)82()2()6(

2

2

3

2

2

2

2

2

2

2

yy

dyydyyy

Ejemplo 4. Mediante integración encontrar el área del triángulo cuyos vértices

son (0,0) ; (0,5) ; (6,0)

Sabemos que:

A = bh/2 =6*5/2

A = 15

dy

dx

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153

La ecuación de la recta que pasa por los puntos (0,5) ; (6,0) es:

0306553066

5

0

5yxxy

x

y

Despejando y tenemos:

xx

y6

55

6

530

La integral que nos dará el área será:

6

0

6

0

2 1512

18030

12

55)

6

55( xxdxx

Ejemplo 5 Hallar el área comprendida entre

2 2( ) 2 4 1 ; ( ) 4 3f x x x g x x x

La intersección de las parábolas permitirá hallar los límites de integración.

Igualando las ecuaciones tenemos

2 2

2

2 4 1 4 3

2 2

x x x x

x x

Los correspondientes valores de y son

2

( 2) 2 2 4 2 1 0.6568 2, 0.66f

2

( 2) 2 4 2 3 10.6568 2,10.66g

Note que los valores de y pueden hallarse a partir de cualquiera de las

ecuaciones

Graficando tenemos

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154

Por tanto la integral que debe resolverse es

2 22 2

2 2

( ( ) ( )) ( 4 3) (2 4 1)g x f x dx x x x x dx

22 32

2 2

2 23

xx dx x

3 32 2 8 2

2 2 2 2 3.773 3 3

Ejemplo 6. Hallar el área comprendida entre:

xxxxg

xxxxf

32)(

932)(

23

23

dx

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155

0)2)(3(

06

32932

23

2323

xxx

xxx

xxxxxx

Los límites de integración son -2 , 0 para el primer tramo A1 donde f(x) > g(x)

y; 0 , 3 para el segundo A2 donde g(x) > f(x), por tanto: 0

2

230

2

23231 632932 dxxxxdxxxxxxxA

3

16

3

88)12

3

84(

)2(33

2

4

2)0(3

3

0

4

0

2

6

34

1

234

234

0

2

234

1

A

xxxA

3

0

23

3

0

2323

2 693232 dxxxxdxxxxxxxA

4

63

4

8136279

4

81

)0(33

0

4

0)3(3

3

3

4

3

2

6

34

2

234

234

3

0

234

2

A

xxxA

08,2112

253

12

18964

4

63

3

1621 AAA

NOTA. Resuelva problemas 1 al 12 de la práctica 6, página 255

Igualando las ecuaciones se tiene:

A1

A2

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156

6.8 CÁLCULO DE ÁREAS CON DERIVE

Las integrales definidas pueden hallarse con INT(u,x,a,b) donde u es la

función que se desea integrar, x especifica la variable respecto a la cual se

integra, a es el límite inferior y b el límite superior.

Las siguientes ordenes del derive permiten dibujar las gráficas de las áreas

buscadas:

AreaUnderCurve(u, x, a, b, y) sombrea el área bajo la gráfica de la función

y=u(x) hasta el eje OX en el intervalo [a,b] (a < b). Por ejemplo, para la

función y = x + cos(x) en [0,3], represente la expresión

AreaUnderCurve(x + COS(x), x, 0, 3)

AreaOverCurve(u, x, a, b, y) sombrea el área sobre la gráfica de la función

y=u(x) hasta el eje OX en el intervalo [a,b] (a < b). Por ejemplo, para la

función y = sin(x) - x en [1,3] hasta 3, represente la expresión

AreaOverCurve(SIN(x) - x, x, 1, 3)

AreaBetweenCurves(u, v, x, a, b, y) sombrea el área comprendida entre las

gráficas de las funciones y=u(x) y y=v(x) desde x = a hasta b (a < b). Por

ejemplo, para representar el área comprendida entre y = sin(2x) y v(x) =

cos(3x) desde x = -p a p, represente

AreaBetweenCurves(SIN(2x), COS(3x), x, -pi, pi)

Haciendo v = 0, AreaBetweenCurves puede usarse para representar el área

asociada con la integral de y=u(x) en [a,b] con un único color. Por ejemplo,

para representar la integral de y = sin(2x) + cos(3x) desde x = -p a p, represente

AreaBetweenCurves(SIN(2x) + COS(3x), 0, x, -pi, pi)

PlotInt(u, x, a ,b, y) representa el área asociada con la integral de y= en [a,b].

Para que PlotInt trabaje correctamente, la opción Simplificar antes de

Representar debe estar activada. Por ejemplo, para representar la integral de

u(x) = x + sin(2x) desde x = -3 hasta 3, represente

PlotInt(x + SIN(2x), x, -3, 3)

A CONTINUACIÓN MOSTRAMOS LAS APLICACIONES EN DERIVE

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157

Ejemplo HALLAR EL AREA COMPRENDIDA ENTRE

300,13

1 2 xhastaxdesdexx

#1 AreaUnderCurve yxx ,3,0,,13

1 2

#2

3

0

2 13

1dxx

#3 6

LA MISMA GRÁFICA PUEDE OBTENERSE MEDIANTE

#4 PlotInt yxx ,3,0,,13

1 2

#5

30013

,30013

,13

222

xyyx

xyx

yx

dx

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158

Ejemplo HALLAR EL ÁREA COMPRENDIDA ENTRE

0,322 xxxy

#6 SOLVE( -x2 + 2 x + 3, x, y )

#7 x = 3 o x = -1

#8

3

1

2 )32( dxxx

#9 3

32

#10 AreaUnderCurve( - x2 + 2 x + 3, x, -1, 3, y)

#11 [ - x2 + 2 x + 3, y < - x

2 + 2 x + 3 ^ 0 < y ^ -1 ≤ x ≤ 3 ]

dx

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159

EJEMPLO. ENCONTRAR EL ÁREA COMPRENDIDA ENTRE

02043 2 xhastaxdesdexxxy

LA GRÁFICA PUEDE SER OBTENIDA DE CUALQUIERA DE LAS

SIGUIENTES DOS FORMAS:

#12 PlotInt( x ( 4 + x2 )

1/3, x, -2, 0, y)

#13 [x(x2+ 4)

1/3, y < x(x

2+ 4)

1/3 ^ 0 < y ^ -2 ≤ x ≤0, x(x

2+ 4)

1/3<y^ y<0^-

2≤x≤0]

#14 AreaOverCurve( x ( 4 + x2 )

1/3, x, -2, 0, y)

#15 [x(x2+ 4)

1/3, x(x

2+ 4)

1/3< y ^ y < 0 ^ -2 ≤ x ≤ 0]

dx

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160

#16

0

2

3/12 )4( dxxx

#17 62

23 3/2

#18 -3.618898422

EJEMPLO. HALLAR EL ÁREA ENTRE LAS CURVAS

10,3 xhastaxdesdexyxy

#19 AreaBetweenCurves( x3 ,x , x, 0, 1, y)

#20 [x3, x, x ≤ 1 ^ 0 ≤ x ^ (x

3 – y) (y – x) > 0]

dx

dx

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161

#21

1

0

3 )( dxxx

#22 4

1

EJEMPLO. HALLAR EL ÁREA COMPRENDIDA ENTRE LAS CURVAS

10,2 2 xhastaxdesdexyxy

#23 AreaBetweenCurves( 2 – x2, -x, x, 0, 1, y)

#24 [ 2 – x2, -x, x ≤ 1 ^ 0 ≤ x ^ - (x + y) (x

2+ y – 2) > 0]

#25

1

0

2 )2( dxxx

#26 6

13

#27 2.166666666

dx

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162

FÓRMULAS BÁSICAS DE INTEGRACIÓN

Cudxuuu csc')cot.(csc)9 Cudxuu cosln')(tan)10

Cuuu sinln')(cot)11 Cuudxuu tansecln')(sec)12

Cuudxuu cotcscln')(csc)13

Ca

udx

ua

uarcsin

')14

22 C

a

u

adx

ua

uarctan

1')15

22

Cauudxau

u 22

22ln

')16

Cau

au

adx

au

uln

2

1')17

22

Ca

uarc

aauu

dxusec

1')18

22

Cu

uaa

auau

dxu 22

22ln

1')19

1;1

')11

nCn

udxuu

nn Cedxue uu ')2

Cudxu

uln

')3 Cudxuu cos')(sin)4

Cudxuu sin')(cos)5 Cudxuu tan')(sec)6 2

Cudxuu cot')(csc)7 2 Cudxuuu sec')tan.(sec)8