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CÁLCULO INTEGRAL 141 INTEGRACIÓN DE EXPRESIONES DE LA FORMA : dx (x) Q (x) P DONDE Q(x) PRESENTA FACTORES LINEALES O CUADRÁTICOS Cuando tenemos una integral de la forma dx (x) Q (x) P , donde Q(x) presenta factores enteros de grado uno o dos, se recomienda descomponer la expresión dx (x) Q (x) P , en fracciones parciales, aquí presentaremos sólo 4 casos, los demás casos los presentaremos en el Método de Ostrogradski. Cuando grad P(x) grad Q(x) , entonces (x) Q (x) P admite una división.¡ Hay que dividir! CASO 1 : Cuando Q(x) presenta sólo factores Lineales y ninguno se repite. Ejemplo: Desarrollar : x + 1 dx (x - 1)(x + 2)(x + 3) Resolución (a): Descomponiendo en Fracciones Parciales: x + 1 A B C = + + (x - 1)(x + 2)(x + 3) x - 1 x + 2 x + 3 .......(*) Dando común denominador o simplificando: x + 1 A(x + 2)(x + 3) + B(x - 1)(x + 3) + C(x - 1)(x + 2) = (x - 1)(x + 2)(x + 3) (x - 1)(x + 2)(x + 3) x + 1 = A(x + 2)(x + 3) + B(x - 1)(x + 3) + C(x - 1)(x + 2) Utilizando el método de las raíces, para hallar los coeficientes A, B y C ; en efecto: Sí: x = 1 , Entonces: 2 = 12A → A = 6 1 Sí: x = -2 , Entonces: -1 = - 3B → B = 3 1 Sí: x = -3 , Entonces: -2 = 4C → C = 2 1 − Reemplazando los valores de A , B y C en (*), luego integrando tenemos: x + 1 dx (x - 1)(x + 2)(x + 3) = 1 dx 1 dx 1 dx + - 6 x - 1 3 x + 2 2 x + 3 CÁLCULO INTEGRAL 142 = 1 1 1 Ln x - 1 + Ln x + 2 - Ln x + 3 + C 6 3 2 Resolución (b): Empleando una igualdad que está dentro de las fórmulas importantes: ++− + = dx 3)2)(x1)(x(x 1x dx Q(x) P(x) = C 3 xLn 3)(' Q 3)P( 2 xLn 2)(' Q 2)P( 1 xLn (1)' Q P(1) ++ − − ++ − − +− Siendo: Q(x) = 6x4xx 23 −++ y P(x) = x + 1 Entonces: 18x3x(x)' Q 2 ++= Entonces: 12 183 (1)' Q =++= P(1) = 1 + 1 = 2 3116122)(' Q −=+−=− P(-2) = -2 + 1 = -1 4124273)(' Q =+−=− P(-3) = -3 + 1 = -2 ++− + dx 3)2)(x1)(x(x 1x = C 3 xLn 2 1 2 xLn 3 1 1 xLn 6 1 ++−++− CASO 2 : Cuando Q(x) presenta factores Lineales y algunos se repiten. Ejemplo: Desarrollar : 2 x + 2 dx (x - 2)(x - 1) Resolución : 2 x +2 (x - 2)(x - 1) = 2 A B C + + x - 2 x - 1 (x - 1) ..... (*) x + 2 = A(x -1)2 + B(x - 2)(x - 1) + C(x - 2) x + 2 = A(x2 –2x + 1) + B(x2 – 3x + 2) + Cx – 2C x + 2 = Ax2 –2Ax + A + Bx2 – 3Bx + 2B + Cx – 2C x + 2 = (A + B)x2 + (C – 3B – 2A)x + (A + 2B – 2C) Por identidad de polinomios: 3- Cy 4 -B ; 4A : valoreslos hallamos donde De 2 2C - 2B A 1 2A - 3B - C 0 B A === =+ = =+ Reemplazando los valores de A , B y C en (*), luego integrando tenemos: 2 x + 2 dx (x - 2)(x - 1) = 2 dx dx dx 4 - 4 - 3 x - 2 x - 1 (x - 1) CÁLCULO INTEGRAL 143 = 2 d(x - 2) d(x - 1) d(x - 1) 4 - 4 - 3 x - 2 x - 1 (x - 1) = 3 4Ln x - 2 - 4Ln x - 1 + + C x - 1 CASO 3 : Cuando Q(x) presenta algún factor cuadrático y no se repite. Ejemplo : 1 ) Desarrollar : ++− + dx ) 1x)(x 2(x 1x 2 Resolución : ) 1x)(x 2(x 1x 2 ++− + = 1xx CBx 2x A 2 ++ + + − .......(*) 2C)(AC)x2B(AB)x(A1x 2)C)(x(Bx1)xA(x1x 2 2 −++−++=+ −++++=+ Por identidad de polinomios: =− =+− =+ 12CA 1C2BA 0BA De donde hallamos los valores: 7 3 A = ; 7 3 B −= y 7 2 C −= Reemplazando los valores de A , B y C en (*), luego integrando tenemos: 2 x + 1 dx (x - 2 )(x + x + 1 ) = 2 3 dx 1 3x + 2 - dx 7 x - 2 7 x + x + 1 = 2 1 (2x + 1 + ) dx 3 d(x - 2) 3 3 - 7 x - 2 14 x + x + 1 = 2 2 2 3 3 d(x + x + 1) 1 dx Ln x - 2 - - 7 14 14x + x + 1 x + x + 1 = 2 22 1 d x + 3 3 1 2 Ln x - 2 - Ln x + x + 1 - 7 14 14 1 3 x + + 2 2 = 2 1 x + 3 3 1 2Ln x - 2 - Ln x + x + 1 - arcTg + C 7 14 33 14 22 CÁLCULO INTEGRAL 144 = 2 3 x - 2 3 2x + 1 Ln - arcTg + C 7 21 3x + x + 1 2 ) Desarrollar : −++ + dx ) 2)(x 1x(x 1x 22 Resolución : 22 ) 2)(x 1x(x 1x −++ + = 1xx DCx 2)(x B 2x A 22 ++ + + − + − ..... (*) 222 2)D)(x(Cx1)xB(x2)1)(xxA(x1x −+++++−++=+ 4D)2A(B4D)x4CA(BD)x4CA(BC)x(A1x 23 +−+−+−++−−++=+ Por identidad de polinomios: 49 8 A:Donde 14D2AB 14D4CAB 0D4CAB 0CA −= =+− =−+− =+−− =+ ; 7 3 B = ; 49 8 C = ; 49 3 D = Reemplazando los valores de A , B , C y D en (*), luego integrando tenemos: −++ + dx ) 2)(x 1x(x 1x 22 = ++ + + − + − − dx 1xx 4 3 2x 49 4 2)(x dx 7 3 2x dx 49 8 22 2 2 2 8 d(x - 2) 3 d(x - 2) 4 ( 2x + 1 )dx 1 dx = - + + - 49 x - 2 7 49 4(x - 2) x + x + 1 x + x + 1 2 2 22 1 d x + 8 3 4 d(x + x + 1) 1 2 = - Ln x - 2 - + - 49 7(x - 2) 49 4x + x + 1 1 3 x + + 2 2 2 1 x + 8 3 4 1 2= - Ln x - 2 - + Ln x + x + 1 - arcTg + C 49 7(x - 2) 49 33 49 22 28 3 4 2 3 2x + 1 = - Ln x - 2 - + Ln x + x + 1 - arcTg + C 49 7(x - 2) 49 147 3 CÁLCULO INTEGRAL 145 CASO 4 : Cuando Q(x) presenta algún factor cuadrático y se repite. Ejemplo : 1 ) Desarrollar : 2 2 x + 3 dx (x - 1 )(x + x + 1 ) Resolución : Por fracciones parciales: 22 ) 1x)(x 1(x 3x ++− + = 222 1)x(x EDx 1xx CBx 1x A ++ + + ++ + + − ......(*) 1)E)(x(Dx1)x1)(xC)(x(Bx1)xA(x3x 222 −++++−++++=+ E)C(AE)xDB(2AD)x(3AC)x(2AB)x(A3x 234 −−++−−++++++=+ Por identidad de polinomios: 9 4 A :Donde 3ECA 1EDB2A 0D3A 0C2A 0BA = =−− =+−− =+ =+ =+ ; 9 4 B −= ; 9 8 C −= ; 3 4 D −= y 3 5 E −= Reemplazando los valores de A , B , C , D y E en (*), luego integrando tenemos: = ++ −− + ++ −− + − dx 1)x(x 3 5 x 3 4 dx 1xx 9 8 x 9 4 1x dx 9 4 222 = 2 2 2 3 (2x + 1 + ) 4 2 (2x + 1 + 3) dx 2 2Ln x - 1 - - dx 9 9 3x + x + 1 (x + x + 1) = 2 2 2 3 (2x + 1 + ) 4 2 (2x + 1 + 3) dx 2 2Ln x - 1 - - dx 9 9 3x + x + 1 (x + x + 1) = 2 2 2 2 2 2 4 2 (2x + 1) dx dx 2 (2x + 1)dx 3 dx Ln x - 1 - + 3 - + 9 9 3 2x + x + 1 x + x + 1 (x + x + 1) (x + x + 1) 2 2 2 2 22 22 1 1 d x + d x + 4 2 d(x + x + 1) 2 -1 32 2 = Ln x - 1 - + 3 - + 9 9 3 2x + x + 1 x + x + 11 3 1 3x + + x + + 2 2 2 2 2 22 22 11 d x + x + 4 2 2 2 22= Ln x - 1 - Ln x + x + 1 - arcTg + - 9 9 3 (x + x + 1)33 1 33 x + + 22 2 2 CÁLCULO INTEGRAL 146 Observación: C au u a u ArcTg a 1 2a 1 )a(u du 222222 + + + = + Entonces: C 2 3 2 1 x 2 1 x 2 3 2 1 x arcTg 2 3 1 2 3 2 1 1)x(x 3 2 3 12x arcTg 9 34 1x x 1) (x Ln 9 2 22222 2 + + + + + + − ++ + + − ++ − = C 1)x(x 2 12x 3 12x arcTg 3 32 3 2 1)x(x 3 2 3 12x arcTg 9 34 1x x 1) (x Ln 9 2 222 2 + ++ + + + − ++ + + − ++ − = 2 2 x + 3 dx (x - 1 )(x + x+ 1 ) C 1)x(x 3 12x 3 12x arcTg 9 38 1x x 1) (x Ln 9 2 22 2 + ++ − − + − ++ − = 2 ) Desarrollar : ++− + dx ) 1x(x) 1(x 3x 222 Resolución : Por fracciones parciales: 2 2 2 x + 3 (x - 1 ) (x + x + 1 ) = 2 2 2 2 A B Cx + D Ex + F + + + x - 1 (x - 1) x + x + 1 (x + x + 1) ......(*) 2 2 2 2 2 2 2x + 3 = A(x - 1)(x + x + 1) + B(x + x + 1) + (Cx + D)(x - 1) (x + x + 1) + (Ex + F)(x - 1) 5 4 3 2x + 3 = (A + C)x + (A + B - C + D)x + (A + 2B - D + E)x + (3B - A - C - 2E + F)x + (2B -A + C - D + E - 2F)x + (B - A + D + F) Por identidad de polinomios: A + C = 0 A + B - C + D = 0 A + 2B - D + E = 0 Donde: 3B - A - C - 2E + F = 0 2B - A + C - D + E - 2F = 1 B - A + D + F = 3 7 A = - 9 ; 4 B = 9 ; 7 C = 9 ; 10 D = 9 ; E = 1 ; 2 F = 3 CÁLCULO INTEGRAL 147 Reemplazando los valores de A , B , C , D , E y F en (*), luego integrando tenemos: 2 2 2 2 2 2 2 10 2 x + x + x + 3 7 dx 4 dx 7 7 3dx = - + + dx + dx 9 x - 1 9 9(x - 1 ) (x + x + 1 ) (x - 1) x + x + 1 (x + x + 1) = ++ ++ + ++ ++ + − −− 222 1)x(x dx ) 3 1 1(2x 2 1 1xx dx ) 7 13 1(2x 18 7 1)9(x 4 1 - x Ln 9 7 + + + + ++ − + + + ++++ − −−= 2 22 222 2 2 3 2 1 x 2 1 xd 6 1 1)x(x 2 1 2 3 2 1 x 2 1 xd 18 13 1x xLn 18 7 1)(x 9 4 1 - x Ln 9 7 1)x(x 2 1 2 3 2 1 x arcTg 2 3 18 13 1x xLn 18 7 1)(x 9 4 1 - x Ln 9 7 2 2 ++ − + ++++ − −−= C 2 3 2 1 x 2 1 x 2 3 2 1 x arcTg 2 3 1 2 3 12 1 222 + + + + + + + 1)x(x 2 1 3 12x arcTg 27 313 1)(x 9 4 1 x 1x x Ln 9 7 2 2 ++ − + + − − − ++ = C 1)x(x 2 12x 3 12x arcTg 3 32 9 1 2 + ++ + + + + C 1)x(x 9 4x 3 12x arcTg 9 35 1)(x 9 4 1 x 1x x Ln 9 7 2 2 + ++ − + + + − − − ++ = CASO 5 : Cuando Q(x) presenta raíces múltiples, es decir el exponente de sus factores es elevado 3. Ejemplo: Desarrollar : 3 2 dx (x - 1) Resolución : Para estos casos es recomendable integrar utilizando el Método de Ostrogradski. MÉTODO DE OSTROGRADSKI CÁLCULO INTEGRAL 148 Una integral que tiene la forma de: dx (x) Q (x) P ; donde Grad P(x) < Grad Q(x) . Además Q(x) tiene raíces múltiples, se puede expresar de la siguiente manera: P(x) dx Q(x) = 1 1 P (x) Q (x) + 2 2 P (x) dx Q (x) .........(*) Donde: 1) ( )1Q (x) M.C.D Q(x);Q (́x)= 2) (x)QQ(x)(x)Q 12 = 3) (x)P1 es un polinomio de coeficientes indeterminados tal que: Grad (x)P1 = Grad 1(x)Q1 − 4) (x)P2 es un polinomio de coeficientes indeterminados tal que: Grad (x)P2 = Grad 1(x)Q2 − ❖ Los valores de los coeficientes indeterminados se conocerán derivando (*); y luego se hará una identidad de polinomios. Desarrollar : − 23 ) 1(x dx Resolución : 3 2 dx (x - 1 ) = 1 1 P (x) Q (x) + 2 2 P (x) dx Q (x) .........(*) (1) ( )3 2 2 3 3 1Q (x) = M.C.D (x - 1) ; 6x (x - 1) = x - 1 (2) 3 2 3 3 2Q (x) = (x - 1) ÷ (x - 1) = x - 1 (3) 2 1P (x) = Ax + Bx + C (4) 2 2P (x) = Dx + Ex + F Reemplazando (1) ,( 2) ,( 3) y (4) en (*): 3 2 dx (x - 1 ) = 2 2 3 3 Ax + Bx + C Dx + Ex + F + dx x - 1 x - 1 …..(**) Derivando (**) tenemos: 3 2 2 2 3 3 2 3 2 3 2 1 (2Ax + B)(x -1 ) -3x (Ax + Bx + C) (Dx + Ex + F)(x - 1 ) = + (x - 1 ) (x - 1 ) (x - 1 ) 1 = 4 3 4 3 2 5 2 4 32Ax - 2Ax + Bx - B - 3Ax - 3Bx - 3Cx + Dx - Dx + Ex - Ex + Fx - F CÁLCULO INTEGRAL 149 1 = 5 4 3 2Dx + (E - A)x + (F - 2B)x + (-3C - D)x + (-2A - E)x + (-B - F) Por identidad de polinomios: D = 0 E - A = 0 F- 2B = 0 Donde: -3C - D = 0 -2A - E = 0 -B - F = 1 A = 0 ; 1 B = - 3 ; C = 0 ; D = 0 ; E = 0 ; 2 F = - 3 Reemplazando los valores obtenidos en (**), tenemos: − 23 ) 1(x dx = 1 I 33 1x dx 3 2 1)3(x x − − − − …..(α) Resolviendo I 1 : ++− = − = 1)x1)(x(x dx 1x dx I 231 ....Por fracciones parciales 1xx CBx 1x A 1)x1)(x(x 1 22 ++ + + − = ++− ....( ) 1 = 1)C)(x(Bx1)xA(x 2 −++++ 1 = C)(AC)xB(AB)x(A 2 −++−++ Por identidad de polinomios: :Donde 1CA 0CBA 0BA =− =+− =+ 3 1 A = ; 3 1 B −= y 3 2 C −= Reemplazando los valores de A , B y C en ( ), luego integrando tenemos: 2 dx (x - 1)(x + x + 1) = 2 1 dx 1 x + 2 - dx 3 x - 1 3 x + x + 1 = 2 1 1 (2x + 1 + 3) dx Ln x - 1 - 3 6 x + x + 1 = 2 2 22 1 d x + 1 1 d(x + x + 1) 1 2 Ln x - 1 - - 3 6 2x + x + 1 1 3 x + + 2 2 CÁLCULO INTEGRAL 150 = 2 1 x + 1 1 1 2Ln x - 1 - Ln x + x + 1 - arcTg + C 3 6 33 2 22 = 3 6 2 x - 1 3 2x + 1 Ln - arcTg + C 3 3 x + x + 1 .... (β) Luego (β) en (α) tenemos : 3 2 dx (x - 1 ) = 3 3 6 2 x 2 x - 1 3 2x + 1 - - Ln - arcTg + C 3 33(x - 1) 3 x + x + 1 Desarrollar : + + xTg1 xdx1)Secx(Sec 3 22 Resolución : + + xTg1 xdx2)Secx(Tg 3 22 Sea : u = Tgx → du = xdxSec2 Reemplazando: +−+ + = + + 1)uu)(u(1 2)du(u u1 2)du(u 2 2 3 2 = 2 2 (u u 1 1 + u)du (1 u)(u u 1) − + + + − + = +− + + 1uu du 1u du 2 = + + + 1)(u 1)d(u 22 1 d u - 2 1 3 u - + 2 2 CÁLCULO INTEGRAL 151 = 1 u 1 2 Ln u 1 arcTg + C 33 22 − + + = 2 3 2u 1 Ln u 1 arcTg + C 3 3 − + + Luego reemplazando u = Tgx , tenemos : = 2 3 2Tgx - 1 Ln Tgx + 1 + arcTg + C 3 3 EJERCICIOS : Desarrollar las siguientes integrales : 1) ++ + dx 4x4x 3x5 2 2) − − dx 1x 1x2 3 2 3) +− + dx 6x7x 1x2 3 4) 0a; )xx(a dx 22 − 5) + 23 xx dx 6) +− −− dx 1xx 83xx 2 2 7) + + dx )2x( 1x 2 2 8) + + dx 4xx 1x 3 9) + dx 1x x6 2 3 10) − dx 2x x 3 11) + +++ dx )4x(x 8x5x2x 22 23 12) ++ + dx 22xx 54x 2 13) dx 1)x(x2)(x 113x7x4x3x 22 234 ++− +−+− 14) dx 42)8x(x 53x 22 +− − CÁLCULO INTEGRAL 152 15) − dx 1x x 2 3 16) 2 dx (x + 1)(x + 1) 17) +− dx 3x4x2 x2 2 3 18) 2 2 2 1 + 2x - x dx (1 + x) (1 + x ) 19) 4 3 dx (x - 1) 20) 2 2 x dx (x + 1) (x + 1) 21) −+ ++ dx 4x3x 1x12x5 23 2 22) 3 2 2 2 x + 2x + 5x + 8 dx x(x + 4) 23) 2 3 2 x + 1 dx (x + 3x - 7) 24) 7 5 3 x + x + 1 dx x - 1 25) −+ + dx 43 1 23 2 xx x 26) 2 2 x - 2 dx x(x - 4x + 5) 27) 2 2 2 dx x ( 1 + x )(x + 4) 28) 4 2 3 (x + 1) dx (x + 2x + 2) 29) 5 4 2 2 x + x + 1 dx (x + x + 1) 30) 2 3 dx (x + 9) 31) +− ++ dx xx2x 1xx 345 2 32) ++ dx )xx)(1(1 2x 22 33) − dx 3)(2x5x 9 322 34) + −−+ dx 1)(xx 24xxx 223 246 35) + + dx 1)(xx 43x 322 4 36) + 23 ) x1 ( dx 37) +−− dx x4x4x 8x5 23 38) + −−−− dx 1)(xx 2524x26xxx 223 245 39) + 1)²(x dx 4 40) + + dx 4xx² 12x 41) − − dx 1²x 62x 42) −+ dx 82xx 3x 2 CÁLCULO INTEGRAL 153 43) − )4²x(x dx 44) +++ dx 611x6xx x 23 45) dx xx 2xx5 3 2 − −+ 46) − −+ dx xx 1x5x2 3 2 47) −− − dx 2)xx(x x4 2 48) −− −− dx )1x()9x( 18x3x 2 2 49) x² - 6x + 4 dx x³ - 3x² + 2x 50) x² + 1 dx x³ + x² - 2x 51) 6x² + 22x + 18 dx x³ + 6x² + 11x + 6 52) 1 + x³ dx x³ - 4x 53) −−+ dx 36x9²x4³x ²x 54) -14x + 20 dx x³ + 4x² - 5x 55) 2x - 12 dx x³ - 4x 56) 2 3x - 2 dx ( x - 1 ) 57) 3 2 4 4x + 18x + 30x +17 dx (x + 2) 58) 2 2 2 - x - x dx (x + 1) 59) 2 2 3 4 - π - 2πx - x dx (x + π) 60) 2 3 x - 4x + 5 dx (x - 1) 61) 2 2 2 2 2 x + a dx (x - a ) 62) 3 2 3 2x - 5x + 6x + 1 dx x(x + 1) 63) 5 4 3 x +2 dx x - 2x + x 64) − + dx 1)(4x 1x 22 3 65) − ++− dx 3)(xx xx6x9 22 32 66) − ++ dx 1)(x 54xx 3 2 67) −− −+− dx 2)(x1)(x 9)14x7x2(x 22 23 68) + ++ dx 1)(xx 1)3(xx 34 34 69) ++ d)(cxb)(ax dx 2 70) dx 2)(x1)(x x4x7x5 23 32 −− −+− CÁLCULO INTEGRAL 154 71) + 4)x(x dx 2 72) + 2222 )w(xx dx 73) + + dx xx 1x 24 74) +− dx 17x8x16 x32 2 75) +− − dx 58x4x 78x 2 76) dx n2nx2x x 22 +− 77) dx 106xx 73x 2 +− − 78) + dx )π(xx π 224 5 79) dx a4x x 44 2 + 80) + 44 a4x dx 81) 3 2 4 x + x - 2 dx x + 4 82) 3 2 4 x + 2x - 2x dx x + 4 83) 2 2 2 2 x dx (x + a )(x + b ) 84) 3 2 2 2 x - 2x + x dx (x - 4x + 5)(x - 2x + 5) 85) + dx 1x x 2 2 86) 2 2 2 x + 2x dx (x + 2x + 2) 87) 3 2 2 2 x - 8x + 22x + 22 dx (x + 6x +10) 88) 2 2 2 x - 6x + 7 dx (x - 4x + 5) 89) 3 2 2 2 x - 3x + 6x - 4 dx (x - 2x + 2) 90) 3 2 2 2 2(x + 2x - x + 47) dx (x + 4x + 13) 91) 3 2 2 2 x + 3x - x - 3 dx (x + 2x + 5) 92) 3 2 4 2 2x + x + 5x + 4 dx x + 8x + 16 93) 2 2 dx (x + 1) 94) 3 2 3 3 (2x - 1)x dx (1 + x ) 95) 2 2 2x 5 dx (x 1) (x 3) + + − 96) dx 1x2x 53x 2 ++ + 97) dx 1)2x(x 15x 22 ++ + 98) dx 9)(x 8110x18xxx 32 234 + ++++
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