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Matemática (61) · Unidad 7 — Integrales, áreas y ecuaciones diferenciales

Integración por partes

Cuando el integrando es un producto de dos funciones de familias distintas y ninguna es la derivada de la otra, partes cambia la integral por otra. Sirve si la nueva es más fácil, y eso depende de qué se elige como u.

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La explicación

De dónde sale

La sustitución necesita ver, adentro del integrando, una función y su derivada. En ∫ x·cos(x) dx eso no pasa: son dos funciones de familias distintas multiplicándose. Ahí entra partes, que es la regla del producto leída al revés. Como (u·v)′ = u′·v + u·v′, integrando los dos lados y despejando:

∫ u dv = u·v − ∫ v du

La fórmula no resuelve la integral: la cambia por otra, ∫ v du. Todo el método es elegir u y dv para que esa integral nueva sea más fácil que la de partida. Si queda peor, se eligió al revés, y se vuelve a empezar con la elección cambiada.

Cómo elegir u, que es todo el asunto

u es la que se simplifica al derivar; dv es la que no se complica al integrar. El cuadro del dibujo lo resume por familias. La razón es concreta: derivar x³ baja a 3x² y derivar ln(x) da 1/x, mientras que eˣ, sen y cos se reproducen para siempre, así que conviene dejarlas del lado que sólo hay que integrar. El logaritmo va siempre de u: integrarlo es justo lo que no sabemos hacer.

1. Partí el integrando en u y dv. El dv incluye el dx.
2. Calculá du derivando u, y v integrando dv (sin C: alcanza con una primitiva).
3. Armá u·v − ∫v du, con el menos puesto.
4. Resolvé la integral nueva; si todavía es un producto más fácil, aplicá partes otra vez con el mismo criterio.
5. Sumá la C al final y derivá para controlar.

El logaritmo solo, y el que hay que simplificar antes

∫ ln(x) dx no tiene producto a la vista: se lo inventa con dv = dx (v = x) y u = ln(x). Queda x·ln(x) − ∫ x·(1/x) dx = x·ln(x) − x + C. Y antes de integrar un logaritmo, usá sus propiedades: ln(x⁵) = 5·ln(x), ln(1/x) = −ln(x), ln(√(x + 3)) = (1/2)·ln(x + 3). Simplificar primero ahorra una integral entera.

Cuando hay que aplicarlo dos veces

En ∫ x²·e3x dx, la primera vuelta baja x² a 2x y deja una integral con x·e3x: todavía es un producto, pero más fácil. La segunda vuelta baja la x a 1. La señal de que vas bien es que el exponente de x baja de a uno. Lo que no hay que hacer es cambiar de criterio en la segunda vuelta: si ahí tomás u = e3x, deshacés la primera y volvés al principio.

La que vuelve: exponencial por seno o coseno

En ∫ e−x·sen(x) dx ninguna de las dos se simplifica al derivar. Se aplica partes dos veces con el mismo criterio y, en la segunda, reaparece la integral del principio. Llamándola I queda una ecuación:

I = (algo) − I  →  2I = (algo)  →  I = (algo)/2 + C

No es un círculo vicioso: es un despeje. Lo importante es no pasar la I al otro lado con el signo mal, y no olvidarse de dividir.

Polinomio por una potencia de (x − a)

En ∫ (x + 3)·(x − 1)−4 dx el polinomio va de u y la potencia de dv: (x − 1)−4 se integra como potencia (sube a −3 y se divide por −3), y el polinomio se simplifica al derivar. También sale por sustitución con u = x − 1 despejando x, y conviene saber que los dos caminos dan lo mismo.

El control que conviene hacer siempre

Derivá el resultado con la regla del producto. Tienen que cancelarse términos: en x·sen(x) + cos(x), la derivada es sen(x) + x·cos(x) − sen(x) = x·cos(x) ✔. Si no se cancelan, hay un signo mal, casi siempre el menos de la fórmula.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Calcular ∫ x·cos(2x) dx.

Planteo: una potencia por un coseno, y el 2x de adentro no tiene su derivada afuera: no es sustitución. Va por partes, con la potencia de u.

u = x  →  du = dx
dv = cos(2x) dx  →  v = sen(2x)/2

El 1/2 de v es el de la sustitución lineal: al derivar sen(2x) sale un 2 que hay que descontar.

La fórmula:

∫ x·cos(2x) dx = x·sen(2x)/2 − ∫ sen(2x)/2 dx

La integral que quedó ya no tiene la x molestando. Resolviéndola:

∫ sen(2x)/2 dx = (1/2)·(−cos(2x)/2) = −cos(2x)/4

y el menos de la fórmula con este menos dan más:

∫ x·cos(2x) dx = x·sen(2x)/2 + cos(2x)/4 + C

Control (derivar con la regla del producto): (x·sen(2x)/2)′ = sen(2x)/2 + x·cos(2x), y (cos(2x)/4)′ = −sen(2x)/2. Sumando, los dos senos se cancelan y queda x·cos(2x) ✔

Qué pasaba eligiendo al revés: con u = cos(2x) y dv = x dx, v = x²/2 y la integral nueva tiene x²·sen(2x): peor que la de partida.

Dónde se pierde el punto: los dos factores 1/2 (el de v y el de integrar sen(2x)) y el doble signo menos.

Y uno del nivel del parcial

Calcular ∫ e^(2x)·cos(x) dx.

Planteo: exponencial por coseno: ninguna se simplifica al derivar. Es de las que vuelven, así que la llamo I y aplico partes dos veces con el mismo criterio: u la trigonométrica, dv la exponencial.

Primera vuelta. u = cos(x), dv = e2x dx, así que du = −sen(x) dx y v = e2x/2:

I = e2xcos(x)/2 + (1/2)·∫ e2xsen(x) dx

El más sale de restar un v·du que ya era negativo.

Segunda vuelta, sobre ∫ e2xsen(x) dx: u = sen(x), dv = e2x dx, du = cos(x) dx:

∫ e2xsen(x) dx = e2xsen(x)/2 − (1/2)·I

Apareció I otra vez. Reemplazo y despejo:

I = e2xcos(x)/2 + e2xsen(x)/4 − I/4
(5/4)·I = e2x·(2cos(x) + sen(x))/4
I = e2x·(2cos(x) + sen(x))/5 + C

Control (derivar): (e2x)′·(2cos x + sen x)/5 + e2x(−2sen x + cos x)/5 = e2x(4cos x + 2sen x − 2sen x + cos x)/5 = e2xcos(x) ✔

Dónde se pierde el punto: cambiar de criterio en la segunda vuelta (se deshace la primera y queda I = I), y pasar el −I/4 al otro lado sin sumarlo.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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