Cálculo de la integral de e^x cosx

La integral de e^x cosx es un problema común en el cálculo integral. En este artículo, exploraremos paso a paso cómo calcular esta integral, aprendiendo los conceptos clave y utilizando diferentes métodos para resolverla.

¿Qué es una integral?

Antes de sumergirnos en el cálculo de la integral de e^x cosx, es importante entender qué es una integral y cómo se relaciona con el cálculo diferencial. Una integral es una herramienta matemática utilizada para calcular el área bajo una curva en un intervalo determinado. Es la operación inversa de la derivada y nos permite encontrar una función primitiva de una función dada.

El método de integración por partes

Para calcular la integral de e^x cosx, podemos utilizar el método de integración por partes. Este método se basa en la fórmula:

∫ u dv = uv – ∫ v du

Donde u y v son funciones de x. Aplicando esta fórmula, debemos elegir u y dv de tal manera que sea más fácil calcular la integral resultante.

Paso 1: Identificar u y dv

En nuestro caso, podemos elegir:

u = e^x (una de las funciones más simples en nuestra expresión)

dv = cosx dx (la otra función más complicada)

Paso 2: Calcular du y v

Para calcular du, debemos derivar la función u con respecto a x. En este caso, la derivada de e^x es simplemente e^x. Para calcular v, debemos integrar dv. La integral de cosx dx es simplemente sinx.

Paso 3: Aplicar la fórmula de integración por partes

Aplicando la fórmula de integración por partes, tenemos:

∫ e^x cosx dx = e^x sinx – ∫ sinx e^x dx

En este punto, hemos simplificado la integral original en términos de funciones más sencillas, pero aún no hemos terminado.

El método de integración por sustitución trigonométrica

Para continuar simplificando la integral, podemos utilizar el método de integración por sustitución trigonométrica. Este método se basa en la identidad trigonométrica:

sin²x + cos²x = 1

Podemos reescribir la integral ∫ sinx e^x dx en términos de esta identidad trigonométrica y reducirla a una forma más simple.

Paso 4: Aplicar la sustitución trigonométrica

Para aplicar la sustitución trigonométrica, podemos reescribir ∫ sinx e^x dx como:

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= ∫ (1 – cos²x) e^x dx

Reemplazamos el término sin²x utilizando la identidad trigonométrica y simplificamos la expresión.

Paso 5: Simplificar la integral

Al reemplazar el término sin²x por 1 – cos²x, nuestra integral se simplifica a:

= ∫ e^x dx – ∫ cos²x e^x dx

La primera integral, ∫ e^x dx, es sencilla de calcular y simplemente nos da e^x. Sin embargo, la segunda integral ∫ cos²x e^x dx requiere un enfoque adicional.

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El método de integración por partes nuevamente

Para calcular la segunda integral ∫ cos²x e^x dx, podemos volver a aplicar el método de integración por partes. Podemos elegir:

u = cosx (una de las funciones más simples en nuestra expresión)

dv = cosx e^x dx (la otra función más complicada)

Paso 6: Calcular du y v

Para calcular du, derivamos la función u con respecto a x, lo que nos da -sinx. Para calcular v, debemos integrar dv, que es simplemente ∫ cosx e^x dx.


Paso 7: Aplicar la fórmula de integración por partes nuevamente

Aplicando la fórmula de integración por partes nuevamente, tenemos:

∫ cos²x e^x dx = cosx e^x + ∫ sinx e^x dx

Hemos simplificado la integral, pero todavía queda una integral que es similar a la original. Sin embargo, podemos notar una relación entre esta nueva integral y la integral original que nos permitirá continuar simplificando el cálculo.

Relacionando las integrales

Al comparar la segunda integral que obtuvimos (∫ cos²x e^x dx) con la integral original (∫ sinx e^x dx), podemos notar que son muy similares.

Observamos que:

∫ sinx e^x dx = ∫ cos²x e^x dx + ∫ sinx e^x dx

Si restamos ∫ sinx e^x dx de ambos lados de la igualdad, obtenemos:

0 = ∫ cos²x e^x dx

Esto significa que la segunda integral (∫ cos²x e^x dx) es igual a cero.

Finalizando el cálculo

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En base a nuestra observación, podemos concluir que:

∫ cos²x e^x dx = 0

Por lo tanto, nuestra expresión inicial para calcular la integral de e^x cosx se reduce a:

∫ e^x cosx dx = e^x sinx – ∫ sinx e^x dx

Ahora podemos reemplazar la segunda integral (∫ sinx e^x dx) por cero, simplificando aún más nuestra expresión:

∫ e^x cosx dx = e^x sinx – 0

Finalmente, nuestra respuesta simplificada a la integral de e^x cosx es:

∫ e^x cosx dx = e^x sinx

Conclusión

En este artículo, hemos aprendido cómo calcular la integral de e^x cosx utilizando el método de integración por partes y la sustitución trigonométrica. Hemos explorado paso a paso el cálculo de la integral y hemos identificado las relaciones entre diferentes integrales para simplificar el cálculo. Esperamos que este artículo te haya ayudado a entender el proceso de cálculo de esta integral y su aplicación en el campo del cálculo integral.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre una integral definida y una integral indefinida?

Una integral definida tiene límites de integración específicos y calcula el área bajo una curva en un intervalo determinado. Una integral indefinida no tiene límites de integración y encuentra una función primitiva de una función dada.

¿Cuándo debo utilizar el método de integración por partes?

El método de integración por partes es útil cuando tenemos dos funciones multiplicadas entre sí y podemos elegir una función para derivar y otra función para integrar. Este método nos permite simplificar la integral utilizando la fórmula de integración por partes.

¿Cuándo debo utilizar la sustitución trigonométrica?

La sustitución trigonométrica es útil cuando tenemos una expresión trigonométrica en la integral. Al utilizar identidades trigonométricas, podemos simplificar la integral y reducirla a una forma más manejable.

¿Hay otros métodos para calcular integrales?

Sí, existen varios métodos adicionales para calcular integrales, como la integración por fracciones parciales, la integración por sustitución trigonométrica inversa y la integración numérica. La elección del método depende de la complejidad de la integral y las herramientas matemáticas disponibles.