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sustitución trigonométrica

En matemáticas , la sustitución trigonométrica es la sustitución de funciones trigonométricas por otras expresiones. En cálculo , la sustitución trigonométrica es una técnica para evaluar integrales. Además, se pueden utilizar las identidades trigonométricas para simplificar ciertas integrales que contienen expresiones radicales . [1] [2] Al igual que otros métodos de integración por sustitución, al evaluar una integral definida, puede ser más sencillo deducir completamente la antiderivada antes de aplicar los límites de integración.

Caso I: Integrandos que contienen un 2 − x 2

Deja y usa la identidad.

Ejemplos del caso I

Construcción geométrica para el Caso I

Ejemplo 1

en la integral

podemos usar

Entonces,

El paso anterior requiere que y Podemos elegir ser la raíz principal e imponer la restricción usando la función seno inversa.

Para obtener una integral definida, es necesario determinar cómo cambian los límites de la integración. Por ejemplo, como va de a luego va de a así va de a Entonces,

Se necesita algo de cuidado al elegir los límites. Debido a que la integración anterior requiere que solo pueda ir de a . Si se ignora esta restricción, se podría haber elegido ir de a , lo que habría resultado en un valor negativo del valor real.

Alternativamente, evalúe completamente las integrales indefinidas antes de aplicar las condiciones de contorno. En ese caso, la antiderivada da

Ejemplo 2

la integral

puede evaluarse dejando dónde para que y por el rango del arcoseno, de modo que y

Entonces,

Para una integral definida, los límites cambian una vez que se realiza la sustitución y se determinan usando la ecuación con valores en el rango. Alternativamente, aplique los términos de los límites directamente a la fórmula de la antiderivada.

Por ejemplo, la integral definida

puede evaluarse sustituyendo con los límites determinados utilizando

porque y

Por otro lado, la aplicación directa de los términos límite a la fórmula obtenida previamente para la antiderivada produce

Caso II: Integrandos que contienen un 2 + x 2

Deja y usa la identidad.

Ejemplos del Caso II

Construcción geométrica para el Caso II

Ejemplo 1

en la integral

podemos escribir

de modo que la integral se convierte en

proporcionó

Para una integral definida, los límites cambian una vez que se realiza la sustitución y se determinan usando la ecuación con valores en el rango. Alternativamente, aplique los términos de los límites directamente a la fórmula de la antiderivada.

Por ejemplo, la integral definida

puede evaluarse sustituyendo con los límites determinados utilizando

Desde y

Mientras tanto, la aplicación directa de los términos límite a la fórmula de la antiderivada produce

Ejemplo 2

la integral

puede ser evaluado dejando

donde para que y por el rango del arcotangente, de modo que y

Entonces,

integral de la secante al cubointegración por partes

Caso III: Integrandos que contienen x 2 − a 2

Deja y usa la identidad.

Ejemplos del Caso III

Construcción geométrica para el Caso III

Integrales como

También se puede evaluar mediante fracciones parciales en lugar de sustituciones trigonométricas. Sin embargo, la integral

no puedo. En este caso, una sustitución apropiada es:

donde para que y asumiendo para que y

Entonces,

Se puede evaluar la integral de la función secante multiplicando el numerador y el denominador por y la integral de la secante al cubo por partes. [3] Como resultado,

Cuándo , lo que sucede cuando se le da el rango de arcosecante, es decir , en ese caso.

Sustituciones que eliminan funciones trigonométricas

La sustitución se puede utilizar para eliminar funciones trigonométricas.

Por ejemplo,

La última sustitución se conoce como sustitución de Weierstrass , que hace uso de fórmulas de medio ángulo tangente .

Por ejemplo,

sustitución hiperbólica

Las sustituciones de funciones hiperbólicas también se pueden utilizar para simplificar integrales. [4]

En la integral haz la sustitución.

Luego, usando las identidades y

Ver también

Referencias

  1. ^ Stewart, James (2008). Cálculo: primeros trascendentales (6ª ed.). Brooks/Cole . ISBN 978-0-495-01166-8.
  2. ^ Thomas, George B .; Vertedero, Maurice D.; Hass, Joel (2010). Cálculo de Thomas: primeros trascendentales (12ª ed.). Addison-Wesley . ISBN 978-0-321-58876-0.
  3. ^ Stewart, James (2012). "Sección 7.2: Integrales trigonométricas". Cálculo: trascendentales tempranos . Estados Unidos: Cengage Learning. págs. 475–6. ISBN 978-0-538-49790-9.
  4. ^ Boyadzhiev, Khristo N. "Sustituciones hiperbólicas para integrales" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 26 de febrero de 2020 . Consultado el 4 de marzo de 2013 .