Integral de la secante cúbica
La integral de la secante cúbica dada por
es una integral frecuente y desafiante en Cálculo Integral.
Hay varias razones por las que esta integral en particular es digna para prestarle atención:
- La técnica utilizada para reducir integrales con potencias impares grandes a potencias más pequeñas se presenta en este caso, el más sencillo. Los otros casos se hacen de manera similar.
- La funciones hiperbólicas en integración pueden ser utilizadas en casos en los que la potencia de la secante sea impar.
- Esta es una de varias integrales que normalmente puede hacer un estudiante de un primer curso de cálculo en el que la manera más natural de integrar es procediendo por el método de integración por partes y regresando a la integral con la que uno empezó.
- Esta integral es muy utilizada al evaluar cualquier integral de la forma
donde es una constante.
Cálculo
Integración por Partes
La integral de la secante cúbica puede ser hallada por el método de integración por partes, en un principio se considera la igualdad:
Y se procede por el método de integración por partes considerando que
Entonces
Si sumamos a ambos lados de la igualdad y dado que
obtenemos
Por lo tanto
Reducción a una integral de una función racional
Consideremos que
donde , de modo que .
Esta sustitución admite una descomposición por fracciones parciales como sigue
entonces
Si utilizamos linealidad de la integral entonces
Funciones hiperbólicas
Integrales de la forma
con pueden ser reducidas utilizando la identidad trigonométrica si es par o y son ambos impares. Si es impar y es par, las sustituciones hiperbólicas suelen ser usadas para evitar el uso del método de integración por partes, para así sólo reducir potencias de funciones hiperbólicas.
Dado que
entonces
Nótese que se sigue directamente de esta sustitución.
Potencias impares más grandes
Si se desea calcular
para con , se sigue un proceso similar al cálculo de la integral de la secante cúbica, es decir, se utiliza integración por partes para reducir la potencia, el único problema es que si por ejemplo, deseamos calcular la integral de la secante elevada a la quinta potencia, en un momento necesitaremos calcular la integral de la secante cúbica.
Ejemplo
Se desea calcular
Comencemos considerando que
Y procedemos por el método de integración por partes considerando que
Entonces
Fórmulas de Reducción
Uno puede demostrar utilizando integración por partes que la fórmula de reducción para la función secante está dada por:
para o alternativamente
Referencias
- Stewart, James (2012). "Section 7.2: Trigonometric Integrals". Calculus - Early Transcendentals. United States: Cengage Learning. pp. 475–6. ISBN 978-0-538-49790-9.
- Spivak, Michael (2008) “Integración en términos elementales” Calculus, p. 382