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Reglas de integración

Integración por sustitución (cambio de variable): pasos y ejemplos

La integración por sustitución invierte la regla de la cadena: ∫f(g(x))g′(x)dx = ∫f(u)du. Fórmula, cómo elegir u, cambio de límites y ejemplos.

Reglas de integración Actualizado 3 min de lectura

De un vistazo

\int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du, \quad u = g(x)
Invierte
La regla de la cadena para derivadas
Cuándo usarla
El integrando contiene una función interior g(x) y, salvo una constante, su derivada g'(x)
Paso clave
Haz u = g(x) y sustituye dx usando du = g'(x)\,dx
Integrales definidas
Cambia los límites a u = g(a) y u = g(b)
También llamada
Cambio de variable, sustitución u
En esta página
  1. La fórmula de integración por sustitución
  2. Los pasos
  3. Cómo reconocerla
  4. Ejemplos resueltos
  5. Cómo comprobar el resultado
  6. Errores comunes
  7. Dónde encaja

La integración por sustitución (o cambio de variable) es la regla de la cadena aplicada al revés. Cuando un integrando contiene una función dentro de otra, junto con la derivada de esa función interior, un único cambio de variable lo convierte en una integral inmediata.

La fórmula de integración por sustitución

Si u = g(x) es derivable y f es continua, entonces

\int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du

La clave está en la diferencial: de u = g(x) se obtiene du = g'(x)\,dx, que sustituye a la vez el factor sobrante y el dx.

En una integral definida, los límites cambian junto con la variable:

\int_a^b f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du

Los pasos

  1. Elige u: la función interior de una composición.
  2. Calcula du: du = g'(x)\,dx, y despeja dx o el factor que necesites.
  3. Sustituye: reescribe toda la integral en función de u. No puede quedar ninguna x.
  4. Integra en u con una regla básica, como la regla de la potencia para integrales.
  5. Deshaz el cambio con u = g(x), o usa los nuevos límites en una integral definida.

Cómo reconocerla

Forma del integrando Buena elección de u
(\text{algo})^n \cdot (\text{su derivada}) ese algo
e^{g(x)}\,g'(x) el exponente g(x)
\sin(g(x))\,g'(x), \cos(g(x))\,g'(x) el ángulo g(x)
\frac{g'(x)}{g(x)} el denominador g(x), que da \ln\lvert g(x)\rvert
f(ax + b) la expresión lineal interior ax + b

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: una potencia. En \int 2x\,(x^2 + 1)^5\,dx, haz u = x^2 + 1, de modo que du = 2x\,dx:

\int u^5\,du = \frac{u^6}{6} + C = \frac{(x^2+1)^6}{6} + C

Ejemplo 2: ajustar una constante. En \int x\,e^{x^2}\,dx, haz u = x^2, de modo que du = 2x\,dx y x\,dx = \frac{1}{2}du:

\int e^{u}\cdot\frac{1}{2}\,du = \frac{1}{2}e^{x^2} + C

Ejemplo 3: un interior lineal. En \int \cos(3x)\,dx, haz u = 3x, de modo que dx = \frac{1}{3}du:

\int \cos(3x)\,dx = \frac{1}{3}\sin(3x) + C

Ejemplo 4: aparece un logaritmo. En \int \tan x\,dx = \int \frac{\sin x}{\cos x}\,dx, haz u = \cos x, de modo que \sin x\,dx = -du:

\int -\frac{1}{u}\,du = -\ln\lvert \cos x\rvert + C

Ejemplo 5: una integral definida. En \int_0^1 2x\,(x^2+1)^3\,dx, haz u = x^2 + 1. Cuando x = 0, u = 1; cuando x = 1, u = 2:

\int_1^2 u^3\,du = \left[\frac{u^4}{4}\right]_1^2 = \frac{16}{4} - \frac{1}{4} = \frac{15}{4}

Cómo comprobar el resultado

Deriva el resultado y deberías recuperar el integrando original, incluida la derivada interior. En el ejemplo 1, la regla de la cadena da

\frac{d}{dx}\left[\frac{(x^2+1)^6}{6}\right] = (x^2+1)^5 \cdot 2x

que coincide. Si la comprobación falla por un factor constante, lo más probable es que olvidaras ajustar du. Si falla por un factor que contiene x, la sustitución no era válida desde el principio y necesitas otra u u otra técnica.

Errores comunes

  1. Dejar x en la integral. En \int x^2 e^{x^2}\,dx con u = x^2 sobra una x que no se puede eliminar. Ahí la sustitución no funciona, y ninguna constante lo arregla.
  2. Olvidar sustituir dx. \int (2x+1)^3\,dx no es \frac{(2x+1)^4}{4} + C. Con du = 2\,dx el resultado es \frac{(2x+1)^4}{8} + C.
  3. Mezclar límites. Después de pasar a u, usa los límites en u. Sustituir los antiguos límites en x en una expresión en u da un número incorrecto.
  4. No deshacer el cambio. El resultado de una integral indefinida debe quedar en función de x.

Dónde encaja

La sustitución es la primera técnica que conviene probar después de las reglas básicas y la linealidad. Si el integrando es un producto de dos funciones sin relación, como x\,e^{x}, no hay ninguna derivada interior que encaje y la integración por partes suele ser la herramienta adecuada. Para un recorrido paso a paso con más ejemplos, lee la guía completa de integración por sustitución.

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Preguntas frecuentes

¿Qué es la integración por sustitución?

Es la regla \int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du con u = g(x). Convierte una integral que procede de la regla de la cadena en una integral más sencilla en u.

¿Cómo se elige u en un cambio de variable?

Elige la parte interior de una composición, como la expresión dentro de una potencia, una raíz, una exponencial o una función trigonométrica, cuya derivada también aparezca en el integrando salvo una constante.

¿Y si du no coincide por un factor constante?

No hay problema. Si du = 3\,dx pero la integral solo tiene dx, escribe dx = \frac{1}{3}du. Así solo se pueden arreglar diferencias constantes, no variables que faltan.

¿Hay que cambiar los límites al hacer un cambio de variable?

Sí. En una integral definida, o bien conviertes los límites con u = g(a) y u = g(b), o bien vuelves a x antes de sustituir los límites originales. No mezcles las dos opciones.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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