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Integrales exponenciales y logarítmicas

Integral de e^(x²): por qué no tiene una fórmula sencilla

e^(x²) y e^(−x²) no tienen antiderivada elemental. Conoce las funciones erf y erfi, la solución en serie de potencias y por qué ∫e^(−x²) en ℝ vale √π.

Integrales exponenciales y logarítmicas Actualizado 3 min de lectura

De un vistazo

\int e^{-x^2}\,dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\,\operatorname{erf}(x) + C
Antiderivada
No elemental. \int e^{x^2}\,dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\operatorname{erfi}(x) + C
Versión de la campana
\int e^{-x^2}\,dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\operatorname{erf}(x) + C
Integral de Gauss
\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2}\,dx = \sqrt{\pi}
Forma en serie
\int e^{x^2}\,dx = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n+1}}{n!\,(2n+1)} + C
De 0 a 1
\int_0^1 e^{x^2}\,dx \approx 1.4627 y \int_0^1 e^{-x^2}\,dx \approx 0.7468
En esta página
  1. Gráfica de e^(x²) y e^(−x²)
  2. Por qué fallan los métodos habituales
  3. La función error
  4. La solución en serie de potencias
  5. Ejemplos resueltos
  6. Errores comunes

e^{x^2} no tiene antiderivada elemental, y tampoco la campana de Gauss e^{-x^2}. Ninguna fórmula construida con potencias, raíces, exponenciales, logaritmos y funciones trigonométricas tiene a ninguna de las dos como derivada. Aun así, las antiderivadas existen y tienen nombre:

\int e^{-x^2}\,dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\,\operatorname{erf}(x) + C \qquad \int e^{x^2}\,dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\,\operatorname{erfi}(x) + C

Y una integral definida famosa tiene un valor exacto:

\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2}\,dx = \sqrt{\pi}

Gráfica de e^(x²) y e^(−x²)

y = e^(x²) y la campana de Gauss y = e^(−x²)
El área sombreada total bajo la campana, en toda la recta real, es \sqrt{\pi} \approx 1.772. El área bajo e^{x^2} en toda la recta es infinita.

Por qué fallan los métodos habituales

  • Cambio de variable. u = x^2 necesita du = 2x\,dx, y no hay ninguna x que lo aporte. Compárala con \int xe^{x^2}\,dx = \frac{1}{2}e^{x^2} + C, que sí funciona.
  • Dividir entre la derivada del interior. Ese atajo solo funciona cuando la pendiente del interior es constante, como en la integral de e²ˣ. Aquí la pendiente 2x cambia.
  • Integración por partes. Cualquier elección de u y dv lleva a una integral más difícil.

No es mala suerte. Joseph Liouville demostró en la década de 1830 que \int e^{x^2}\,dx no se puede escribir en términos elementales. Otras funciones de la misma familia son \frac{\sin x}{x} y \frac{1}{\ln x}.

La función error

Como la antiderivada existe pero no tiene fórmula, recibe su propio nombre. La función error es

\operatorname{erf}(x) = \frac{2}{\sqrt{\pi}}\int_0^x e^{-t^2}\,dt

El factor \frac{2}{\sqrt{\pi}} se elige para que \operatorname{erf}(x) \to 1 cuando x \to \infty. Por el Teorema Fundamental del Cálculo, primera parte, su derivada es \frac{2}{\sqrt{\pi}}e^{-x^2}, lo que da la fórmula de arriba. La función error imaginaria \operatorname{erfi}(x) = \frac{2}{\sqrt{\pi}}\int_0^x e^{t^2}\,dt cumple el mismo papel para e^{x^2}.

La función error está por todas partes en estadística, ya que la distribución normal es una copia estirada de e^{-x^2}. La función de distribución normal de tu calculadora está calculando erf por detrás.

La solución en serie de potencias

Siempre puedes obtener una antiderivada en forma de serie. Parte de e^u = \sum_{n=0}^\infty \frac{u^n}{n!} con u = x^2 e integra término a término:

\int e^{x^2}\,dx = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n+1}}{n!\,(2n+1)} + C = x + \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{10} + \frac{x^7}{42} + \cdots + C

La serie converge para todo x. Para e^{-x^2} los signos se alternan: x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{10} - \frac{x^7}{42} + \cdots

Comprobación derivando. La derivada de \frac{x^{2n+1}}{n!(2n+1)} es \frac{x^{2n}}{n!} = \frac{(x^2)^n}{n!}, y la suma de todas ellas es e^{x^2}.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: una integral definida mediante series. Sustituye x = 1 en la serie:

\int_0^1 e^{x^2}\,dx = 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{10} + \frac{1}{42} + \frac{1}{216} + \cdots \approx 1.4627

Ejemplo 2: la campana de 0 a 1. La serie alternada da

\int_0^1 e^{-x^2}\,dx = 1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{10} - \frac{1}{42} + \frac{1}{216} - \cdots \approx 0.7468

Como la serie es alternada, el error al parar es menor que el primer término que se omite.

Ejemplo 3: la integral de Gauss. Llama I = \int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2}\,dx. Multiplica dos copias, una en x y otra en y, y pasa a coordenadas polares, donde dx\,dy = r\,dr\,d\theta:

I^2 = \iint_{\mathbb{R}^2} e^{-(x^2+y^2)}\,dx\,dy = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\infty e^{-r^2}\,r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac{1}{2} = \pi

La r extra es justo el factor que hace que funcione u = r^2. Así que I = \sqrt{\pi}. La lección de integrales dobles en polares trata el cambio de coordenadas.

Ejemplo 4: una campana escalada. Con x = \frac{t}{\sqrt{a}}, \int_{-\infty}^{\infty}e^{-at^2}\,dt = \sqrt{\frac{\pi}{a}} para a > 0.

Errores comunes

  1. Escribir \frac{e^{x^2}}{2x} + C. Derívalo y verás que no funciona.
  2. Suponer que toda integral tiene fórmula. Algunas no la tienen. En un examen, una integral definida de e^{x^2} suele significar "usa una serie" o "usa la calculadora".
  3. Confundir e^{x^2} con (e^x)^2. (e^x)^2 = e^{2x}, cuya integral es \frac{1}{2}e^{2x}. e^{x^2} significa e elevado a x^2.
  4. Olvidar comprobar si hay una x. Si el integrando es xe^{x^2} o xe^{-x^2}, basta un cambio de variable sencillo.

Para técnicas con series, consulta la guía de series de Taylor. Para las exponenciales más sencillas, consulta la integral de eˣ y la integral de e⁻ˣ.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la integral de e^(x²)?

No tiene antiderivada elemental. Se puede escribir como \frac{\sqrt{\pi}}{2}\operatorname{erfi}(x) + C, donde erfi es la función error imaginaria, o como la serie \sum_{n\ge 0}\frac{x^{2n+1}}{n!(2n+1)} + C.

¿Por qué no se puede integrar e^(x²)?

Un teorema de Liouville demuestra que ninguna combinación de polinomios, exponenciales, logaritmos, funciones trigonométricas y raíces tiene derivada e^{x^2}. La antiderivada existe, solo que no es una de las funciones habituales.

¿Cuánto vale la integral de e^(−x²) de menos infinito a infinito?

Vale \sqrt{\pi} \approx 1.772. Eleva la integral al cuadrado, pasa a coordenadas polares y el factor extra r hace que la integral sea fácil.

¿La integral de e^(x²) es e^(x²)/(2x)?

No. Al derivar \frac{e^{x^2}}{2x} con la regla del cociente se obtiene e^{x^2} - \frac{e^{x^2}}{2x^2}, no e^{x^2}. Solo se puede dividir entre una constante.

¿Cuál es la integral de x e^(x²)?

Es \frac{1}{2}e^{x^2} + C. Con una x delante, u = x^2 funciona porque du = 2x\,dx está presente.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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