Integral de sec³ x: fórmula, deducción y ejemplos
La integral de sec³ x es ½(sec x tan x + ln|sec x + tan x|) + C. El bucle de integración por partes paso a paso, la comprobación y la longitud de arco.
Integrales trigonométricas Actualizado 3 min de lectura
De un vistazo
- Antiderivada
- \dfrac{1}{2}\sec x\tan x + \dfrac{1}{2}\ln\lvert\sec x + \tan x\rvert + C
- Método
- Integración por partes con u = \sec x, dv = \sec^2 x\,dx
- Identidad clave
- \tan^2 x = \sec^2 x - 1
- De 0 a π/4
- \dfrac{\sqrt{2} + \ln(1 + \sqrt{2})}{2} \approx 1.148
- Fórmula de reducción
- \int\sec^n x\,dx = \dfrac{\sec^{n-2}x\tan x}{n - 1} + \dfrac{n - 2}{n - 1}\int\sec^{n-2}x\,dx
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La integral de \sec^3 x es \dfrac{1}{2}\left(\sec x\tan x + \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert\right) + C. Es el ejemplo clásico de integración por partes en el que la integral vuelve a aparecer y hay que despejarla.
Gráfica de sec³ x y el área bajo ella
Deducción por partes, paso a paso
Llama I = \int\sec^3 x\,dx a la integral.
- Separa \sec^3 x = \sec x\cdot\sec^2 x y usa la regla de integración por partes con u = \sec x,\quad dv = \sec^2 x\,dx,\qquad du = \sec x\tan x\,dx,\quad v = \tan x
- Aplica \int u\,dv = uv - \int v\,du: I = \sec x\tan x - \int\sec x\tan^2 x\,dx
- Sustituye \tan^2 x por \sec^2 x - 1: I = \sec x\tan x - \int\sec^3 x\,dx + \int\sec x\,dx = \sec x\tan x - I + \int\sec x\,dx
- La integral original I ha aparecido a la derecha. Suma I a los dos lados: 2I = \sec x\tan x + \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert
- Divide entre 2 y añade C.
El paso 4 usa la integral de sec x. La elección dv = \sec^2 x\,dx funciona porque \sec^2 x es la parte que se integra fácilmente, dando \tan x. La guía de integración por partes tiene más ejemplos de este bucle.
Comprobación derivando
Primero, por la regla del producto:
Sustituye \tan^2 x por \sec^2 x - 1 y obtienes 2\sec^3 x - \sec x. El término logarítmico tiene derivada \sec x. Por tanto
Integral definida
En x = \frac{\pi}{4}: \sec = \sqrt{2}, \tan = 1. En x = 0: \sec = 1, \tan = 0 y \ln 1 = 0. Así que
Aplicación: integral de √(1 + x²) y longitud de arco
Sea x = \tan\theta, dx = \sec^2\theta\,d\theta. Entonces \sqrt{1 + x^2} = \sec\theta y
La longitud de arco de la parábola y = \frac{x^2}{2} entre x = 0 y x = 1 es \int_0^1\sqrt{1 + x^2}\,dx, que es exactamente el área sombreada de arriba: aproximadamente 1.148. Tienes más en la lección sobre longitud de arco y área de superficie.
La fórmula de reducción
Los mismos pasos con \sec^n x dan
Con n = 3 es nuestro resultado. Con n = 5, reduce \sec^5 x a \sec^3 x, que ya conoces.
Errores comunes
- Usar la regla de la potencia: \frac{\sec^4 x}{4}. Su derivada es \sec^4 x\tan x, no \sec^3 x.
- Elegir u = \sec^2 x, dv = \sec x\,dx. Entonces v = \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert, y la nueva integral es mucho más difícil.
- Olvidar dividir entre 2 después de agrupar los términos en I.
- Perder el término logarítmico. Es fácil olvidar la \int\sec x\,dx del paso 3.
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