1. integrales definidas e impropias...1 1. integrales definidas e impropias 1.hallar el área de la...

13
y = x 2 - 2x OX y = x 2 - 2x OX x x 2 - 2x =0 x =0 x =2 A A = Z 2 0 2x - x 2 dx = x 2 - x 3 3 2 0 =4 - 8 3 = 4 3 y = sen x OX [0, 2π] A A = Z π 0 sen xdx - Z 2π π sen xdx =[- cos x] π 0 - [- cos x] 2π π =4 x 2 = y y = 1 x 2 +3 x 2 = 1 x 2 +3 x 4 +3x 2 - 1=0 z 2 +3z - 1=0 z = x 2

Upload: others

Post on 27-Aug-2020

12 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

1

1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

1. Hallar el área de la región limitada por la parábola y = x2 − 2x y el

eje OX.

Los cortes de la grá�ca de y = x2 − 2x con el eje OX son los valores

de x tales que x2 − 2x = 0, esto es, x = 0 y x = 2. El área A será

A =

∫ 2

02x− x2dx =

[x2 − x3

3

]20

= 4− 8

3=

4

3

2. Hallar el área de la región limitada por la grá�ca de y = senx y el eje

OX en [0, 2π].

El área A será

A =

∫ π

0senxdx−

∫ 2π

πsenxdx = [− cosx]π0 − [− cosx]2ππ = 4

3. Hallar el área limitada por las grá�cas de x2 = y e y = 1x2+3

.

Calculemos los puntos de intersección de las grá�cas. Se tiene

x2 =1

x2 + 3⇔ x4 + 3x2 − 1 = 0⇔ z2 + 3z − 1 = 0 para z = x2

Page 2: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

2 1 INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

Resulta z = −3±√13

2 . Como z = x2 debe ser positivo, se tiene z =

−3+√13

2 y, entonces, x = ±√−3+

√13

2 = ±a.

El área A será

A =

∫ a

−a

1

x2 + 3− x2dx =

√3

3

[arc tg

x√3

]a−a−[x3

3

]a−a

= 0, 244

4. Hallar el área limitada por las grá�cas de y = senx e y = cosx en

[π/4, 5π/4].

Calculemos los puntos de corte de las grá�cas de las dos funciones en

el intervalo [π/4, 5π/4]. Como senx = cosx para x = π/4 ó x = 5π/4,las grá�cas se cortan en los extremos del intervalo.

Tendremos que el área es

A =

∫ 5π/4

π/4senx− cosxdx = [− cosx− senx]

5π/4π/4 = 4

√2

2= 2√

2

5. Hallar el área limitada por las grá�cas y2 = 1− x y 2y = x+ 2.

Escribiendo las ecuaciones con la x en función de la y, se tiene x = 2y−2, que es una recta, y x = 1−y2, que es una parábola �tumbada� sobre

Page 3: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

3

el eje OX. Si integramos con respecto a la y, debemos encontrar los

valores de la y donde se cortan las grá�cas. Estos valores son aquellos

que cumplen

2y − 2 = 1− y2 ⇔ y2 + 2y − 3 = 0⇔ y =−2± 4

2=

{1−3

El área será

A =

∫ 1

−3(1− y2)− (2y − 2)dy =

[−y

3

3− y2 + 3y

]1−3

=32

3

6. Calcular el área encerrada por la elipse de ecuación x2

a2+ y2

b2= 1.

Se tiene x = a cos t, y = b sen t. La elipse está centrada en el origen y

su grá�ca es del siguiente tipo:

a

b

A

con área igual a 4A. Cuando (x, y) = (0, b), entonces cos t = 0, esto es,

t = π/2. De igual manera, cuando (x, y) = (a, 0), entonces cos t = 1,esto es, t = 0. El área buscada es

4A = 4

∫ a

0f(x) dx = 4

∫ 0

π/2b sen t(−a sen t) dt =

= 4

∫ 0

π/2−ab sen2 t dt = −4ab

∫ 0

π/2sen2 t dt =

= −4ab

∫ 0

π/2

1− cos 2t

2dt = −2ab

[t− 1

2sen 2t

]0π/2

= πab

Page 4: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

4 1 INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

7. Estudiar el carácter de las siguientes integrales impropias:

a)∫ 0−∞

dx(2−3x)2

La función f(x) = 1(2−3x)2 es continua en todo el intervalo D =

(−∞, 0]. Además, f(x) > 0 para todo x ∈ D. La integral es

impropia de primera especie y converge, ya que

∫ 0

−∞

dx

(2− 3x)2= lım

a→−∞

∫ 0

a

dx

(2− 3x)2= lım

a→−∞

[1

3(2− 3x)

]0a

=

= lıma→−∞

1

3

[1

2− 1

2− 3a

]=

1

6

b)∫∞2

dxx(lnx)2

La función f(x) = 1x(lnx)2

es continua en todo el intervalo D =

[2,∞). Además, lımx→∞ f(x) = 0, con lo que hay una asíntota

horizontal de ecuación y = 0.

La integral es de primera especie y converge, ya que∫ ∞2

dx

x(lnx)2= lım

b→∞

∫ b

2

dx

x(lnx)2= lım

b→∞

[− 1

lnx

]b2

=

= lımb→∞

[− 1

ln b+

1

ln 2

]=

1

ln 2

Page 5: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

5

c)∫∞−∞

x√x2+1

dx

La función f(x) = x√x2+1

es continua en todo el intervalo (−∞,∞),

luego la integral será de primera especie. Además, se tiene que

lımx→±∞ f(x) = ±1, de modo que hay dos asíntotas horizontales

de ecuaciones y = 1 e y = −1, lo cual nos indica que la integral

será divergente.

En efecto,

∫ ∞−∞

x√x2 + 1

dx =

∫ 0

−∞

x√x2 + 1

dx++

∫ ∞0

x√x2 + 1

dx = I1+I2

Estudiemos la convergencia de I1.

I1 =

∫ 0

−∞

x√x2 + 1

dx = lıma→−∞

∫ 0

a

x√x2 + 1

dx =

= lıma→−∞

[(x2 + 1)1/2

]0a

= lıma→−∞

[1− (a2 + 1)1/2

]= −∞

De modo que I1 es divergente y, por tanto, también lo es la integral

del enunciado.

d)∫∞−∞(1− x)e−xdx

Observemos que f(x) = (1 − x)e−x es continua en toda la rec-

ta real (integral de primera especie), con lımx→∞ f(x) = 0 y

lımx→−∞ f(x) =∞, de modo que la integral va a ser divergente.

Page 6: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

6 1 INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

En efecto, integrando por partes,∫(1− x)e−xdx = −e−x −

∫xe−xdx =

= −xe−x −[−xe−x +

∫e−xdx

]= xe−x

De manera que

∫ ∞−∞

(1−x)e−xdx =

∫ 0

−∞(1−x)e−xdx+

∫ ∞0

(1−x)e−xdx = I1+I2

Estudiemos la convergencia de I1:

I1 =

∫ 0

−∞(1− x)e−xdx = lım

a→−∞

[xe−x

]0a

= lıma→−∞

−ae−a =∞

Como I1 no converge, tampoco lo hace la integral del enunciado.

e)∫ 2−1

x(x2−1)2/3dx

La función f(x) = x(x2−1)2/3 tiene, en el intervalo [−1, 2], un do-

minio D = (−1, 2] \ {1}, ya que en los puntos {±1} hay dos

asíntotas verticales al anularse el denominador (obsérvese la grá-

�ca). La función f(x) será continua en D. Tenemos una integral

impropia de segunda especie.

∫ 2

−1

x

(x2 − 1)2/3dx =

∫ 0

−1

x

(x2 − 1)2/3dx+

∫ 1

0

x

(x2 − 1)2/3dx+

+

∫ 2

1

x

(x2 − 1)2/3dx = I1 + I2 + I3

Page 7: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

7

Como∫

x(x2−1)2/3 = 3

2(x2 − 1)1/3 + C, entonces

I1 = lıma→−1+

∫ 0

a

x

(x2 − 1)2/3dx = lım

a→−1+3

2

[(x2 − 1)1/3

]0a

=−3

2

I2 = lımb→1−

∫ b

0

x

(x2 − 1)2/3dx = lım

b→1−

3

2

[(x2 − 1)1/3

]b0

=3

2

I3 = lıma→1+

∫ 2

a

x

(x2 − 1)2/3dx = lım

a→1+

3

2

[(x2 − 1)1/3

]2a

=3

23√

3

Así,∫ 2−1

x(x2−1)2/3dx = I1+I2+I3 = 3

23√

3, de modo que la integral

es convergente.

f)∫ 1−2 x

−2/3dx

La función f(x) = x−2/3 tiene una asíntota vertical en x = 0 y es

continua en su dominio, que será D = [−2, 1] \ {0}.

Tenemos una integral de segunda especie con∫ 1

−2x−2/3dx =

∫ 0

−2x−2/3dx+

∫ 1

0x−2/3dx = I1 + I2

Como∫x−2/3dx = 3x1/3 + C, resulta

I1 = lımb→0−

[3x1/3

]b−2

= 33√

2 I2 = lıma→0+

[3x1/3

]1a

= 3

De modo que la integral es convergente y∫ 1−2 x

−2/3dx = 3( 3√

2+1).

g)∫ 2−3

1x4dx

El integrando tiene una asíntota vertical en x = 0. La integral es

de segunda especie.

Page 8: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

8 1 INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

∫ 2

−3

1

x4dx =

∫ 0

−3

1

x4dx+

∫ 1

0

1

x4dx = I1 + I2

Tenemos∫

1x4dx = − 1

3x3+ C. Veamos la convergencia de I1.

I1 = lımb→0−

[− 1

3x3

]b−3

= lımb→0−

−1

3

(1

b3− 1

27

)=∞

Como I1 diverge, la intregral del enunciado también lo hace.

h)∫ 20

3x2+x−2dx

La función f(x) = 3x2+x−2 = 3

(x+2)(x−1) tiene dos asíntotas verti-

cales, aunque en el intervalo [0, 2] sólo se tiene x = 1. La integral

es de segunda especie.

∫ 2

0

3

x2 + x− 2dx =

∫ 1

0

3

x2 + x− 2dx+

∫ 2

1

3

x2 + x− 2dx = I1+I2

Se tiene ∫3

x2 + x− 2dx = 3

∫1

x2 + x− 2dx =

= 3

∫ (−1/3

x+ 2+

1/3

x− 1

)dx = ln

∣∣∣∣x− 1

x+ 2

∣∣∣∣

Page 9: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

9

De manera que

I1 = lımb→1−

[ln

∣∣∣∣x− 1

x+ 2

∣∣∣∣]b0

= −∞

Como I1 diverge, también lo hace la integral del enunciado.

i)∫∞−∞

ex

1+e2xdx

La función f(x) = ex

1+e2xes continua en todo el intervalo (−∞,∞).

La integral es de primera especie.

Además,∫

ex

1+e2xdx = arc tg ex + C, de modo que

∫ ∞−∞

ex

1 + e2xdx =

∫ 0

−∞

ex

1 + e2xdx+

∫ ∞0

ex

1 + e2xdx = I1 + I2

Por simetría de f(x) tendremos que I1 = I2. Estudiemos la con-

vergencia de I1.

I1 = lıma→∞

[arc tg ex]0a =π

4

Como I1 = I2, se tiene que la integral del enunciado es conver-

gente, con∫∞−∞

ex

1+e2xdx = π

2 .

j)∫ 3−3

x+3√9−x2dx

La función f(x) = x+3√9−x2 es continua en todo el intervalo [−3, 3],

salvo en el extremo x = −3, donde no está de�nida y limx→−3+f(x) =0, y en el extremo x = 3, donde se tiene una asíntota vertical (ver

dibujo). La integral es de segunda especie.

Page 10: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

10 1 INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

Resolvamos la integral inde�nida.∫x+ 3√9− x2

dx =

∫x√

9− x2dx+ +3

∫dx√

9− x2=

= −(9− x2)1/2 + 3 arc senx

3+ C

Entonces ∫ 3

−3

x+ 3√9− x2

dx = lımb→3−

∫ b

−3

x+ 3√9− x2

dx =

= lımb→3−

[−(9− x2)1/2 + 3 arc sen

x

3

]b−3

=

= lımb→3−

(−(9− b2)1/2 + 3 arc sen

b

3− 3 arc sen(−1)

)= 3π

y la integral es convergente.

k)∫ 11/2

1x2√1−x2dx

La función f(x) = 1x2√1−x2 está de�nida y es continua en todo

el intervalo [1/2, 1) y tiene una asíntota vertical en x = 1. Laintegral es de segunda especie.

Page 11: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

11

Se tiene

∫1

x2√

1− x2dx =

∫dt

sen2 t= − cotg t = −

√1− x2x

+ C

La segunda igualdad se obtiene haciendo el cambio x = sen t,dx = cos tdt.

Entonces

∫ 1

1/2

1

x2√

1− x2dx = lım

b→1−

[−√

1− x2x

]b1/2

=√

3

La integral converge.

l)∫ 2−1

1(x−1)2dx

La función f(x) = 1(x−1)2 está de�nida y es continua en todo

el intervalo [−1, 2], salvo en x = 1, donde existe una asíntota

vertical. La integral es de segunda especie.

Como∫

1(x−1)2dx = −(x− 1)−1 + C, se tiene

∫ 2

−1

1

(x− 1)2dx =

∫ 1

−1

1

(x− 1)2dx+

∫ 2

1

1

(x− 1)2dx = I1 + I2

Estudiemos la convergencia de I1.

I1 = lımb→1−

[−(x− 1)−1

]b−1 =∞,

de modo que la integral diverge.

ll)∫ 21

1√x−1dx

La función f(x) = 1√x−1 está de�nida y es continua en el intervalo

(1, 2], teniendo una asíntota vertical en x = 1.

Page 12: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

12 1 INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

Tendremos

∫ 2

1

1√x− 1

dx = lıma→1+

∫ 2

a

1√x− 1

dx = lıma→1+

[2(x− 1)1/2

]2a

= 2

de modo que la integral converge.

lll)∫ 160

14√xdx

La función f(x) = 14√x está de�nida y es continua en todo el

intervalo (0, 16]. En x = 0 se tiene una asíntota vertical.

∫ 16

0

14√xdx = lım

a→0+

∫ 16

a

14√xdx = lım

a→0+

[4

3x3/4

]16a

=32

3

Entonces, la integral converge.

llll)∫∞0 senxdx

La función f(x) = senx es continua en todo el intervalo [0,∞).La integral es de primera especie.

Page 13: 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS...1 1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS 1.Hallar el área de la región limitada por la parábola y= x2 2xy el eje OX. Los cortes de la grá ca

13

∫ ∞0

senxdx = lımb→∞

∫ b

0senxdx = lım

b→∞[− cosx]b0 = lım

b→∞(− cos b+1)

Sin embargo, este límite no existe (tomando b valores del tipo

b = 2nπ, el límite sería 0, mientras que tomando b valores del

tipo b = (2n+ 1)π, el límite sería 2).