Un ejemplo de integral indefinida que puede resolverse empleando la técnica de integración por partes, y aplicando finalmente un cambio de variable

Calcúlese $$\displaystyle \int\,\text{arcsin}(x)\,dx$$

Voy a integrar empleando la técnica de por partes, tomando $u=\text{arcsin}(x)$, y por tanto $du=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$; y $dx=dv$, con lo cual $v=x$. Entonces, denotando $I=\displaystyle \int\,\text{arcsin}(x)\,dx$, tenemos: $$\displaystyle I\overset{\text{i. por partes}}{=} \int\,u\,dv=uv-\int\,v\,du=x\,\text{arcsin}(x)-\int\,\dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx=\int\,u\,dv=uv-\int\,v\,du=x\cdot \text{arcsin}(x)-J \quad (1)$$ donde $J=\int\,\dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$, integral que, mediante el cambio de variable $x=\sin(\theta) \therefore dx=\cos(\theta)\,d\theta$ y $\sqrt{1-x^2}=\sqrt{1-\sin^2\,(\theta)}=\cos(\theta)$, con lo cual $\displaystyle J=\int\,\dfrac{\sin(\theta)\,\cos(\theta)\,d\theta}{\cos(\theta)}=\int\,\sin(\theta)\,d\theta=-\cos(\theta)+C_1=-\sqrt{1-\sin^2(\theta)}+C_1=-\sqrt{1-x^2}+C$. Sustituyendo este resultado en (1), llegamos a $I=x\cdot \text{arcsin}(x)-(-\sqrt{1-x^2})+C=x\cdot \text{arcsin}(x)+\sqrt{1-x^2}+C$ $\diamond$

Integrales indefinidas semi inmediatas

Calcúlese $$\displaystyle \int\,\text{cotan}(x)\,dx$$

$$\displaystyle \int\,\text{cotan}(x)\,dx=\int\,\dfrac{\cos(x)}{\sin(x)}\,dx=\int\,\dfrac{d(\sin(x))}{\sin(x)}=\ln(|\sin(x)|)+C$$ $\diamond$

Integrales definidas básicas

Calcúlese $$\displaystyle \int_{-1}^{0}\,\dfrac{dx}{\sqrt{1-x^2}}$$

Sabemos que la integral indefinida $\displaystyle \int\,\dfrac{dx}{\sqrt{1-x^2}}$ es inmediata, y es igual a $\text{arcsin}(x)+C$, por lo que a partir del segundo teorema fundamental del cálculo, se tiene que $$\displaystyle \int_{-1}^{0}\,\dfrac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=\text{arcsin}(x)|_{-1}^{0}=\text{arcsin}(0)-\text{arcsin}(-1)=0-(-\frac{\pi}{2})=\frac{\pi}{2}$$ $\diamond$

Aplicación del método de integración numérica de los rectángulos al cálculo de la longitud de arco de una parábola

Consideremos la parábola $y=x^2$. Queremos calcular la longitud del arco de parábola comprendido entreo los puntos de abscisas $3$ y $6$

Haciendo un dibujo esquemático vemos que, por el teorema de Pitágoras, la relación entre los incrementos finitos $\Delta\,s$, $\Delta\,x$ y $\Delta\,y$ es $$(\Delta\,s)^2 \approx (\Delta\,x)^2 + (\Delta\,y)^2$$ dividiendo por $(\Delta\,x)^2$ en ambos miembros, se tiene que $$\dfrac{(\Delta\,s)^2}{(\Delta\,x)^2} \approx 1 + \dfrac{(\Delta\,y)^2}{(\Delta\,x)^2}$$ y por tanto $$(\Delta\,s)^2 \approx \left(1 + \dfrac{(\Delta\,y)^2}{(\Delta\,x)^2}\right) \,(\Delta\,x)^2$$ Ahora, si $\Delta\,x, \Delta\,y \rightarrow 0$, entonces $\Delta\,s \rightarrow 0$, con lo cual podemos escribir lo anterior con diferenciales en lugar de incrementos finitos, cambiando la relación de aproximadamente igual por la de exactamente igual: $$(ds)^2 = \left(1 + \dfrac{(dy)^2}{(dx)^2}\right) \,(dx)^2$$ es decir, $$ds = \sqrt{\left(1 + \dfrac{(dy)^2}{(dx)^2}\right)} \,dx$$ que, por la definición de derivada de función, es lo mismo que $$ds = \sqrt{\left(1 + (y'_x)^2\right)} \,dx$$ Entonces, integrando entre los extremos del arco, $A$ y $B$, podemos escribir la longitud del arco como la integral definida $$s_{AB} = \int_{x_A}^{x_B}\, \sqrt{\left(1 + (y'_x)^2\right)} \,dx$$ En el caso que nos ocupa: $$s_{AB} = \int_{3}^{6}\, \sqrt{\left(1 + 4\,x^2 \right)} \,dx$$ Es difícil calcular una primitiva de la función $\sqrt{1 + 4\,x^2}$, por lo que podemos recurrir a un método numérico aproximado, como es, por ejemplo, el método de los rectángulos. Tomaremos, por ejemplo, $10$ intervalos equiespaciados una distancia $h=\dfrac{6-3}{10}=0,3$ , es decir, la suma de las áreas de los $10$ rectángulos de base $h$ y alturas respectivas $\sqrt{1+4\,(x_0+i\,h)^2}\; (i=0,1,2,\ldots,9)$, donde $x_0=3$ y $x_9=6$, será igual aproximadamente a dicha integral definida que queremos calcular. Entonces,
$s_{AB}=\displaystyle \int_{3}^{6}\, \sqrt{\left(1 + 4\,x^2 \right)} \,dx \approx \sum_{i=0}^{9}\,\left(h\,\sqrt{1+4\,(x_0+i\,h)^2}\right) = h\,\sum_{i=0}^{9}\,\sqrt{1+4\,(x_0+i\,h)^2}=$
  $\displaystyle=0,3\,\sum_{i=0}^{9}\,\sqrt{1+4\,(3+0,3\cdot i)^2}$
    $=0,3\,\left(\sqrt{1+4\,(3+0,3\cdot 0)^2}+\sqrt{1+4\,(3+0,3\cdot 1)^2}+\sqrt{1+4\,(3+0,3\cdot 2)^2}+\ldots+\sqrt{1+4\,(3+0,3\cdot 9)^2}\right)$
      $\approx 26,28\,\text{u.a.}\ell.$ (unidades arbitrarias de longitud)

-oOo- Observaciones importantes:

1. La suma anterior puede hacerse cómodamente con la ayuda de una hoja de cálculo
2. Si dividimos el dominio de integración en 10 intervalos elegimos un número mayor de ellos, es evidente que la precisión del resultado será mayor
3. Se demuestra que la cota de error que nos da el método de los rectángulos viene dada por $\Delta = \dfrac{h}{2}\,(x_0-x_9)\cdot M$, donde $M:=\text{máximo}(\{|f'(x)|\})$, siendo $f(x)$ la función del integrando, $f(x)=\sqrt{1+4x^2}$, por lo que $f'(x)=\dfrac{4x}{\sqrt{1+4x^2}}$, pudiéndose comprobar que el máximo absoluto, $M$, de $f'(x)$, es $\text{máximo}(\{|f'(x)|\})=1,99$ (véase la gráfica de la derivada de $f$ en la figura), luego $\Delta=\dfrac{0,3}{2}\cdot (6-3)\cdot 1,99 \approx 0,90$, por lo que el intervalo de incertidumbre en el cálculo aproximado que hemos hecho es $\left[26,28-0,90\quad , \quad 26,28+0,90\right]$; es decir, podemos afirmar que $s_{AB}=26,28 \pm 0,90\, \text{u.a.}\ell.$
   
4. Existen, desde luego, métodos de integración numérica mejores que el sencillo método de los rectángulos

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