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Integral definida
Problema
2021 · Ordinaria · Suplente
3
Examen

Calcula

∫0π/2(2sen⁡2(x)−cos⁡2(x)) dx\int_0^{\pi/2} (2 \operatorname{sen}^2(x) - \cos^2(x)) \, dx
Integrales definidasTrigonometría

Para resolver la integral, primero simplificaremos la expresión dentro de la integral utilizando identidades trigonométricas. Usaremos las identidades de reducción de potencia para el seno y el coseno:

sen⁡2(x)=1−cos⁡(2x)2\operatorname{sen}^2(x) = \frac{1 - \cos(2x)}{2}
cos⁡2(x)=1+cos⁡(2x)2\cos^2(x) = \frac{1 + \cos(2x)}{2}

Sustituimos estas identidades en la expresión original:

2sen⁡2(x)−cos⁡2(x)=2(1−cos⁡(2x)2)−(1+cos⁡(2x)2)2 \operatorname{sen}^2(x) - \cos^2(x) = 2 \left(\frac{1 - \cos(2x)}{2}\right) - \left(\frac{1 + \cos(2x)}{2}\right)
=(1−cos⁡(2x))−(1+cos⁡(2x)2)= (1 - \cos(2x)) - \left(\frac{1 + \cos(2x)}{2}\right)
=2(1−cos⁡(2x))−(1+cos⁡(2x))2= \frac{2(1 - \cos(2x)) - (1 + \cos(2x))}{2}
=2−2cos⁡(2x)−1−cos⁡(2x)2= \frac{2 - 2\cos(2x) - 1 - \cos(2x)}{2}
=1−3cos⁡(2x)2= \frac{1 - 3\cos(2x)}{2}
=12−32cos⁡(2x)= \frac{1}{2} - \frac{3}{2}\cos(2x)

Ahora, integramos la expresión simplificada:

∫(12−32cos⁡(2x))dx\int \left(\frac{1}{2} - \frac{3}{2}\cos(2x)\right) dx
=∫12dx−∫32cos⁡(2x)dx= \int \frac{1}{2} dx - \int \frac{3}{2}\cos(2x) dx
=12x−32(sen⁡(2x)2)+C= \frac{1}{2}x - \frac{3}{2} \left(\frac{\operatorname{sen}(2x)}{2}\right) + C
=12x−34sen⁡(2x)+C= \frac{1}{2}x - \frac{3}{4}\operatorname{sen}(2x) + C

Finalmente, evaluamos la integral definida en los límites de integración de 00 a π/2\pi/2:

[12x−34sen⁡(2x)]0π/2\left[\frac{1}{2}x - \frac{3}{4}\operatorname{sen}(2x)\right]_0^{\pi/2}
=(12(π2)−34sen⁡(2⋅π2))−(12(0)−34sen⁡(2⋅0))= \left(\frac{1}{2}\left(\frac{\pi}{2}\right) - \frac{3}{4}\operatorname{sen}\left(2 \cdot \frac{\pi}{2}\right)\right) - \left(\frac{1}{2}(0) - \frac{3}{4}\operatorname{sen}(2 \cdot 0)\right)
=(π4−34sen⁡(π))−(0−34sen⁡(0))= \left(\frac{\pi}{4} - \frac{3}{4}\operatorname{sen}(\pi)\right) - \left(0 - \frac{3}{4}\operatorname{sen}(0)\right)

Sabemos que sen⁡(π)=0\operatorname{sen}(\pi) = 0 y sen⁡(0)=0\operatorname{sen}(0) = 0. Sustituyendo estos valores:

=(π4−34(0))−(0−34(0))= \left(\frac{\pi}{4} - \frac{3}{4}(0)\right) - \left(0 - \frac{3}{4}(0)\right)
=π4−0−0+0= \frac{\pi}{4} - 0 - 0 + 0
=π4= \frac{\pi}{4}

Por lo tanto, el valor de la integral es:

∫0π/2(2sen⁡2(x)−cos⁡2(x)) dx=π4\int_0^{\pi/2} (2 \operatorname{sen}^2(x) - \cos^2(x)) \, dx = \frac{\pi}{4}