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Integración por partes
Cálculo
2020 · Extraordinaria · Titular
2
Examen

Calcula

0πxsen2(x)dx\int_{0}^{\pi} x \operatorname{sen}^2(x) dx
Integral definidaTrigonometría
Cálculo de la integral $\int_{0}^{\pi} x \operatorname{sen}^2(x) dx$

Para resolver la integral, primero utilizaremos la identidad trigonométrica para sen2(x)\operatorname{sen}^2(x):

sen2(x)=1cos(2x)2\operatorname{sen}^2(x) = \frac{1 - \cos(2x)}{2}

Sustituimos esta identidad en la integral original:

0πx(1cos(2x)2)dx=0π(x2xcos(2x)2)dx\int_{0}^{\pi} x \left( \frac{1 - \cos(2x)}{2} \right) dx = \int_{0}^{\pi} \left( \frac{x}{2} - \frac{x \cos(2x)}{2} \right) dx

Ahora, podemos dividir la integral en dos partes:

I=120πxdx120πxcos(2x)dxI = \frac{1}{2} \int_{0}^{\pi} x dx - \frac{1}{2} \int_{0}^{\pi} x \cos(2x) dx

Calculamos la primera parte de la integral:

120πxdx=12[x22]0π=12(π22022)=12π22=π24\frac{1}{2} \int_{0}^{\pi} x dx = \frac{1}{2} \left[ \frac{x^2}{2} \right]_{0}^{\pi} = \frac{1}{2} \left( \frac{\pi^2}{2} - \frac{0^2}{2} \right) = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi^2}{2} = \frac{\pi^2}{4}

Ahora, calculamos la segunda parte, 120πxcos(2x)dx\frac{1}{2} \int_{0}^{\pi} x \cos(2x) dx, utilizando el método de integración por partes. Sea J=xcos(2x)dxJ = \int x \cos(2x) dx. Usamos la fórmula udv=uvvdu\int u dv = uv - \int v du:

{u=x    du=dxdv=cos(2x)dx    v=cos(2x)dx=sen(2x)2\begin{cases} u = x & \implies du = dx \\ dv = \cos(2x) dx & \implies v = \int \cos(2x) dx = \frac{\operatorname{sen}(2x)}{2} \end{cases}

Aplicando la fórmula de integración por partes:

J=xsen(2x)2sen(2x)2dxJ = x \frac{\operatorname{sen}(2x)}{2} - \int \frac{\operatorname{sen}(2x)}{2} dx

Resolvemos la integral restante:

J=xsen(2x)212(cos(2x)2)=xsen(2x)2+cos(2x)4J = x \frac{\operatorname{sen}(2x)}{2} - \frac{1}{2} \left( -\frac{\cos(2x)}{2} \right) = x \frac{\operatorname{sen}(2x)}{2} + \frac{\cos(2x)}{4}

Ahora evaluamos la parte definida de la segunda integral:

12[xsen(2x)2+cos(2x)4]0π\frac{1}{2} \left[ x \frac{\operatorname{sen}(2x)}{2} + \frac{\cos(2x)}{4} \right]_{0}^{\pi}

Sustituimos los límites de integración:

12[(πsen(2π)2+cos(2π)4)(0sen(0)2+cos(0)4)]\frac{1}{2} \left[ \left( \pi \frac{\operatorname{sen}(2\pi)}{2} + \frac{\cos(2\pi)}{4} \right) - \left( 0 \frac{\operatorname{sen}(0)}{2} + \frac{\cos(0)}{4} \right) \right]

Sabemos que sen(2π)=0\operatorname{sen}(2\pi) = 0, cos(2π)=1\cos(2\pi) = 1, sen(0)=0\operatorname{sen}(0) = 0 y cos(0)=1\cos(0) = 1. Sustituyendo estos valores:

12[(π0+14)(00+14)]=12[1414]=120=0\frac{1}{2} \left[ \left( \pi \cdot 0 + \frac{1}{4} \right) - \left( 0 \cdot 0 + \frac{1}{4} \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{4} - \frac{1}{4} \right] = \frac{1}{2} \cdot 0 = 0

Finalmente, combinamos los resultados de ambas partes de la integral:

I=π240=π24I = \frac{\pi^2}{4} - 0 = \frac{\pi^2}{4}