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Cálculo de integrales indefinidas
Problema
2020 · Ordinaria · Reserva
6
Examen

Calcula ln(x2+2x+2)dx\int \ln(x^2 + 2x + 2) dx donde ln\ln denota la función logaritmo neperiano.(Sugerencia: efectúa el cambio de variable t=x+1t = x + 1).

IntegralesCambio de variableLogaritmos

Para resolver la integral ln(x2+2x+2)dx\int \ln(x^2 + 2x + 2) dx, aplicamos el cambio de variable sugerido.

a) Cambio de variable

Sea t=x+1t = x + 1. Entonces, dt=dxdt = dx. También, podemos expresar xx en términos de tt como x=t1x = t - 1.Sustituimos xx en el argumento del logaritmo:

(x+1)2+1=t2+1(x+1)^2 + 1 = t^2 + 1

Por lo tanto, la integral se transforma en:

ln(x2+2x+2)dx=ln((x+1)2+1)dx=ln(t2+1)dt\int \ln(x^2 + 2x + 2) dx = \int \ln((x+1)^2 + 1) dx = \int \ln(t^2 + 1) dt
b) Resolución de la integral por partes

Ahora resolvemos ln(t2+1)dt\int \ln(t^2 + 1) dt usando la integración por partes, que se define como udv=uvvdu\int u dv = uv - \int v du.Elegimos:

u=ln(t2+1)    du=2tt2+1dtu = \ln(t^2 + 1) \implies du = \frac{2t}{t^2 + 1} dt
dv=dt    v=tdv = dt \implies v = t

Aplicando la fórmula de integración por partes:

ln(t2+1)dt=tln(t2+1)t2tt2+1dt\int \ln(t^2 + 1) dt = t \ln(t^2 + 1) - \int t \cdot \frac{2t}{t^2 + 1} dt
=tln(t2+1)2t2t2+1dt= t \ln(t^2 + 1) - \int \frac{2t^2}{t^2 + 1} dt

Para resolver la integral restante 2t2t2+1dt\int \frac{2t^2}{t^2 + 1} dt, podemos reescribir el numerador:

2t2t2+1=2(t2+1)2t2+1=22t2+1\frac{2t^2}{t^2 + 1} = \frac{2(t^2 + 1) - 2}{t^2 + 1} = 2 - \frac{2}{t^2 + 1}

Entonces, la integral se convierte en:

(22t2+1)dt=2t2arctan(t)+C1\int \left(2 - \frac{2}{t^2 + 1}\right) dt = 2t - 2 \arctan(t) + C_1

Sustituyendo esto de nuevo en la expresión de la integración por partes:

ln(t2+1)dt=tln(t2+1)(2t2arctan(t))+C\int \ln(t^2 + 1) dt = t \ln(t^2 + 1) - (2t - 2 \arctan(t)) + C
=tln(t2+1)2t+2arctan(t)+C= t \ln(t^2 + 1) - 2t + 2 \arctan(t) + C
c) Sustitución inversa

Finalmente, sustituimos t=x+1t = x + 1 de vuelta en la expresión obtenida:

ln(x2+2x+2)dx=(x+1)ln((x+1)2+1)2(x+1)+2arctan(x+1)+C\int \ln(x^2 + 2x + 2) dx = (x+1) \ln((x+1)^2 + 1) - 2(x+1) + 2 \arctan(x+1) + C

Simplificando el término del logaritmo:

(x+1)2+1=x2+2x+1+1=x2+2x+2(x+1)^2 + 1 = x^2 + 2x + 1 + 1 = x^2 + 2x + 2

Por lo tanto, la solución final es:

(x+1)ln(x2+2x+2)2(x+1)+2arctan(x+1)+C(x+1) \ln(x^2 + 2x + 2) - 2(x+1) + 2 \arctan(x+1) + C