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Bachillerato

Integración por partes

A veces un producto no contiene la derivada interior que necesitaríamos para una sustitución inmediata. Por partes cambia ese producto por otro que puede resultar más fácil. Separaremos qué se deriva y qué se integra antes de usar la fórmula.

1. La fórmula sale de la derivada de un producto

Para u y v con derivadas continuas en un intervalo, (uv)′=u′v+uv′.
Despejar uv′ da uv′=(uv)′−vu′.
Al integrar resulta ∫uv′dx=uv−∫vu′dx.
La escritura breve es ∫u dv=uv−∫v du.

El producto uv ya queda fuera de la integral; solo queda integrar v du. La constante se añade al terminar la familia.

Leer la identidad con dos funciones concretas

u=x² y v=sinx.

  1. Producto derivado

    (x²sinx)′=2xsinx+x²cosx.
  2. Despejar

    x²cosx=(x²sinx)′−2xsinx.
  3. Integrar

    ∫x²cosx dx=x²sinx−∫2xsinx dx.
Resultado

La resta aparece al despejar el otro término.

Lo comprobamos

No se puede omitir el producto x²sinx.

Un ejemplo que termina en un paso

∫x e^(2x)dx.

  1. Elección

    u=x, dv=e^(2x)dx; du=dx y v=e^(2x)/2.
  2. Sustituir

    xe^(2x)/2−(1/2)∫e^(2x)dx.

  3. Terminar

    \frac{x e^{2x}}2-\frac{e^{2x}}4+C.

Resultado

El divisor dos aparece dos veces por dos integraciones.

Lo comprobamos

Derivar los dos términos cancela las contribuciones extra.

2. Elegir dos datos determina los otros dos

La elección debe cumplir u·dv igual al integrando original completo, incluido dx. Después du sale de derivar u y v de integrar dv. No escogemos las cuatro piezas independientemente.

Una elección produce sus otros dos datos, no se escogen cuatro piezas independientes
Preparar cuatro datos antes de sustituir∫2x·e³ˣ dxu=2xdv=e³ˣdxdu=2dxv=e³ˣ/3derivarintegrar∫u dv = uv − ∫v du= 2xe³ˣ/3 − (2/3)∫e³ˣdx= 2xe³ˣ/3 − 2e³ˣ/9 + C
El integrando dos x por exponencial de tres x se separa en u igual a dos x y dv igual a exponencial de tres x por dx. Derivar la primera da du dos dx; integrar la segunda da v exponencial de tres x dividido por tres. La fórmula producto menos integral intercambiada produce dos x exponencial de tres x entre tres menos dos tercios de la integral de exponencial de tres x. La integral restante es más sencilla y aporta otro factor un tercio. El resultado tiene coeficientes dos tercios y menos dos novenos, con una constante final. Las columnas distinguen derivar de integrar.

Comprobamos si ∫v du resulta más sencilla, reducible o relacionada de forma útil con la original. Si se complica, podemos cambiar de elección: eso no vuelve falsa la identidad, solo señala una estrategia poco útil.

Preparar la cuenta en dos columnas

∫2x e^(3x)dx.

  1. Elegir

    u=2x y dv=e^(3x)dx: no sobra ningún factor.
  2. Completar

    du=2dx y v=e^(3x)/3.
  3. Fórmula y resto

    \frac{2xe^{3x}}3-\frac23\int e^{3x}\,dx=\frac{2xe^{3x}}3-\frac{2e^{3x}}9+C.
Resultado

El polinomio desaparece de la integral pendiente.

Lo comprobamos

Integrar e^(3x) exige compensar el tres.

Una elección válida que complica la tarea

Para ∫x eˣdx, probar u=eˣ y dv=x dx.

  1. Completar

    du=eˣdx y v=x²/2.
  2. Aplicar

    x²eˣ/2−(1/2)∫x²eˣdx.

  3. Comparar

    La nueva integral tiene un polinomio de grado mayor. Conviene cambiar u y dv.

Resultado

La identidad es correcta, pero no simplifica este problema.

Lo comprobamos

No se modifican du o v de forma independiente para forzar una simplificación.

3. Buscar qué factor mejora al derivarlo

Un polinomio baja de grado al derivar hasta convertirse en cero. Por eso suele elegirse como u cuando acompaña a una exponencial o un seno o coseno fáciles de integrar. Un logaritmo o una inversa trigonométrica también pueden simplificarse al derivar.

El orden recordado por tipos de funciones orienta; no garantiza el mejor método. Antes de aplicar partes busca si ya hay una derivada interior proporcional que permita sustitución.

Un polinomio que se reduce

Decidir una estrategia para ∫x²eˣdx.

  1. Elegir u

    Derivar x² da 2x y después dos: el grado baja.

  2. Elegir dv

    eˣdx se integra sin cambiar de tipo.

  3. Prever el resto

    La primera aplicación deja ∫2xeˣdx, que puede reducirse otra vez.

Resultado

Por partes repetidas es útil.

Lo comprobamos

La elección se justifica por lo que hará a la integral pendiente.

Un producto que ya contiene su sustitución

∫2xe^(x²)dx.

  1. Interior

    El exponente es x².

  2. Derivada presente

    2x coincide con su derivada.

  3. Resolver sin partes

    La cadena inversa da e^(x²)+C.

Resultado

No todo producto pide integración por partes.

Lo comprobamos

Derivar la respuesta confirma la coincidencia exacta.

4. Un factor uno puede hacer visible la elección

Para ∫lnx dx escribimos lnx·1. Derivar el logaritmo produce 1/x e integrar uno produce x, que se cancelan en la integral restante.

Conservamos el dominio x>0.

Si usamos ln|x| trabajamos por componentes sin cruzar cero. También las inversas trigonométricas pueden combinarse con ese factor uno.

El logaritmo con un coeficiente propio

∫3lnx dx, x>0.

  1. Elegir

    u=3lnx, dv=dx; du=3dx/x y v=x.
  2. Sustituir

    3xlnx−∫x·(3/x)dx.

  3. Simplificar y terminar

    3xlnx−3x+C.

Resultado

La unidad permitió generar el factor x que simplifica el resto.

Lo comprobamos

La derivada es 3lnx+3−3.

Una inversa trigonométrica

∫arctanx dx.

  1. Elección

    u=arctanx, dv=dx; du=dx/(1+x²), v=x.
  2. Fórmula

    x arctanx−∫x/(1+x²)dx.

  3. Resto inmediato

    El numerador es media derivada del denominador: x arctanx−(1/2)ln(1+x²)+C.

Resultado

Válida para todo real.

Lo comprobamos

El argumento del logaritmo es siempre positivo.

5. Repetir significa llevar también los signos y coeficientes

Cada nueva aplicación reduce el grado del polinomio en la integral pendiente. Las restas se anidan, por eso aparecen signos alternos. Los coeficientes vienen de las derivadas sucesivas, no de una regla decorativa de signos.

La tabla abrevia aplicaciones sucesivas de la misma fórmula
Cada derivación reduce el gradoDerivarIntegrarx²eˣ+2xeˣ−2eˣ+0eˣfin∫x²eˣdx = eˣ(x²−2x+2)+C
La columna izquierda deriva x cuadrado, dos x, dos y cero. La derecha integra repetidamente exponencial de x, que permanece igual. Los productos diagonales llevan signos más, menos y más, porque cada aplicación de partes resta la integral pendiente. Como la siguiente derivada del polinomio es cero, ya no queda integral residual. Se obtiene exponencial de x por x cuadrado menos dos x más dos, más C. No se multiplican filas de manera independiente ni se alternan signos si el proceso aún tiene una integral residual sin registrar. La derivación del resultado recupera x cuadrado por exponencial de x.

Una tabla resume derivadas de u y primitivas sucesivas de dv con sus productos diagonales. Si la columna derivada no llega a cero, hay que conservar la integral residual; no basta con detener la tabla donde apetezca.

Dos aplicaciones para un cuadrado

∫x²eˣdx.

  1. Primera

    x²eˣ−2∫xeˣdx.

  2. Segunda

    ∫xeˣdx=xeˣ−eˣ.
  3. Reponer con la resta

    x²eˣ−2xeˣ+2eˣ+C=eˣ(x²−2x+2)+C.
Resultado

La siguiente derivada del polinomio es cero y termina el proceso.

Lo comprobamos

El más final procede de restar un término negativo.

Repetir con trigonometría

∫x²cosx dx.

  1. Primera

    x²sinx−2∫xsinx dx.

  2. Segunda

    ∫xsinx dx=−xcosx+sinx.
  3. Sustituir

    x²sinx+2xcosx−2sinx+C.

Resultado

La derivada vuelve a x²cosx.

Lo comprobamos

Cada seno integrado aporta su propio signo negativo.

6. Si reaparece la integral, resolver una ecuación

Con exponenciales por seno o coseno, dos aplicaciones pueden devolver un múltiplo de la integral original. La llamamos I y despejamos, en vez de repetir para siempre.

Por ejemplo, I=∫eˣsinx dx y J=∫eˣcosx dx satisfacen I=eˣsinx−J y J=eˣcosx+I al integrar la exponencial. Sustituir da 2I=eˣ(sinx−cosx), así que I=eˣ(sinx−cosx)/2+C. Las ecuaciones se interpretan para primitivas elegidas; una sola C final reúne sus constantes.

La reaparición con un coeficiente distinto

I=∫e^(2x)sinx dx.

  1. Primera, integrando el seno

    I=−e^(2x)cosx+2J, donde J=∫e^(2x)cosx dx.
  2. Segunda, integrando el coseno

    J=e^(2x)sinx−2I.
  3. Despejar

    I=e^(2x)(2sinx−cosx)−4I; por tanto I=e^(2x)(2sinx−cosx)/5+C.

Resultado

El divisor cinco viene de sumar I+4I.

Lo comprobamos

Derivar el resultado cancela los términos de coseno y deja el seno original.

Cambiar el factor cambia la ecuación

K=∫e^(3x)cosx dx.

  1. Primera

    K=e^(3x)sinx−3H, con H=∫e^(3x)sinx dx.
  2. Segunda

    H=−e^(3x)cosx+3K.
  3. Despejar

    10K=e^(3x)(sinx+3cosx), luego K=e^(3x)(sinx+3cosx)/10+C.
Resultado

No se copia el divisor del ejemplo anterior.

Lo comprobamos

Al derivar, el coeficiente del coseno es (1+9)/10=1.

7. En una integral definida también se evalúa el producto

En [a,b], con las condiciones anteriores, ∫ₐᵇu v′dx=[uv]ₐᵇ−∫ₐᵇv u′dx.

El producto se evalúa arriba menos abajo y la integral restante conserva los mismos límites. No queda C.

Si el intervalo es impropio, primero truncamos y después tomamos el límite. Hay que revisar el producto de frontera y las integrales pendientes; no se restan infinitos de forma formal.

Un término de abajo que no vale cero

∫₀¹xe^(2x)dx.

  1. Primitiva

    F=e^(2x)(x/2−1/4).
  2. Evaluar

    F(1)=e²/4 y F(0)=−1/4.
  3. Restar

    F(1)−F(0)=(e²+1)/4.
Resultado

La contribución inferior cambia el resultado.

Lo comprobamos

El integrando es positivo en (0,1), compatible con el signo de la respuesta.

Pasar al infinito después de calcular

∫₀^∞xe^(−x)dx.

  1. Truncar

    En [0,R], una primitiva es −(x+1)e^(−x).

  2. Evaluar

    La integral truncada vale 1−(R+1)e^(−R).

  3. Límite

    (R+1)/eᴿ→0, por ejemplo aplicando L’Hôpital a ese cociente. La integral vale uno.

Resultado

La frontera infinita se justificó mediante un límite.

Lo comprobamos

No se sustituyó ∞ como si fuera un número.

8. La comprobación recupera el integrando completo

La derivada de uv−∫v du produce u′v+uv′−vu′=uv′.

Esa cancelación explica la fórmula y es una forma de comprobar resultados concretos.

En trigonometría escribe primero la primitiva con su signo: integrar sinx da −cosx e integrar cosx da sinx. Después combina ese signo con la resta de partes. Para integrales definidas revisa además el signo esperado o una cota.

Dos negativos que se convierten en positivo

∫xsin(2x)dx.

  1. Datos

    u=x, du=dx, dv=sin(2x)dx, v=−cos(2x)/2.
  2. Fórmula

    −xcos(2x)/2+(1/2)∫cos(2x)dx.

  3. Terminar y verificar

    −xcos(2x)/2+sin(2x)/4+C; su derivada cancela los dos medios cosenos.

Resultado

La derivada final es xsin(2x).

Lo comprobamos

La resta de una integral negativa produjo el más.

Un resultado breve se comprueba término a término

Proponer F=xsinx+cosx para ∫xcosx dx.

  1. Producto

    [xsinx]′=sinx+xcosx.
  2. Otro término

    [cosx]′=−sinx.
  3. Cancelar

    Los senos se cancelan y queda xcosx.

Resultado

F+C es la familia correcta.

Lo comprobamos

Cambiar el más coseno por menos coseno impediría esa cancelación.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Polinomio por exponencial

Integra x e^x.

  1. Reconocer el producto

    El factor x baja de grado al derivarlo y eˣ se integra fácilmente.

  2. Elegir

    u=x y dv=eˣdx.
  3. Completar los datos

    du=dx y v=eˣ.
  4. Sustituir

    ∫xeˣdx=xeˣ−∫eˣdx.
  5. Terminar

    xeˣ−eˣ+C.

  6. Comprobar

    La derivada es eˣ+xeˣ−eˣ=xeˣ.

    La nueva integral era más sencilla.

Resultado

xe^x−e^x+C.

Lo comprobamos

La derivada del resultado es e^x+xe^x−e^x=xe^x.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un logaritmo

Integra log x para x>0.

  1. Leer el dominio y la notación

    Aquí log x significa ln x y x>0.
  2. Mostrar el factor uno

    Escribimos ln x·1; elegimos u=ln x y dv=dx.
  3. Completar

    du=dx/x y v=x.
  4. Aplicar partes

    ∫ln x dx=xln x−∫x·(1/x)dx.
  5. Resolver el resto

    En x>0, x/x=1: queda xln x−x+C.
  6. Verificar

    La derivada es ln x+1−1=ln x; se conserva el dominio positivo.
Resultado

x log x−x+C.

Lo comprobamos

La derivada es log x+1−1.

Los símbolos que hemos usado

u(x)
Factor que se elige derivar.
dv=v′(x)dx
Parte del integrando cuya primitiva v se calcula.
du=u′(x)dx
Diferencial que registra la derivada de u.
I
Nombre de la integral original cuando reaparece en el cálculo.
[uv]ₐᵇ
Valor u(b)v(b)−u(a)v(a) del producto en los extremos.
C
Constante arbitraria final de una integral indefinida.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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