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El cambio de variable en integrales (sustitución)

El cambio de variable —o sustitución— es la técnica de integración más versátil. Si en el integrando aparece una función g(x)g(x) junto a su derivada g(x)g'(x) (salvo una constante), el cambio u=g(x)u=g(x), du=g(x)dxdu=g'(x)\,dx, lo transforma en una integral más simple: f(g(x))g(x)dx=f(u)du.\int f\bigl(g(x)\bigr)\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du.

Cómo elegir la uu. Se busca una función interior cuya derivada esté presente en el integrando (aunque sea multiplicada por una constante, que se ajusta al pasar a dudu). Por ejemplo, en 2xcos(x2)dx\int 2x\,\cos(x^{2})\,dx se toma u=x2u=x^{2} (con du=2xdxdu=2x\,dx) y queda cosudu=sin(x2)\int\cos u\,du=\sin(x^{2}); en sinx1+cosxdx\int \dfrac{\sin x}{1+\cos x}\,dx se toma u=cosxu=\cos x (con du=sinxdxdu=-\sin x\,dx) y queda 11+udu=ln1+cosx\int \dfrac{-1}{1+u}\,du=-\ln\lvert 1+\cos x\rvert.

Por qué funciona / De dónde sale. La sustitución es la regla de la cadena integrada. Si FF es una primitiva de ff (esto es, F=fF'=f), la regla de la cadena dice ddxF(g(x))=f(g(x))g(x)\frac{d}{dx}F\bigl(g(x)\bigr)=f\bigl(g(x)\bigr)\,g'(x). Integrando esa igualdad respecto de xx, el lado izquierdo se integra solo y f(g(x))g(x)dx=F(g(x))=f(u)duu=g(x).\int f\bigl(g(x)\bigr)\,g'(x)\,dx = F\bigl(g(x)\bigr) = \int f(u)\,du\Big|_{u=g(x)}. La igualdad formal du=g(x)dxdu=g'(x)\,dx no es más que la notación cómoda de este razonamiento.

Integrales definidas. En una integral definida hay dos formas de proceder: deshacer el cambio al final y evaluar en los límites originales, o —más limpio— cambiar también los límites: abf(g(x))g(x)dx=g(a)g(b)f(u)du.\int_{a}^{b} f\bigl(g(x)\bigr)\,g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du.

En la calculadora de integrales de MathOperator, cada cambio de variable se muestra con la uu elegida, la integral en la que se transforma y el desarrollo de esa integral antes de deshacer el cambio. Pueden probarse 2*x*cos(x^2), sin(x)/(1+cos(x)) o tan(x).

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