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Las reglas de Bioche: qué cambio de variable elegir en integrales trigonométricas

Para integrar una fracción de senos y cosenos, ∫R(sin⁡x,cos⁡x) dx\int R(\sin x,\cos x)\,dx, el cambio de Weierstrass t=tan⁡x2t=\tan\tfrac{x}{2} siempre funciona, pero suele subir el grado del denominador (a menudo a un polinomio de grado cuatro) y complica las fracciones simples. Las reglas de Bioche dicen, mirando la simetría del integrando, qué cambio produce la fracción racional más sencilla.

El criterio. Se examina el diferencial ω=f(x) dx\omega = f(x)\,dx (con f=R(sin⁡x,cos⁡x)f=R(\sin x,\cos x)) bajo tres transformaciones, y se elige el primer cambio cuya simetría se cumpla: si ω\omega no cambia con x↦−xx\mapsto -x, entonces u=cos⁡xu=\cos x; si no cambia con x↦π−xx\mapsto \pi-x, entonces u=sin⁡xu=\sin x; si no cambia con x↦π+xx\mapsto \pi+x, entonces t=tan⁡xt=\tan x. Si se cumplen dos a la vez, u=cos⁡2xu=\cos 2x es aún más simple. Y si ninguna se cumple —típicamente sumas lineales a+bcos⁡x+csin⁡xa+b\cos x+c\sin x—, se recurre al universal t=tan⁡x2t=\tan\tfrac{x}{2}.

Por qué funciona / De dónde sale. Cada simetría del diferencial equivale a que ω\omega se exprese exactamente en función de esa variable. Por ejemplo, que ω\omega sea invariante bajo x↦π+xx\mapsto\pi+x (periodo π\pi) significa que depende solo de tan⁡x\tan x, y entonces sin⁡2x=t21+t2\sin^2 x=\tfrac{t^2}{1+t^2}, cos⁡2x=11+t2\cos^2 x=\tfrac{1}{1+t^2}, dx=dt1+t2dx=\tfrac{dt}{1+t^2} lo convierten en una racional en tt sin elevar el grado. Así, ∫dx1+sin⁡2x\int\dfrac{dx}{1+\sin^2 x} se vuelve ∫dt1+2t2=12arctan⁡(2 tan⁡x)\int\dfrac{dt}{1+2t^2}=\dfrac{1}{\sqrt2}\arctan(\sqrt2\,\tan x), mientras que Weierstrass daría un cociente de grado cuatro.

Caso hiperbólico. Para una fracción de cosh⁡x\cosh x y sinh⁡x\sinh x valen las mismas reglas de simetría, con los cambios u=cosh⁡xu=\cosh x, u=sinh⁡xu=\sinh x, u=tanh⁡xu=\tanh x o el universal u=tanh⁡x2u=\tanh\tfrac{x}{2}. En realidad, la sustitución u=exu=e^{x} siempre reduce una racional en cosh⁡,sinh⁡\cosh,\sinh a una racional ordinaria.

En la calculadora de integrales de MathOperator, las fracciones trigonométricas se resuelven con el cambio que dictan estas reglas —y solo se recurre a Weierstrass cuando no hay simetría—. Pueden probarse 1/(1+sin(x)^2), sin(x)^2/cos(x)^4 o cos(x)/(1+sin(x)^2).

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