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Sustitución de Weierstrass: racionalizar integrales trigonométricas

La sustitución de Weierstrass t=tanx2t=\tan\tfrac{x}{2} es el cambio universal para integrar funciones racionales en senos y cosenos: siempre las convierte en una función racional en tt, que ya sabemos integrar por fracciones simples.

Las fórmulas salen de las identidades del ángulo mitad: sinx=2t1+t2,cosx=1t21+t2,dx=21+t2dt.\sin x=\frac{2t}{1+t^2},\qquad \cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2},\qquad dx=\frac{2}{1+t^2}\,dt. Sustituyendo, el integrando trigonométrico se vuelve un cociente de polinomios en tt. Por ejemplo, 0πdx1+cos2x\int_0^\pi\tfrac{dx}{1+\cos^2 x} se transforma en 0t2+1t4+1dt\int_0^\infty\tfrac{t^2+1}{t^4+1}\,dt, resoluble por fracciones simples.

En la integral definida conviene además transformar los límites (t=tana2tanb2t=\tan\tfrac a2\to\tan\tfrac b2; p. ej. [0,π][0,)[0,\pi]\to[0,\infty)): así se evitan las ambigüedades de rama del arctan(tanx)\arctan(\tan x) que ensucian la primitiva directa. En la indefinida se deshace el cambio al final para volver a xx.

Weierstrass siempre funciona, pero suele subir el grado del denominador (a menudo a un polinomio de grado cuatro), así que no siempre es el camino más corto: para las fracciones trigonométricas con simetría, las reglas de Bioche dan un cambio más sencillo. La calculadora de MathOperator aplica Weierstrass automáticamente en ejemplos como 1/(1+cos(x)^2) from 0 to pi o 1/sin(x).

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