← Blog

Sustitución trigonométrica e hiperbólica para raíces cuadráticas

Cuando en el integrando aparece una raíz de una cuadrática, un cambio trigonométrico (o hiperbólico) convierte la raíz en una función sin radical, aprovechando las identidades pitagóricas. Hay tres patrones básicos según el signo.

Los tres casos. Para a2x2\sqrt{a^{2}-x^{2}} se toma x=asinθx=a\sin\theta, y por 1sin2θ=cos2θ1-\sin^{2}\theta=\cos^{2}\theta la raíz se vuelve acosθa\cos\theta. Para a2+x2\sqrt{a^{2}+x^{2}} se toma x=atanθx=a\tan\theta (o x=asinhtx=a\sinh t), y por 1+tan2θ=sec2θ1+\tan^{2}\theta=\sec^{2}\theta la raíz se vuelve asecθa\sec\theta. Para x2a2\sqrt{x^{2}-a^{2}} se toma x=asecθx=a\sec\theta (o x=acoshtx=a\cosh t), y por sec2θ1=tan2θ\sec^{2}\theta-1=\tan^{2}\theta la raíz se vuelve atanθa\tan\theta.

Por qué funciona / De dónde sale. La clave es que la identidad pitagórica es un cuadrado perfecto bajo la raíz: al sustituir, a2a2sin2θ=a2cos2θa^{2}-a^{2}\sin^{2}\theta=a^{2}\cos^{2}\theta, y la raíz de un cuadrado sale limpia, a2cos2θ=acosθ\sqrt{a^{2}\cos^{2}\theta}=a\lvert\cos\theta\rvert. Así desaparece el radical y queda una integral trigonométrica ordinaria. Las versiones hiperbólicas usan cosh2tsinh2t=1\cosh^{2}t-\sinh^{2}t=1 con la misma idea.

Deshacer el cambio. Al final se vuelve a xx construyendo un triángulo rectángulo con la relación del cambio (por ejemplo sinθ=x/a\sin\theta=x/a), del que se leen cosθ\cos\theta, tanθ\tan\theta, etc. en función de xx.

En la calculadora de integrales de MathOperator, estas integrales muestran el cambio elegido, cómo se racionaliza la raíz y el regreso a la variable original. Pueden probarse sqrt(a^2-x^2), 1/sqrt(1-x^2) o sqrt(1+x^2).

Otros artículos