VII. Problemas y Ejercicios de integrales

Las integrales son herramientas matemáticas poderosas que nos permiten calcular áreas, volúmenes y resolver problemas complejos en diversas disciplinas. Desde la física y la ingeniería hasta la economía, las integrales nos ayudan a entender y modelar el mundo que nos rodea. Practicar ejercicios de integración no solo mejora nuestras habilidades matemáticas, sino que también nos prepara para enfrentar desafíos reales con soluciones elegantes y precisas. A medida que avancemos, veremos cómo estas técnicas cobran vida en aplicaciones prácticas. ¡Empecemos!

Ejercicios Básicos de Integración

Objetivo: Practicar las técnicas básicas de integración para dominar los conceptos fundamentales.

Integrales Indefinidas

a. $\int x^2 \, dx$
$$
\int x^2 \, dx = \frac{x^3}{3} + C
$$
b. $\int \cos(x) \, dx$
$$
\int \cos(x) \, dx = \sin(x) + C
$$
c. $\int e^x \, dx$
$$
\int e^x \, dx = e^x + C
$$
d. $\int \frac{1}{x} \, dx$
$$
\int \frac{1}{x} \, dx = \ln|x| + C
$$

Integrales Definidas

a. $\int_{0}^{1} x \, dx$

$$\int_{0}^{1} x dx = \left.\frac{x^2}{2}\right|_{0}^{1} = \frac{1}{2}$$

b. $\int_{0}^{\pi} \sin(x) dx$

$\int_{0}^{\pi} \sin(x) dx = -\cos(x)\bigg|_{0}^{\pi}$ $= -\cos(\pi) + \cos(0) = 2$

c. $\int_{1}^{e} \frac{1}{x} dx$


$\int_{1}^{e} \frac{1}{x} \, dx = \left. \ln|x| \right|_{1}^{e}$ $= \ln(e) – \ln(1) = 1$

Problemas Avanzados de Integración

Objetivo: Aplicar técnicas avanzadas y resolver problemas que requieren una comprensión más profunda de las integrales.

  1. Integración por Partes
    a. $\int x e^x \, dx$
    Usamos la fórmula de integración por partes: $\int u \, dv = uv – \int v \, du$
    Sea $u = x$ y $dv = e^x \, dx$, entonces $du = dx$ y $v = e^x$:
    $
    \int x e^x \, dx = x e^x – \int e^x \, dx$ $= x e^x – e^x + C$ $= e^x (x – 1) + C
    $
  2. Integración por Sustitución
    a. $\int (2x + 3)^4 \, dx$
    Usamos la sustitución $u = 2x + 3$, entonces $du = 2 \, dx$ y $dx = \frac{du}{2}$:
    $\int (2x + 3)^4 \, dx = \int u^4 \cdot \frac{du}{2}$ $= \frac{1}{2} \int u^4 \, du = \frac{1}{2} \cdot \frac{u^5}{5} + C$ $ = \frac{1}{10} (2x + 3)^5 + C
    $
  3. Integración de Funciones Trigonométricas
    a. $\int \sin^2(x) \, dx$
    Usamos la identidad $\sin^2(x) = \frac{1 – \cos(2x)}{2}$:
    $
    \int \sin^2(x) \, dx$ $= \int \frac{1 – \cos(2x)}{2} \, dx$ $= \frac{1}{2} \int 1 \, dx – \frac{1}{2} \int \cos(2x) \, dx
    $
    $
    = \frac{x}{2} – \frac{1}{2} \cdot \frac{\sin(2x)}{2} + C$ $= \frac{x}{2} – \frac{\sin(2x)}{4} + C
    $
TE RECOMENDAMOS LEER:   I. Introducción a las Integrales

Aplicaciones Prácticas y Problemas del Mundo Real

Objetivo: Resolver problemas aplicados que reflejan situaciones del mundo real utilizando técnicas de integración.

Cálculo de Áreas
a. Encontrar el área bajo la curva $y = x^2$ desde $x = 0$ hasta $x = 2$:
$$
\text{Área} = \int_{0}^{2} x^2 \, dx = \left. \frac{x^3}{3} \right|_{0}^{2} = \frac{8}{3}
$$

Cálculo de Volúmenes
a. Encontrar el volumen del sólido generado por la rotación de la región delimitada por $y = \sqrt{x}$ y $y = 0$ sobre el eje $x$ desde $x = 0$ hasta $x = 1$:
Usamos el método de discos:
$
V = \pi \int_{0}^{1} (\sqrt{x})^2 \, dx$ $= \pi \int_{0}^{1} x \, dx = \pi \left. \frac{x^2}{2} \right|_{0}^{1} = \frac{\pi}{2}
$

Trabajo y Energía
a. Calcular el trabajo realizado para comprimir un resorte desde $x = 0$ hasta $x = 1$ si la constante del resorte es $k = 5$ N/m:
Usamos la fórmula $W = \int_{a}^{b} F(x) \, dx$, donde $F(x) = kx$:
$$
W = \int_{0}^{1} 5x \, dx = 5 \left. \frac{x^2}{2} \right|_{0}^{1} = \frac{5}{2}
$$

Economía
a. Calcular el costo total acumulado de producir un bien, donde la tasa de costo marginal $c'(x) = 2x + 3$ y la producción varía de $x = 0$ a $x = 10$:
$
C = \int_{0}^{10} (2x + 3) \, dx$ $= \left. (x^2 + 3x) \right|_{0}^{10} = 100 + 30 = 130
$
Estos problemas y ejercicios proporcionan una práctica exhaustiva de técnicas de integración y demuestran cómo las integrales se aplican en una variedad de contextos del mundo real.

De Ingenierías