Cómo integrar [math] \ displaystyle \ int \ dfrac {x} {1 + \ cos x} \, dx [/ math]

Usando la identidad

[matemáticas] \ displaystyle 1+ \ cos 2A = 2 \ cos ^ 2 A \ tag {1} [/ matemáticas]

Podemos reescribir la integral como –

[matemáticas] \ displaystyle \ frac x {1+ \ cos x} = \ frac x {2 \ cos ^ 2 \ tfrac x2} = \ frac x2 \ sec ^ 2 \ frac x2 \ tag {2} [/ matemáticas]

Para integrar [math] (2) [/ math], primero movemos la constante fuera del signo integral, y luego usamos la integración por partes en [math] u = x [/ math] y [math] dv = \ sec ^ 2 \ tfrac x2 \, dx [/ math]

[matemáticas] \ displaystyle \ begin {align *} \ frac 12 \ int x \ sec ^ 2 \ frac x2 \, dx & = \ frac 12 \ left (2x \ tan \ frac x2- \ int 2 \ tan \ frac x2 \, dx \ right) \\ & = x \ tan \ frac x2- \ int \ tan \ frac x2 \, dx \\ & = x \ tan \ frac x2 + 2 \ ln \ cos \ frac x2 + C \ end {alinear *} \ etiqueta * {} [/ matemáticas]

La integral de [math] \ tan x [/ math] viene fácilmente reescribiendo [math] \ tan \ theta [/ math] como [math] \ sin \ theta / \ cos \ theta [/ math] y luego configurando [math ] u = \ cos \ theta [/ math].

[matemáticas] \ displaystyle \ large \ boxed {\ int \ frac x {1+ \ cos x} = x \ tan \ frac x2 + 2 \ ln \ cos \ frac x2 + C} \ tag * {} [/ math]

Odio los ángulos medios, especialmente mientras escribo LATEX.

[matemáticas] \ displaystyle \ int \ dfrac x {1+ \ cos x} dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = \ displaystyle \ int \ dfrac {x (1- \ cos x)} {(1- \ cos x) (1+ \ cos x)} dx [/ math]

[math] = \ displaystyle \ int \ dfrac {x (1- \ cos x)} {(1- \ cos ^ 2 x)} dx [/ math]

[math] = \ displaystyle \ int \ dfrac {x (1- \ cos x)} {\ sin ^ 2 x)} dx [/ math]

[math] = \ displaystyle \ int x (\ csc ^ 2h- \ cot x \ csc x) dx [/ math]

Ahora integrando por partes, [matemáticas] u = x, dv = (\ csc ^ 2h- \ cot x \ csc x) dx; v = \ csc x- \ cot x [/ math]

[matemáticas] I = x (\ csc x- \ cot x) – \ displaystyle \ int (\ csc x- \ cot x) dx [/ math]

[matemáticas] = x (\ csc x- \ cot x) – \ ln | \ csc x- \ cot x | – \ ln | \ sin x | + C [/ matemáticas]

[matemáticas] = x (\ csc x- \ cot x) – \ ln | (\ csc x- \ cot x) \ sin x | + C [/ matemáticas]

[math] = \ boxed {x (\ csc x- \ cot x) – \ ln | 1- \ cos x | + C} [/ math]

Gracias por el A2A.

Tenemos,

[matemáticas] \ displaystyle I = \ int \ dfrac {x} {1 + \ cos x} \, dx [/ math]

Usando Weierstrass sub [math] \ cos x = \ dfrac {1 – \ tan ^ 2 \ frac {x} {2}} {1 + \ tan ^ 2 \ frac {x} {2}} [/ math] obtenemos ,

[matemáticas] \ displaystyle I = \ dfrac {1} {2} \ int x \ sec ^ 2 \ frac {x} {2} \, dx [/ math]

Usando la integración por partes,

[matemáticas] \ displaystyle I = x \ tan \ frac {x} {2} – \ int \ tan \ frac {x} {2} \, dx [/ math]

[matemáticas] \ displaystyle \ boxed {I = x \ tan \ frac {x} {2} + 2 \ log \ left | \ cos \ dfrac {x} {2} \ right | + C} \ tag * {} [/ math]

Usando la integración por partes tomando x como primera función y 1 / (1 + co (x)) como

segunda función y luego integrando por partes, obtenemos

y = x * integrar (1 / (1 + co (x))) – integrar (d (x) / dx * integrar (1 / (1 + co (x)))) ———— (1)

Tomemos y1 = integrar (1 / (1 + co (x)))

ahora racionalizando el integrando anterior con (1-cos (x))

encontramos (1-cos (x)) / (sin (x)) ^ 2

o ((cosec (x)) ^ 2-cosec (x) * cot (x))

por lo tanto, y1 puede escribirse como

y1 = integrar ((cosec (x)) ^ 2-cosec (x) * cot (x))

= -cot (x) + cosec (x)

utilizando este valor en (1)

y = x * (- cot (x) + cosec (x)) – integrar (1 * (- cot (x) + cosec (x)))

= x * (- cot (x) + cosec (x)) – integrar ((- cot (x) + cosec (x)))

= x * (- cot (x) + cosec (x)) + log | sin (x) | -log | cosec (x) -cot (x) | + c

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Deje que [math] T = \ displaystyle \ int \ frac {x} {1 + \ cos {x}} \, \ mathrm dx [/ math]

Utilizamos la integración por partes, que utiliza la siguiente regla general:
[matemáticas] \ int u \, {\ normalsize \ frac {\ mathrm dv} {\ mathrm dx}} \, \ mathrm dx = uv – \ int v \, {\ normalsize \ frac {\ mathrm du} {\ mathrm dx}} \, \ mathrm dx [/ math]

Deje [math] u = x [/ math] y [math] v = \ dfrac {\ sin {x}} {1 + \ cos {x}} [/ math], entonces [math] {\ normalsize \ frac { \ mathrm du} {\ mathrm dx}} = 1 [/ math] y [math] {\ normalsize \ frac {\ mathrm dv} {\ mathrm dx}} = \ dfrac {1} {1 + \ cos {x} }[/matemáticas].

[matemáticas] \ begin {align} \ por lo tanto T & = \ int u \, \ frac {\ mathrm dv} {\ mathrm dx} \, \ mathrm dx \\ & = uv – \ int v \, \ frac {\ mathrm du} {\ mathrm dx} \, \ mathrm dx \\ & = \ frac {x \ sin {x}} {1 + \ cos {x}} – \ int \ frac {\ sin {x}} {1 + \ cos {x}} \, \ mathrm dx \\ & = \ boxed {\ frac {x \ sin {x}} {1 + \ cos {x}} + \ log (1 + \ cos {x}) + C} \ end {align} [/ math]


Anexo: para mostrar que [math] {\ normalsize \ frac {\ mathrm d} {\ mathrm dx}} \ left (\ dfrac {\ sin {x}} {1 + \ cos {x}} \ right) = \ dfrac {1} {1 + \ cos {x}} [/ math]

Recuerde que [matemáticas] \ sin ^ 2 {\ theta} + \ cos ^ 2 {\ theta} \ equiv 1 \ \ por lo tanto \ sin ^ 2 {\ theta} \ equiv 1 – \ cos ^ 2 {\ theta} \ equiv \ left (1 – \ cos {\ theta} \ right) \ left (1 + \ cos {\ theta} \ right) [/ math].

[matemáticas] \ begin {align} \ frac {\ mathrm d} {\ mathrm dx} \ left (\ dfrac {\ sin {x}} {1 + \ cos {x}} \ right) & = \ frac {\ frac {\ mathrm d} {\ mathrm dx} \ left (\ sin {x} \ right) \ cdot \ left (1 + \ cos {x} \ right) – \ sin {x} \ frac {\ mathrm d} {\ mathrm dx} \ left (1 + \ cos {x} \ right)} {\ left (1 + \ cos {x} \ right) ^ 2} \\ & = \ frac {\ cos {x} \ left (1 + \ cos {x} \ right) + \ sin ^ 2 {x}} {\ left (1 + \ cos {x} \ right) ^ 2} \\ & = \ frac {\ cos {x} \ left (1 + \ cos {x} \ right) + \ left (1 – \ cos {x} \ right) \ left (1 + \ cos {x} \ right)} {\ left (1 + \ cos {x } \ right) ^ 2} \\ & = \ frac {\ cos {x} + \ left (1 – \ cos {x} \ right)} {1 + \ cos {x}} \\ & = \ frac { 1} {1 + \ cos {x}} \ \ \ text {QED} \ end {align} [/ math]


Letra pequeña: • cuando uso [math] \ log [/ math] esto denota un logaritmo natural (base [math] e [/ math] ); si se pretende cualquier otra base, se mostrará como un subíndice • Generalmente omito las constantes de integración de integrales indefinidas hasta que muestre un resultado final o intermedio •

Deje [math] I = \ int \ frac {x} {1 + \ cos (x)} dx [/ math]

[matemáticas] = \ int \ frac {x (1 – \ cos (x))} {(1 + \ cos (x)) (1 – \ cos (x))} dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = \ int \ frac {x – x \ cos (x)} {1 – \ cos ^ 2 (x)} dx [/ matemáticas]

[math] = \ int \ frac {x – x \ cos (x)} {\ sin ^ 2 (x)} dx [/ math]

[matemáticas] = \ int \ frac {x} {\ sin ^ 2 (x)} dx – \ int \ frac {x \ cos (x)} {\ sin ^ 2 (x)} dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = I_1 – I_2 \, \, \, \, ———- (1) [/ matemáticas]

Donde [matemáticas] I_1 = \ int \ frac {x} {\ sin ^ 2 (x)} dx \, \, \, \, ———— (2) [/ matemáticas]

y [matemáticas] I_2 = \ int \ frac {x \ cos (x)} {\ sin ^ 2 (x)} dx \, \, \, \, ———— (3) [/ matemáticas]

Ahora, [matemáticas] I_1 = \ int \ frac {x} {\ sin ^ 2 (x)} dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = \ int x \ csc ^ 2 (x) dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = \ int x \ csc ^ 2 (x) dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = -x \ cot (x) + \ int \ cot (x) dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = -x \ cot (x) + ln | \ sin (x) | \, \, \, \, ———— (4) [/ matemáticas]

Ahora, [matemáticas] I_2 = \ int \ frac {x \ cos (x)} {\ sin ^ 2 (x)} dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = \ int x \ cot (x) \ csc (x) dx [/ matemáticas]

[matemáticas] = – x \ csc (x) + \ int csc (x) [/ matemáticas]

[matemáticas] = – x \ csc (x) – ln | csc (x) + cot (x) | \, \, \, \, ———— (5) [/ matemáticas]

Entonces, de las ecuaciones [matemáticas] (1) [/ matemáticas], [matemáticas] (2) [/ matemáticas], [matemáticas] (3) [/ matemáticas], [matemáticas] (4) [/ matemáticas], y [ matemáticas] (5) [/ matemáticas] tenemos,

[matemáticas] I = -x \ cot (x) + ln | \ sin (x) | + x \ csc (x) + ln | csc (x) + cot (x) | + C [/ matemáticas]

[matemáticas] = x (\ csc (x) – \ cot (x)) + ln | \ sin (x) | + ln | csc (x) + cot (x) | + C [/ matemáticas]

[matemáticas] = x (\ csc (x) – \ cot (x)) + ln | csc (x) + cot (x) || \ sin (x) | + C [/ matemáticas]

[matemáticas] = x (\ csc (x) – \ cot (x)) + ln | 1 + \ cos (x) | + C [/ matemáticas]