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Calculus · real student question

Dada F(x) = la integral de dx/(2x + 1) con F(0) = 0, hallar F((e² − 1)/2).

Question

Sea

F(x)=∫dx2x+1,F(0)=0F(x)=\int\frac{dx}{2x+1},\qquad F(0)=0

Hallar F ⁣(e2−12)F\!\left(\dfrac{e^2-1}{2}\right).

Step-by-step solution

  1. Integrar con la sustitución u=2x+1u=2x+1. El integrando es el inverso de una función lineal, así que una sustitución lineal lo resuelve:

    u=2x+1,du=2 dx,dx=du2u=2x+1,\qquad du=2\,dx,\qquad dx=\frac{du}{2}

    F(x)=∫1u⋅du2=12ln⁡∣u∣+C=12ln⁡∣2x+1∣+CF(x)=\int\frac{1}{u}\cdot\frac{du}{2}=\frac{1}{2}\ln|u|+C=\frac{1}{2}\ln|2x+1|+C

    El factor 12\tfrac12 compensa la derivada del interior; olvidarlo es el error más frecuente en esta familia de integrales.

  2. Determinar la constante con la condición inicial. Al sustituir x=0x=0:

    F(0)=12ln⁡∣1∣+C=0+CF(0)=\frac{1}{2}\ln|1|+C=0+C

    y la condición F(0)=0F(0)=0 obliga a que

    C=0⟹F(x)=12ln⁡∣2x+1∣C=0\qquad\Longrightarrow\qquad F(x)=\frac{1}{2}\ln|2x+1|

    La condición inicial es lo que convierte toda una familia de antiderivadas en una única función.

  3. Simplificar el argumento antes de sustituirlo. Con x=e2−12x=\dfrac{e^2-1}{2},

    2x+1=2⋅e2−12+1=(e2−1)+1=e22x+1=2\cdot\frac{e^2-1}{2}+1=(e^2-1)+1=e^2

    Ese valor de aspecto incómodo está construido justamente para que 2x+12x+1 se reduzca a e2e^2: conviene simplificar siempre primero el interior del logaritmo. Además e2>0e^2>0, así que el valor absoluto no supone ningún problema.

  4. Evaluar. Usando ln⁡(e2)=2\ln(e^2)=2:

    F ⁣(e2−12)=12ln⁡(e2)=12⋅2=1F\!\left(\frac{e^2-1}{2}\right)=\frac{1}{2}\ln\left(e^2\right)=\frac{1}{2}\cdot 2=1

    1\boxed{1}

  5. Comprobar con una integral definida. Como F(0)=0F(0)=0, el resultado también se escribe

    ∫0(e2−1)/2dx2x+1=[12ln⁡(2x+1)]0(e2−1)/2=12(2−0)=1\int_0^{(e^2-1)/2}\frac{dx}{2x+1}=\left[\frac{1}{2}\ln(2x+1)\right]_0^{(e^2-1)/2}=\frac{1}{2}(2-0)=1

    Numéricamente el límite superior vale ≈3.1945\approx 3.1945 y 12ln⁡(2⋅3.1945+1)=1.0000\tfrac12\ln(2\cdot 3.1945+1)=1.0000, lo que confirma el valor.

Answer

11

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