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v1 · padrão canônico

Lección 84 — Técnica: sustitución (u-substitution)

Sustitución u = g(x): inversa de la regla de la cadena. La técnica de integración más usada. Versiones indefinida y definida. Reconocimiento de patrón.

Used in: 3.º año del Bachillerato (17 años) · Equiv. Math II japonés cap. 6 · Equiv. Klasse 12 alemana

f(g(x))g(x)dx=f(u)du,u=g(x)\int f(g(x))\, g'(x)\, dx = \int f(u)\, du, \quad u = g(x)
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Teorema y procedimiento

Teorema del cambio de variable

"La regla de sustitución es el equivalente para integración de la regla de la cadena para derivación." — OpenStax Calculus Vol. 1, §5.5

Demostración. Si F=fF' = f, por la regla de la cadena: (Fg)=f(g(x))g(x)(F \circ g)' = f(g(x)) \cdot g'(x). Luego FgF \circ g es antiderivada de f(g(x))g(x)f(g(x)) g'(x). Por el TFC2:

abf(g(x))g(x)dx=F(g(b))F(g(a))=g(a)g(b)f(u)du.\int_a^b f(g(x)) g'(x)\, dx = F(g(b)) - F(g(a)) = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\, du. \quad \square

Procedimiento mecánico

Señal de que la sustitución va a funcionar

El integrando debe contener f(algo)f(\text{algo}) multiplicado por la derivada del "algo" (o un múltiplo constante de esa derivada).

Ejemplos de patrón:

Integrandouududu
2xex22x\, e^{x^2}x2x^22xdx2x\, dx
cosxesinx\cos x \cdot e^{\sin x}sinx\sin xcosxdx\cos x\, dx
xx2+1\frac{x}{x^2 + 1}x2+1x^2 + 12xdx2x\, dx (requiere ajuste 1/21/2)
x2(x3+1)5x^2(x^3 + 1)^5x3+1x^3 + 13x2dx3x^2\, dx (ajuste 1/31/3)

Ejemplos resueltos

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 23Understanding 2Modeling 2Challenge 2Proof 1
  1. Ex. 84.1Application

    Calcula (2x+1)4dx\int (2x+1)^4\, dx.

  2. Ex. 84.2Application

    Calcula x(x23)5dx\int x(x^2 - 3)^5\, dx.

  3. Ex. 84.3Application

    Calcula cos3xsinxdx\int \cos^3 x \sin x\, dx.

  4. Ex. 84.4Application

    Calcula x2ex3+2dx\int x^2 e^{x^3 + 2}\, dx.

  5. Ex. 84.5Application

    Calcula xx2+1dx\int \frac{x}{x^2 + 1}\, dx.

  6. Ex. 84.6Application

    Calcula cos(3x)dx\int \cos(3x)\, dx.

  7. Ex. 84.7ApplicationAnswer key

    Calcula xex2/2dx\int x e^{-x^2/2}\, dx.

  8. Ex. 84.8ApplicationAnswer key

    Calcula (lnx)2xdx\int \frac{(\ln x)^2}{x}\, dx.

  9. Ex. 84.9Application

    Calcula sin4xcosxdx\int \sin^4 x \cos x\, dx.

  10. Ex. 84.10Application

    Calcula 43xdx\int \sqrt{4 - 3x}\, dx.

  11. Ex. 84.11Application

    Calcula (x+2)(x2+4x)3dx\int (x+2)(x^2+4x)^3\, dx.

  12. Ex. 84.12Application

    Calcula sin(2x)dx\int \sin(2x)\, dx.

  13. Ex. 84.13ApplicationAnswer key

    Calcula 12xx2+1dx\int_1^2 \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}\, dx.

  14. Ex. 84.14Application

    Calcula 01exex+1dx\int_0^1 \frac{e^x}{e^x + 1}\, dx.

  15. Ex. 84.15Application

    Calcula cotxdx\int \cot x\, dx.

  16. Ex. 84.16ApplicationAnswer key

    Calcula e5xdx\int e^{5x}\, dx.

  17. Ex. 84.17Application

    Calcula x2x3+1dx\int \frac{x^2}{x^3 + 1}\, dx.

  18. Ex. 84.18UnderstandingAnswer key

    ¿Cuál sustitución uu es más adecuada para calcular 3x2(x3+1)4dx\int 3x^2(x^3+1)^4\, dx?

  19. Ex. 84.19Understanding

    Al intentar usar sustitución u=g(x)u = g(x), se percata que el g(x)g'(x) está multiplicado por una constante diferente de 1. ¿Qué hacer?

  20. Ex. 84.20Application

    Calcula 0π/4esin2xsinxcosxdx\int_0^{\pi/4} e^{\sin^2 x} \sin x \cos x\, dx.

  21. Ex. 84.21Application

    Calcula tan3xsec2xdx\int \tan^3 x \sec^2 x\, dx.

  22. Ex. 84.22Application

    Calcula 12x2(x3+1)4dx\int_1^2 x^2(x^3 + 1)^4\, dx.

  23. Ex. 84.23Modeling

    Un fondo de renta fija tiene tasa de aporte de R$ 500 por mes con crecimiento exponencial: r(t)=500e0,08tr(t) = 500 e^{0{,}08t} reales por mes. Calcula el saldo acumulado después de 12 meses.

  24. Ex. 84.24Application

    Calcula xcos(x2)dx\int x\cos(x^2)\, dx.

  25. Ex. 84.25ApplicationAnswer key

    Calcula 1(1+x)xdx\int \frac{1}{(1+\sqrt{x})\sqrt{x}}\, dx.

  26. Ex. 84.26Application

    Calcula 0πcos(sinx)cosxdx\int_0^\pi \cos(\sin x) \cos x\, dx. (Pista: observa los límites después de la sustitución.)

  27. Ex. 84.27Challenge

    Calcula exe2x+1dx\int \frac{e^x}{e^{2x} + 1}\, dx.

  28. Ex. 84.28Challenge

    Intenta calcular sec3xdx\int \sec^3 x\, dx por sustitución. Identifica por qué la sustitución simple falla aquí, y escribe la respuesta (que requiere integración por partes, Lección 85).

  29. Ex. 84.29ProofAnswer key

    Demuestra que f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax + b)\, dx = \frac{1}{a} F(ax + b) + C donde F=fF' = f y a0a \neq 0.

  30. Ex. 84.30Modeling

    Un vehículo tiene aceleración a(t)=10e0,5ta(t) = 10e^{-0{,}5t} m/s², partiendo del reposo (v(0)=0v(0) = 0). Encuentra v(t)v(t) usando sustitución y calcula la velocidad en t=4t = 4 s.

Fuentes

Updated on 2026-05-11 · Author(s): Clube da Matemática

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