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v1 · padrão canônico

Lição 84 — Técnica: substituição (u-substitution)

Substituição u = g(x): inversa da regra da cadeia. A técnica mais usada de integração. Versões indefinida e definida. Reconhecimento de padrão.

Used in: 3.º ano do EM (17 anos) · Equiv. Math II japonês cap. 6 · Equiv. Klasse 12 alemã

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 e procedimento

Teorema del cambio di variabile

"La regola di sostituzione è l'equivalente per l'integrazione della regola della catena per la derivazione." — OpenStax Calculus Vol. 1, §5.5

Dimostrazione. Se F=fF' = f, dalla regola della catena: (Fg)=f(g(x))g(x)(F \circ g)' = f(g(x)) \cdot g'(x). Quindi FgF \circ g è un'antiderivata di f(g(x))g(x)f(g(x)) g'(x). Per il 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

Procedura meccanica

Segno che la sostituzione funzionerà

L'integrando deve contenere f(qualcosa)f(\text{qualcosa}) moltiplicato per la derivata del "qualcosa" (o un multiplo costante di quella derivata).

Esempi di pattern:

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 (necessita aggiustamento 1/21/2)
x2(x3+1)5x^2(x^3 + 1)^5x3+1x^3 + 13x2dx3x^2\, dx (aggiustamento 1/31/3)

Esempi risolti

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

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

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

  2. Ex. 84.2Application

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

  3. Ex. 84.3Application

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

  4. Ex. 84.4Application

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

  5. Ex. 84.5Application

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

  6. Ex. 84.6Application

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

  7. Ex. 84.7ApplicationAnswer key

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

  8. Ex. 84.8ApplicationAnswer key

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

  9. Ex. 84.9Application

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

  10. Ex. 84.10Application

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

  11. Ex. 84.11Application

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

  12. Ex. 84.12Application

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

  13. Ex. 84.13ApplicationAnswer key

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

  14. Ex. 84.14Application

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

  15. Ex. 84.15Application

    Calcola cotxdx\int \cot x\, dx.

  16. Ex. 84.16ApplicationAnswer key

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

  17. Ex. 84.17Application

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

  18. Ex. 84.18UnderstandingAnswer key

    Quale sostituzione uu è più adatta per calcolare 3x2(x3+1)4dx\int 3x^2(x^3+1)^4\, dx?

  19. Ex. 84.19Understanding

    Quando si prova a usare la sostituzione u=g(x)u = g(x), ci si accorge che il g(x)g'(x) è moltiplicato per una costante diversa da 1. Che cosa fare?

  20. Ex. 84.20Application

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

  21. Ex. 84.21Application

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

  22. Ex. 84.22Application

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

  23. Ex. 84.23Modeling

    Un fondo di reddito fisso ha tasso di versamento di R$ 500 al mese con crescita esponenziale: r(t)=500e0,08tr(t) = 500 e^{0{,}08t} reali al mese. Calcola il saldo accumulato dopo 12 mesi.

  24. Ex. 84.24Application

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

  25. Ex. 84.25ApplicationAnswer key

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

  26. Ex. 84.26Application

    Calcola 0πcos(sinx)cosxdx\int_0^\pi \cos(\sin x) \cos x\, dx. (Suggerimento: osserva i limiti dopo la sostituzione.)

  27. Ex. 84.27Challenge

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

  28. Ex. 84.28Challenge

    Prova a calcolare sec3xdx\int \sec^3 x\, dx per sostituzione. Identifica perché la sostituzione semplice fallisce qui, e scrivi la risposta (che richiede integrazione per parti, Lezione 85).

  29. Ex. 84.29ProofAnswer key

    Dimostra che f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax + b)\, dx = \frac{1}{a} F(ax + b) + C dove F=fF' = f e a0a \neq 0.

  30. Ex. 84.30Modeling

    Un veicolo ha accelerazione a(t)=10e0,5ta(t) = 10e^{-0{,}5t} m/s², partendo da fermo (v(0)=0v(0) = 0). Trova v(t)v(t) usando sostituzione e calcola la velocità in t=4t = 4 s.

Fonti

Updated on 2026-05-06 · Author(s): Clube da Matemática

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