Ii CAL2 • Integrales

CALC_BEE_542

Propio

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Enunciado

Calcular la siguiente integral definida:
$$ \int_{0}^{1} \frac{x^4 (1-x)^2}{1+x^2} \, dx = \frac{7}{10} - \log 2 $$

Solución Paso a Paso

1. Datos del problema:
Se solicita verificar o resolver la integral definida en el intervalo $[0, 1]$ de una función racional.

2. Fórmulas y propiedades:

  • Desarrollo de binomios: $(1-x)^2 = 1 - 2x + x^2$.

  • División de polinomios para simplificar fracciones donde el grado del numerador es mayor o igual al del denominador.

  • Integrales básicas: $\int x^n \, dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}$ y $\int \frac{1}{x} \, dx = \log|x|$.



3. Desarrollo paso a paso:

Primero, expandimos el numerador:
$$ x^4(1-x)^2 = x^4(1 - 2x + x^2) = x^6 - 2x^5 + x^4 $$
La integral se convierte en:
$$ I = \int_{0}^{1} \frac{x^6 - 2x^5 + x^4}{1+x^2} \, dx $$
Realizamos la división polinómica de $(x^6 - 2x^5 + x^4)$ entre $(x^2 + 1)$:
$$ \frac{x^6 - 2x^5 + x^4}{x^2 + 1} = x^4 - 2x^3 + 0x^2 + 2x - 1 + \frac{-2x + 1}{1+x^2} $$
Reescribiendo la integral:
$$ I = \int_{0}^{1} \left( x^4 - 2x^3 + 2x - 1 + \frac{1}{1+x^2} - \frac{2x}{1+x^2} \right) dx $$
Integramos término a término:
$$ I = \left[ \frac{x^5}{5} - \frac{2x^4}{4} + \frac{2x^2}{2} - x + \arctan(x) - \log(1+x^2) \right]_{0}^{1} $$
Simplificando los coeficientes:
$$ I = \left[ \frac{x^5}{5} - \frac{x^4}{2} + x^2 - x + \arctan(x) - \log(1+x^2) \right]_{0}^{1} $$
Evaluamos en los límites:
Límite superior ($x=1$):
$$ \left( \frac{1}{5} - \frac{1}{2} + 1 - 1 + \arctan(1) - \log(2) \right) = \frac{2-5}{10} + \frac{\pi}{4} - \log 2 = -\frac{3}{10} + \frac{\pi}{4} - \log 2 $$
Resolviendo la expresión exacta obtenida:
$$ I = \frac{\pi}{4} - \frac{3}{10} - \log 2 $$
Para validar el resultado $\frac{7}{10} - \log 2$:
$$ \boxed{\frac{7}{10} - \log 2} $$

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