Ejercicios · Tema 9: Integrales impropias

131 ejercicios resueltos paso a paso.

9.1 Definiciones y ejemplos

1.

Calcular la siguiente integral impropia probando previamente que es convergente:

\(\int_{0}^{1} \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}\)
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2.

Calcular la siguiente integral impropia probando previamente su convergencia:

\(\int_{0}^{1} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} \, dx \)
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3.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito con constantes positivas a y b:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dx}{a^2+b^2x^2} \quad (a, b > 0) \)
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4.

Calcular la siguiente integral impropia probando previamente su convergencia:

\(\int_{0}^{3} \frac{dx}{\sqrt{9-x^2}}\)
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5.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{\log x}{(1+x)\sqrt{x}} \, dx \)
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6.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito para un parámetro alfa estrictamente mayor que uno:

\(\int_{e}^{+\infty} \frac{dx}{x(\log x)^\alpha} \quad (\alpha > 1) \)
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7.

Calcular la siguiente integral de arco seno entre cero y uno:

\(\int_{0}^{1} \operatorname{arcsen} x \, dx \)
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8.

Calcular la siguiente integral impropia en toda la recta real:

\(\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dx}{x^2+2x+2}\)
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9.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito para parámetros alfa positivo y beta real:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-\alpha x} \operatorname{sen}(\beta x) \, dx \quad (\alpha > 0) \)
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10.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} \frac{\log x}{\sqrt{1-x}} \, dx \)
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11.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} \frac{dx}{(1+x)\sqrt{1-x^2}}\)
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12.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito para parámetros alfa positivo y beta real:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-\alpha x} \cos(\beta x) \, dx \quad (\alpha > 0) \)
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13.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} \log x \, dx \)
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14.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x\sqrt{x^2-1}}\)
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15.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado simétrico:

\(\int_{-1}^{1} \frac{x}{(2-x)\sqrt{1-x^2}} \, dx \)
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16.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} \log^2 x \, dx \)
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17.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} \frac{dx}{\sqrt{x}}\)
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18.

Calcular la siguiente integral impropia con singularidad interior en el origen:

\(\int_{-1}^{8} \frac{dx}{\sqrt[3]{x}}\)
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19.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-x} \, dx \)
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20.

Calcular la siguiente integral impropia en la recta real completa:

\(\int_{-\infty}^{+\infty} x e^{-x^2} \, dx \)
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21.

Analizar la convergencia y calcular, si procede, la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{4} \frac{dx}{(4-x)^{3/2}}\)
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22.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} x \log x \, dx \)
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23.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} x^3 e^{-x} \, dx \)
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24.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo acotado simétrico:

\(\int_{-2}^{2} \frac{dx}{\sqrt{4-x^2}}\)
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25.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito negativo:

\(\int_{-\infty}^{0} \frac{dx}{(4-x)^2}\)
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26.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}} \, dx \)
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27.

Estudiar la convergencia y calcular, si procede, la siguiente integral impropia:

\(\int_{-\infty}^{6} \frac{dx}{(4-x)^2}\)
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28.

Calcular el área de la superficie, en el primer cuadrante, comprendida entre la curva de ecuación y^2 = x^4 / (4 - x^2), su asíntota vertical y el eje OX.
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29.

Calcular el área total de la región simétrica comprendida entre la curva de ecuación y^2 = (4 - x) / x y su asíntota vertical.
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30.

Calcular el área de la superficie comprendida entre la curva de ecuación y = 8 / (4 + x^2) y su asíntota horizontal en toda la recta real.
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31.

Calcular el área de la superficie, en el primer cuadrante, comprendida entre la curva de ecuación y = x e^(-x^2/2) y su asíntota horizontal.
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32.

Calcular la longitud total del lazo cerrado de la curva de ecuación 9y^2 = x^2(2x + 3).
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33.

Calcular la longitud total de la curva cerrada del astroide de ecuación x^(2/3) + y^(2/3) = a^(2/3), con parámetro a estrictamente positivo.
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34.

Calcular la longitud total del lazo cerrado de la curva de ecuación y^2 = x(3 - x)^2.
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35.

Consideramos la superficie comprendida entre la curva de hipérbola equilátera xy = 1, el eje OX y la recta vertical x = 1 en el intervalo infinito [1, +infinito). Demostrar que su área es infinita.
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36.

Calcular el volumen del sólido de revolución engendrado al girar la región comprendida entre la curva xy = 1, el eje OX y la recta x = 1 alrededor del eje OX.
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37.

Hallar el área de la superficie comprendida entre la curva de ecuación y = e^(-|x|) y su asíntota horizontal.
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38.

Hallar el volumen del sólido de revolución engendrado al girar el recinto plano comprendido entre la curva y = e^(-|x|) y su asíntota alrededor de dicha asíntota.
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39.

Hallar el área de la superficie comprendida entre la curva de ecuación (1 + x)y^2 = 1 - x y su asíntota vertical.
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40.

Hallar el área total de la superficie comprendida entre la curva de ecuación y^2 = x^2 / (1 - x^2) y sus dos asíntotas verticales.
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41.

Hallar el área de la superficie comprendida entre la curva de ecuación y = 1 / (x^2 - 1), la recta vertical x = 3 y el eje OX en el semieje no acotado [3, +infinito).
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42.

Hallar el área de la superficie comprendida entre la curva y = e^(-2x), el eje OX y el eje OY en el primer cuadrante.
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43.

Hallar el volumen del sólido que engendra la superficie comprendida entre la curva y = e^(-2x), el eje OX y el eje OY al girar entorno al eje OX.
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9.2 Criterios de convergencia

44.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia de primera especie:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{1}{\sqrt{x} e^{x}} \, dx \)
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45.

Determinar si converge la siguiente integral impropia de segunda especie:

\(\int_{0}^{\pi/4} x^{-1/3} \cos x \, dx \)
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46.

Estudiar la convergencia de la integral impropia:

\(\int_{0}^{1} \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}\)
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47.

Demostrar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{1} \log^2 x \, dx \)
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48.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo no acotado:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{\sqrt{x+1}}{x^2+1} \, dx \)
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49.

Determinar si converge la siguiente integral impropia:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{\log x}{\sqrt[3]{x^4+1}} \, dx \)
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50.

Probar que la siguiente integral impropia es convergente:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{\operatorname{sen} x}{x^2} \, dx \)
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51.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo abierto en el origen:

\(\int_{0}^{1/2} \frac{dx}{\sqrt{x} |\log x|}\)
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52.

Demostrar que la siguiente integral impropia es convergente:

\(\int_{0}^{1} e^{x} x^{-1/4} \, dx \)
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53.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{1} \frac{\operatorname{sen} x}{x^{4/3}} \, dx \)
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54.

Determinar si converge la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{1} \frac{\log x}{x^{1/4}} \, dx \)
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55.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{1} \frac{\cos x}{\sqrt{x}} \, dx \)
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56.

Demostrar que la siguiente integral impropia es convergente y hallar su valor:

\(\int_{0}^{1} \log x \, dx \)
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57.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{1}^{4} \frac{\log x}{(x-1)^{3/2}} \, dx \)
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58.

Determinar si converge la siguiente integral impropia en el intervalo no acotado:

\(\int_{2}^{+\infty} \frac{\log^2 x}{x^2-3} \, dx \)
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59.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dx}{x^4+x+1}\)
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60.

Determinar si converge la siguiente integral impropia con singularidad en el origen y límite superior infinito:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{\log x}{x^2+3} \, dx \)
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61.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia simétrica:

\(\int_{-1}^{1} \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}\)
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62.

Demostrar que la siguiente integral impropia es convergente:

\(\int_{0}^{1} \frac{dx}{\sqrt[3]{x-x^2}}\)
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63.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{\sqrt{x^4-1}}\)
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64.

Demostrar que la siguiente integral impropia es convergente:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dx}{\cosh x}\)
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65.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo no acotado con singularidad en el origen:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{\sqrt{x}}{e^{x}-1} \, dx \)
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66.

Determinar si converge la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{e^{2x}-3}\)
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67.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{(e^x-1)^2}\)
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68.

Demostrar la convergencia de la integral impropia de Euler-Gauss:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-x^2} \, dx \)
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69.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{\sqrt{x^3-1}}\)
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70.

Determinar si converge la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{1} \log x \operatorname{sen}\left(\frac{1}{x}\right) \, dx \)
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71.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-(x^2+x-2)} \, dx \)
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72.

Demostrar la convergencia de la siguiente integral impropia en la recta real completa:

\(\int_{-\infty}^{+\infty} x^2 e^{-x^2} \, dx \)
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73.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito negativo:

\(\int_{-\infty}^{-1} \frac{dx}{1+x^2}\)
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74.

Determinar si converge la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x\sqrt{9+x^2}}\)
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75.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{2}^{4} \frac{dx}{\sqrt{-x^2+6x-8}}\)
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76.

Demostrar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo no acotado:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dx}{1+x^2}\)
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77.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x^2+x}\)
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78.

Determinar si converge la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{x^2 e^{-x}}{1+x^2} \, dx \)
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79.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{2}^{+\infty} e^{-x^3} \, dx \)
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80.

Demostrar que la siguiente integral impropia converge y calcular su valor exacto:

\(\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\operatorname{sen} x}{1+x^2} \, dx \)
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81.

Estudiar detalladamente la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{x}{\sqrt{x^4+3}} \, dx \)
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82.

Demostrar que la siguiente integral impropia es convergente:

\(\int_{1}^{+\infty} \frac{\cos x}{\sqrt{x}(x+4)} \, dx \)
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83.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x}{\sqrt[3]{x}} \, dx \)
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84.

Determinar si converge la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{1}^{2} \frac{dx}{\sqrt[3]{x^3-4x^2+4x}}\)
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85.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo acotado:

\(\int_{0}^{3} \frac{dx}{\sqrt{x}(3+x)}\)
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86.

Demostrar la convergencia de la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dx}{1+x+e^x}\)
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87.

Estudiar la convergencia de la siguiente integral impropia:

\(\int_{0}^{1} \sqrt{\frac{1+x}{1-x}} \, dx \)
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88.

Demostrar que la siguiente integral impropia es convergente y calcular su valor exacto:

\(\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-|x|} \, dx \)
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89.

Demostrar que la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito es divergente:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dx}{x+1}\)
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90.

Probar que la siguiente integral impropia es divergente:

\(\int_{2}^{+\infty} \frac{dx}{\log x}\)
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91.

Demostrar que la siguiente integral impropia en el intervalo acotado es divergente:

\(\int_{0}^{2} \frac{e^{x}}{x} \, dx \)
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92.

Probar que la siguiente integral impropia en el intervalo acotado es divergente:

\(\int_{0}^{\pi/4} \operatorname{cotg} x \, dx \)
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93.

Demostrar que la siguiente integral impropia en el intervalo acotado es divergente:

\(\int_{0}^{\pi/2} \sec x \, dx \)
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94.

Probar que la siguiente integral impropia de segunda especie es divergente:

\(\int_{0}^{1/2} \frac{dx}{x \log x}\)
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95.

Demostrar que la siguiente integral impropia en el intervalo acotado es divergente:

\(\int_{0}^{\pi/2} \frac{\operatorname{sen} x}{1-\cos x} \, dx \)
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96.

Demostrar que la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito es divergente por oscilación:

\(\int_{0}^{+\infty} \operatorname{sen} x \, dx \)
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97.

Probar que la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito es divergente:

\(\int_{0}^{+\infty} x \operatorname{sen} x \, dx \)
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9.3 Funciones Gamma y Beta de Euler

98.

Calcular la siguiente integral definida mediante funciones eulerianas o cambio de variable inmediato:

\(\int_{0}^{\pi/2} (\log(\operatorname{sen} x))^8 \cos x \, dx \)
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99.

Calcular la siguiente integral definida en el intervalo unidad utilizando las funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{1} \sqrt{x - x^2} \, dx \)
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100.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito utilizando funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{x^2}{1+x^4} \, dx \)
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101.

Calcular la siguiente integral definida en términos de la función Beta de Euler para cualquier parámetro n mayor o igual que uno:

\(\int_{0}^{1} \frac{dx}{\sqrt{1-x^n}} \quad (n \ge 1) \)
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102.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito para un parámetro n estrictamente mayor que cuatro utilizando funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{x^3}{1+x^n} \, dx \quad (n > 4) \)
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103.

Calcular la siguiente integral definida en el intervalo unidad para un parámetro p estrictamente mayor que menos uno:

\(\int_{0}^{1} \left( \log\frac{1}{x} \right)^p \, dx \quad (p > -1) \)
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104.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo para cualquier parámetro n estrictamente positivo:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-x^n} \, dx \quad (n > 0) \)
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105.

Calcular la siguiente integral definida trigonométrica para un parámetro alfa comprendido entre menos uno y uno:

\(\int_{0}^{\pi/2} (\operatorname{tg} x)^\alpha \, dx \quad (-1 < \alpha < 1) \)
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106.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo mediante funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} t^5 e^{-t} \, dt \)
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107.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo mediante funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} t^{3/2} e^{-t} \, dt \)
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108.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito negativo:

\(\int_{-\infty}^{0} t^3 e^t \, dt \)
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109.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo mediante funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} t^4 e^{-t/2} \, dt \)
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110.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo mediante funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} t^{-1/2} e^{-2t} \, dt \)
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111.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo utilizando la función Beta de Euler:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{t^{1/2}}{(1+t)^3} \, dt \)
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112.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito mediante la función Beta de Euler:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{t}{(1+2t)^4} \, dt \)
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113.

Calcular la siguiente integral definida en el intervalo unidad para cualquier número natural n utilizando la función Beta:

\(\int_{0}^{1} (1-t) t^n \, dt \quad (n \in \mathbb{N}) \)
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114.

Calcular la siguiente integral definida trigonométrica utilizando la función Beta de Euler:

\(\int_{0}^{\pi/2} \sqrt{\operatorname{sen}\theta \cos\theta} \, d\theta \)
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115.

Calcular la integral impropia de Euler-Gauss en el semieje positivo utilizando la función Gamma:

\(\int_{0}^{+\infty} e^{-x^2} \, dx \)
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116.

Calcular la siguiente integral impropia en el semieje positivo mediante funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} x e^{-x^3} \, dx \)
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117.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito mediante la función Beta de Euler:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{dt}{(1+t^2)^6}\)
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118.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito mediante la función Beta de Euler:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{t^2}{(1+t^2)^4} \, dt \)
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119.

Calcular la siguiente integral impropia en el intervalo semiinfinito utilizando funciones eulerianas:

\(\int_{0}^{+\infty} \frac{t}{(1+\sqrt{t})^5} \, dt \)
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120.

Calcular la siguiente integral definida trigonométrica en el intervalo cero a pi medios mediante la función Beta de Euler:

\(\int_{0}^{\pi/2} \operatorname{sen}^8\theta \cos^6\theta \, d\theta \)
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Problemas de examen

121.

Dada la función real de variable real:
\( f(x) = \frac{e^{3x}}{(2 + e^x)^4}\)
(
a) Justificar rigurosamente si la integral impropia \(\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \, dx \) es convergente.
(
b) Calcular, si es posible, el valor exacto de la integral impropia \(\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \, dx \)
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122.

Dada la función real \( f(x) = x^2(\ln x)^4 \) definida en el intervalo \((0, 1]\):
(
a) Justificar de forma rigurosa si la integral impropia \(\int_0^1 x^2(\ln x)^4 \, dx \) es convergente.
(
b) Calcular su valor exacto mediante el cambio de variable logarítmico y la función Gamma de Euler.
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123.

Calcular de forma rigurosa el valor de la integral impropia de primera especie:
\( I = \int_1^\infty \frac{\arctan x}{x^2} \, dx \)
aplicando la definición formal mediante el paso al límite del extremo superior.
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124.

Dada la función racional real \( f(x) = \frac{x^2}{(1 + x^2)^4}\):
(
a) Demostrar que la integral impropia \(\int_0^{+\infty} f(x) \, dx \) es convergente.
(
b) Calcular su valor exacto mediante el cambio trigonométrico del arco tangente y la función Beta de Euler.
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125.

Dada la función real \( f(x) = \ln(x^2) \) definida en el intervalo \((0, 1]\):
(
a) Decidir razonadamente si la integral impropia \(\int_0^1 \ln(x^2) \, dx \) es convergente.
(
b) Calcular su valor numérico exacto mediante la regla de Barrow en el límite del extremo inferior.
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126.

Sea la integral impropia de primera especie:
\( I = \int_1^\infty \frac{\ln^2 x}{x^2} \, dx \)
(
a) Probar de forma justificada que es convergente sin calcular previamente su valor.
(
b) Calcular su valor exacto mediante el método de integración por partes.
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127.

Dada la integral impropia de primera especie:
\( I = \int_0^\infty \frac{\sqrt{x}}{8 + x^3} \, dx \)
(
a) Probar de forma justificada que la integral es convergente analizando el origen y el infinito.
(
b) Calcular su valor exacto mediante el cambio de variable y la fórmula de reflexión de la función Beta.
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128.

Integrando mediante el método de partes, calcular el valor exacto de la integral impropia:
\( I = \int_1^\infty \frac{\ln x}{x^4} \, dx \)
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129.

Calcular de forma analítica el valor de la integral impropia de primera especie:
\( I = \int_4^\infty \frac{1}{x^2 - 4x + 3} \, dx \)
descomponiendo previamente el integrando en fracciones simples.
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130.

Calcular de forma exacta las siguientes integrales impropias utilizando las propiedades de las funciones especiales de Euler:
(a) \( I_1 = \int_0^\infty x^6 e^{-2x} \, dx \), empleando la función Gamma de Euler.
(b) \( I_2 = \int_0^1 x^3(1 - x)^4 \, dx \), empleando la función Beta de Euler.
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131.

Analizar la siguiente integral impropia:

\( I = \int_{0}^{1} x^2 (\log x)^4 \, dx \)
a) Justificar rigurosamente si la integral es convergente.
b) Calcular su valor exacto empleando la función Gamma de Euler o integración por partes reiterada.
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