Subjects calculus

Integral Csc4 Cd8396

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1. El problema es calcular la integral $$\int \csc^4(2x) \, dx$$. 2. Recordemos que $$\csc(x) = \frac{1}{\sin(x)}$$ y que para potencias pares de funciones trigonométricas, es útil usar identidades trigonométricas para simplificar. 3. Usamos la identidad $$\csc^2(\theta) = 1 + \cot^2(\theta)$$ para reescribir $$\csc^4(2x) = (\csc^2(2x))^2 = (1 + \cot^2(2x))^2$$. 4. Expandimos: $$ (1 + \cot^2(2x))^2 = 1 + 2\cot^2(2x) + \cot^4(2x) $$ 5. Por lo tanto, $$ \int \csc^4(2x) \, dx = \int \left(1 + 2\cot^2(2x) + \cot^4(2x)\right) dx $$ 6. Ahora integramos término a término: $$ \int 1 \, dx = x $$ 7. Para $$\int \cot^2(2x) \, dx$$ usamos la identidad $$\cot^2(\theta) = \csc^2(\theta) - 1$$: $$ \int \cot^2(2x) \, dx = \int (\csc^2(2x) - 1) \, dx = \int \csc^2(2x) \, dx - \int 1 \, dx $$ 8. Sabemos que $$\int \csc^2(ax) \, dx = -\frac{1}{a} \cot(ax) + C$$, entonces: $$ \int \csc^2(2x) \, dx = -\frac{1}{2} \cot(2x) + C $$ 9. Por lo tanto, $$ \int \cot^2(2x) \, dx = -\frac{1}{2} \cot(2x) - x + C $$ 10. Ahora integramos $$\int \cot^4(2x) \, dx$$. Usamos la reducción: $$ \cot^4(2x) = (\cot^2(2x))^2 = (\csc^2(2x) - 1)^2 = \csc^4(2x) - 2\csc^2(2x) + 1 $$ 11. Por lo tanto, $$ \int \cot^4(2x) \, dx = \int \csc^4(2x) \, dx - 2 \int \csc^2(2x) \, dx + \int 1 \, dx $$ 12. Observamos que $$\int \csc^4(2x) \, dx$$ es la integral original que queremos calcular, llamémosla $$I$$. 13. Entonces, $$ \int \cot^4(2x) \, dx = I - 2 \left(-\frac{1}{2} \cot(2x)\right) + x + C = I + \cot(2x) + x + C $$ 14. Volviendo a la integral original, $$ I = \int 1 \, dx + 2 \int \cot^2(2x) \, dx + \int \cot^4(2x) \, dx = x + 2 \left(-\frac{1}{2} \cot(2x) - x\right) + I + \cot(2x) + x + C $$ 15. Simplificamos: $$ I = x - \cot(2x) - 2x + I + \cot(2x) + x + C $$ 16. Cancelamos términos: $$ I = I + C $$ 17. Esto indica que debemos usar otra estrategia. En lugar de expandir, usamos la identidad: $$ \csc^4(2x) = \csc^2(2x) \cdot \csc^2(2x) $$ 18. Usamos la fórmula para potencias pares: $$ \int \csc^n(ax) \, dx = -\frac{\csc^{n-2}(ax) \cot(ax)}{a(n-1)} + \frac{n-2}{n-1} \int \csc^{n-2}(ax) \, dx $$ 19. Para $$n=4$$: $$ \int \csc^4(2x) \, dx = -\frac{\csc^2(2x) \cot(2x)}{2 \cdot 3} + \frac{2}{3} \int \csc^2(2x) \, dx $$ 20. Sabemos que: $$ \int \csc^2(2x) \, dx = -\frac{1}{2} \cot(2x) + C $$ 21. Entonces: $$ \int \csc^4(2x) \, dx = -\frac{\csc^2(2x) \cot(2x)}{6} + \frac{2}{3} \left(-\frac{1}{2} \cot(2x)\right) + C = -\frac{\csc^2(2x) \cot(2x)}{6} - \frac{1}{3} \cot(2x) + C $$ 22. Esta es la solución final. Respuesta final: $$ \boxed{\int \csc^4(2x) \, dx = -\frac{\csc^2(2x) \cot(2x)}{6} - \frac{1}{3} \cot(2x) + C} $$