A su vez mi comentario en una respuesta, la prueba es correcta hasta el paso
$$ \frac{\mathrm{d} u}{u} = \frac{\mathrm{d} v}{v} $$
En ese punto, como otros han dicho, que te olvides de añadir las constantes de integración cuando se integran:
$$ \ln u + \mathrm{C_1} = \ln v + \mathrm{C_2} $$
Sustituyendo $\mathrm{C} = \mathrm{C}_2 - \mathrm{C}_1$ nos da:
$$\begin{align}
\ln u &= \ln v + \mathrm{C} \\
\ln u - \ln v &= \mathrm{C} \\
\end{align}$$
Sustituyendo $\mathrm{C}$ en la primera ecuación nos consigue $\ln u = \ln u$, que es evidente que no hay contradicción. Un poco más interesante, quizás, es a su vez la identidad $\mathrm{C}$, $\ln u - \ln v$, en $\ln \frac{u}{v}$ y luego se sustituye en la otra ecuación anterior para obtener:
$$\begin{align}
\ln u &= \ln v + \ln \frac{u}{v} \\
&= \ln \left( v \cdot \frac{u}{v} \right)
\end{align}$$
Ahora tome la exponencial de ambos lados.
$$\begin{align}
u &= v \cdot \frac{u}{v} \\
3x &= 5x \cdot \frac{3x}{5x} \\
3 &= 5 \cdot \frac{3}{5}
\end{align}$$
Esto es probablemente lo que Serge Seredenko quiso decir cuando dijo en su comentario que el 3 es igual a 5, "[e]n este caso se multiplica por una constante."