Analisi matematica > Calcolo degli integrali di Riemann
Indice delle lezioni di:
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Nella lezione precedente abbiamo visto alcuni teoremi che ci permettono di stabilire l'integrabilità o meno di una funzione in base a certi criteri. Tuttavia, una volta stabilita l'integrabilità, si pone spesso il problema di calcolare effettivamente il valore dell'integrale e questa operazione può essere anche molto complessa. Vediamo allora alcuni teoremi e alcune tecniche che ci permettono, se sono rispettate certe condizioni, di ricondurci al caso di integrali più semplici da calcolare.
Algebra degli integrali di Riemann
modifica
Siano
f
,
g
∈
R
[
a
,
b
]
,
λ
∈
R
{\displaystyle f,g\in {\mathcal {R}}_{[a,b]},\ \lambda \in \mathbb {R} }
:
∫
a
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}(f(x)+g(x))dx=\int _{a}^{b}f(x)dx+\int _{a}^{b}g(x)dx}
cioè l'integrale di una somma è uguale alla somma degli integrali. Infatti, siano
σ
′
{\displaystyle \sigma '}
e
σ
″
{\displaystyle \sigma ''}
due scomposizioni di
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
qualsiasi e
σ
=
σ
′
∪
σ
″
{\displaystyle \sigma =\sigma '\cup \sigma ''}
, cioè
σ
{\displaystyle \sigma }
è più fine delle altre due scomposizioni. Abbiamo allora:
∫
a
_
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
≤
S
(
f
+
g
,
σ
)
≤
S
(
f
,
σ
)
+
S
(
g
,
σ
)
≤
S
(
f
,
σ
′
)
+
s
(
g
,
σ
″
)
{\displaystyle \int _{a}^{\_b}(f(x)+g(x))dx\leq S(f+g,\sigma )\leq S(f,\sigma )+S(g,\sigma )\leq S(f,\sigma ')+s(g,\sigma '')}
Dunque
∫
a
_
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
≤
∫
a
_
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
_
b
g
(
x
)
d
x
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{\_b}(f(x)+g(x))dx\leq \int _{a}^{\_b}f(x)dx+\int _{a}^{\_b}g(x)dx=\int _{a}^{b}f(x)dx+\int _{a}^{b}g(x)dx}
D'altra parte
∫
_
a
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
≥
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{\_a}^{b}(f(x)+g(x))dx\geq \int _{a}^{b}f(x)dx+\int _{a}^{b}g(x)dx}
In conclusione
∫
a
_
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
≤
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
≤
∫
_
a
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
≤
∫
a
_
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{\_b}(f(x)+g(x))dx\leq \int _{a}^{b}f(x)dx+\int _{a}^{b}g(x)dx\leq \int _{\_a}^{b}(f(x)+g(x))dx\leq \int _{a}^{\_b}(f(x)+g(x))dx}
Ma il primo e l'ultimo membro sono uguali! Dunque tutti questi
≤
{\displaystyle \leq }
sono in realtà uguaglianze ed in definitiva
∫
a
_
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
=
∫
_
a
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{\_b}(f(x)+g(x))dx=\int _{\_a}^{b}(f(x)+g(x))dx=\int _{a}^{b}f(x)dx+\int _{a}^{b}g(x)dx}
Moltiplicazione di un integrale per un numero reale
modifica
∫
a
b
λ
f
(
x
)
d
x
=
λ
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}\lambda f(x)dx=\lambda \int _{a}^{b}f(x)dx}
Infatti, se
λ
≠
0
{\displaystyle \lambda \neq 0}
(altrimenti l'affermazione è banale), si ha per
λ
>
0
{\displaystyle \lambda >0}
:
λ
S
(
f
,
σ
)
=
S
(
λ
f
,
σ
)
{\displaystyle \lambda S(f,\sigma )=S(\lambda f,\sigma )}
λ
s
(
f
,
σ
)
=
s
(
λ
f
,
σ
)
{\displaystyle \lambda s(f,\sigma )=s(\lambda f,\sigma )}
Se
λ
<
0
{\displaystyle \lambda <0}
λ
S
(
f
,
σ
)
=
s
(
λ
,
σ
)
{\displaystyle \lambda S(f,\sigma )=s(\lambda ,\sigma )}
λ
s
(
f
,
σ
)
=
S
(
λ
f
,
σ
)
{\displaystyle \lambda s(f,\sigma )=S(\lambda f,\sigma )}
Supponiamo
f
(
x
)
≤
g
(
x
)
,
∀
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle f(x)\leq g(x),\ \forall x\in [a,b]}
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
≤
∫
a
b
g
(
x
)
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)dx\leq \int _{a}^{b}g(x)}
Infatti
f
(
x
)
≤
g
(
x
)
,
∀
x
∈
[
a
,
b
]
⇒
S
(
f
,
σ
)
≤
S
(
g
,
σ
)
,
∀
σ
∈
Ω
[
a
,
b
]
{\displaystyle f(x)\leq g(x),\ \forall x\in [a,b]\Rightarrow S(f,\sigma )\leq S(g,\sigma ),\ \forall \sigma \in \Omega _{[a,b]}}
e di conseguenza
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
≤
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)dx\leq \int _{a}^{b}g(x)dx}
.
Valore assoluto di un integrale
modifica
Sia
|
f
|
∈
R
[
a
,
b
]
{\displaystyle |f|\in {\mathcal {R}}_{[a,b]}}
. Allora
|
∫
a
b
f
(
x
)
f
x
|
≤
∫
a
b
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)fx\right|\leq \int _{a}^{b}|f(x)|dx}
Infatti, prendiamo un
ε
>
0
{\displaystyle \varepsilon >0}
e una scomposizione
σ
=
{
x
0
,
…
,
x
n
}
{\displaystyle \sigma =\{x_{0},\dots ,x_{n}\}}
tale che
S
(
f
,
σ
)
−
s
(
f
,
σ
)
<
ε
{\displaystyle S(f,\sigma )-s(f,\sigma )<\varepsilon }
. Allora:
S
(
|
f
|
,
σ
)
−
s
(
|
f
|
,
σ
)
=
∑
i
=
1
n
(
sup
I
i
|
f
|
−
inf
I
i
|
f
|
)
(
x
i
+
1
−
x
i
)
≤
{\displaystyle S(|f|,\sigma )-s(|f|,\sigma )=\sum _{i=1}^{n}\left(\sup _{I_{i}}|f|-\inf _{I_{i}}|f|\right)(x_{i+1}-x_{i})\leq }
∑
i
=
1
n
(
sup
I
i
f
−
inf
I
i
f
)
(
x
i
+
1
−
x
i
)
≤
S
(
f
,
σ
)
−
s
(
f
,
σ
)
<
ε
{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}\left(\sup _{I_{i}}f-\inf _{I_{i}}f\right)(x_{i+1}-x_{i})\leq S(f,\sigma )-s(f,\sigma )<\varepsilon }
Per il Teorema di Riemann abbiamo provato che
|
f
|
{\displaystyle |f|}
è integrabile secondo Riemann in
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Osserviamo ora che
±
f
≤
|
f
|
{\displaystyle \pm f\leq |f|}
e per le proprietà viste sopra abbiamo
±
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
≤
∫
a
b
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle \pm \int _{a}^{b}f(x)dx\leq \int _{a}^{b}|f(x)|dx}
Dunque
|
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
|
=
max
{
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
,
−
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
}
≤
∫
a
b
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)dx\right|=\max \left\{\int _{a}^{b}f(x)dx,-\int _{a}^{b}f(x)dx\right\}\leq \int _{a}^{b}|f(x)|dx}
Teorema (fondamentale del calcolo integrale)
modifica
Sia
x
0
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x_{0}\in [a,b]}
e prendiamo un numero
h
≠
0
{\displaystyle h\neq 0}
tale che
x
o
+
h
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x_{o}+h\in [a,b]}
. Abbiamo che
I
f
(
x
0
+
h
)
−
I
f
(
x
0
)
=
∫
a
x
0
+
h
f
(
t
)
d
t
−
∫
a
x
0
f
(
t
)
d
t
=
∫
x
0
x
0
+
h
f
(
t
)
d
t
=
μ
(
h
)
h
{\displaystyle I_{f}(x_{0}+h)-I_{f}(x_{0})=\int _{a}^{x_{0}+h}f(t)dt-\int _{a}^{x_{0}}f(t)dt=\int _{x_{0}}^{x_{0}+h}f(t)dt=\mu (h)h}
ove
μ
(
h
)
=
1
h
∫
x
0
x
0
+
h
f
(
t
)
d
t
{\displaystyle \mu (h)={\frac {1}{h}}\int _{x_{0}}^{x_{0}+h}f(t)dt}
. Per il Teorema della media integrale abbiamo che
inf
[
x
0
,
x
0
+
h
]
f
≤
μ
(
h
)
≤
sup
[
x
0
,
x
0
+
h
]
f
{\displaystyle \inf _{[x_{0},x_{0}+h]}f\leq \mu (h)\leq \sup _{[x_{0},x_{0}+h]}f}
. Dunque
lim
h
→
0
(
I
f
(
x
0
+
h
)
−
I
f
(
x
0
)
)
=
0
{\displaystyle \lim _{h\to 0}(I_{f}(x_{0}+h)-I_{f}(x_{0}))=0}
Quindi
I
f
{\displaystyle I_{f}}
è continua.
2. Sia
x
0
{\displaystyle x_{0}}
un punto di continuità di
f
{\displaystyle f}
. Preso dunque un numero positivo
ε
{\displaystyle \varepsilon }
, esiste un altro numero positivo
δ
{\displaystyle \delta }
tale che
|
t
−
x
0
|
<
δ
,
∀
t
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle |t-x_{0}|<\delta ,\ \ \forall t\in [a,b]}
abbiamo
f
(
x
0
)
−
ε
<
f
(
t
)
<
f
(
x
0
)
+
ε
{\displaystyle f(x_{0})-\varepsilon <f(t)<f(x_{0})+\varepsilon }
dunque
Nota:
problema con la dimostrazione. chiedere al prof.
Corollario (integrabilità in ogni punto di un intervallo di funzioni continue)
modifica
Scomponiamo questo integrale come somma di più integrali. Abbiamo:
I
(
x
)
=
∫
x
0
x
f
(
t
)
d
t
=
∫
x
0
a
f
(
t
)
d
t
+
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
=
∫
a
x
0
f
(
t
)
d
t
+
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
{\displaystyle I(x)=\int _{x_{0}}^{x}f(t)dt=\int _{x_{0}}^{a}f(t)dt+\int _{a}^{x}f(t)dt=\int _{a}^{x_{0}}f(t)dt+\int _{a}^{x}f(t)dt}
Ora, notiamo che
∫
a
x
0
f
(
t
)
d
t
{\displaystyle \int _{a}^{x_{0}}f(t)dt}
è una costante reale nella funzione
I
{\displaystyle I}
, dunque poniamo
∫
a
x
0
f
(
t
)
d
t
=
c
{\displaystyle \int _{a}^{x_{0}}f(t)dt=c}
.
Adesso, abbiamo che
(
c
+
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
)
′
=
(
c
+
I
f
(
x
)
)
′
=
f
(
x
)
{\displaystyle \left(c+\int _{a}^{x}f(t)dt\right)'=\left(c+I_{f}(x)\right)'=f(x)}
.
◻
{\displaystyle \Box }
Sia
f
∈
C
1
(
[
a
,
b
]
,
R
)
{\displaystyle f\in {\mathcal {C}}^{1}([a,b],\mathbb {R} )}
, allora
∫
a
b
f
′
(
x
)
d
x
=
f
(
b
)
−
f
(
a
)
{\displaystyle \int _{a}^{b}f'(x)dx=f(b)-f(a)}
Innanzitutto, essendo
f
′
(
x
)
{\displaystyle f'(x)}
una funzione continua, essa è integrabile secondo Riemann in
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Inoltre
f
{\displaystyle f}
è una primitiva di
f
′
{\displaystyle f'}
, per la definizione di primitiva.
Per il precedente corollario
∫
a
b
f
′
(
x
)
d
x
=
[
f
(
x
)
]
a
b
=
f
(
b
)
−
f
(
a
)
{\displaystyle \int _{a}^{b}f'(x)dx=[f(x)]_{a}^{b}=f(b)-f(a)}
◻
{\displaystyle \Box }
Teorema (integrabilità delle funzioni dotate di primitiva)
modifica
Definiamo il concetto di primitiva di una funzione. Consideriamo una funzione
f
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle f:[a,b]\to \mathbb {R} }
. Una funzione
F
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle F:[a,b]\to \mathbb {R} }
derivabile in ogni punto del suo dominio e tale che
F
′
(
x
)
=
f
(
x
)
{\displaystyle F'(x)=f(x)}
si dice primitiva di
f
{\displaystyle f}
.
Per il precedente corollario, sappiamo ora una cosa molto importante: ogni funzione continua ha almeno una primitiva, cioè la sua funzione integrale!
Enunciamo ora il seguente, fondamentale, Teorema:
Per ipotesi
f
{\displaystyle f}
è integrabile, dunque per il Teorema di Riemann
∀
ε
>
0
∃
σ
∈
Ω
[
a
,
b
]
:
S
(
f
,
σ
)
−
s
(
f
,
σ
)
<
ε
{\displaystyle \forall \varepsilon >0\exists \sigma \in \Omega _{[a,b]}\ :\ S(f,\sigma )-s(f,\sigma )<\varepsilon }
. Ora, osserviamo che possiamo scrivere
F
(
b
)
−
F
(
a
)
{\displaystyle F(b)-F(a)}
in termine di scomposizioni, cioè
F
(
b
)
−
F
(
a
)
=
F
(
x
n
)
−
F
(
x
0
)
=
∑
i
=
1
n
(
F
(
x
i
)
−
F
(
x
i
−
1
)
)
{\displaystyle F(b)-F(a)=F(x_{n})-F(x_{0})=\sum _{i=1}^{n}(F(x_{i})-F(x_{i-1}))}
Per il Teorema del valor medio, sappiamo che esiste un
c
i
∈
]
x
i
−
1
,
x
i
[
:
F
(
x
i
)
−
F
(
x
i
−
1
)
=
F
′
(
c
i
)
(
x
i
−
x
i
−
1
)
{\displaystyle c_{i}\in ]x_{i-1},x_{i}[\ :\ F(x_{i})-F(x_{i-1})=F'(c_{i})(x_{i}-x_{i-1})}
cioè
f
(
c
i
)
(
x
i
−
x
i
−
1
)
{\displaystyle f(c_{i})(x_{i}-x_{i-1})}
perché
F
{\displaystyle F}
è una primitiva di
f
{\displaystyle f}
.
Mettendo insieme le due espressioni, otteniamo:
F
(
b
)
−
F
(
a
)
=
∑
i
=
1
n
f
(
c
i
)
(
x
i
−
x
i
−
1
)
≤
∑
i
=
1
n
sup
[
x
i
−
1
,
x
i
]
f
⋅
(
x
i
−
x
i
−
1
)
{\displaystyle F(b)-F(a)=\sum _{i=1}^{n}f(c_{i})(x_{i}-x_{i-1})\leq \sum _{i=1}^{n}\sup _{[x_{i-1},x_{i}]}f\cdot (x_{i}-x_{i-1})}
=
S
(
f
,
σ
)
<
s
(
f
,
σ
)
+
ε
≤
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
ε
{\displaystyle =S(f,\sigma )<s(f,\sigma )+\varepsilon \leq \int _{a}^{b}f(x)dx+\varepsilon }
F
(
b
)
−
F
(
a
)
=
∑
i
=
1
n
f
(
c
i
)
(
x
i
−
x
i
−
1
)
≥
∑
i
=
1
n
inf
[
x
i
−
1
,
x
i
]
f
⋅
(
x
i
−
x
i
−
1
)
{\displaystyle F(b)-F(a)=\sum _{i=1}^{n}f(c_{i})(x_{i}-x_{i-1})\geq \sum _{i=1}^{n}\inf _{[x_{i-1},x_{i}]}f\cdot (x_{i}-x_{i-1})}
=
s
(
f
,
σ
)
>
S
(
f
,
σ
)
−
ε
≥
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
−
ε
{\displaystyle =s(f,\sigma )>S(f,\sigma )-\varepsilon \geq \int _{a}^{b}f(x)dx-\varepsilon }
Dunque,
F
(
b
)
−
F
(
a
)
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
{\displaystyle F(b)-F(a)=\int _{a}^{b}f(x)dx}
◻
{\displaystyle \Box }
Prima di proseguire, è fondamentale tenere bene a mente che l'esistenza di una primitiva non è condizione necessaria per l'integrabilità e nemmeno sufficiente. Infatti esistono funzioni che non hanno primitiva ma sono integrabili, così come esistono funzioni che hanno primitiva ma non sono integrabili secondo Riemann.
Integrazione per sostituzione (o cambio di variabile)
modifica