Dicembre 2016 -VI settimana L. Seta 18 dicembre 2016 1 Integrazione 1.1 L’integrale indefinito L’integrale indefinito e l’antiderivazione (libro di testo par 6.1). • Primitiva di una funzione f (x). Ovvero F (x) è una primitiva di f (x) se F 0 (x) = f (x). • Tutte le primitive di una stessa funzione differiscono per una costante arbitraria. Ovvero se F (x) è una primitiva di f (x) allora tutte le altre primitive si possono scrivere come F (x) + C, con C una costante. • Integrale indefinito è la famiglia di tutte le primitive di una funzione data f (x), e si indica con il simbolo: Z f (x) dx. • Valgono le seguenti Z d f (x) dx = f (x); · dx Z · F 0 (x) dx = F (x) + C. • Funzione integranda e la funzione f (x), ovvero la funzione di cui si cerca la primitiva. • Variabile d’integrazione e la variabile che appare nel differenziale dx. • Alcuni integrali elementari. • Linearità. L’integrale definito gode della proprietà seguente, detta di linearità: Z Z (af (x) + bg(x)) dx = a 1 Z f (x) dx + b g(x) dx. 1.2 Integrale definito L’integrale definito ha a che fare con il calcolo dell’area determinata dal grafico di una funzione (libro di testo par. 6.2 e 6.3). Z b f (x) dx? • Cosa significa a b Z · Attenzione all’ordine degli estremi d’integrazione! Z f (x) dx = − a a f (x) dx b · Attenzione al segno della funzione integranda! Se f (x) < 0 e a < b allora b Z f (x) dx = −AREA a t Z • La funzione integrale F (t) = f (x) dx. a • La variazione della funzione integrale: Z • Integrale definito e primitiva: d F (t) = f (t). dt b f (x) dx = F (b) − F (a). a • Proprietà dell’integrale definito: Z a f (x) dx = 0; · Area nulla a b Z · Ordine degli estremi d’integrazione Z f (x) dx = − a b Z · Costante moltiplicativa · Composizione di aree f (x) dx; b Z b f (x) dx; αf (x) dx = α a a Z a b Z c f (x) dx = a Z f (x) dx + a b f (x) dx. c • Integrabilità delle funzioni continue • Integrale di Riemann 1.3 Applicazioni economiche Confrontare il libro di testo paragrafo 6.4. In particolare il par. 6.4.4 Surplus del consumatore e del produttore. 1.4 Principali tecniche di integrazione • Decomposizione in somma: Z Z Z f (x) + g(x) dx = f (x) dx + g(x) dx. Si usa in particolare, ma non solo, per i seguenti integrali (una volta applicate le formule che fanno passare dal prodotto alla somma, vedi sotto): 2 · R sin(λx) sin(µy) dx con λ e µ costanti; · R cos(λx) cos(µy) dx con λ e µ costanti; · R sin(λx) cos(µy) dx con λ e µ costanti; · R sinn (λx) cosm (µy) dx con λ e µ costanti ed n ed m non entrambi pari; • Integrazione per sostituzione. Alcuni integrali immediati: Z 1 f (x)α+1 + C con α 6= −1; · f (x)α f 0 (x) dx = α+1 Z 0 f (x) · dx = log |f (x)| + C; f (x) Z · ef (x) f 0 (x) dx = ef (x) + C; Z · cos f (x)f 0 (x) dx = sin f (x) + C; Z · sin f (x)f 0 (x) dx = − cos f (x) + C; Z f 0 (x) · dx = arctan f (x) + C; 1 + f (x)2 2 La prossima settimana La settimana sarà dedicata a completare lo studio dell’integrazione e all’introduzione delle funzioni di più variabili (in parentesi i paragrafi corrispondenti sul libro di testo). • Integrazione per parti (par. 6.5); • Integrazione funzione razionali; • Funzione di due variabili (8.1; 8.2; 8.3); • Problemi di ottimizzazione libera (10.1; 10.2; 10.3); • Ottimizzazione vincolata (11.1; 11.2). 3 Suggerimenti, consigli • Studiare gli esempi economici del libro. In particolare, paragrafo 6.4.4 ed esempio 6.12. • Ripetere le principali formule trigonometriche · Identità fondamentali sin2 x + cos2 x = 1 1 + tan2 x = sec2 x 1 + cot2 x = csc2 x 3 · Somma e differenza di angoli sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y sin(x − y) = sin x cos y − cos x sin y cos(x + y) = cos x cos y − sin x sin y cos(x − y) = cos x cos y + sin x sin y tan x + tan y tan(x + y) = 1 − tan x tan y tan x − tan y tan(x − y) = 1 + tan x tan y · Duplicazione sin(2x) = 2 sin x cos x cos(2x) = cos2 x − sin2 x = 2 cos2 x − 1 = 1 − 2 sin2 x 2 tan x tan(2x) = 1 − tan2 x · Dimezzamento r x 1 − cos x sin = ± 2 2 r x 1 + cos x cos = ± 2 2 x 1 − cos x tan = 2 sin x sin x = 1 + cos x · Riduzione delle potenze 1 − cos 2x 2 1 + cos 2x 2 cos x = 2 1 − cos 2x 2 tan x = 1 + cos 2x sin2 x = · Da prodotto a somma 4 sin x sin y = cos x cos y = sin x cos y = tan x tan y = tan x cot y = 1 cos(x − y) − cos(x + y) 2 1 cos(x − y) + cos(x + y) 2 1 sin(x + y) + sin(x − y) 2 tan x + tan y cot x + cot y tan x + cot y cot x + tan y · Da somma a prodotto sin x + sin y = 2 sin x + y sin x − sin y = 2 cos cos x + cos y cos x − cos y tan x + tan y tan x − tan y 2 x + y cos x − y 2 x − y sin 2 2 x + y x − y = 2 cos cos x2− y x2 + y sin = −2 sin 2 2 sin(x + y) = cos x cos y sin(x − y) = cos x cos y • Può essere utile conoscere le funzioni iperboliche (combinazioni di funzioni esponenziali) così definite: cosh x = ex + e−x , 2 tanh x = sinh x = ex − e−x 2 sinh x ex − e−x = x cosh x e + e−x • Ecco alcune formule utili: · cosh2 x − sinh2 x = 1; · sinh(x ± y) = sinh x cosh y ± cosh x sinh y; · cosh(x ± y) = cosh x cosh y ± sinh x sinh y; tanh x ± tanh y · tanh(x ± y) = ; 1 ± tanh x tanh y · sinh 2x = 2 sinh x cosh x; · cosh 2x = cosh2 x + sinh2 x; cosh 2x + 1 · cosh2 x = ; 2 5 · sinh2 x = cosh 2x − 1 . 2 • Funzioni iperboliche inverse Si introducono le funzione inverse delle funzioni iperboliche. La funzione inversa del sinh(x) si indica in vari modi: sinh−1 (x) oppure arcsinh (x), e ancora settsinh (x), detta settore seno iperbolico. In modo analogo per le altre funzioni iperboliche. Inoltre valgono le seguenti: √ · sinh−1 (x) = log x + x2 + 1 ; √ · cosh−1 (x) = log x + x2 − 1 ; 1 1+x −1 · tanh (x) = log ; 2 1−x • Le derivate di queste funzioni sono date da: · Dx (sinh x) = cosh x · Dx (cosh x) = sinh x 1 · Dx (tanh x) = cosh2 x 1 · Dx (sinh−1 x) = √ x2 + 1 1 · Dx (cosh−1 x) = √ se cosh−1 x > 0 2 x −1 −1 · Dx (cosh−1 x) = √ se cosh−1 x < 0 2 x −1 1 · Dx (tanh−1 x) = 1 − x2 • L’uso di queste funzioni risulta utile per la soluzione di alcuni integrali irrazionali: Z √ dx −1 2 √ · = sinh x + C = log x + x + 1 + C x2 + 1 Z √ dx √ · = cosh−1 x + C = log x + x2 − 1 + C x2 − 1 √ √ √ Z √ −1 2 + 1 + x x2 + 1 2+1 log x + x sinh x + x x · x2 + 1 dx = +C = +C 2 2 √ √ √ Z √ −1 2 − 1 + x x2 − 1 2−1 − log x + x − cosh x + x x · x2 − 1 dx = +C = +C 2 2 Z 1 + x dx 1 −1 +C · = tanh x + C = log 1 − x2 2 1 − x 6 4 Esercitiamoci Esercizio 1. Risolviamo i seguenti integrali indefiniti immediati (semplice sostituzione della variabile d’integrazione): √ Z Z 1 dx a) (2 + 5x)3 Z 1 c) dx x log(x) Z x3 e) dx 1 + x8 b) 1 + 2x dx Z log(x) dx x Z dx √ f) x (1 + x) d) Esercizio 2. Risolviamo i seguenti esercizi utilizzando la decomposizione in somme: e2x √ x dx e −1 Z √ 2 x − a2 d) dx x Z 3 x +x+1 f) dx x2 + 1 Z Z dx √ √ a) x+1+ x−1 Z 1 c) dx 1 + e2x Z e) 4x4 + 3x2 + 5x dx b) Esercizio 3. Risolviamo i seguenti integrali indefiniti utilizzando la trasformazione trigonometriche: Z Z a) sin(2x) cos(x) dx b) sin2 (x) cos3 (x) dx Z Z 1 dx c) cos(x) sin(3x) dx d) tan2 (x) Esercizio 4. Provare a risolvere i seguenti integrali indefiniti utilizzando la sostituzione x = sin(t) e dx = cos(t) dt: a) Z √ Z 1− x2 dx b) √ 1 dx 1 − x2 Esercizio 5. Risolviamo i seguenti integrali indefiniti: Z a) Z 1 √ dx 4 2x + 1 b) Z cos(ax) dx c) Z e) Z d) 2 3xex dx 1 dx 1 + cos(x + a) Z 1 dx 2 3x + 2 f) 7 sin(3x) sin(2x) dx Esercizio 6. Data la funzione definita nell’intervallo [0, 1] da: ( 0, se x ∈ (0, 1] f (x) = 5, se x = 0 Verifica che f (x) la funzione ha integrale nullo in [0, 1]. Esercizio 7. Calcoliamo l’integrale: Z 2π sin2 x dx. 0 Esercizio 8. Considerato il risultato dell’esercizio precedente, e ricordando il significato geometrico dell’integrale definito verifichiamo che: Z 2π Z 2 sin x dx = 0 0 8 2π cos2 x dx = π.