Gli integrali indefiniti
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Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Gli integrali indefiniti PREMESSA Il problema del calcolo dell’area del “sotto-grafico” di f(x) Un problema importante, anche per le applicazioni in fisica, è quello del calcolo dell’area “sotto” al grafico di una funzione f(x) definita e continua in a, b cioè tra l’asse x, il G f e le rette x a e x b. Se la funzione è una retta di equazione y mx q , il calcolo si riduce a quello dell’area di un trapezio rettangolo, ma in generale come si può calcolare l’area A? Si dimostra che questo problema è strettamente legato alla determinazione di una funzione la cui derivata sia uguale a f(x). Diventa quindi importante, per il calcolo dell’area A, saper determinare una funzione chiamata “primitiva” di f(x) cioè una funzione F(x) tale che F ' ( x) f ( x) . Cominceremo quindi trattando questo problema. 175 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - FUNZIONI PRIMITIVE DI UNA FUNZIONE Definizione F(x) si dice “ primitiva” di f(x) se F ' ( x ) f ( x ) Esempio Quali sono le funzioni primitive di f ( x ) cos x ? Ricordando che D ( senx ) cos x avrò che F ( x ) senx ma anche y senx c (con c R ) risulta funzione primitiva di f ( x ) cos x poiché D ( senx c) cos x . Abbiamo infatti il seguente teorema: Teorema: se F(x) è una primitiva di f(x) anche F(x) + c (c R ) è una primitiva di f(x) ed ogni primitiva di f(x) è del tipo F(x) + c. Dimostrazione Poiché D ( F ( x ) c ) F ' ( x ) f ( x ) anche F ( x ) c è primitiva di f(x). Inoltre se G(x) è una primitiva di f(x) si ha: D (G ( x ) F ( x )) G ' ( x ) F ' ( x ) f ( x ) f ( x ) 0 G ( x) F ( x) c G ( x) F ( x) c Definizione: l’insieme delle primitive di f(x) viene indicato con il simbolo f ( x)dx che si legge integrale indefinito di f(x) in dx. Quindi se F(x) è una primitiva di f(x) f ( x)dx F ( x) c con c R f(x) prende il nome di funzione integranda. 176 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - L’integrazione indefinita può essere considerata l’operazione inversa della differenziazione poiché d f ( x) dx d F ( x) c F ' ( x) dx f ( x) dx E’ chiaro inoltre che D f ( x)dx D( F ( x) c) F ' ( x) f ( x) Proprietà dell’integrale indefinito 1. k f ( x) dx k f ( x) dx Dimostrazione Se F(x) è una primitiva di f(x) allora k F (x ) è primitiva di k f (x) poiché D ( k F ( x )) k f ( x ) Esempio: 2 cos xdx 2 cos xdx 2senx c 2. o anche 2 senx c f ( x) g ( x) dx f ( x)dx g ( x)dx Dimostrazione Se F(x) e G(x) sono primitive rispettivamente di f(x) e di g(x),allora D F ( x ) G ( x ) f ( x ) g ( x ) e quindi F(x) + G(x) è una primitiva di f(x)+g(x). Esempio: x cos x dx x dx cos x dx 2 x 1 2 177 senx c Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - INTEGRALI INDEFINITI IMMEDIATI 1) x 2) x 3) senx dx 1 cos x 2 dx tgx c sen x 1 1 x x x 3) cos 3 1 x0 x D (ln x ) 1 x0 1 x 0 x x0 4) x4 c 4 dx 3 1 2 1 x 2e x 1 dx 3 ln x c x cos x dx tgx senx c x 4 2 dx 4 dx arctgx c (caso particolare per a e ) Esempi 2) 2 dx cot gx c (ricorda che Da x a x ln a ) ln x ln x ln( x ) 3 x dx x 1 ax c ln a 1) 2 1 x dx e x c (*) NOTA dx senx c 1 dx arcsenx c 2 x a dx e 1 dx cos x c 1 con dx ln x c (*) cos 4) 1 1 x c 1 dx 1 x2 4arcsenx c dx 2 e x dx 2e x c 178 1 xdx ln x c Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - INTEGRAZIONI BASATE SULLA REGOLA DI DERIVAZIONE DI UNA FUNZIONE COMPOSTA Ricordando la regola di derivazione di una funzione composta, abbiamo: 1) f ( x ) f ' ( x ) dx Esempio 1: 1 f 1 ( x ) c 1 1 sen 3 x sen x cos x dx 3 c 2 sen 3 x 1 3sen 2 x cos x sen 2 x cos x Infatti se deriviamo D 3 3 Esempio 2: x 2 3 1 x dx f Cerchiamo di riportarci al caso ( x) f ' ( x) dx osserviamo che D x 2 1 2 x , mentre nella nostra funzione integranda abbiamo solo x. Per ottenere f’(x) moltiplichiamo e dividiamo per 2: 4 3 1 1 x2 1 x 1 x dx x 2 1 2 x dx c 2 2 4 Esempio 3: 2 ln x Esempio 4: 2 3 1 ln 3 x dx c x 3 x 1 dx x 1 x 1 2 e che D x 1 1 , quindi 1 Osserviamo che 1 x 2 dx x 1 dx 3 x 1 1 2 3 2 c 2 x 1 1 x c 3 NOTA Un caso significativo è : f ' x 1 dx c 2 f ( x) ( x) f 179 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - 2) f ' ( x) dx ln f ( x ) c f ( x) 2x 1 dx 2 x x Esempio 1: Se ci accorgiamo che D x 2 x 2 x 1 , abbiamo subito: 2x 1 D ( x 2 x) 2 dx x 2 x dx ln x x c x2 x senx cos x Esempio 2: dx In questo caso D cos x senx mentre noi abbiamo senx possiamo. Possiamo “aggiustare” le cose così: senx cos x dx senx dx cos x D (cos x) dx ln cos x c cos x 3) senf ( x) f ' ( x) a) sen 2 x Esempio: dx cos f ( x ) c dx Se f x 2 x allora D f x 2 . Possiamo “aggiustare” le cose: sen2 x dx 2 sen2 x 2 1 b) cos f ( x) f ' ( x) dx sen f ( x) c cos 2 x 4 dx . Esempio: 1 dx cos 2 x c 2 1 1 cos 2 x 4 dx 2 2 cos 2 x 4 dx 2 sen 2 x 4 c 180 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - f ' ( x) dx tg f ( x) c 2 f ( x) cos c) Esempio: d) 2 3x dx tg 3 x c f ' ( x) dx cot g f ( x) c 2 f ( x) sen Esempio: e) 3 cos x2 1 3x 2 1 dx dx cot gx 3 c 2 3 sen 2 x 3 3 sen x 3 f ' ( x) 1 f 2 ( x) Esempio: x 1 x 4 dx arcsen f ( x ) c dx 1 2x 1 dx arcsenx 2 c 4 2 1 x 2 f) f ' ( x) dx arctg f ( x) c 2 ( x) 1 f 1 1 1 1 1 1 1 x 3 Esempio: dx dx dx 3 arctg c 2 2 2 2 9 9 3 9 x x 3 x x 91 1 1 9 3 3 a f ( x) f ' ( x) dx 4) e f ( x) a f ( x) c ln a f ' ( x ) dx e f ( x ) c Esempio 1: xe Esempio 2: cos x 3 x 2 1 dx senx 2 1 1 2 2 x e x 1 dx e x 1 c notando che D x 2 1 2 x 2 2 3 senx dx c ln 3 181 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Esercizi su integrazioni immediate 1) senx cos x 2) senx cos 3) 1 x dx 4) 5) 6) tgx 7) cot gx 8) 2 x 1 dx 9) x ln x dx 10) ex 2e x 5 dx 11) cos 3x 12) cos 4 x 3 dx 13) sen 3 x dx 14) x 15) 16) 4 dx x dx 4 2 x 1 dx x 1 x2 dx dx dx 1 1 dx 1 2 e x dx 3 2 x e x x 2 dx 1 dx 4 182 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Soluzioni degli esercizi 1) sen 2 x c 2 2) 3) cos 5 x c 5 1 x 5 5 c 4) 1 2 x 1 2 x 1 c 3 5) 1 x2 c 6) ln cos x c 7) ln senx c 8) 1 ln 2 x 1 c 2 9) ln ln x c 10) 1 ln 2 e x 5 c 2 11) 1 sen3 x c 3 12) 1 sen 4 x c 4 3 13) cot g 3 x c 14) 1 x3 e c 3 15) 2e 16) 1 x arctg c 2 2 x c 183 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - INTEGRAZIONE MEDIANTE SEMPLICI TRASFORMAZIONI DELLA FUNZIONE INTEGRANDA 1) 1 x 1 x 2 dx In questo caso conviene semplicemente “separare” i termini al numeratore: 1 x 1 x 2) sen 2 2 x 1 dx 2 1 x2 1 x 3) cos 2 2 1 cos 2 x , quindi: 2 1 1 1 1 1 cos 2 x x dx dx dx cos 2 x dx x sen 2 x c 2 2 2 2 4 x dx Analogamente al precedente ricordando che cos 2 x 4) sen 3 1 cos 2 x 2 x dx 3 2 sen x dx senx dx senx cos x dx cos x cos 3 x c 3 Possiamo 5) cos 3 x dx Ricordiamo che sen 2 x sen 1 x 1 dx dx arctgx ln 1 x 2 c dx 2 2 2 1 x 1 x scrivere: sen 3 x senx sen 2 x senx 1 cos 2 x senx senx cos 2 x quindi x dx Possiamo scrivere cos 3 x cos x cos 2 x cos x 1 sen 2 x cos x cos x sen 2 x e si procede come nel caso precedente. 184 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - 6) 1 senx cos x dx In questo caso conviene sostituire 1 sen 2 x cos 2 x e poi separare i due termini: 1 sen 2 x cos 2 x sen 2 x cos 2 x senx cos x dx dx dx senx cos x senx cos x senx cos x senx cos x dx cos x dx senx dx ln cos x ln senx c 7) tg 2 x dx 2 tg x dx 8) sen 2 x 1 cos 2 x 1 dx dx dx dx tgx x c 2 2 cos x cos x cos 2 x 1 senx dx x x x Se poniamo senx sen 2 2 sen cos e ritroviamo un integrale simile al n°6: 2 2 2 1 senx dx 1 2 1 1 1 1 dx dx x x x x 2 2 2 sen cos sen cos 2 2 2 2 x x x cos 2 sen 1 2 2 dx 2 dx x x x 2 sen cos cos 2 2 2 sen 2 x 1 x 1 x sen cos 2 dx 2 2 dx 2 2 dx ln cos x ln sen x c x x x 2 2 sen cos sen 2 2 2 cos 185 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - INTEGRAZIONE DELLE FUNZIONI RAZIONALI FRATTE Consideriamo una funzione razionale fratta f ( x) N ( x) con grado di D(x) 2 . D( x) Distinguiamo due casi: a) Se il grado del numeratore N(x) è maggiore o uguale al grado del denominatore D(x) si esegue la divisione. Esempio: x2 1 x 3 dx Quindi x 2 1 x 3x 3 10 = e sostituendo = x 3x 3 10 dx x 3 dx 10 dx x 3 10 log x 3 c x2 1 x 3 dx x3 x3 2 2 b) Se grado di N(x) < grado di D(x) Se il grado di D(x) è 1, allora il grado di N(x) sarà 0 (quindi N(x) = costante) e l’integrale si risolve facilmente. Esempio: 10 1 x 3dx 10 x 3 dx 10 ln x 3 c Se il grado di D(x) è 2, allora D(x) = ax 2 bx c e distinguiamo tre casi a seconda che il discriminante dell’equazione ax 2 bx c 0 ( ) sia positivo, nullo o negativo. 186 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - 0 CASO 1: In questo caso ci si riconduce a Esempio: x f ' x dx ln f ( x) c f ( x) 2x 7 dx x2 2 Considerando il denominatore si ha che x 2 x 2 x 2x 1 : cerchiamo due costanti, che chiameremo A e B, in modo che si abbia: 2x 7 A B x x 2 x 1 x 2 2 Basta sviluppare al secondo membro dell’uguaglianza e porre, per il principio di identità dei polinomi, l’uguaglianza tra i coefficienti del numeratore: 2x 7 Ax 2 Bx 1 x 1x 2 x x2 2 A B x 2 A B 2x 7 x 1 x 2 x x2 2 Uguagliando i coefficienti si ha il sistema: A B 2 2 A B 7 Perciò: 2x 7 3 1 x x 2 x 1 x 2 2 x A 3 B 1 e quindi: 2x 7 3 1 dx dx dx 3 ln x 1 ln x 2 c x 1 x2 x2 2 Attenzione Se nel polinomio al denominatore a 1 occorre ricordare che ax 2 bx c ax x1 x x 2 . Esempio: 2x 2 1 dx 5x 3 1 2 x 2 5 x 3 0 ammette come radici x1 3; x 2 , perciò la sua scomposizione sarà: 2 1 A B 1 2x 1 2 x 2 5 x 3 2 x 3 x 2 x 3 x 32 x 1 , da cui 2 2 2 x 5x 3 x 3 2 x 1 2 e, procedendo come nell’esempio precedente, si giunge alla soluzione. 187 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - CASO 2: 0 In questo caso il polinomio al denominatore è un quadrato pertanto ci si riconduce a f ' x 1 dx c 2 f ( x) ( x) f Esempio 1: 4x 2 dx 4x 1 4 x 2 4 x 1 è il quadrato di 2 x 1 perciò l’integrale assegnato può essere scritto come: dx 2 x 1 Esempio 2: 9x 2 2 1 2 1 1 dx c 2 2 2 x 1 2 2 x 1 x5 dx 6x 1 Prima di “spezzare” il numeratore dobbiamo vedere quello che può essere utile affinché il numeratore possa essere riportato ad essere la derivata del denominatore. 1 D(9 x 2 6 x 1) 18 x 6 18 x 3 1 1 1 16 Quindi possiamo scrivere x 5 x 5 x 3 3 3 3 1 16 1 1 16 1 2 3 9 x 2 6 x 1 dx 3 9 x 2 6 x 1 dx 18 ln 9 x 6 x 1 9 (3x 1) c x NOTA: La prima parte della risoluzione può anche essere scritta come 1 1 1 2 ln 3 x 1 2 ln 3 x 1 ln 3 x 1 18 18 9 188 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - 0 CASO 3: In questo caso il polinomio al denominatore non si può scomporre. Esempio 1: x 2 dx 4x 6 Proviamo a fare in modo che il denominatore sia un quadrato “completandolo”, in modo da poter f ' ( x) applicare 1 f 2 ( x) dx arctg f ( x) c x 2 4 x 6 x 2 4 x 4 2 x 2 2 , quindi: 2 x 2 dx dx 4x 6 x 2 2 2 Ora è necessario far diventare 1 il termine noto al denominatore in modo da poter applicare l’integrale dell’arcotangente: 1 dx x 2 2 2 Esempio 2: dx x 2 2 2 1 2 x 2 1 1 2 2 dx arctg c 2 x 2 2 2 2 1 2 3x 1 dx 2 4 x Anche in questo caso, prima di “spezzare” il numeratore, vediamo cosa occorre facendo la derivata del denominatore: D( x 2 4) 2 x Quindi basta spezzare senza fare ulteriori passaggi: x 3x dx 3 2x dx 3 dx dx 2 2 dx ln x 2 4 2 4 x 4 2 x 4 x 2 x 2 4 1 4 1 4 2 2 1 2 3 1 3 1 x ln x 2 4 2 dx ln x 2 4 arctg c 2 2 4 2 2 x 2 1 2 189 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Esercizi su integrazioni di funzioni razionali fratte dx 4 1) x 2 2) x 2 3) 9x 4) x 2 5) x 2 6) x 2 7) x 2 8) x 2 dx 3x 2 dx 25 2 2 dx 3 dx 8 x 16 x 1 dx 2x 1 dx 2x 3 x dx x2 190 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Soluzioni degli esercizi 1) 1 1 1 x2 ln x 2 ln x 2 c ln c 4 4 4 x2 2) ln x 1 ln x 2 c ln 3) 1 1 1 3x 5 ln 3 x 5 ln 3 x 5 c ln c 30 30 30 3 x 5 4) 1 3 ln x 3 x 3 x2 c x 1 c 1 c x4 5) 6) 1 2 2 ln x 2 2 x 1 c ln x 1 c 2 x 1 x 1 7) 8) x 1 arctg c 2 2 1 2x 1 1 1 ln x 2 x 2 arctg c 2 7 7 191 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - INTEGRAZIONE PER SOSTITUZIONE Esempio 1: dx x x L’integrale non è immediato e, per cercare di renderlo tale, poniamo t x . t x x t 2 dx 2 t dt dx x x 1 t 1 dt 2t dt 2 dt 2 dt 2 2 ln t 1 c t t 1 t 1 t 1 t t 2 Tornando alla variabile x (essendo t x ) abbiamo: 2 ln x 1 c Esempio 2: 1 senx dx Nota Per risolvere integrali in cui compaiono funzioni goniometriche, può essere utile ricordare che senx 1 t2 2t cos x 1 t2 1 t2 dove x t tg 2 x Considerando quindi la sostituzione t tg si ha: 2 x 2 arctgt x 2arctgt dx dt 2 1 t2 Sostituendo: 1 senx dx 1 1 1 x 2 dt dt ln t c ln tg c 2 2t t 2 1 t 2 t 1 Osservazione: eravamo già pervenuti a questo risultato con calcoli più complessi nell’esempio 8 degli integrali in cui si utilizzano delle scomposizioni. 192 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Esempio 3: a 2 x 2 dx x a sent In questo caso poniamo da cui dx a cos t dt e sostituendo: a 2 x 2 dx a 2 a sent a cos t dt a 2 1 sen 2 t a cos t dt a 2 cos 2 t dt a2 2 1 cos 2t a2 dt 2 2 a 1 cos 2t dt 2 t 2 a2 sen2t c 4 Dalle formule goniometriche: a 2t a 2 a 2t a 2 sen2t c 2 sent cos t c 2 4 2 4 Visto che x a sent , si ha sent x x vale a dire t arcsen da cui, sostituendo nella a a soluzione dell’integrale: 2 2 a2 a 2t a 2 a2 x x 2 x a x x arcsen a x2 c 2 sent cos t c arcsen 1 c 2 a 2 2 4 2 a 2 a a Per esempio se abbiamo 4 x 2 dx poniamo x 2 sent da cui dx 2 cos t dt e, seguendo i passaggi precedenti, si ha: 41 sen t 2 cos tdt 4 cos 2 2 1 cos 2t tdt 4 dt 2t sen 2t c 2 x x 2arcsen 4 x2 c 2 2 193 Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - INTEGRAZIONE PER PARTI Ricordando la regola di derivazione del prodotto: D f ( x) g ( x) f ' ( x) g ( x) f ( x) g ' ( x) f ' ( x) g x D f ( x) g ( x) f ( x) g ' ( x) f ' ( x) g x dx f x g x f ( x) g ' ( x)dx ed integrando: che viene detta regola di “integrazione per parti” in cui f’(x) prende il nome di fattore derivato e g(x) è detto fattore finito. Esempio 1: x cos xdx Possiamo considerare cosx come fattore derivato cioè cos x D ( senx) : x Dsenx dx xsenx 1 senx dx xsenx cos x c x2 NOTA: se avessimo scelto come fattore derivato x ( x D 2 situazione senza risolvere l’integrale. Esempio 2: x senx ), avremmo solo complicato la dx x senx dx x D cos x dx x cos x cos xdx x cos x senx c Esempio 3: xe x xe x dx dx x D e x dx xe x e x dx xe x e x c Esempio 4: x ln xdx x2 x ln xdx D 2 Esempio 5: x2 x2 1 x2 x x2 x2 ln x dx ln x dx ln x dx ln x c 2 2 x 2 2 2 4 arctgxdx In casi come questo, possiamo sempre pensare che la funzione sia moltiplicata per un fattore 1 =D(x) e quindi 1 arctgxdx D x arctgx dx xarctgx 194 x 1 dx xarctgx ln 1 x 2 c 2 2 1 x Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Esercizi di ricapitolazione sugli integrali indefiniti dx 1) 2) dx x 2 5x 6 3) 1 4x 2 arcsenx 3 dx 6) x e dx 7) x x 1 dx 2 5 dx 8) cos x ln 2 xdx 10) e x senx dx 11) ln x dx 12) 15) 17) x 2 18) x 19) cos x 1 dx 1 dx 9 2 dx 10 x 25 1 x 21) 22) 23) x 24) senx 1 25) x 2 26) x cos x senx cos x senx dx 1 4x 4 dx x 1 dx x 1 dx 2 4 dx dx 2 x3 dx 2 9 27) xarctgx dx 13) cos x sen 2 x dx 14) 2 20) x 2 e x dx dx 5) 2 4x 9 9) x 1 x2 dx 4) 2 x 1 x 1 dx 25 16) 28) x 29) 30) 1 x 2 dx x2 x 3 1 dx 195 dx 9 2 2x 3 dx x5 5 x 2 dx Progetto Matematica in Rete - Integrali indefiniti - Soluzioni degli esercizi 1) 1 arcsen 2 x c 2 2) ln x 2 ln x 3 c 3) 1 arcsenx 4 c 4 4) 1 x 1 ln c 2 x 1 5) 1 2x arctg c 6 3 6) 2e 7) x 1 c x5 x 2 c 8) ln x 1 tg 2 1 tg 10) 1 x arctg c 3 3 20) e x x 2 2 x 2 c 2 17) x 19) tg c 2 x 1 1 ln x 2 5 arctg c 2 5 5 9) x ln 3 2 ln x 5 ln x 5 c 5 5 18) x 1 c 16) 21) 1 arcsen (2 x 2 ) c 4 22) 2 x 1 1 x c 3 23) 1 1 x ln x 2 4 arctg c 2 2 2 24) 2 c x 1 tg 2 25) 1 c x2 x 2 x ln x 2 x c 1 x e senx cos x c 2 11) x ln x x c 26) 12) ln cos x senx c 1 x ln x 2 9 arctg c 2 3 x2 1 1 27) arctgx x arctgx c 2 2 2 2 13) cos 3 x c 3 1 1 ln x 3 ln x 3 c 6 6 14) 1 1 arcsenx x 1 x 2 c 2 2 28) 15) 1 ln x 3 1 c 3 29) 2 x 7 ln x 5 c 30) 196 x x 5 arcsen 5 x2 c 2 5 2