Note di Matematica Generale
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- Gregorio Conti
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1 This is pg i Printr: Opqu this Not di Mtmtic Gnrl Robrto Mont Dcmbr 13, 2005
2 ii ABSTRACT Ths nots r still work in progrss nd r intndd to b for intrnl us. Pls, don t cit or quot.
3 Contnts This is pg iii Printr: Opqu this 1 Elmnti di tori dll intgrzion v 1.1 Intgrli Dfiniti v Proprità dll intgrl dfinito risptto gli strmi di intgrzion viii Proprità dll intgrl dfinito risptto ll funzion intgrnd ix 1.2 Intgrli Indfiniti x Proprità dll intgrl indfinito x 1.3 Rlzion tr intgrzion dfinit d indfinit xi 1.4 Tcnich di Intgrzion indfinit xii Funzioni immditmnt intgrbili xii Intgrzion pr dcomposizion in somm..... xii Intgrzion pr prti xii Intgrzion pr sostituzion xiv
4 iv Contnts
5 1 Elmnti di tori dll intgrzion This is pg v Printr: Opqu this 1.1 Intgrli Dfiniti Si [, b] un intrvllo chiuso limitto di R. Dfinizion 1 Chimimo prtizion di [, b] ogni insim finito P {x 0, x 1,..., x n 1, x n } di punti di [, b] tli ch = x 0 < x 1 < < x n 1 < x n = b. Chimimo mpizz dll prtizion P il nomro rl positivo δ(p ) mx{x k x k 1, k = 1,..., n}. Esmpio 2 Comunqu fissto n N ponimo x k k/n pr ogni k = 0, 1,..., n, llor l insim P {x 0, x 1,..., x n 1, x n } è un chirmnt un prtizion dll intrvllo [0, 1] pr l qul si h δ(p ) = 1/n. Si f : [, b] R un fuzion rl limitt dfinit in [, b]. Dfinizion 3 Dt un prtizion P {x 0, x 1,..., x n 1, x n } di [, b] ponimo l k inf{f(x), x [x k 1, x k ]} d l k sup{f(x), x [x k 1, x k ]} pr ogni k = 0, 1,..., n Chimimo llor somm infrior [risp. somm suprior] rltiv ll funzion f d ll prtizion P il numro rl df s P ) = l k (x k x k 1 ) [risp. s(f, P ) (f, df = l k (x k x k 1 )]. Ossrvzion 4 Posto l inf{f(x), x [, b]} d l sup{f(x), x [, b]} pr ogni prtizion P di [, b] risult chirmnt l(b ) s (f, P ) s(f, P ) l(b ).
6 vi 1. Elmnti di tori dll intgrzion Si P l fmigli di tutt l possibili prtizioni di [, b]. Ossrvzion 5 L insim dll somm infriori {s (f, P ), P P} è non vuoto supriormnt limitto l insim dll somm supriori { s(f, P ), P P} è non vuoto d infriormnt limitto. Dfinizion 6 Chimimo intgrl infrior di f in [, b], lo dnotimo con il simbolo f(x) dx,il numro rl f(x) dx = sup{s (f, P ), P P}. Chimimo intgrl suprior di f in [, b], lo dnotimo con il simbolo f(x) dx,il numro rl f(x) dx = inf{ s(f, P ), P P}. Dicimo ch f è intgrbil scondo Rimnn in [, b] s risult f(x) dx = f(x) dx. In qusto cso chimimo tl numro rl intgrl (scondo Rimnn) di f in [, b] lo dnotimo con il simbolo f(x) dx. Esmpio 7 Si f : [0, 1] R l funzion dfinit ponndo { f(x) df 1 s x [0, 1] Q = 0 s x [0, 1] Q. Tl funzion non è intgrbil scondo Rimnn in [0, 1]. Discussion. Inftti, comunqu considrt l prtizion P {x 0, x 1,..., x n 1, x n } di [, b] risult chirmnt pr ogni k = 1,..., n l k inf{f(x), x [x k 1, x k ]} = 0, l k sup{f(x), x [x k 1, x k ]} = 1. Prtnto s(f, P ) df = df s P ) = (f, l k (x k x k 1 ) = 0, l k (x k x k 1 ) = (x k x k 1 ) = x n x 0 = 1.
7 1.1 Intgrli Dfiniti vii N sgu llor ch {s (f, P ), P P} = {0}, { s(f, P ), P P} = {1}. Prtnto f(x) dx = sup{s (f, P ), P P} = 0, f(x) dx = inf{ s(f, P ), P P} = 1. A norm di dfinizion f non è intgrbil in [0, 1]. Si f : [0, 1] R l funzion dfinit ponndo f(x) df = x. Tl funzion è intgrbil scondo Rimnn in [0, 1] risult f(x) dx = 1 2. Discussion. Fissto n N considrimo l prtizion P {x 0, x 1,..., x n 1, x n } di [0, 1] dfinit ponndo x k k/n pr ogni k = 0, 1,..., n. Pr com dfinit l funzion f, rltivmnt tl prtizion si h pr ogni k = 1,..., n l k inf{f(x), x [x k 1, x k ]} = x k 1 = k 1 n l k sup{f(x), x [x k 1, x k ]} = x k = k n. Prtnto df s P ) = (f, l k (x k x k 1 ) = s(f, P ) df = l k (x k x k 1 ) = D ltr prt, è bn noto ch k = k 1 n 1 n = 1 n 2 k 1 n n = 1 n 2 n(n + 1), 2 (k 1), k.
8 viii 1. Elmnti di tori dll intgrzion di consgunz (k 1) = Ottnimo llor D ciò sgu ossi s (f, P ) = 1 n 2 k n = n(n + 1) 2 n = (k 1) = 1 n(n 1) n 2 2 s(f, P ) = 1 n 2 n 2 n 2n 2 n k = 1 n 2 n(n + 1) 2 (n 1)n. 2 = n2 n 2n 2, = n2 + n 2n 2. f(x) dx = sup{s (f, P ), P P} n2 n 2n 2, f(x) dx = inf{ s(f, P ), P P} n2 + n 2n 2. f(x) dx Dt l rbitrrità di n N fissto dto ch f(x) dx n2 + n 2n 2. sup{ n2 n n 2 n 2n 2, n N} = lim n 2n 2 = 1 2, inf{ n2 + n n 2 + n 2n 2, n N} = lim n 2n 2 = 1 2, possimo llor conlcudr ch f(x) dx = f(x) dx = 1 2. Ossi f è intgrbil scondo Rimnn in [0, 1] f(x) dx = 1 2. Funzioni intgrbili Proprità dll intgrl dfinito risptto gli strmi di intgrzion Si f : [, b] R un fuzion rl limitt dfinit Rimnn-intgrbil sull intrvllo chiuso limitto [, b] R.
9 1.1 Intgrli Dfiniti ix Thorm 8 Si h f(x) dx = b f(x) dx Thorm 9 Comunqu fissto un punto c [, b] si h f(x) dx = c f(x) dx + c c c f(x) dx = 0. f(x) dx Proprità dll intgrl dfinito risptto ll funzion intgrnd Sino f : [, b] R g : [, b] R du funzioni rli dfinit Rimnnintgrbili sull intrvllo chiuso limitto [, b] R. Thorm 10 (Linrità dll Intgrl Dfinito) Pr tutti gli α, β R si h (αf(x) + βg(x)) dx = α f(x) dx + β g(x) dx. Thorm 11 (Monotoni dll Intgrl Dfinito) Supponimo ch si bbi f(x) g(x) pr ogni x [, b]. Risult llor Corollry 12 Si h f(x) dx f(x) dx g(x) dx. f(x) dx. Si f : [, b] R un fuzion rl limitt dfinit sull intrvllo chiuso limitto [, b] R. Thorm 13 (Torm dll Mdi Intgrl) Supponimo ch f : [, b] R si continu. Allor sist un punto x 0 [, b] tl ch f(x) dx = f(x 0 )(b ).
10 x 1. Elmnti di tori dll intgrzion Prov. Poichè l funzion f : [, b] R è continu d è dfinit su un intrvllo chiuso limitto, sistono m min {f(x)} M min {f(x)} x [,b] x [,b] pr i quli si h m f(x) M pr ogni x [, b]. Pr il l proprità di monotoni dll intgrl dfinito, si h lllor ossi m dx m(b ) di modo ch possimo scrivr m 1 (b ) f(x) dx M dx, f(x) dx M(b ), f(x) dx M. Infin, ricordndo ch un funzion continu ssum tutti i vlori comprsi tr il suo minimo d il suo mssimo, è possibil dtrminr un punto x 0 [, b] tl ch f(x 0 ) = Ciò complt l prov dl torm. 1 (b ) f(x) dx. 1.2 Intgrli Indfiniti Dfinizion di intgrl indfinito Proprità dll intgrl indfinito Sino f : [, b] R g : [, b] R du funzioni rli dfinit continu sull intrvllo chiuso limitto [, b] R. Thorm 14 (Linrità dll intgrl indfinito) Pr tutti gli α, β R si h (αf(x) + βg(x)) dx = α f(x) dx + β g(x) dx.
11 1.3 Rlzion tr intgrzion dfinit d indfinit xi 1.3 Rlzion tr intgrzion dfinit d indfinit Si f : [, b] R un funzion rl limitt dfinit sull intrvllo chiuso limitto [, b] R. Thorm 15 (Torm Fondmntl dl Clcolo Intgrl) Supponimo ch f : [, b] R si continu. Allor l funzion F 0 : [, b] R dt d F 0 (x) df = x f(u) du, x [, b], è drivbil pr ogni x [, b] si h d dx F 0(x) = f(x). In ltri trmini, l funzion f : [, b] R mmtt primitiv, pr ogni primitiv F : [, b] R si h f(u) du = F (b) F (). Prov. Pr provr l ssrto considrimo il rpporto incrmntl dll funzion F 0 : [, b] R rltivo d un gnrico punto x (, b) d un incrmnto h > 0. Pr l proprità dll intgrl dfinito, si h F 0 (x + h) F 0 (x) h = = = 1 h x+h x+h x+h x f(u) du x f(u) du h f(u) du + f(u) du x h f(u) du. D ltr prt, pr il Torm dll Mdi Intgrl, risult x+h x f(u) du = f(x h )h pr un opportuno punto x h [x, x + h]. Si h llor di consgunz F 0 (x + h) F 0 (x) h = 1 h f(x h)h = f(x h ), F 0 (x + h) F 0 (x) lim = lim f(x h ). h 0 h h 0
12 xii 1. Elmnti di tori dll intgrzion E poi chiro ch qundo h 0 si ottin ch x + h x poichè x h [x, x+h] si ottin nch x h x. M llor pr l continutà dll funzion f : [, b] R risult lim h 0 f(x h) = f(x). Ciò prov ch l funzion F 0 : [, b] R è drivbil ch pr x [, b] si h d dx F 0(x) = f(x). Pr provr l scond prt dll ssrto ossrvimo ch considrt un qulsisi primitiv F : [, b] R dll funzion f : [, b] R pr un opportun costnt c R dv vrsi F (x) = F 0 (x) + c pr ogni x [, b]. N sgu llor ch F (b) F () = F 0 (b) F 0 () = In qunto pr costruzion risult F 0 (b) = f(x) dx F 0 () = Il Torm è così compltmnt provto. f(x) dx f(x) dx = Tcnich di Intgrzion indfinit Funzioni immditmnt intgrbili Intgrzion pr dcomposizion in somm Intgrzion pr prti Si dsidr clcolr l intgrl indfinito f(x) dx dov f(x) è un funzion non immditmnt intgrbil. Si può crcr llor di dtrminr du funzioni g(x) d h(x) pr l quli si bbi f(x) = g(x)h (x) tli ch si sppi clcolr l intgrl indfinito g (x)h(x) dx.
13 1.4 Tcnich di Intgrzion indfinit xiii Quindi si può pplicr l formul di intgrzion pr prti f(x) dx = g(x)h(x) g (x)h(x) dx. Esmpio 16 Clcolr l intgrl indfinito x xp(x) dx. Discussion. L funzion f(x) = x xp(x) non è immditmnt intgrbil. D ltr prt è smplic riconoscr ch si prsnt nll form pr l sclt dll funzioni f(x) = g(x)h (x), g(x) = x h(x) = xp(x) Applicndo l formul di intgrzion pr prti, si h llor x xp(x) dx = x xp(x) xp(x) dx D notr ch, s si fossro sclt l funzioni = x xp(x) xp(x) + c. vrmmo vuto ncor g(x) = xp(x) h(x) = 1 2 x2 f(x) = g(x)h (x), m si l ppliczion dll formul di intgrzion pr prti vrbb prodotto il risultto x xp(x) dx = 1 2 x2 xp(x) 1 x 2 xp(x) dx, 2 ch non ci consnt di uscir dll impss. Exrcis 17 Clcolr gli intgrli indfiniti x 2 xp(x) dx, x 3 xp(x) dx. Dtrminr quindi un formul ricorsiv pr il clcolo dll intgrl x 2 xp(x) dx, n 1.
14 xiv 1. Elmnti di tori dll intgrzion Esmpio 18 Clcolr l intgrl indfinito ln(x) dx. Discussion. L funzion f(x) = ln(x) non è immditmnt intgrbil. Ci si chid llor s si possno dtrminr du funzioni g(x) d h(y) pr l quli si bbi f(x) = g(x)h (x). E nturl scglir g(x) = ln(x), nl qul cso non è difficil riconoscr ch bisogn scglir h(x) = x. Si h llor ln(x) dx = x ln(x) = x ln(x) x 1 x dx dx = x ln(x) x + c. Exrcis 19 Clcolr gli intgrli indfiniti x 2 xp(x) dx, x 3 xp(x) dx. Dtrminr quindi un formul ricorsiv pr il clcolo dll intgrl x 2 xp(x) dx, n 1. Esmpio 20 Exrcis 21 Clcolr l intgrl indfinito ln(x + 1) dx. x Intgrzion pr sostituzion Si dsidr clcolr l intgrl indfinito f(x) dx dov f(x) è un funzion non immditmnt intgrbil. Si può crcr llor di dtrminr du funzioni g(x) d h(y) pr l quli si bbi f(x) = h(g(x))g (x)
15 tli ch si sppi clcolr l intgrl h (y) dy = H(y) + c. 1.4 Tcnich di Intgrzion indfinit xv Quindi si può pplicr l formul di intgrzion pr sostituzion f(x) dx = h(g(x))g (x) dx = h (y) dy = H(y) + c = H(g(x)) + c, grzi ll sostituzion y = g(x). Esmpio 22 Clcolr l intgrl indfinito x xp(x 2 ) dx. Discussion. L funzion f(x) = xp(x 2 ) non è immditmnt intgrbil. D ltr prt è smplic riconoscr ch si prsnt nll form pr l sclt dll funzioni Inftti, bbimo f(x) = h(g(x))g (x), g(x) = x 2 h(y) = 1 2 xp(y). h(g(x))g (x) = 1 2 xp(g(x))g (x) = 1 2 xp(x2 ) 2x = f(x). Si h llor x xp(x 2 ) dx = 1 2 xp(y) dy = 1 2 xp(y) + c = 1 2 xp(x2 ) + c, grzi ll sostituzion y = x 2. Esmpio 23 Clcolr l intgrl indfinito ln(x) x dx. Discussion. L funzion f(x) = 1 ln(x) non è immditmnt intgrbil. D ltr prt si h chirmnt x f(x) = h(g(x))g (x), pr l sclt dll funzioni g(x) = ln(x) h(y) = y.
16 xvi 1. Elmnti di tori dll intgrzion Inftti, bbimo h(g(x))g (x) = g(x)g (x) = 1 ln(x) = f(x). x Si h llor ln(x) x dx = y dy = 1 2 y2 + c = 1 2 ln(x)2 + c, grzi ll sostituzion y = ln(x). Exrcis 24 Clcolr gli intgrli indfiniti x ln(x x ln(x ) ) dx, x 2 dx, + 1 x 3 x
e una funzione g ε S f tali che = sup g : g S f tale che h ε f < ε/2; analogamente, per
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