Integrale: differenze tra le versioni

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[[File:Integral example.svg|miniatura|Integrale di <math>f(x)</math>.<br />

{{Avvisounicode}}

Area sottesa dal grafico dalla funzione <math>f(x)</math> nel dominio <math>\left[a,b\right] </math>.<br />

{{nota disambigua|altri significati|[[Integrazione]]}}

Si assume che l'area abbia valore negativo quando <math>f(x)</math> è negativa.]]

In [[analisi matematica]], l{{'}}'''integrale''' è un [[Trasformazione lineare|operatore lineare]] che, nel caso di una [[Funzione (matematica)|funzione]] di una sola variabile a valori reali non negativi, associa alla funzione l'[[area]] sottesa dal suo grafico entro un dato intervallo <math>[a,b]</math> nel dominio. Se la funzione assume anche valori negativi, allora l'integrale può essere interpretato geometricamente come l'area ''orientata'' sottesa dal grafico della funzione.

[[File:Integral example.svg|miniatura|Integrale di ƒ(x).<br />

Area sottesa dal grafico dalla funzione ƒ(x) nel dominio [a,b]. <br />

Si assume che l'area abbia valore negativo quando ƒ(x) è negativa.]]

Sia <math>f</math> una funzione continua di una variabile a valori reali e sia <math>a</math> un elemento nel dominio di <math>f,</math> allora dal [[teorema fondamentale del calcolo integrale]] segue che l'integrale da <math>a</math> a <math>x</math> di <math>f</math> è una [[primitiva (matematica)|primitiva]] di <math>f</math>.

In [[analisi matematica]], l''''integrale''' è un [[operatore (matematica)|operatore]] che, nel caso di una [[Funzione (matematica)|funzione]] di una sola variabile, associa alla funzione l'[[area]] sottesa dal suo grafico entro un dato intervallo [a,b] nel dominio.

== Storia ==

Grazie al [[teorema fondamentale del calcolo integrale]] si dimostra che l'integrale da <math>a</math> a <math>x</math> della funzione <math>f</math> corrisponde esattamente ad una [[primitiva (matematica)|primitiva]] di <math>f(x)</math>.

L'idea di base del concetto di integrale era nota ad [[Archimede]] di [[Siracusa]], vissuto tra il [[287 a.C.|287]] e il [[212 a.C.]], ed era contenuta nel metodo da lui usato per il calcolo dell'[[area]] del [[cerchio]] o dell'area sottesa al segmento di un ramo di [[Parabola (geometria)|parabola]], detto [[metodo di esaustione]], già proposta da [[Eudosso di Cnido]].

Nel [[XVII secolo]] alcuni matematici trovarono altri metodi per calcolare l'area sottesa al grafico di semplici funzioni, tra di essi figurano, ad esempio, [[Luca Valerio]], [[Bonaventura Cavalieri]], (che scoprì il [[metodo degli indivisibili]] negli [[anni 1640]]), [[Pierre de Fermat]] ([[1636]]), [[Evangelista Torricelli]] ([[1658]]) e [[Nicolaus Mercator]] ([[1668]]). In quegli stessi anni [[Pietro Mengoli]] ([[1659]]) diede una prima definizione di integrale.

L'integrazione risulta quindi l'operazione [[funzione inversa|inversa]] a quella di [[derivata|derivazione]].

Nel diciassettesimo e diciottesimo secolo [[Isaac Newton]], [[Gottfried Leibniz]], [[Johann Bernoulli]] dimostrarono indipendentemente il [[teorema fondamentale del calcolo integrale]], che ricondusse tale problema alla ricerca della [[primitiva (matematica)|primitiva]] di una funzione.

== Cenni storici ==

L'idea di base del concetto di integrale era nota ad [[Archimede]] di [[Siracusa]], vissuto tra il [[287 a.C.|287]] e il [[212 a.C.]], ed era contenuta nel metodo da lui usato per il calcolo dell'[[area]] del [[cerchio]] o dell'area sottesa al segmento di un ramo di [[Parabola (geometria)|parabola]], detto [[metodo di esaustione]].

[[File:Что такое интеграл Анимация.gif|thumb|Qual è l'integrale (animazione)]]

Nel [[XVII secolo]] alcuni matematici trovarono altri metodi per calcolare l'area sottesa al grafico di semplici funzioni, e tra di essi figurano ad esempio [[Fermat]] ([[1636]]) e [[Nicolaus Mercator]] ([[1668]]).

La definizione di integrale per le funzioni continue in un intervallo venne inizialmente formulata da [[Cauchy|Augustin-Louis Cauchy]], che a partire dal lavoro di Mengoli, descrisse l'integrale utilizzando la definizione di limite. In seguito [[Bernhard Riemann]] propose la sua definizione, in modo da comprendere classi più estese di funzioni. Nel [[1875]], [[Gaston Darboux]] riformulò la definizione già individuata da Cauchy in modo da evitare l'uso di limiti e dimostrando che era del tutto equivalente alla definizione data da Riemann. Per questo motivo spesso si parla di integrale di Riemann-Darboux. Allo scopo di comprendere una classe molto più estesa di funzioni, [[Henri Lebesgue]] produsse una definizione di integrale più complessa, attraverso l'introduzione della [[Misura (matematica)|teoria della misura]]. In seguito [[Thomas Joannes Stieltjes|Thomas Stieltjes]] fu in grado di generalizzare l'integrale di Riemann introducendo il concetto di ''funzione integratrice'' e, con un procedimento del tutto analogo, [[Johann Radon]] generalizzò l'integrale di Lebesgue. Una definizione d'integrale alternativa a quella di Lebesgue-Radon venne fornita da [[Percy John Daniell|Percy J. Daniell]], che la ricavò a partire dall'integrale di Riemann-Stieltjes.

Nel diciassettesimo e diciottesimo secolo [[Isaac Newton|Newton]], [[Leibniz]], [[Johann Bernoulli]] scoprirono indipendentemente il [[teorema fondamentale del calcolo integrale]], che ricondusse tale problema alla ricerca della [[primitiva (matematica)|primitiva]] di una funzione.

La definizione di integrale per le funzioni continue in tutto un intervallo, introdotta da [[Pietro Mengoli]] ed espressa con maggiore rigore da [[Cauchy]], venne posta su base diversa da [[Georg Friedrich Bernhard Riemann|Riemann]] in modo da evitare il concetto di limite, e da comprendere classi più estese di funzioni. Nel [[1875]] [[Gaston Darboux]] mostrò che la definizione di Riemann può essere enunciata in maniera del tutto simile a quella di Cauchy, purché si intenda il concetto di limite in modo un po' più generale. Per questo motivo si parla di integrale di Cauchy-Riemann.

== Notazione ==

[[File:Integral Uprightness.svg|thumb|Il simbolo di integrale nella letteratura (da sinistra) inglese, tedesca e russa]]Il simbolo <math>\int</math> che rappresenta l'integrale nella notazione matematica fu introdotto da Leibniz alla fine del XVII secolo. Il simbolo si basa sul carattere {{Unicode|ſ}} ([[esse lunga]]), lettera che Leibniz utilizzava come iniziale della parola ''summa'' (''ſumma''), in [[lingua latina|latino]] ''somma'', poiché questi considerava l'integrale come una somma infinita di addendi infinitesimali.

La variabile di integrazione, cioè la variabile della funzione integranda, è una variabile muta, cioè <math>\int f(x)dx</math> ha lo stesso significato di <math>\int f(t)dt</math> e di <math>\int f(j)dj</math>. La forma differenziale <math>dx</math> è il [[Differenziale (matematica)|differenziale]] della variabile di integrazione.

[[File:Integral Uprightness.svg|thumb|Il simbolo di integrale nella letteratura (da sinistra) inglese, tedesca e russa.]]

Esistono leggere differenze nella notazione dell'integrale nelle letterature di lingue diverse: il simbolo [[Inghilterra|inglese]] è piegatoinclinato verso destra, quello [[Germania|tedesco]] è dritto mentre la variante [[russia|russa]] è piegatainclinata verso sinistra.

== Introduzione euristica ==

Si consideri una funzione <math>f:x \tomapsto f(x)</math> reale di variabile reale limitata e definita su un intervallo chiuso e limitato dell'asse <math>x[a,b]</math> sull'asse delle ascisse. Quando si procede a calcolare l'integrale di <math>f</math> insu un intervallo<math>[a,b]</math>, allora <math>f</math> è detta ''funzione integranda'' e l'intervallo <math>[a,b]</math> è detto ''intervallo di integrazione''. Ile valoregli dell'integraleestremi della<math>a</math> funzionee calcolato<math>b</math> sono detti nell'intervallo'estremi di integrazione è pari all'area (con'. segno) dellaLa figura che ha per bordi il [[grafico di una funzione|grafico]] di <math>f</math>, l'asse delle ascisse e i segmenti verticali condotti dagli estremi dell'intervallo di integrazione agli estremi del grafico della funzione è detta ''trapezoide''. Il valore dell'integrale della funzione calcolato sull'intervallo di integrazione è uguale all'area (con segno) del trapezoide, cioè il [[numero reale]] che esprime tale area orientata viene chiamato integrale (definito) della funzione esteso all'intervallo di integrazione. Con il termine "integrale" o "[[Operatore (matematica)|operatore]] integrale" si indica anche l'operazione stessa che associa lil valore dell'area orientata alla funzione.

Sono stati ideati diversi modi per calcolaredefinire in modo rigoroso il valore delll'integrale; a seconda della procedura adottata cambia anche l'insieme delle funzioni che è possibile misurare con un integrale. Un metodo è quello di "approssimare" il grafico della funzione con una linea costituita da uno o più segmenti, in modo che la figura si può scomporre in uno o più trapezi di cui è facile calcolare l'area: la [[somma algebrica]] delle aree di tutti i trapezi è allora l'integrale cercato. Un tale approccio è utilizzato per definire l'[[integrale di Riemann]], in cui il calcolo dell'area viene eseguito suddividendo la figura in sottili strisce verticali assimilabiliottenendo acosì dei rettangoli. Nello specifico, dividendo un intervallo di integrazione <math> [a,b]</math> in <math>n</math> intervalli del tipo <math>[x_{sk-1},x_{sk}]</math>, conper <math> sk=1,2,\dots,n</math>, e con <math>x_{0}=a</math> e <math>x_{n}=b</math>, per ciascun intervallo si può considerare un punto <math>t_st_k</math> la cui immagine è <math> f(t_{sk})</math>. Si costruisce allora il rettangolo che ha per base l'intervallo <math>[x_{sk-1},x_{sk}]</math> e per altezza <math> f(t_{sk})</math>. L'area dellaLa figura costituita da tutti i rettangoli così costruiti è datadetta dalla''plurirettangolo'' e l'area del plurirettangolo è detta ''somma integrale di Cauchy-'' o ''somma integrale di Riemann-Darboux'':

:<math> \sum_{sk=1}^{n} f(t_{sk}) \,\deltaDelta x_sx_k := \sum_{sk=1}^{n} f(t_{sk})(x_{sk}-x_{sk-1}).</math>

Se al diminuire dell'ampiezza degli intervalli <math> \deltaDelta x_sx_k</math> i valori così ottenuti si concentrano in un [[intorno]] sempre più piccolo di un numero <math> i S</math>, la funzione <math> f </math> è integrabile sull'intervallo <math> [a,b]</math> e <math> i S</math> è il valore del suo integrale.

Se la [[Funzione (matematica)|funzione]] integrabile <math>f(x)</math> è positiva allora l'integrale assume il significato di [[area]] della regione:

:<math>\mathcal{R} = \{(x,y)\in\R^2,\,0 \le y \le f(x), x \in [a,b]\}.</math>

Se la [[Funzione (matematica)|funzione]] <math>f</math> cambia segno su <math>[a,b]</math> allora l'integrale rappresenta una [[Addizione|somma]] di [[Area|aree]] con segno diverso.

==Definizione==

La prima definizione rigorosa a essere stata formulata di ''integrale di una [[Funzione (matematica)|funzione]] su un intervallo'' è l'[[integrale di Riemann]], formulato da [[Bernhard Riemann]], anche se per definirlo si preferisce utilizzare la [[Integrale di Darboux|formulazione data da Gaston Darboux]].

L'[[integrale di Lebesgue]] èconsente di integrare una generalizzazionepiù dellvasta classe di funzioni rispetto all'integrale di Riemann,. e perPer mostrarnemostrare la relazione tra i due integrali è necessario utilizzare la classe delle [[funzione continua|funzioni continue]] a [[funzione a supporto compatto|supporto compatto]], per le quali l'integrale di Riemann esiste sempre. Siano <math>f</math> e <math>g</math> due funzioni continue a supporto compatto su <math>\Bbbmathbb{R}^1</math>. Si può definire la loro [[Distanza (matematica)|distanza]] nel seguente modo:<ref>{{Cita|W. Rudin|Pag. 68|rudin}}.</ref>

:<math>\operatorname {d}(f,g)= \int_{-\infty}^{+\infty}|f(t)-g(t)| \ \mathrm dt.</math>

Munito della funzione distanza, lo spazio delle funzioni continue a supporto compatto è uno [[spazio metrico]]. Il [[spazio completo|completamento]] di tale spazio metrico è l'insieme delle funzioni integrabili secondo Lebesgue.<ref>Si pone in tale contesto che due funzioni uguali [[quasi ovunque]] siano coincidenti.</ref><ref>{{Cita|W. Rudin|Pag. 69|rudin}}.</ref>

In letteratura esistono diversi altri operatori di integrazione, tuttavia essi godono di minore diffusione rispetto a quelli di Riemann e Lebesgue.

=== Integrale di Riemann -Darboux===

{{vedi anche|Integrale di Riemann|Integrale di Darboux}}

Sia <math>PC[a,b]</math> l'insieme delle funzioni limitate e [[Funzione continua|continue]] a tratti sull'intervallo <math>[a,b]</math>, e tali da essere continue da destra:

:<math>\lim_{x\to y^+} f(x) = f(y).</math>

La [[Norma (matematica)|norma]] di tali funzioni può essere definita come:

:<math>\| f \|_\infty = \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|.</math>

Consideriamo <math>n+1</math> punti <math>a=x_0 < x_1< \dots <x_{n-1}<x_n=b</math>. L'insieme <math>P=\{a, x_1, \dots ,x_{n-1},b\}</math> viene detto partizione di <math>[a,b]</math>. Costruiamo gli <math>n</math> intervalli <math>I_k =[x_{k-1},x_k)</math>. Sia <math>\chi_{I_k}(x)</math> la [[funzione indicatrice]] del <math>k</math>-esimo intervallo della partizione. Consideriamo inoltre <math>n</math> numeri reali <math>c_1, \dots, c_n</math>. Chiamiamo [[funzione costante]] a tratti, o funzione a scala, una funzione <math>\varphi</math> che vale <math>c_k</math> in <math>I_k</math> per ogni <math>k \in \{1,\dots,n\} </math>. Esplicitamente:

:<math>\varphi(x)= c_k, \quad \forall x\in I_k, \ \ \forall k \in \{1,\dots,n\}.</math>

Osserviamo che la funzione <math>\varphi</math> è definita solo nell'intervallo <math>[a,b)</math>, ma possiamo definire <math>\varphi(b)=c_n</math>. Osserviamo inoltre che le funzioni a scala così definite sono continue da destra e continue a tratti in <math>[a,b]</math>.

Ogni funzione a scala si può scrivere in forma compatta:

:<math>\varphi (x)= \sum_{k=1}^n c_k\chi_{I_k}(x).</math>

Sia <math>(a, x_1, \dots ,x_{n-1},b) </math> una partizione di <math>[a,b]</math> e <math>\chi_i(x)</math> la [[funzione indicatrice]] dell'i-esimo intervallo della partizione <math>[x_{i-1}, x_i]</math>.

LSi può dimostrare che somma e prodotto di funzioni a scala è ancora una funzione a scala. In particolare l'insieme <math>S[a,b]</math> delle possibilifunzioni a scala partizionidefinite dellnell'intervallo <math>[a,b]</math> costituisce uno [[spazio vettoriale]] normato, con norma data da:

:<math>\| \sum_{i=1}^n c_i \chi_i(x) \|_\infty = \sup_{x \in [a,b]} |\sum_{i=1}^n c_i \chi_i(x)| = \max_{i=1,\dots,n}|c_i| \qquad c_i \in \R.</math>

L'insieme <math>S[a,b]</math> è [[insieme denso|denso]] in <math>PC[a,b]</math>. Si definisce la [[trasformazione lineare]] limitata <math>I:S[a,b] \to \R</math> nel seguente modo:<ref>{{Cita|Reed, Simon|Pag. 10|reed}}.</ref>

:<math>I \left[ \sum_{ik=1}^n c_ic_k \chi_ichi_{I_k}(x) \right] = \sum_{ik=1}^n c_ic_k (x_ix_k - x_{ik-1}).</math>

Si dimostra che un [[Operatore lineare continuo|operatore lineare limitato]] che mappa uno [[spazio vettoriale normato]] in uno spazio normato [[spazio completo|completo]] può essere sempre esteso in modo unico a un operatore lineare limitato che mappa il completamento dello spazio di partenza nel medesimo spazio di arrivo. Poiché i numeri reali costituiscono un insieme completo, l'operatore <math>I \ </math> può quindi essere esteso a un operatore <math>\hat I</math> che mappa il completamento <math>\hat S[a,b]</math> di <math>S[a,b] \ </math> in <math>\R</math>.

Si definisce integrale di Riemann-Darboux l'operatore <math>\hat I:\colon \hat S[a,b] \to \R </math>, e si indica con:<ref>{{Cita|Reed, Simon|Pag. 11|reed}}.</ref>

:<math>\hat I(f):= \int_a^b f(x)dx \ \mathrm dx.</math>

=== Integrale di Lebesgue ===

{{Vedi anche|integraleIntegrale di Lebesgue}}

Sia <math>\mu</math> una [[Misura (matematica)|misura]] su una [[sigma-algebra]] <math>X</math> di sottoinsiemi di un insieme <math>E</math>. Ad esempio, <math>E</math> può essere un [[spazio euclideo|''n''-spazio euclideo]] <math>\R^n</math> o un qualche suo sottoinsieme [[misura di Lebesgue|Lebesgue-misurabile]], <math>X</math> la sigma-algebra di tutti i sottoinsiemi Lebesgue-misurabili di <math>E</math> e <math>\mu</math> la misura di Lebesgue.

Nella teoria di Lebesgue gli integrali sono limitati a una classe di funzioni, chiamate [[funzione misurabile|funzioni misurabili]]. Una funzione <math>f</math> è misurabile se la [[controimmagine]] di ogni insieme aperto <math>I</math> del codominio è in <math>X</math>, ossia se <math>f^{-1}(I)</math> è un insieme misurabile di <math>X</math> per ogni aperto <math>I</math>.<ref>{{Cita|W. Rudin|Pag. 8|rudin}}.</ref> L'insieme delle funzioni misurabili è chiuso rispetto alle operazioni algebriche, e in particolare la classe è chiusa rispetto a vari tipi di limiti puntuali di successioni.

Una funzione semplice <math>s</math> è una [[combinazione lineare]] finita di [[funzione indicatrice|funzioni indicatrici]] di [[insieme misurabile|insiemi misurabili]].<ref name=def>{{Cita|W. Rudin|Pag. 15|rudin}}.</ref> Siano i [[numero reale|numeri reali]] o [[numero complesso|complessi]] <math>a_1, \dotsldots, a_n </math> i valori assunti dalla funzione semplice <math>s</math> e sia:

:<math>A_i = \{x : s(x) = a_i \} \ .</math>

Allora:<ref name=def/>

:<math>s(x)=\sum_{i=1}^n a_i \chi_{A_i}(x),</math>

dove <math>\chi_{A_k}(x)</math> è la [[funzione indicatrice]] relativa all'insieme <math>A_i</math> per ogni ''<math>i''.</math>

L'integrale di Lebesgue di una funzione semplice è definito nel seguente modo:

:<math>\int_F s \, \mathrm d \mu = \sum_{i=1}^n a_i \mu (A_i \cap F), \quad F \in X.</math>

Sia <math>f</math> una funzione misurabile non negativa su <math>E</math> a valori sulla [[retta reale estesa]]. L'integrale di Lebesgue di <math>f</math> sull'insieme <math>F</math> rispetto alla misura <math>\mu</math> è definito nel seguente modo:<ref name=int>{{Cita|W. Rudin|Pag. 19|rudin}}.</ref>

:<math>\int_F f\, \mathrm d\mu := \sup \int_F s \, \mathrm d \mu,</math>

dove l'estremo superiore è valutato considerando tutte le funzioni semplici <math>s</math> tali che <math>0 \le s \le f</math>. Il valore dell'integrale è un numero nell'intervallo <math>[0,\infty]</math>.

Riga 102 ⟶ 113:

L'insieme delle funzioni tali che:

:<math>\int_E |f| \, \mathrm d\mu < \infty</math>

è detto insieme delle funzioni integrabili su <math>E</math> secondo Lebesgue rispetto alla misura <math>\mu</math>, o anche insieme delle funzioni sommabili, ed è denotato con <math>L^1(\mu)</math>.

Anche l'integrale di Lebesgue è un [[funzionale lineare]], e considerando una funzione definita su un intervallo <math>I</math> il [[Teorema di rappresentazione di Riesz|teorema di Riesz]] permette di affermare che per ogni funzionale lineare <math>\lambda</math> su <math>\CComplex</math> è associata una [[misura di Borel]] finita <math>\mu</math> su <math>I</math> tale che:<ref>{{Cita|W. Rudin|Pag. 34|rudin}}.</ref>

:<math>\lambda f = \int_I f\, \mathrm d\mu .</math>

In questo modo il valore del funzionale dipende con continuità dalla lunghezza dell'intervallo di integrazione.

Riga 118 ⟶ 129:

:<math>I^k = \{x:\quad a_i \le x_i \le b_i \quad 1 \le i \le k \}</math>

è detto ''<math>k</math>-cella''. Sia <math>f_k</math> definita su <math>I^k</math> una funzione continua a valori reali, e si definisca:

:<math>f_{k-1}(x_1, \dots ,x_{k-1}) = \int_{a_k}^{b_k} f_{k}(x_1, \dots ,x_k)d x_k .</math>

Tale funzione è definita su <math>I^{k-1}</math> ed è a sua volta continua a causa della continuità di <math>f_k</math>. Iterando il procedimento si ottiene una classe di funzioni <math>f_j</math> continue su <math>I^j</math> che sono il risultato dell'integrale di <math>f_{j+1}</math> rispetto alla variabile <math>x_{j+1}</math> sull'intervallo <math>[a_{j+1},b_{j+1}]</math>. Dopo ''<math>k''</math> volte si ottiene il numero:

:<math>f_0 = \int_{a_1}^{b_1} f_1(x_1)d x_1 .</math>

Si tratta dell'integrale di <math>f_k(x)</math> su <math>I^k</math> rispetto a <math>x</math>, e non dipende dall'ordine con il quale vengono eseguite le ''<math>k''</math> integrazioni.

In particolare, sia <math>g(x) = f_1(x_1) \dots f_k(x_k)</math>. Allora si ha:

:<math>\int_{I^k} g(x)dx = \prod_{i=1}^{k} \int_{a_i}^{b_i} f_i(x_i)dx_i.</math>

Inoltre, sia <math>f</math> una [[funzione a supporto compatto]] e si ponga che <math>I^k</math> contenga il supporto di <math>f</math>. Allora è possibile scrivere:

:<math>\int_{I^k} f = \int_{\R^k} f .</math>

Nell'ambito della teoria dell'integrale di Lebesgue è possibile estendere questa definizione ada insiemi di funzioni più ampi.

Una proprietà di notevole importanza dell'integrale di una funzione in più variabili è la seguente. Siano:

* <math>T:\colon E\subset \R^k \to \R^k </math> una [[funzione iniettiva]] di classe <math>C^1</math> definita su un aperto <math>E</math> e tale che la sua [[matrice jacobiana]] <math>J_T(x)</math> sia diversa da 0 ovunque in <math>E</math>.

* <math>f</math> una [[funzione a supporto compatto]] continua definita su <math>\R^k </math> e tale che <math>T(E)</math> contenga il [[Supporto (matematica)|supporto]] di <math>f</math>.

Allora si ha:

:<math>\int_{\R^k} f(y)dy = \int_{\R^k} f(T(x))|J_T(x)|dx .</math>

L'integrando <math>f(T(x))|J_T(x)|</math> ha un supporto compatto grazie all'invertibilità di <math>T</math>, dovuta all'ipotesi <math>J_T(x) \ne 0 </math> per ogni <math>x \in E</math> che garantisce la continuità di <math>T^{-1}</math> in <math>T(E)</math> per il [[teorema della funzione inversa]].

Riga 152 ⟶ 162:

=== Integrale curvilineo ===

{{Vedi anche|Integrale di linea|Integrale di superficie}}

Dato un [[campo scalare]] <math> f :\colon \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}</math>, si definisce l'integrale di linea ([[integrale di linea di prima specie|di prima specie]]) su una curva <math>C</math>, parametrizzata da <math>\mathbf{r}(t)</math>, con <math>t \in [a, b]</math>, come:<ref>{{Cita web

|url=http://www.encyclopediaofmath.org/index.php/Curvilinear_integral

|titolo=Encyclopedia of Mathematics - Curvilinear integral

Riga 159 ⟶ 169:

}}</ref>

:<math>\int_C f\ \operatorname dsd\!s = \int_a^b f(\mathbf{r}(t)) \|\mathbf{r}'(t)\| \,\mathrm{d}t,</math>

dove il termine <math>\mathrm{d}s</math> indica che l'integrale è effettuato su un'[[ascissa curvilinea]]. Se il dominio della funzione <math>f</math> è <math>\mathbb{R}</math>, l'integrale curvilineo si riduce al comune [[integrale di Riemann]] valutato nell'intervallo <math>[r(a),r(b)]</math>. Alla famiglia degli integrali di linea appartengono anche gli [[integrali ellittici]] di prima e di seconda specie, questi ultimi impiegati anche in ambito statistico per il calcolo della lunghezza della [[Indice_di_concentrazioneIndice di concentrazione#Curva_di_LorenzCurva di Lorenz|curva di Lorenz]].

Similmente, per un [[campo vettoriale]] <math>\mathbf{F} : \R^n \to \R^n</math>, l'integrale di linea ([[integrale di linea di seconda specie|di seconda specie]]) lungo una curva <math>C</math>, parametrizzata da <math>\mathbf{r}(t)</math> con <math>t \in [a, b]</math>, è definito da:<ref name=mathworld>{{Cita web

Riga 170 ⟶ 180:

}}</ref>

:<math>\int_C \mathbf{F} = \int_C \mathbf{F}(\mathbf{x})\cdot\,\mathrm{d}\mathbf{x} = \int_a^b \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot\mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t.</math>

==Continuità e integrabilità==

{{Vedi anche|Funzione integrabile}}

Una [[condizione sufficiente]] ai fini dell'integrabilità è che una funzione definita su un intervallo chiuso e limitato sia continua: una [[funzione continua]] definita su un [[Spazio compatto|compatto]], e quindi [[continuità uniforme|continua uniformemente]] per il [[teorema di Heine-Cantor]], è integrabile.

{{cassettoApprofondimento|titolo=Dimostrazione|testolarghezza=100%|contenuto=

Si suddivida l'intervallo <math>\ [a,b]</math> in <math>n</math> sottointervalli <math>\ [x_{i-1},x_{i}]</math> di uguale ampiezza:

:<math>\delta x = {{(b - a)} \over {n}}.</math>

Si scelga in ogni intervallo un punto <math>\ t_{i}</math> interno a <math>\ [x_{i-1},x_{i}]</math> e si definisce la somma integrale:

:<math>\ \sigma_{n}= \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}) \,\delta x_{s}= {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}) .</math>

Ponendo <math>\ M_i</math> e <math>\ m_i</math> il massimo e il minimo di <math>\ f</math> in ogni intervallo <math>\ [x_{i-1},x_{i}]</math> si costruiscono quindi le somme:

:<math>\ S_{n}= \sum_{i=1}^{n} M_{i}(x_{i}-x_{i-1}), \qquad \ s_{n}= \sum_{i=1}^{n} m_{i}(x_{i}-x_{i-1}).</math>

All'aumentare di <math>n</math>, si ha che <math>\ S_{n}</math> diminuisce mentree <math>\ s_{n}</math> cresce. Essendo allora le due [[successione (matematica)|successioni]] [[Funzione monotona|monotone]], esse ammettono un limite, il quale è finito. Sia ora:

:<math>\ m_{i} \le f(t_{i}) \le M_{i} \ .</math>

Si ha che:

:<math>\ s_{n} \le \sigma_{n} \le S_{n} \ .</math>

Per il [[teorema di esistenza del limite di successioni monotone]] risulta <math>\ s_{n} \to s</math> e <math>\ S_{n} \to S</math>, con <math>\ s \le S</math>. All'affinarsi della partizione di <math>\ [a,b]</math> risulta <math>\ s = S</math>, infatti è possibile fissare un <math>\ \varepsilon</math> piccolo a piacere e un numero di suddivisioni della partizione sufficientemente grande da far risultare:

:<math>\ S_{n}-s_{n}= \sum_{i=1}^{n}(M_{i}-m_{i})(x_{i}-x_{i-1})< \varepsilon ,</math>

poiché per la continuità uniforme di <math>f</math> si ha:

:<math>\ M_{i}-m_{i} < {{ \varepsilon} \over {(b-a)}} .</math>

OvveroCioè, per un numero di <math>n</math> suddivisioni abbastanza elevato:

:<math>\ S_{n}-s_{n}= \sum_{i=1}^{n}(M_{i}-m_{i})(x_{i}-x_{i-1})< {{ \varepsilon} \over {(b-a)}} \sum_{i=1}^{n}(x_{i}-x_{i-1}) = \varepsilon .</math>

Per il teorema del confronto delle successioni si ha:

:<math>\ \lim_{n \to + \infty} (S_{n}-s_{n}) \le \varepsilon ,</math>

ossia:

ovvero:

:<math>\ S-s \le \varepsilon ,</math>

da cui, data l'arbitrarietà del fattore <math>\varepsilon</math>, risulta che con il passaggio al limite la differenza tra le somme integrali massimante e minimante tende a zero. Da questo segue che:

:<math>\ S=s=I .</math>

In definitiva, essendo:

:<math>\ s_{n} \le \sigma_{n} \le S_{n},</math>

per il teorema del confronto risulta <math>\ \sigma_{n} \to I </math>, da cui si deduce che se la funzione integranda è continua su un compatto <math>\ [a,b]</math> allora l'operazione di integrazione non dipende dalla scelta dei punti interni agli intervalli <math>\ [x_{i-1},x_{i}]</math>, ovvero la funzione è integrabile.

}}

=== Assoluta integrabilità ===

Una funzione <math>f</math> si dice assolutamente integrabile su un [[intervallo aperto]] del tipo <math>[a,+\infty)</math> se su tale intervallo è integrabile <math>\left|f\right|</math>. Non tutte le funzioni integrabili sono assolutamente integrabili: un esempio di funzione di questo tipo è <math>\sin x / x</math>. Viceversa, il teorema sull'esistenza degli integrali impropri all'infinito garantisce che una funzione <math>f</math> assolutamente integrabile sia integrabile su un intervallo del tipo <math>[a,+\infty)</math>.

{{cassettoApprofondimento|titolo=Dimostrazione|testolarghezza=100%|contenuto=

Infatti, una [[condizione necessaria e sufficiente]] affinché <math> \int_{a}^{+\infty}\!f(x) \,\mathrm{d}x </math> esista finito è che per ogni <math>\varepsilon>0 </math> esista <math> \gamma >0</math> tale che per ogni <math>x_1,x_2 <\gamma </math> si abbia:

:<math>\left| \int_{x_1}^{x_2}f(x) \,\mathrm{d}x\right | <\varepsilon.</math>

Sostituendo in quest'ultima espressione <math>f(x)</math> con <math>|f(x)|</math> la condizione di esistenza diventa:

:<math> \left| \int_{x_1}^{x_2} \left | f(x) \,\mathrm{d}x \right | \right |<\varepsilon,</math>

da cui si ha:

Riga 244 ⟶ 254:

e quindi si può scrivere:

:<math>\int_{x_1}^{x_2} \left | f(x)\,\mathrm{d}x\right |<\varepsilon.</math>

Si ricava così che <math>f(x)</math> è integrabile.

Riga 250 ⟶ 260:

===Teorema di Vitali-Lebesgue===

Il teorema di Vitali-Lebesgue è un teorema che consente di individuare le funzioni definite su uno spazio <math> \R^n </math> che siano [[integrale di Riemann|integrabili secondo Riemann]]. Fu dimostrato nel 1907 dal matematico italiano [[Giuseppe Vitali (matematico)|Giuseppe Vitali]] contemporaneamente e indipendentemente con il matematico francese [[Henri Lebesgue]].

Data una funzione su <math>\R^n </math> che sia [[funzione limitata|limitata]] e nulla al di fuori di un [[insieme limitato|sottoinsieme limitato]] di <math> \R^n </math>, essa è integrabile secondo Riemann se e solo se è trascurabile l'insieme dei suoi [[funzione continua|punti di discontinuità]]. Se si verifica questo, la funzione è anche [[Integrale di Lebesgue|integrabile secondo Lebesgue]] e i due integrali coincidono. Nel caso in cui <math>n=1</math> l'enuciatoenunciato assume la seguente forma: una funzione <math>f</math> limitata in un intervallo <math>[a, b]</math> è ivi integrabile secondo Riemann se e solo se l'insieme dei suoi punti di discontinuità è di [[misura (matematica)|misura]] nulla rispetto alla [[misura di Lebesgue]].<ref>[{{Cita web |url=http://sole.dimi.uniud.it/~gianluca.gorni/Dispense/VitaliLebesgue.pdf |titolo=Gianluca Gorni - Il teorema di Vitali-Lebesgue] |accesso=9 agosto 2014 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140810003543/http://sole.dimi.uniud.it/~gianluca.gorni/Dispense/VitaliLebesgue.pdf |dataarchivio=10 agosto 2014 |urlmorto=sì }}</ref>

== Calcolo differenziale e calcolo integrale ==

Riga 258 ⟶ 268:

Il [[teorema fondamentale del calcolo integrale]], grazie agli studi e alle intuizioni di [[Leibniz]], [[Isaac Newton|Newton]], [[Evangelista Torricelli|Torricelli]] e [[Isaac Barrow|Barrow]], stabilisce la relazione esistente tra [[calcolo differenziale]] e calcolo integrale. Esso è generalizzato dal fondamentale [[teorema di Stokes]].

=== FunzioneFunzioni Integraleprimitive ===

{{vedi anche|Primitiva (matematica)}}

Sia <math>f:I\to \mathbb R</math> una funzione definita su un intervallo <math>I = [a,b]</math>. Se la funzione è [[Funzione integrabile|integrabile]] su ogni intervallo chiuso e limitato <math>J</math> contenuto in <math>I</math>, al variare dell'intervallo <math>J</math> varia il valore dell'integrale. Si ponga <math>J = [x_0,x]</math>, dove <math>x_0</math> è fissato e l'altro estremo <math>x</math> è variabile: l'integrale di <math>f</math> su <math>J</math> diventa allora una funzione di <math>x</math>. Tale funzione si dice ''funzione integrale di <math>f</math>'' o ''integrale di [[Evangelista Torricelli|Torricelli]]'', e si indica con:

Il [[problema inverso]] a quello della derivazione consiste nella ricerca di tutte le funzioni la cui derivata sia uguale a una funzione assegnata. Questo problema è noto come ricerca delle primitive di una funzione. Nel caso in cui <math>F</math> sia una primitiva di <math>f</math> (cioè se <math>F'(x) = f(x)</math>) allora, poiché la derivata di una funzione costante è nulla, anche una qualunque funzione del tipo:

:<math>FG(x) = \int_{x_0}^{x} \!fF(tx) \+c,\mathrm{d}t </math>

Lache variabiledifferisca di integrazioneda <math>tF(x)</math> èper dettauna ''variabilecostante muta'', e varia traarbitraria <math>x_0c</math>, erisulta essere primitiva di <math>f(x)</math>. Infatti:

:<math>G'(x)=F'(x)+0 =f(x).</math>

=== Funzioni Primitive ===

Il problema inverso a quello della derivazione consiste nella ricerca di tutte le funzioni la cui derivata sia uguale a una funzione assegnata. Questo problema è noto come ricerca delle primitive di una funzione.

{{vedi anche |Primitiva (matematica)|}}

Nel caso in cui <math>F</math> sia una primitiva di <math>f,</math> cioè se

Quindi, se una funzione <math>f(x)</math> ammette primitiva <math>F(x)</math> allora esiste un'intera classe di primitive del tipo:

:<math>F'(x) = f(x) </math>

:<math>G(x)=F(x)+c.</math>

allora, poiché la derivata di una funzione costante è nulla, anche una qualunque funzione del tipo:

:<math>G(x)=F(x)+c</math><br />

che differisca da <math>F(x)</math> per una costante arbitraria <math>c,</math><br />

risulta essere primitiva di <math>f(x).</math><br />

Infatti

:<math>G'(x)=F'(x)+0 =f(x).</math><br />

Quindi, se una funzione <math>f(x)</math> ammette primitiva <math>F(x)</math> allora esiste un'intera classe di primitive del tipo <math>G(x)=F(x)+c</math>. <br />

Viceversa, tutte le primitive di <math>f(x)</math> sono della forma <math>F(x)+c</math>.

=== Integrale indefinito ===

L'insieme delle [[Primitiva (matematica)|primitive]] di una funzione <math>f(x)</math> si chiama ''integrale indefinito'' di tale funzione. Il simbolo:

:<math>\int \!f(x) \,\mathrm{d}x,</math>

denota l'integrale indefinito della funzione <math>f(x)</math> rispetto a <math>x</math> e rappresenta un insieme di funzioni. La funzione <math>f(x)</math> è detta anche in questo caso ''funzione integranda''. In un certo senso (non formale), si può vedere l'integrale indefinito come "l'operazione inversa della derivata". Tuttavia, da un punto di vista formale, la derivazione non è iniettiva e quindi non è invertibile e l'operatore integrale restituisce l’insieme delle primitive che è vuoto oppure contiene infiniti elementi.

Ogni [[funzione continua]] in un intervallo ammette primitiva, ma non è detto che sia derivabile in ogni suo punto. Se <math>f</math> è una funzione definita in un intervallo nel quale ammette una primitiva <math>F</math>, allora l'integrale indefinito di <math>f</math> è:

:<math>\int \!f(x) \,\mathrm{d}x= F(x)+c,</math>

dove <math>c</math> è una generica costante reale.

=== Funzione integrale ===

Sia <math>f\colon I\to \mathbb R</math> una funzione definita su un intervallo <math>I = [a,b]</math>. Se la funzione è [[Funzione integrabile|integrabile]] su ogni intervallo chiuso e limitato <math>J</math> contenuto in <math>I</math>, al variare dell'intervallo <math>J</math> varia il valore dell'integrale. Si ponga <math>J = [x_0,x]</math>, dove <math>x_0</math> è fissato e l'altro estremo <math>x</math> è variabile: l'integrale di <math>f</math> su <math>J</math> diventa allora una funzione di <math>x</math>. Tale funzione si dice ''funzione integrale di <math>f</math>'' o ''integrale di [[Evangelista Torricelli|Torricelli]]'', e si indica con:

:<math>F(x) = \int_{x_0}^{x} \!f(t) \,\mathrm{d}t.</math>

La variabile di integrazione <math>t</math> è detta ''variabile muta'', e varia tra <math>x_0</math> e <math>x</math>.

=== Teorema fondamentale del calcolo integrale ===

{{vedi anche|Teorema fondamentale del calcolo integrale}}

La prima parte del teorema è detta ''primo teorema fondamentale del calcolo'', afferma che la funzione integrale (come sopra definita)

:<math>F(x)=\int_a^x f(t)dt \qquad a \le x \le b</math><br />

è una [[Primitiva (matematica)|primitiva]] della funzione di partenza. Cioè

:<math>F^\prime(x)=f(x)</math><br />

:<math>F(x)=\int_a^x f(t)dt, \qquad a \le x \le b,</math>

La seconda parte del teorema è detta ''secondo teorema fondamentale del calcolo'', e consente di calcolare l'integrale definito di una funzione attraverso una delle sue primitive.

:<math>\int_a^b f(x)dx=F(b)-F(a)</math>

è una [[Primitiva (matematica)|primitiva]] della funzione di partenza. Cioè

e tale relazione è detta ''formula fondamentale del calcolo integrale''.

:<math>F^\prime(x)=f(x),</math>

== Integrale indefinito ==

La totalità delle [[Primitiva (matematica)|primitive]] di una funzione <math>f(x)</math> si chiama integrale indefinito di tale funzione. Il simbolo:

La seconda parte del teorema è detta ''secondo teorema fondamentale del calcolo'', e consente di calcolare l'integrale definito di una funzione attraverso una delle sue primitive.

:<math>\int \!f(x) \,\mathrm{d}x \ </math>

denota l'integrale indefinito della funzione <math>f(x)</math> rispetto a <math>x</math>. La funzione <math>f(x)</math> è detta anche in questo caso ''funzione integranda''.

:<math>\int_a^b f(x)dx=F(b)-F(a),</math>

Ogni funzione continua in un intervallo ammette sempre integrale indefinito, ma non è detto che sia derivabile in ogni suo punto. Se <math>f</math> è una funzione definita in un intervallo nel quale ammette una primitiva <math>\ F</math> allora l'integrale indefinito di <math>f</math> è:

e tale relazione è detta ''formula fondamentale del calcolo integrale''.

=== Lemma di derivazione degli integrali ===

:<math>\ \int \!f(x) \,\mathrm{d}x= F(x)+c</math>

Sia <math>I\subset\mathbb{R}</math> un intervallo, <math>f\colon \underset{(x,t)}{I}\underset{\mapsto}{\longrightarrow}\underset{f(x,t)}{\mathbb{R}}</math> funzione di classe <math>\mathcal{C}^1</math> in <math>x</math> e <math>\alpha,\beta\colon I\longrightarrow\mathbb{R}</math> curve di classe <math>\mathcal{C}^1</math>. Sia <math>\Phi\colon\underset{x}{I}\underset{\mapsto}{\longrightarrow}\underset{\Phi(x)}{\mathbb{R}}</math> la funzione integrale di classe <math>\mathcal{C}^1</math> definita come:

:<math>\Phi(x) = \int_{\alpha(x)}^{\beta(x)}\!\!\! f(x,t)dt \implies \Phi^\prime(x) = f(x,\beta(x))\cdot\beta^\prime(x) - f(x,\alpha(x))\cdot\alpha^\prime(x) + \int_{\alpha(x)}^{\beta(x)} \frac{\partial}{\partial x}f(x,t)dt.</math>

dove <math>\ c</math> è una generica costante reale.

== Proprietà degli integrali ==

Riga 313 ⟶ 331:

Siano <math>f</math> e <math>g</math> due funzioni continue definite in un intervallo <math>[a, b]</math> e siano <math>\alpha, \beta \in \mathbb{R}</math>. Allora:

:<math>\int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)] \,\mathrm{d}x = \alpha \int_a^b \!f(x) \,\mathrm{d}x + \beta \int_a^b \!g(x) \,\mathrm{d}x.</math>

{{cassettoApprofondimento|titolo=Dimostrazione|testolarghezza=100%|contenuto=

Infatti, dalla definizione si ha che:

:<math>\ \int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)] \,\mathrm{d}x = \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} \,[\alpha f(t_{s}) + \beta g(t_{s})],</math>

da cui:

:<math>\ \int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)] \,\mathrm{d}x = \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} [\alpha \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}) + \beta \sum_{s=1}^{n} g(t_{s})].</math>

Dalla proprietà distributiva e dal fatto che il limite della somma coincide con la somma dei limiti si ha:

:<math>\ \int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)] \,\mathrm{d}x = \alpha \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}) + \beta \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} g(t_{s})</math>

da cui discende la proprietà di linearità.

Riga 333 ⟶ 351:

Sia <math>f</math> continua e definita in un intervallo <math>[a, c]</math> e sia <math>b \in [a, c]</math>. Allora:

:<math>\int_a^c \!f(x) \,\mathrm{d}x = \int_a^b \!f(x) \,\mathrm{d}x + \int_b^c \!f(x) \,\mathrm{d}x.</math>

{{cassettoApprofondimento|titolo=Dimostrazione|testolarghezza=100%|contenuto=

Infatti, dalla definizione si ha che:

:<math>\ \int^{b}_{a} \!f(x)\,\mathrm{d}x= \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}),</math>

da cui se si ha <math>\ c \in [a,b]</math> esistono un valore <math>\ h</math> e un valore <math>\ k</math> la cui somma è <math>\ n</math> tali che per un affinamento sufficiente della partizione risulti:

:<math>\ {\frac{b-c}{h}} = {\frac{c-a}{k}} = \delta x</math>

:<math>\ \int^{b}_{a} \!f(x) \,\mathrm{d}x= \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \left( \sum_{s=1}^{n-k} f(t_{s}) + \sum_{s=h+1}^{n} f(t_{s}) \right) .</math>

Distribuendo la misura dell'intervallo:

:<math>\ \int^{b}_{a} \!f(x) \,\mathrm{d}x= \lim_{n \to + \infty} {\frac{b-a}{n}} \sum_{s=1}^{n-k} f(t_{s}) + \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=h+1}^{n} f(t_{s})</math>

in cui <math>\ n-k=h</math>. Considerando l'intervallo <math>\ [c,b]</math>, l'indice <math>\ s=h+1,...\ldots,n</math> può essere riscritto come <math>\ s=1,...\ldots,k</math> in quanto <math>\ t_{h+1}</math> è il valore superiore del primo intervallo della partizione di <math>\ [c,b]</math>. Ricordando che:

:<math>\ {{b-c} \over {h}} = {{c-a} \over {k}} = \delta x,</math>

risulta allora:

:<math>\ \int^{b}_{a} \!f(x) \,\mathrm{d}x= \lim_{h \to + \infty} {{c-a} \over {h}} \sum_{s=1}^{h} f(t_{s}) + \lim_{k \to + \infty} {{b-c} \over {k}} \sum_{s=1}^{k} f\left(t(s)\right)</math>

da cui discende la proprietà di additività.

Riga 364 ⟶ 382:

Siano <math>f</math> e <math>g</math> due funzioni continue definite in un intervallo <math>[a, b]</math> e tali che <math>f(x) \le g(x)</math> in <math>[a, b]</math>. Allora:

:<math>\int_a^b \!f(x) \,\mathrm{d}x \le \int_a^b \!g(x) \,\mathrm{d}x.</math>

{{cassettoApprofondimento|titolo=Dimostrazione|testolarghezza=100%|contenuto=

Infatti, se si verifica che <math>f(x) \le g(x)</math> nel compatto <math>\ [a,b]</math>, effettuando una partizione di tale intervallo la disuguaglianza permane e moltiplicando da ambo i lati per il fattore <math> b-a / n</math> si ottiene:

:<math> {{b-a} \over {n}} f(t_{s}) \le {{b-a} \over {n}} g(t_{s})\ ,</math>

per ogni <math>t_{s}</math>. A questo punto se la relazione è valida per qualsiasi intervallo in cui è suddiviso il compatto vale la seguente:

:<math> \sum_{s=1}^{n} {{b-a} \over {n}} f(t_{s}) \le \sum_{s=1}^{n} {{b-a} \over {n}} g(t_{s}).</math>

Come conseguenza del corollario del [[Limite (matematica)|teorema della permanenza del segno dei limiti]], applicando il limite alle somme integrali di Riemann (ottenendo quindi l'integrale) la disuguaglianza resta immutata:

:<math> \lim_{n \to + \infty} \sum_{s=1}^{n} {{b-a} \over {n}} f(t_{s}) \le \lim_{n \to + \infty} \sum_{s=1}^{n} {{b-a} \over {n}} g(t_{s}).</math>

Da ciò deriva la proprietà di monotonia degli integrali.

Riga 385 ⟶ 403:

Tale teorema si potrebbe considerare come un [[corollario]] del teorema del confronto. Se <math>f</math> è integrabile in un intervallo <math>[a, b]</math> si ha:

:<math>\left | \int_a^b \!f(x) \,\mathrm{d}x \right | \le \int_a^b \left | f(x) \right | \,\mathrm{d}x.</math>

{{cassettoApprofondimento|titolo=Dimostrazione|testolarghezza=100%|contenuto=

Infatti, essendo valida la relazione <math>- | f(t_{s}) | \le f(t_{s}) \le | f(t_{s}) |</math> per ogni s, è possibile sommare membro a membro le varie componenti della relazione, ottenendo:

:<math>- \sum_{s=1}^{n} | f(t_{s}) | \le \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}) \le \sum_{s=1}^{n} | f(t_{s}) |.</math>

Moltiplicando ogni membro per il fattore <math>b-a / n</math> e applicando il limite in modo da affinare gli intervalli della partizione si ottengono gli integrali:

:<math>- \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} | f(t_{s}) | \le \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} f(t_{s}) \le \lim_{n \to + \infty} {{b-a} \over {n}} \sum_{s=1}^{n} | f(t_{s}) |</math>

:<math>- \int_a^b |f(x)| \,\mathrm{d}x \le \int_a^b \!f(x) \,\mathrm{d}x \le \int_a^b |f(x)| \,\mathrm{d}x ,</math>

ove quest'ultima disuguaglianza può essere espressa in termini di valore assoluto come:

Riga 408 ⟶ 426:

Se <math>f:[a,b]\to \mathbb R</math> è [[funzione continua|continua]] allora esiste <math>c \in (a,b)</math> tale che:

:<math>{{1} \over {b-a}} \int_{a}^{b} \!f(x) \,\mathrm{d}x=f(c).</math>

== Integrale improprio ==

Riga 425 ⟶ 443:

== Metodi di integrazione ==

{{Vedi anche|Metodi di integrazione}}

L'integrazione di una funzione reale è un calcolo matematico di non semplice risoluzione generale. Il caso più semplice chesi può capitare èha quando si riconosce la funzione integranda essere la [[derivata]] di una funzione nota <math>\Phi</math>. In casi più complessi esistono numerosi metodi per trovare la funzione primitiva. In particolare, tra le tecniche più diffuse per la semplificazionericerca della funzioneprimitiva dell'integranda vi sono le seguentiqueste due:

*Sese l'integranda è il prodotto di due funzioni, l'[[integrazione per parti]] riduce l'integrale alla somma di dueuna integrali,funzione die cuiun unoaltro calcolabileintegrale immediatamenteche graziepuò allaricondursi formulaal fondamentalecaso delpiù calcolosemplice integrale.descritto sopra in cui l'integranda è la derivata di una funzione nota;

*Sese l'integranda è trasformazione di una derivata nota attraverso una qualche funzione derivabile, l'[[integrazione per sostituzione]] riporta il calcolo all'integrale di quella derivata nota, modificato per un fattore di proporzionalitàdifferenziabilità che dipende dalla trasformazione in gioco.

== Stima di somme tramite integrale ==

Un metodo che consente di ottenere la [[stima asintotica]] di una somma è l'approssimazione di una serie tramite il suo integrale. Sia <math>f: \R \to \R^+</math> una funzione monotona non decrescente. Allora per ogni <math> a \in \N </math> e ogni intero <math> n \geqge a </math> si ha:

:<math>f(a) + \int_{a}^{n} \!f(x) \,\mathrm{d}x \leq \sum_{k =a}^n \!f(k) \leq \int_{a}^{n} f(x) \,\mathrm{d}x + f(n).</math>

Infatti, se <math>n = a</math> la proprietà è banale, mentre se <math>n \,>\, a </math> si osserva che la funzione è integrabile in ogni intervallo chiuso e limitato di <math>\R^+</math>, e che per ogni <math>k \in \N</math> vale la relazione:

:<math>f(k)\leq \int_{k}^{k+1} f(x) \,\mathrm{d}x \leqle f(k+1).</math>

Sommando per <math>k = a, a+1, ... \ldots,n-1</math> si ottiene dalla prima disuguaglianza:

:<math>\sum_{k=a}^{n-1} f(k) \leq \sum_{k=a}^{n-1} \int_{k}^{k+1} f(x)\,\mathrm{d}x = \int_{a}^{n} f(x)\,\mathrm{d}x,</math>

mentre dalla seconda segue che:

:<math>\int_{a}^{n}f(x)\,\mathrm{d}x = \sum_{k=a}^{n-1}\int_{k}^{k+1} f(x)\,\mathrm{d}x \leq \sum_{k=a}^{n-1}f(k+1).</math>

Aggiungendo ora <math>f(a)</math> e <math>f(n)</math> alle due somme precedenti si verifica la relazione.

Riga 453 ⟶ 471:

=== Integrali di Denjoy, Perron, Henstock e altri ===

{{Vedi anche|Integrale di Denjoy|Integrale di Perron|Integrale di Henstock|-Kurzweil}}

Sono state sviluppate altre definizioni di integrale, alcune delle quali sono dovute a [[Arnaud Denjoy|Denjoy]], [[Oskar Perron|Perron]], [[Ralph Henstock|Henstock]] e altri. I tre nominati condividono la validità del [[teorema fondamentale del calcolo integrale]] in una forma più generale rispetto alla trattazione di Riemann e Lebesgue.

Il primo in ordine cronologico a essere introdotto è stato l'[[integrale di Denjoy]], definito per mezzo di una classe di funzioni che generalizza le [[assoluta continuità|funzioni assolutamente continue]]. Successivamente, solo due anni dopo, Perron ha dato la [[integrale di Perron|sua definizione]] con un metodo che ricorda le funzioni maggioranti e minoranti di Darboux. In ultimo, [[Ralph Henstock]] e (indipendentemente) [[Jaroslaw Kurzweil]] forniscono una terza definizione equivalente, detta anche [[integrale di Henstock-Kurzweil|integrale di gauge]]: essa sfrutta una leggera generalizzazione della definizione di Riemann, la cui semplicità rispetto alle altre due è probabilmente il motivo per cui questo integrale è più noto con il nome del matematico inglese che con quelli di Denjoy e Perron.

=== Integrale di ItoItō ===

{{Vedi anche|CalcoloLemma di Itō}}

L'integrale di [[Kiyoshi Itō|ItoItō]] fa parte dell'analisi di Itō per i [[Processo stocastico|processi stocastici]]. In letteratura è introdotto utilizzando varie notazioni, una delle quali è la seguente:

:<math>\int_{0}^{T}X_{s} \,\mathrm{d}W_{s},</math>

dove <math>W_{s}</math> è il [[processo di Wiener]]. L'integrale non è definito come un integrale ordinario, in quanto il processo di Wiener ha [[Misura complessa|variazione totale]] infinita. In particolare, gli strumenti canonici di integrazione di funzioni continue non sono sufficienti. L'utilizzo principale di tale strumento matematico è nel calcolo differenziale di equazioni in cui sono coinvolti [[Equazione differenziale stocastica|integrali stocastici]], che inseriti in equazioni volte a modellizzare un particolare fenomeno (come il moto aleatorio delle particelle o il prezzo delle azioni nei mercati finanziari) rappresentano il contributo aleatorio sommabile (rumore) dell'evoluzione del fenomeno stesso.

Riga 469 ⟶ 487:

* In base alle informazioni fornite dal primo teorema fondamentale del calcolo integrale si può effettuare il calcolo di un integrale cercando una funzione la cui derivata coincide con la funzione da integrare. A questo scopo possono essere d'aiuto le [[Tavola degli integrali più comuni|tavole d'integrazione]]. Così per effettuare il calcolo dell'integrale della funzione vista in precedenza <math> f(x)=mx</math> attraverso la ricerca di una primitiva si ricorre alla formula:

:<math> \int mx^{\alpha} \,\mathrm{d}x= {{mx^{ \alpha + 1}} \over { \alpha + 1}} + c ,</math>

:la cui derivata coincide proprio con <math>\ mx^{\alpha}</math>. Prendendo in considerazione la (già esaminata precedentemente) funzione <math>\ f(x)=mx</math> e integrandola si ottiene:

:<math> \int mx \,\mathrm{d}x= {{mx^{2}} \over {2}} + c .</math>

:Mentre per quanto concerne l'integrale definito nel compatto <math>\ [a,b]</math> si ha, in forza del secondo teorema fondamentale del calcolo integrale

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:<math> \int_{a}^{b} mx \,\mathrm{d}x= \left[{{mb^{2}} \over {2}} + c\right] - \left[{{ma^{2}} \over {2}} + c\right] = m {{b^2-a^2} \over {2}} </math>

:esattamente (ovviamente) lo stesso risultato ottenuto in precedenza.

* Si supponga di fissare un [[sistema di riferimento cartesiano]] attraverso le [[Retta|rette]] [[Perpendicolarità|ortogonali]] e orientate delle ascisse e delle ordinate. Si supponga ora che su tale sistema di assi sia definita una retta la cui equazione esplicita è <math>f(x)=mx</math>. :Si vuole calcolare l'integrale di tale retta definita sul compatto <math> [a,b]</math> situato sull'asse delle ascisse. Si supponga per semplicità che i punti <math>a</math> e <math>b</math> si trovino sul semiasse positivo delle ascisse e siano entrambi positivi. Allora l'area sottesa alla retta considerata nel compatto <math>[a,b]</math> è pariuguale all'area di un trapezio che "poggiato" in orizzontale sull'asse delle ascisse è caratterizzato da un'altezza pariuguale a <math> b-a</math>, base maggiore <math> mb</math> e base minore <math>\ ma</math>. L'area di tale figura è data, come noto dalla geometria elementare, dalla formula <math> {{1} \over {2}}(mb+ma)(b-a)</math>, ovvero <math> m{{b^2-a^2} \over {2}}</math>.

:Nell'ottica del calcolo dell'integrale di questa retta definita nel compatto <math>\ [a,b]</math> si effettua una partizione di tale intervallo, dividendolo in ''<math>n''</math> parti uguali:

:<math>\ x_{0}=a; \quad x_{1}=a+{{b-a} \over {n}}; \quad x_{2}= a+2{{b-a} \over {n}};\quad \dots \,; \quad x_{n}= a+n{{b-a} \over {n}}=b .</math>

:Nel generico intervallo <math> [x_{i-1},x_{i}]</math> si sceglie come punto arbitrario il punto più esterno <math> x_{i}</math> (ma andrebbe bene qualsiasi punto dell'intervallo), considerando la funzione <math>\ y=mx</math> nel generico punto <math> x_{i}</math> interno all'intervallo <math> [x_{i-1},x_{i}]</math>. Si avrà quindi <math> f(x_{i})=m\left[a+i{{b-a} \over {n}}\right]</math>, e la somma integrale di Riemann diventa:

:<math>\ \sigma_{n} = \sum_{i=1}^{n} f(x_{i}){{b-a} \over {n}} = \sum_{i=1}^{n}m\left[a+i{{b-a} \over {n}}\right]{{b-a} \over {n}}=ma(b-a)+m\left({{b-a} \over {n}}\right)^2 \sum_{i=1}^{n}i</math>

:nella quale la progressione aritmetica <math> \sum_{i=1}^{n}i= {{n(n+1)} \over {2}}</math> restituisce un'espressione delle somme di Riemann pariuguale a:

:<math> \sigma_{n} = ma(b-a)+m(b-a)^2 {{n+1} \over {2n}}.</math>

:Per passare dalle somme integrali di Riemann all'integrale vero e proprio è ora necessario, in conformità con la definizione di integrale, il passaggio al limite di suddette somme. Ovvero:

:<math> \int^{b}_{a} mx \,\mathrm{d}x = \lim_{n \to + \infty} \sigma_{n} = ma(b-a)+m(b-a)^2 \lim_{n \to + \infty} {{n+1} \over {2n}}.</math>

:Calcolando il limite per <math>\ n \to \infty </math>, dato che <math>\ {{n+1} \over {2n}} \to \ {{1} \over {2}}</math>, si ottiene:

:<math> \int^{b}_{a} mx \,\mathrm{d}x = \lim_{n \to + \infty} \sigma_{n} = ma(b-a)+{{m(b-a)^2} \over {2}} ,</math>

:dalla quale, eseguendo la somma si ricava:

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== Bibliografia ==

*{{Cita libro|autore=Paolo Marcellini|wkautore=Paolo Marcellini|autore2=Carlo Sbordone|wkautore2=Carlo Sbordone|titolo=Analisi matematica Uno|url=https://www.worldcat.org/oclc/848639831|accesso=2019-02-20|anno=1998|editore=Liguori|città=Napoli|OCLC=848639831|ISBN=9788820728199}}

*{{Cita libro|autore=Paolo Marcellini|wkautore=Paolo Marcellini|autore2=Carlo Sbordone|wkautore2=Carlo Sbordone|autore3=Nicola Fusco|wkautore3=Nicola Fusco (matematico)|titolo=Analisi matematica Due|url=https://www.worldcat.org/oclc/848628114|accesso=2019-02-20|anno=2020|editore=Zanichelli|OCLC=848628114|ISBN=9788808520203}}

* {{cita libro | cognome= Soardi | nome= Paolo Maurizio | titolo= Analisi Matematica| editore= CittàStudi| anno= 2007|isbn= 978-88-251-7319-2|cid =soardi}}

* {{cita libro | cognome= Rudin| nome= Walter | titolo= Real and Complex Analysis | editore= McGraw-Hill | città= Mladinska Knjiga| anno= 1970| isbn= 0-07-054234-1|cid =rudin| lingua= en}}

* {{cita libro | cognome= Reed | nome= Michael |coautori= Barry Simon | titolo= Methods of Modern Mathematical Physics, Vol. 1: Functional Analysis| editore= Academic press inc.<!--|ed = riveduta-->| città= San Diego, California| anno= 1980|ed=2|isbn= 0-12-585050-6|cid =reed | lingua= en }}

==Voci correlate==

{{Div col}}

*[[Derivata]]

*[[Funzione integrabile]]

Riga 530 ⟶ 552:

*[[Integrale funzionale]]

*[[Integrale improprio]]

*[[Integrazione di contorno|Integrale complesso]]

*[[Metodi di integrazione]]

*[[Passaggio al limite sotto segno di integrale]]

Riga 535 ⟶ 558:

*[[Teorema di Stokes]]

*[[Teorema fondamentale del calcolo integrale]]

{{Div col end}}

===Tavole di integrali===

Riga 549 ⟶ 573:

*[[Tavola degli integrali indefiniti di funzioni d'arco]]

*[[Tavola degli integrali indefiniti di funzioni d'area]]

==Altri progetti==

{{interprogetto|preposizione=sull'|wikt}}

==Collegamenti esterni==

* {{ThesaurusCollegamenti BNCFesterni}}

* [httphttps://integralswww.wolframwolframalpha.com/index.jspcalculators/integral-calculator/ The Integrator - Calcolo formale di primitive ] ([[Wolfram Research]])

*{{Cita [web|url=http://wims.unice.fr/wims/en_homewims.html cgi?lang=it|titolo=Interactive Multipurpose Server] ([[WIMS]])}}

* Marshall Evans Munroe, [http://www.treccani.it/enciclopedia/misura-e-integrazione_%28Enciclopedia-Novecento%29/ ''Misura e integrazione''], da ''Enciclopedia del Novecento'', [[Istituto dell'Enciclopedia italiana Treccani]]

*[http://www.treccani.it/enciclopedia/integrale/ ''Integrale''], ''Enciclopedia on line'' Treccani

{{analisi matematica}}

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[[Categoria:Calcolo integrale| ]]

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