APPLICAZIONI DELL’ INTEGRALE DEFINITO
1. Calcolo di aree di domini piani – teorema di Archimede
2. Calcolo di volumi - volumi di figure di rotazione
3. Lunghezza di un arco di curva
4. Calcolo dell’area di superfici di rivoluzione
5. Integrali impropri o generalizzati
6. Applicazioni del calcolo integrale alla fisica
1
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CALCOLO DI AREE DI DOMINI PIANI
Definizione di dominio piano normale: date due funzioni f(x) e g(x) continue in [a ; b], tali che
g(x) f(x) x [a ; b], si chiama dominio piano normale rispetto all’asse x l’insieme T dei punti P(x;y)
del piano così definito: T = {(x ; y) | a x b e g(x) y f(x)}.
b
Area: l’area del dominio T è data da:
Area (T)
b
infatti si ha : Area(T) Area(ABKH) - Area(DCKH)
a f (x) g(x) dx ,
b
b
a f(x) dx a g(x) dx a f(x) g(x) dx
La formula per l’area vale comunque siano disposti i
grafici delle funzioni f(x) e g(x), purché sia g(x) f(x).
2
Esempi
1.
Area del segmento parabolico e teorema di Archimede.
Data la funzione f(x) = kx2 , con k > 0, calcoliamo l’area del segmento parabolico AA’VA, come in figura:
a
a
2
4
1
Area(AA' VA) Area(rettangolo AA' H' H) 2 kx dx 2a ka 2k x 3 2ka 3 ka 3 ka 3 .
3
3
3 0
0
Osserva che
2
2
4 3
ka
Area(segm. parab. AA' VA) 3
2
, quindi :
3
Area(rettangolo AA' H' H)
3
2ka
Teorema di Archimede.
L’area del segmento parabolico AA’VA è 2/3
dell’area del rettangolo AA’H’H.
3
Osservazione sul teorema di Archimede.
Il teorema di Archimede vale anche nel caso in cui la corda AA’ non sia perpendicolare all’asse della
parabola.
In tale caso, tracciata la retta t tangente alla parabola e parallela alla retta AA’, l’area del segmento
parabolico AA’VA è uguale ai 2/3 dell’area del rettangolo avente base AA’ e altezza uguale alla distanza
AH tra la retta t e la retta AA’.
Esempio: Determina l’area del segmento parabolico T,
limitato dalla parabola y = x2 - 2x e dalla retta
r : y = -2x + 4 .
Determino l' equazione della tangente t // alla r :
f ' ( x ) 2 x 2
2x - 2 -2 , x 0 ,
'
f ( x ) 2
cioè il punto di tang. è O(0;0), quindi t : y - 2x .
Poichè AA ' 4 5 e AH
Area(segme nto par.)
4
, allora
5
2
2 4
32
AH AA '
4 5
.
3
3 5
3
(2x 4) (x
2
Oppure : Area
2
2 x ) dx
-2
2
2
1
8
8 32
(4 x 2 )dx 4 x x 3 8 8
.
3 2
3
3 3
2
4
2.
Calcolare l’area della regione piana compresa tra le due parabole di equazioni: y2 = 4x e x2 = 4y.
Le equazioni esplicite degli archi di parabola sono :
: y 2 x
x2
e : y
, quindi
4
4
4 3 x3
x2
16
Area (T ) 2 x dx x 2
.
4
3
12
3
0
0
4
3.
Calcolare l’area della regione piana limitata dall’ellisse di equazione di equazione:
a
A (T ) 4
b
a
x 2 y2
1 .
a 2 b2
a 2 x 2 dx
0
x
(x a sent ; t arcsen ; dx a costdt)
a
a
x x
2ab arcsen 2 a 2 x 2 ab .
a a
0
5
CALCOLO DI VOLUMI
1. Caso generale - Volume di un solido, come integrale dell’area di una sua sezione piana
Supponiamo di avere un solido T, compreso fra due piani e , di equazione x = a e x = b, e valgano
inoltre le seguenti ipotesi:
1°) comunque si scelga un punto xi [a;b], il piano i, di equazione x = xi, sezioni sempre il solido T
individuando una porzione di piano, di cui si possa calcolare l’area S i;
2°) le aree Si definiscano, nell’intervallo [a;b], una funzione continua di x, S(x).
In tali ipotesi vale allora il seguente teorema:
b
Volume T S( x )dx
a
6
Esempio
Considera il settore circolare AOB, di raggio 2 e ampiezza di 60°.
Detta H la proiezione di A su OB, il dominio piano HBA sia la base di un solido T, le cui sezioni, ottenute
con piani ortogonali ad OB, sono tutte quadrati. Calcola il volume di T.
Nel riferimento scelto, xH = 1, xB = 2, l’arco di circonferenza AB ha equazione
y 4 x 2 , con 1 x 2
b
La funzione area è S(x) = 4 -
x2,
è continua, e il volume di T vale:
2
volume T
1
a
Volume T S( x )dx
2
1
8
1 5
4-x dx 4x- x 3 8 4
3 1
3
3 3
2
7
2. Caso particolare - Volume di figure di rotazione
Consideriamo la funzione y = f(x) di grafico ,
continua nell’intervallo [a; b] e non negativa,
e il trapezoide esteso all’intervallo [a; b].
Se facciamo ruotare il trapezoide attorno
all’asse x di un giro completo, ossia di 360°,
otteniamo la figura di rotazione (solido di
rotazione) T.
In questo caso le sezioni del solido T, con i
piani perpendicolari all’asse delle x, sono
cerchi di raggio r = y = f(x), quindi di area
S(x) = f 2(x) e il volume vale:
b
b
Volume T S(x)dx π f 2 x dx
a
a
Interpretazione della formula con il metodo dei plurirettangoli e dei pluricilindri
Dividiamo l’intervallo [a; b] in n parti uguali di lunghezza h = (b-a) / n e consideriamo i plurirettangoli
che approssimano il trapezoide per eccesso e per difetto:
n
Sn Mi h
i1
n
s n mi h
i1
8
Da una rotazione completa dei plurirettangoli attorno all’asse x, si ottengono due pluricilindri, che
approssimano per eccesso e per difetto la figura di rotazione F.
Ogni cilindro ha per base il cerchio di raggio Mi (appross. per eccesso) o mi (appross. per difetto) e per
altezza h, quindi i pluricilindri hanno volume:
n
Vn Mi2h
i1
n
vn mi2h .
i1
9
Si può dimostrare che quando n + le due successioni tendono allo stesso limite e tale limite è il
volume della figura di rotazione F :
n
n
b
i1
a
VF lim M i2 h lim mi2 h f 2 (x)dx .
i1
n
n
Esempi
1. Volume del cono, data la funzione y = mx:
b
(mx ) dx m x m 2 b 3
0
3 0 3
( raggio di base mb, altezza b, ... ed ecco la formula nota )
V
2.
b
2
2 1
3
Volume dell’ellissoide generato dalla rotazione dell’ellisse di equazione
a) attorno all’asse x :
b2 2
y 2 (a x 2 ) ,
a
2
b2 a 2
b2
2
V 2π 2 (a x )dx 2π 2
a 0
a
x 2 y2
1
a 2 b2
a
1 3
b2 2 3
4
2
2
a x 3 x 2π a 2 3 a 3 πab .
0
10
b) attorno all’asse y :
x2
a2 2
(b y 2 ) ,
2
b
V 2π
a2 b 2
a2
2
(b
y
)dy
2π
b2 0
b2
b
1 3
a2 2 3
4
2
b
y
y
2π
b πa 2 b .
2
3 0
3
b 3
In particolare, se a = b, l’ellissoide si riduce ad una sfera di raggio a e volume :
3.
V
4 3
a .
3
Determinare il volume del solido generato dal dominio piano T delimitato dalla parabola P: y = -x2 + 6x
e dalla retta r : y = 5 in una rotazione completa attorno ad r.
Operiamo la traslazi one del riferimento che porta O(0 ; 0) in O n (0 ; 5) :
x x n
, qundi
y
y
5
n
le equazioni della parabola P e della retta r nel nuovo riferimento diventano :
P : y -x 2 6x 5
r: y 0
11
Punti d' intersezione retta - parabola
nel nuovo riferimento : A(1;0) , B(5;0) .
Calcolo del volume :
x 6x 5 dx
π x 36x 25 12x 10x
Vπ
5
5
2
2
1
4
2
3
1
2
60x dx
5
46
512
1
π x 5 3x 4 x 3 30x 2 25x
π .
3
15
5
1
4.
Dato il dominio piano T, delimitato dagli assi cartesiani, dalla retta y = 1 e dal grafico di y = lnx ,
determina il volume del solido ottenuto da una rotazione completa di T attorno: a) all’asse x , b) all’asse y .
e
a ) V V(cilindro C' B' BC) - V(AB' B) e - ln 2 xdx e - e - 2 2 . (*)
1
ln xdx xln x 2 ln xdx xln x 2x ln x x c ,
e
e
ln
xdx
x
ln
x
2
x
ln
x
2
x
e - 2e 2e - 2 e - 2 .
(*) calcoliamo per parti :
2
1
2
2
2
quindi
2
1
12
b)
y lnx x e ,
y
quindi
1
1
V e dy e 2 y e 2 1 .
0
2
0 2
1 2y
13
CALCOLO DELLA LUNGHEZZA DI UN ARCO DI CURVA
Sia una curva piana rappresentata nell’intervallo [a;b] dall’equazione y = f(x), con f(x) derivabile con
derivata continua in [a; b].
La lunghezza L dell’arco AB di definito in [a: b] è data da:
b
L
a
1 f ' x
2
dx
Interpretazione della formula con il metodo della poligonale
Diviso [a, b] in n parti xi (xi = xi-xi -1),
mediante i punti x0, x1, …, xn, si
approssima l'arco con la poligonale ad
esso inscritta, i cui vertici hanno le ascisse
(xi; f(xi)), con i = 0, 1 … n .
Detta i la lunghezza di ogni i-esimo
segmento della poligonale, la lunghezza
della poligonale sarà
L(polig.)
n
λ
i
, con
i 1
λi
x i x i1 2 f x i f x i1 2
e la lun ghezza de ll'arco A B si defini sce:
L lim
x M 0
n
λ
i1
i
, con x M massimo d ei x i
14
Per il teorema di Lagrange, applicato alla f(x) relativamente ad ogni intervallo [x i -1; xi], in cui viene diviso
[a; b], si può scrivere:
f x i f x i 1
f ' c , con c x i 1; x i , quindi anche f x i f x i 1 f ' c x i x i 1 .
x i x i 1
Pertanto risulta che
λi
x i x i1 2 f ' c x i x i1 2
; λ i 1 f ' c
2
x
b
L
a
M
n
0
Concludend o, la lunghezza dell' arco AB sarà : L lim
1 f ' c
lim
x
i 1
M
x i x i1 .
0
n
λi
2
2
i 1
x i x i1 ,
cioè
-x
1
r 2 x 2
dx ,
1 f ' c dx
2
Esempi
1. Calcola la lunghezza della circonferenza di raggio r.
Inserisco la circonferenza in un riferimento cartesiano, con centro nell’origine, ed
ottengo l’equazione x2 + y2 = r2 , quindi considero l’arco AB ed avrò:
f x y r x
2
r
L4
0
2
, con f x
'
r
r2
dx 4
r2 x2
0
r
-x
r x
2
r2
x 2
r 2 1
r
2
, da cui
0
1 f x dx 4
0
r
dx 4
L(circonf. ) 4
'
2
r
0
2
r
x
dx 4 r arcsin 4rarcsin 1 arcsin 0 4r 2r .
2
r 0
2
x
1
r
1
15
2. Calcola la lunghezza dell’asteroide.
L’ equazione cartesiana dell’ asteroide è :
2
x3
2
y3
2
a3
f ' x y '
a
L4
0
a
4
0
, quindi l' arco AB ha equazione y
2
3 3
a
2
2
x3
x
2
3
dx
L
2 2
1
1 2 dx
x
2 6
2 2
3
2
.
a
1
- 2 x 3 L(asteroid e) 4 1 f ' x 2 dx
3
0
1
4a 3
2
2
3
a
x
1
x 3
1
3
a
2
2
2
dx 4 1 a 3 x 3 x 3 dx
0
dx
1
4a 3
0
a
2
1
2
3
x 3 6a 3 a 3 6 a .
2
0
3. Calcola la lunghezza dell’arco di curva , grafico della funzione y = lnx, con
2 6
2
-x3
1
2
1
2
2 2
3 3
1 a x 3
2
2
a3
2
a 3
x 2 2; 2 6 .
2 6
1 x2
1 x 2 1
dx ... (*) ... 1 x 2 ln
x
x
2
5 ln
2
4
2 6
3 ln
2
2 2
2 ln
2
3
.
16
(*) Nel caso in esame ci si pone nel dominio della funzione y lnx , cioè x R 0 , tuttavia cerchiamo la primitiva
nel caso più in generale, cioè per x R 0 :
1 x2
dx
x2
1 x2
dx
x
per sostituzio ne :
1 x 2 t ( con x 0 e t 1 ) ; 1 x 2 t 2 ; x 2 t 2 1 ;
x t 2 1 ; x t 2 1 ; dx
1 x2
dx
x
t
t 2 1
t
t 2 1
t
t 2 1
dt
(-) per x 0 ;
dt
() per x 0
t2
t 2 11
1
1 t 1
dt
dt dt 2
dt ... t ln
c
2
2
t 1
t 1
t 1
2 t 1
1
1 x 2 1
1
1 x 2 1 1 x 2 1
1 x 2 ln
c 1 x 2 ln
c
2
2
2
2
2
1 x 1
1 x 1 1 x 1
1
1 x 2 ln
2
1 x 1 c 1 x
2
x2
2
2
ln
1 x 1 c 1 x
2
x2
2
2
ln
1 x 1 c .
2
x
17
CALCOLO DELL’ AREA DI UNA SUPERFICIE CURVA
Consideriamo solo il caso particolare della superficie generata dalla rotazione di 360°, attorno ad uno dei due
assi cartesiani, di una porzione di curva piana.
Sia una curva piana, rappresentata nell’intervallo [a;b] dall’equazione y = f(x), con f(x) derivabile con
derivata continua in [a; b].
La superficie che si ottiene da una rotazione di un giro completo attorno, per esempio, all’asse x, della
porzione di rappresentata in [a; b], ha l’area data dal seguente integrale:
b
a
Area 2 f x 1 f ' x
2
dx
Esempi
1. Calcola l’area della superficie generata dalla
rotazione, attorno all’asse x, della curva
y = sen x , con x [0; ]:
Area 2 sin x 1 cos 2 x dx
0
2
1 cos 2 x d cos x segue
0
18
pongo cos x e calcolo la seguente primitiva :
per parti :
1 2 d 1 2
1 d 1
2
2
2
2 1 2
2 1
1
2
1 2 d :
d 1 2
d
1
1
2
2
1 2
d 1 2
d 1 2
1 2 d
2 1 1
1 2
1
1 2
d
d
*
d
1 2
1 2
2
1 2 d 1 2
1
calcolo per sostituzio ne la seguente primitiva :
pongo
d
1
1
2
1 2 d
1
2
1
2
1
d ln 1 2 c
t2 1
t2 1
dt ;
; d
1 t - 2t ;
2t
2t 2
1 t , quindi :
2
2
2
2
1
t2 1
1
dt lnt c
dt
2
2
t
t 1 2t
t2t
*
1 2 d
Area - 2
0
c , pertanto
1
x dcosx 2 cos x 1 cos x ln cos x
2
1
1 2 ln 1 2
2
1 cos 2
Area 2 2 ln 2 1 .
2
Area 2 ln 1 2 2 ln 1 2
2
2 ln
1 cos 2 x
0
2 1
2 2 ln
2 1
2
2 1
19
2. Calcola l’area della superficie laterale del cono, generata dalla rotazione, attorno all’asse x, della retta
y = mx , con x [0; h] e m > 0:
h
Area 2π mx 1 m 2 dx
0
h
Area 2m 1 m
2
h
1
xdx 2m 1 m 2 x 2 mh 2 1 m 2 .
2 0
0
La nota formula per l' area della superficie laterale del cono è :
A lat π raggio apotema ,
infatti : mh raggio, h 1 m 2 apotema.
3. Calcola l’area della superficie generata dalla rotazione completa attorno all’asse x della curva y r 2 x 2 ,
ritrovando così l’area della superficie della sfera di raggio r.
r
Area 2 2
0
2
r
r
x
r2
2
2
r x 1
dx 4 r x 2
dx 4r dx 4r 2 .
2
2
2
r x
r x
0
0
2
2
20
INTEGRALI IMPROPRI o GENERALIZZATI
La definizione di integrale definito secondo Riemann, si basa sulla condizione necessaria che la funzione
integranda sia limitata nell’intervallo d’integrazione limitato e chiuso, tuttavia, mediante un’operazione al
limite, è possibile estendere tale definizione anche
1. a funzioni illimitate su intervallo limitato
2. a funzioni limitate su intervalli illimitati.
(vedi figure sotto)
1.
Integrali di funzioni illimitate su intervallo limitato
Sia f(x) una funzione continua nell’intervallo I = [a ; b[ , illimitata solo per x = b, cioè in b ammetta un
punto di discontinuità di seconda specie (asintoto verticale), allora, con queste ipotesi, esiste l’integrale
c
c a; b
f x dx ,
a
b
e per definizione poniamo:
a f x dx
c
lim f x dx .
c b
a
Se tale limite esiste ed è finito, diremo che la f(x) è integrabile in [a ; b[ .
21
Definizione analoga si ha per una funzione f(x) illimitata in a, nell’intervallo I = ]a;b]:
b
a f x dx
b
lim f x dx .
ca
c
Se la f(x) è illimitata in un punto d interno ad [a;b], si pone per definizione:
b
a f x dx
c
lim
c d
b
f x dx.
a f x dx c lim
d
c
c
1
Esempio :
1
c
1
1
1
1
1
1
dx ( f(x) illimitata per x 0 ! ) limdx lim
dx lim- lim
2
2
2
c 0
c0
c 0 x 1 c 0 x c
x
x
x
1
1
c
1
1
lim- 1 lim 1 ,
c
c0 c
c0
quindi la funzione
1
non è integrabil e in [-1;1] .
x2
Osserva che se non si avesse l’avvertenza di isolare il punto x = 0, in cui la funzione è illimitata, e si applicasse
pedissequamente la formula d’integrazione, si troverebbe:
1
1
1
1
dx 2 ,
2
x
x 1
1
risultato assurdo, se non altro per il segno, essendo, come è noto, positivo l’integrale di una funzione positiva.
22
2.
Integrali di funzioni limitate su intervalli illimitati
La funzione f(x) sia definita l’intervallo [a ; +[ e sia continua e limitata nell’intervallo [a;b] , b a .
b
b a;
f x dx ,
Con queste ipotesi, esiste l’integrale
a
a f x dx
e per definizione poniamo:
b
lim
b
a f x dx .
Se tale limite esiste ed è finito, diremo che la f(x) è integrabile in [a ; + [ .
Definizione analoga si ha per una funzione f(x) limitata nell’intervallo ]- ; b]:
b
- f x dx
b
lim
a
a f x dx .
Se la f(x) è limitata nell’intervallo ]- ; + [, si pone per definizione:
- f x dx
b
lim
f x dx .
a
b a
Esempio :
ex
dx ( e x t ; e x dx dt ; se x allora t ; se x allora t 0 )
2x
1 e
b
lim
a 0
b
1
a 1 t
2
dt
lim arctg(t)a
b
a 0
b
arctg ( ) arctg (0 )
.
2
23
Funzione illimitata su intervallo limitato
1
0
1
1 x2
c
dx lim
c 1
0
1
dx lim arcsinx 0
c
1 x2
lim arcsin(c) arcsin(0)
c 1
c 1
π
.
2
=========================================================================================================================================================
Funzione limitata su intervallo illimitato
1
b
1
1
dx lim
dx
2
b x 2
x
1
b
1
1
lim lim 1 1 .
b x
b b
1
24
APPLICAZIONI DEGLI INTEGRALI ALLA FISICA
1.
Moto rettilineo Sia s = s(t) la funzione continua e derivabile due volte, che esprime lo spazio in
funzione del tempo percorso da un punto P che si muove su di una retta r.
t2
Poichè v(t) s (t) , e a(t) v (t) s (t) , allora
'
'
''
t vt dt
s t 2 s t 1 ,
1
t2
t a t dt
v t 2 v t 1 .
1
Esempio Determinar e l' equazione oraria , cioè s s(t) , del moto di un punto P , che si muove su una
retta r con accelerazione che segue la legge a(t) e -t e con condizioni iniziali :
v(0) 5 m/s e s(0) 3 m .
t
v(t) - v(0) e d e t 1 , ma essendo v(0) 5 , si ha :
v(t) e t 6 .
0
e
t
s(t) - s(0)
6 d e t 6t 1 , ma essendo s(0) 3 , si ha :
s(t) e t 6t 2 .
0
2. Lavoro di una forza di intensità non costante
Data una forza costante F e lo spostament o AB del suo punto d' applicazio ne, allora L F AB ,
cioè
L F AB cos ; in particolare , nel caso in cui F e AB abbiano la stessa direzione
e lo stesso verso , 0 e L F AB .
25
Se la forza F ha intensità non costante e supponendo ,
per semplicità di trattazi one , che sia 0 , allora
b
a
L F( x )dx ,
con x ascissa del punto d' applicazio ne della forza F
e spostament o AB di estremi A(a;0) , B(b;0).
Esempio (a) Determinare il lavoro compiuto dalla forza gravitazionale F (f. peso) per spostare una
massa m da A a B, come in figura.
FG
Mm
, 180 , cos -1 , quindi
2
r
rB
L AB
r
1
1 B
GMm 2 dr GMm
r
r rA
r
A
1 1
GMm
rA rB
( osserva che L AB 0).
26
Esempio (b) Determinare il lavoro compiuto dalla forza elettrostatica F per spostare una carica q da A a
B, come in figura.
Fk
Qq
2
, 180 , cos -1 , se attrattiva ,
r
0 , cos 1 , se repulsiva , quindi
rB
L AB
r
1
1 B
kQq 2 dr kQq
r
r rA
r
A
1 1
kQq
rA rB
( L AB 0 se F è attratt.).
Esempio (c) Un punto materiale si muove lungo l’asse x ed è soggetto ad una forza elastica di richiamo
F, costantemente diretta verso l’origine O delle ascisse e di intensità proporzionale alla distanza da O del
punto stesso, con costante di proporzionalità (cost. elastica) k.
Calcolare il lavoro fatto dalla forza F, quando il punto materiale si sposta dalla posizione di ascissa x1 a
quella di ascissa x2.
x
F kx , L x1x 2
1
k x 22 x12
2
2
x
1 2
k x dx k x 2
2 x
x
1
1
( L x1x 2 0 se x 2 x1 ) .
27
3. Valore efficace di una corrente alternata sinusoidale
L’energia elettrica istantanea dissipata per effetto Joule è
l' energia dissipata in un periodo T
T
LT
Ri 02
sin ωtdt
2
2π
ω
è
T
T
Ri 02
0
1 cos 2t
1
1
1
dt Ri 02 t
sin 2t Ri 02 T .
2
2
2
2ω
0
0
Ri 02
LT
P
, P
, quindi si definisce
T
2
4.
P(t) = R(i0sent)2 , quindi
i eff
i0
2
e si scrive
2
P Ri eff.
.
Quantità di carica
L’intensità di corrente elettrica istantanea i(t) in un conduttore è data da i(t) = q’(t) , pertanto la
carica elettrica q che passa nell’intervallo [t1;t2] attraverso la sezione di un conduttore percorso da
corrente di intensità i(t) è:
t2
q it dt
t1
Esempio Un conduttore è attraversato da una corrente di intensità i(t) = i0 sen t, con i0 =10 A
e = 2 rad/s. Calcolare la quantità di carica che attraversa la sezione del conduttore tra l’istante
t1=0 e t2=0,5 s.
0,5
q 10 sen2tdt 5 cos2t0 5 cos1 1 50,5403023 1 2,2985 Coulomb .
0,5
0
28