Integrazione per parti e per sostituzione

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1 Integrazione per parti e per sostituzione Riccarda Rossi Università di Brescia 1/51

2 Formula di integrazione per parti Integrazione per parti Si applica all integrazione di prodotti di funzioni Proposizione: formula di integrazione per parti Sia I R intervallo in R esianof, g : I! R due funzioni derivabili con derivata continua (cioè f, g 2 C 1 (I )). Allora per ogni a, b 2 I abbiamo che Z b a f 0 (x)g(x) dx =[f (x)g(x)] b a Il Z b a f (x)g 0 (x) dx. flbiglbifcdg.cat 2/51

3 Dimostrazione derivazione del è basata sulla formula di prodotto di funzioni : ( fugate ftxigixit fai gtx ) integra entrambi i membri fra aeb /! fai guida fffklg da + "2It * gabba fabfcxig ' cxidx 3/51

4 fab =D fa ' f ha già da = fai g ' calda + fai gia) ba DX 4/51

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6 Osservazioni ffixtglxidx = ffixgkxdx la formula vale anche per integrali indefiniti tfcxigix fa Z b f 0 (x)g(x) dx =[f (x)g(x)] b a a Z b a f (x)g 0 (x) dx riconduce il calcolo di Z b a f 0 g stata scaricata dalla f alla g). L idea è: passare dall integrale di semplice R b a fg 0. al calcolo di Z b a fg 0 (la derivata è cile R b a f 0 g all integrale più 6/51

7 Operativamente, per applicare l integrazione per parti al calcolo di Z b a h(x)k(x) dx bisogna scegliere, fra h e k, I quale ha il ruolo di f 0, I quale ha il ruolo di g. è fondamentale scegliere bene quale delle due funzioni derivare e quale integrare. 7/51

8 Miscellanea di integrali per parti Prodotto di un polinomio per una funzione trigonometrica Sia P : R! R una funzione polinomiale esia 6= 0: Z b a P(x) sin( x) dx oppure Z b a P(x) cos( x) dx Applichiamo la formula di integrazione per parti con le scelte ( f 0 $ sin( x) (oppure f 0 $ cos( x)) g $ P(x), cioè integriamo la funzione trigonometrica e deriviamo il polinomio. così si abbassa il grado di R 8/51

9 Esempio I = Z 1 0 x cos(2x) dx Applico la formula con le scelte l:: :*: " : 2 E fisime. edxxfx.si#difstfiefam:i3 : 9/51

10 = cascai e sin 2 10 / 51

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12 Può essere necessario applicare l integrazione per parti ripetutamente, Esempio I = Z 2 1 x 3 sin(x) dx Scelte : a ftxtsinlx 94 1=3 2 { text cosa ) E ftp.3xdxtfxsfcosu?ni/lotralascio 12 / 51

13 tratto E per parti { 9*13 2 f Takashi { 9kt ox feat sincx ) Tifiamo dxtfsxsrnu.tt } Io tralascio I intgwrpartiow f! In.FI! 13 / 51

14 . Ì = FI 6 cosa, da t ( 6 cosa! 2 = esercizio : completare il calcolo 14 / 51

15 15 / 51

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17 Prodotto di un polinomio per una funzione esponenziale. Sia P : R! R una funzione polinomiale esia 6= 0. Z P(x)e x dx. Applichiamo la formula di integrazione per parti con le scelte ( f 0 $ e x, g $ P(x), cioè integriamo la funzione esponenziale e deriviamo il polinomio. 17 / 51

18 .... Esempio I = Z 2 0 xe 2x dx scelte : :# : : E SI e " da fx.ge» ; = I fà lei " 18 / 51

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20 20 / 51

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23 Prodotto di un polinomio per una funzione iperbolica. Sia P : R! R una funzione polinomiale esia 6= 0: ed ax E e è Z b Z b P(x) sinh( x) dx e mia oppure P(x) cosh( x) dx a a ex Applichiamo la formula di integrazione per parti con le scelte ( f 0 $ sinh( x) (oppure f 0 $ cosh( x)) g $ P(x), cioè integriamo la funzione iperbolica e deriviamo il polinomio. 23 / 51

24 Prodotto di un polinomio per una funzione logaritmica. Sia P : R! R una funzione polinomiale esia 6= 0.Siano 0 < a < b : Z b a P(x) ln( x) dx. Applichiamo la formula di integrazione per parti con le scelte ( f 0 $ P(x), g $ ln( x), cioè integriamo il polinomio e deriviamo la funzione logaritmica. 24 / 51

25 Esempio I = f? I = Z 3 1 x ln(2x) dx? È # SEE f txt / garage È g EH = 1 e fè eog KAI, : = f È e Elogia xd! 25 / 51

26 26 / 51

27 27 / 51

28 se Esempio III. Z I = ln(x) dx iii. TÈ :{ È; = = ftp.zdxxxlogcxi + se log che e 28 / 51

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31 Prodotto di un polinomio per l arcotangente. Sia P : R! R una funzione polinomiale esia 6= 0. Z b a P(x) arctan( x) dx. Applichiamo la formula di integrazione per parti con le scelte ( f 0 $ P(x), g $ arctan( x), cioè integriamo il polinomio e deriviamo la funzione arcotangente. 31 / 51

32 % fi ariana da ]. Esempio E = = E. I = la y fa Z 1 0 x arctan(x) dx. Ha Scelte La g che a ràan ex ) ariana f. DI t f. { fa % 9 ' D; " " ]? I 32 / 51

33 =. 33 / 51

34 34 / 51

35 Integrazione per sostituzione Esempio Come integrare Z 1 Intuitivamente: ponendo 0 sin 2 (t)arctan(sin(t)) cos(t) dt?? x =sin(t), cioè t =arcsin(x), ottengo il termine x 2 arctan(x), che so come trattare (integrando per parti). Come diventa il termine cos(t) dt? come diventano gli estremi di integrazione? 35 / 51

36 La formula di integrazione per sostituzione ci dice come si trasforma l integrale dopo il cambiamento di variabile x = '(t), t = ' 1 (x) tramite una ' invertibile. ( prima : «sin HD Formula di integrazione per sostituzione Sia f :[a, b]! R una funzione continua esia x = '(t) un cambiamento di variabile tale che ' : I! R è invertibile e derivabile con derivata continua: ' 2 C 1 (I ). Allora Z b a f (x) dx = Z ' 1 (b) ' 1 (a) f ('(t))' 0 (t) dt. Vi è anche una versione per gli integrali indefiniti. 36 / 51

37 Dimostrazione: Sia F una primitiva di f.quindi Z b a f (x) dx = F (b) F (a). Per l ipotesi la funzione F ('(t)) è derivabile e vale (F ('(t))) 0 = F 0 ('(t)) ' 0 (t) =f ('(t)) ' 0 (t). Dunque Z ' 1 (b) ' 1 (a) Osservazione: f ('(t)) ' 0 (t) dt = Z ' 1 (b) ' 1 (a) (F ('(t))) 0 dt = F ('(' 1 (b))) F ('(' 1 (a))) = F (b) F (a) = Z b a f (x) dx integrazione per parti integrazione di un prodotto di funzioni la dimostrazione della formula di integ. per parti è basata su formula per la derivata del prodotto di funzioni integrazione per sostituzione integrazione tramite cambiamento di variabile la dimostrazione della formula di integ. per sostituzione è basata su formula per la derivata della composizione di funzioni 37 / 51

38 Struttura di Z b a f (x) dx = Xeqlt ) dedicata ) Z ' 1 (b) ' 1 (a) f ('(t))' 0 (t) dt = yllttdt f (x) f ('(t)) dx ' 0 (t) dt R b R ' 1 (b) a ' 1 (a) xvadafraaebx.cat t=9 allora ftvanafaàyaeè 1 38 / 51

39 G) Sabinia = Esempio iniziale I = Z 1 0 fai:b ' fatti àttiat sin 2 (t)arctan(sin(t)) cos(t) dt Passo da t a = sin IH _ e leggo # da essa sn flqltt ) = dx = l' sintttartanlsrnltt celttsrnlt ) ma fate Xzonàorncx ) lhdt costa dt. dx Qui ) 39 / 51

40 . tuona fra 0 e 1 X = sin la varia fra Simca e smisi I = fiim ' " xraràancxidx che poi si calcola per ponti 40 / 51

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42 . Strategia per integrare funzioni che contengono termini con radicali: e ettuare la sostituzione in modo da eliminare il radicale. Esempio 1 I = Z 2 Faccio la sostituzione 0 x p x +1 dx. 5 ETÀ se s' 1 A. " sostituisco la sua espressione in s sistemiamo il ds " Fai ds = DÀ = 12nF, da 42 / 51

43 Nds 2 % ; ds Se = s' 1 xetois ], E TÉELT, t ] 1=2 f? Nba : Ho zff.sjrsefff.fm 1 =. 43 / 51

44 44 / 51

45 45 / 51

46 46 / 51

47 Esempio 2 I = Z 1 0 s 3 e s2 ds. I. = fjs.se?dsdt=dist2sds=zgoisysds/*ie?sgfo ' tetdt 47 / 51

48 et = ( tè ) }.. 48 / 51

49 49 / 51

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51 51 / 51