Integrali dipendenti da un parametro e derivazione sotto il segno di integrale.

Documenti analoghi
Integrali in senso generalizzato

1 Integrale delle funzioni a scala

Integrali impropri in R

Integrale Improprio. f(x) dx =: Osserviamo che questa definizione ha senso dal momento che per ogni y è ben definito l integrale b

Integrale di Riemann

f(x) f(x 0 ) lim (x) := f(x) f(x 0)

INTEGRALI IMPROPRI. f(x) dx. e la funzione f(x) si dice integrabile in senso improprio su (a, b]. Se tale limite esiste ma

Esercizi svolti Limiti. Prof. Chirizzi Marco.

1 b a. f(x) dx. Osservazione 1.2. Se indichiamo con µ il valore medio di f su [a, b], abbiamo che. f(x) dx = µ(b a) =

Dimostrazione del teorema di Gauss Green nel piano

S D f = M k (f)(x k x k 1 ). k=1. Dalla definizione discende immediatamente che SD f S D f per ogni

FUNZIONI CONTINUE A TRATTI E LORO INTEGRALI

Pietro Baldi Successioni e serie di funzioni. 1 Convergenza puntuale

CALCOLARE L AREA DI UNA REGIONE PIANA

Teorema fondamentale del calcolo integrale

Serie di Potenze. Introduciamo il concetto di convergenza puntuale ed uniforme per successioni. { 0 se 1 < x < 1

Introduzione al calcolo integrale

Integrali impropri di funzioni di una variabile

1 Integrali generalizzati su intervalli illimitati

IL LEMMA DI RICOPRIMENTO DI VITALI IL TEOREMA DI LEBESGUE-BESICOVITCH

ANALISI REALE E COMPLESSA a.a

Appunti di calcolo integrale

7. Derivate Definizione 1

L integrale di Riemann

L integrale di Mengoli Cauchy e il teorema fondamentale del calcolo integrale

Elenco dei teoremi dimostrati a lezione

Il lemma di ricoprimento di Vitali

Successioni di Funzioni e Serie di Potenze

11. Rango di una matrice.

26/03/2012. Integrale Definito. Calcolo delle Aree. Appunti di analisi matematica: Il concetto d integrale nasce per risolvere due classi di problemi:

Successioni di Funzioni e Serie di Potenze

Università degli Studi di Palermo Facoltà di Economia. Dipartimento di Scienze Economiche, Aziendali e Statistiche. Appunti del corso di Matematica

Un polinomio trigonometrico di grado N nell intervallo [ π, π] è una funzione g(x), periodica di periodo 2π, della forma. c n e inx.

Integrali. Il concetto di integrale nasce per risolvere due classi di problemi:

1 Integrali doppi di funzioni a scala su rettangoli

IL CONTRIBUTO DEI GRECI. A = b. h. Parallelogramma h. h b

11. Rango di una matrice.

Capitolo 5. Integrali. 5.1 Integrali di funzioni a gradinata

ORDINAMENTO 2002 SESSIONE STRAORDINARIA - QUESITI QUESITO 1

Integrali. Il concetto di integrale nasce per risolvere due classi di problemi:

INTEGRALI IMPROPRI. c Paola Gervasio - Analisi Matematica 1 - A.A. 16/17 Integrali impropri cap10.pdf 1

Successioni di Funzioni e Serie di Potenze 1

AM210: Esercizi 2. + e x sin x dx 6. x log 3 x 9. dx

Tutorato di analisi 1

" Osservazione. 6.1 Integrale indefinito. R Definizione (Primitiva) E Esempio 6.1 CAPITOLO 6

Definizione (primitiva, integrale indefinito). Data una funzione f diremo che una funzione F è una primitiva di f se

Corso di Laurea in Ingegneria Civile ed Ambientale Prima prova scritta di Analisi Matematica 1 del 10/01/2011 A

INTEGRALI IMPROPRI. c Paola Gervasio - Analisi Matematica 1 - A.A. 17/18 Integrali impropri cap10.pdf 1

1 Teoria dell integrazione di Riemann

Integrazione numerica. I(f) := Non sempre si riesce a trovare la forma esplicita della primitiva.

, x 2. , x 3. è un equazione nella quale le incognite appaiono solo con esponente 1, ossia del tipo:

ANALISI 1 1 VENTIDUESIMA LEZIONE Integrali impropri

Integrali de niti. Il problema del calcolo di aree ci porterà alla de nizione di integrale de nito.

Campi. Una funzione F di n variabili reali e a valori in R n è detta campo di vettori. Nel seguito considereremo F : A R n con A aperto di R n.

Integrali definiti (nel senso di Riemann)

Trasformate di Laplace nel campo reale

DISPENSE DI ANALISI MATEMATICA. Indice

1 Il problema del calcolo dell area di una regione piana limitata

Diremo partizione di I ogni sottoinsieme finito P di I comprendente gli estremi a e b. Supponiamo f limitata. [x i 1,x i ] (x i x i 1 ) sup f, i=1

Anno 5. Applicazione del calcolo degli integrali definiti

CORSO DI CALCOLO E BIOSTATISTICA. A.A APPUNTI SUGLI INTEGRALI

Osserviamo che per trovare le costanti A e B possiamo anche ragionare così: se moltiplichiamo l equazione x + 1 (x + 2)(x + 3) = A.

Curve e integrali curvilinei

Calcolo Integrale. Avviso. Integrazione analitica. Proprietà dell integrale

a cura di Luca Cabibbo e Walter Didimo

1 Definizione di integrale di Riemann 1. 2 Condizioni di esistenza dell integrale di Riemann 3. 3 Proprietà dell integrale di Riemann 4

0.1 Teorema di Lax-Milgram

Verica di Matematica su Integrale Denito, Integrazione Numerica e calcolo di aree [1]

Matematica generale CTF

Integrale Definito. Appunti di analisi matematica: Il concetto d integrale nasce per risolvere due classi di problemi: Integrale Definito

b a 2. Il candidato spieghi, avvalendosi di un esempio, il teorema del valor medio.

Corso di Analisi Matematica. Calcolo integrale

Calcolo integrale per funzioni di una variabile

Capitolo 2. Il problema del calcolo delle aree

Politecnico di Milano Corso di Analisi e Geometria 1. Federico Lastaria

Il problema delle aree. Metodo di esaustione.

Integrale Definito. Appunti di analisi matematica: Il concetto d integrale nasce per risolvere due classi di problemi: Integrale Definito

14 - Integrazione numerica

Osservazioni varie su primitive e integrali

TEST DI MATEMATICA. Funzioni in una, Funzioni in due variabili Integrali Equazioni differenziali. 1) Il valore del limite seguente. e e. e 1.

si definisce Funzione Integrale; si chiama funzione integrale in quanto il suo * x

Integrazione definita

Note del corso di Laboratorio di Programmazione e Calcolo: Integrazione numerica

INTEGRAZIONE NUMERICA

CURVE NELLO SPAZIO LORENZO BRASCO. x i. i=1

PNI SESSIONE SUPPLETIVA QUESITO 1

Esercizi di Informatica Teorica Pumping lemma e proprietà di


Erasmo Modica. : K K K

1 Integrazione generalizzata

Moto in due dimensioni

INTEGRALI IMPROPRI. C.d.L in Fisica Lecce, a.a. 2014/ Le definizioni... pag Criteri di integrabilità... pag Esercizi... pag.

In questo capitolo svilupperemo la teoria dell integrazione secondo Riemann per funzioni di una variabile reale.

Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2016/2017 Esercizi su spazi di funzioni, convergenza uniforme

Politecnico di Milano Corso di Analisi e Geometria 1. Federico Lastaria

CAPITOLO 13 INTEGRAZIONE SECONDO RIEMANN PER FUNZIONI REALI (COMPLESSE) DI UNA VARIABILE REALE. 1.L integrale di Riemann.

Analisi 2. Roberto Monti. Appunti del Corso - Versione del 20 Aprile 2011

7 Simulazione di prova d Esame di Stato

5 2d x x >12. con a, b, c e d parametri reali. Il grafico di f (x) passa per l origine del sistema di riferimento

II-8 Integrale di Riemann

Transcript:

1 Integrli dipendenti d un prmetro e derivzione sotto il segno di integrle. Considerimo l funzione f(x, t) : A [, b] R definit nel rettngolo A [, b], essendo A un sottoinsieme perto di R e [, b] un intervllo chiuso e itto. Fissto x A, se l funzione f(x, ) : [, b] R dell sol vribile t fosse integrbile secondo Riemnn in [, b], llor vrebbe senso il seguente integrle: f(x, t) dt e quindi, l vrire di x in A, risulterebbe definit l seguente funzione: F (x) f(x, t) dt : A R. Noi, nel corso di quest trttzione, supporremo che l funzione f(x, t) si continu (nel complesso delle due vribili) in A [, b]. Quest è un ipotesi forte che semplificherà lqunto le dimostrzioni, m si può richiedere qulcos meno ll funzione f(x, t) e continuno vlere i risultti che tr poco otterremo. Siccome uno degli scopi è trovre un formul che ci permett di clcolre l derivt dell funzione F (x), risult essenzile vedere sotto qule condizione l funzione F (x) risult lmeno continu. Pertnto comincimo con un lemm che ci permetterà di sserire che l funzione F (x) è continu in A, sotto l sol ipotesi di continuità dell f(x, t). Lemm.1 Si f(x, t) : A [, b] R continu in A [, b], llor l funzione: è continu in A. Dimostrzione. F (x) Si x A. Provimo che: f(x, t) dt : A R F (x) F (x ), x x ossi, grzie d un noto teorem di nlisi 1 ) provimo che, per ogni successione {x n } A, si h: Notimo che provre l tesi, equivle provre: n F (x n) F (x ). n F (x n) F (x ) n f(x n, t) dt f(x, t) dt. Un ttimo di riflessione per dire che l tesi ltro non è che un pssggio l ite sotto il segno di integrle per l successione di funzioni φ n (t) f(x n, t) : [, b] R. Sppimo che ciò è grntito se l successione di funzioni φ n (t) è convergente uniformemente verso φ(t) f(x, t). Scopo del proseguo dell dimostrzione è, pertnto, provre questo ftto, ossi provre che: per ogni ε > esiste ν ν(ε) N tle che: ϕ n (t) ϕ(t) f(x n, t) f(x, t) < ε per ogni t [, b] (1) 1 Fissimo, d rbitrio, ε >. Teorem.1 Si f(x) : X R. Condizione necessri e sufficiente ffinché f(x) si continu in x X è che per ogni successione {x n} X convergente verso x, l successione numeric {f(x n)} converge verso f(x ). Dimostrzione. Provre!!!

2 Dl ftto che A è un perto di R, esiste un intorno (chiuso) di x tutto contenuto in A, cioé esiste σ > tle che: [x σ, x + σ] A. Si {x n } un successione di elementi di A convergente verso x. Senz perdit di generlità, possimo supporre che tle successione si contenut in questo intorno di x, cioé x n [x σ, x + σ], per ogni n N (osserv che eventulmente solo un numero finito di termini dell successione strebbero fuori d [x σ, x + σ], proprio per l convergenz dell stess verso x ). Considerimo il seguente rettngolo di R 2 : [x σ, x + σ] [, b] A [, b] Tle insieme è ovvimente un insieme chiuso e itto di R 2. Considerimo l restrizione dell funzione f(x, t) : R. Ess, essendo un funzione continu definit su un insieme chiuso e itto, grzie l teorem di Cntor, è uniformemente continu in, e quindi in corrispondenz l fissto ε >, esiste δ δ(ε) > ( e si può scegliere pure δ < σ), tle che : f(x, t ) f(x, t ) < ε se (x, t ), (x, t ), d R 2((x, t ), (x, t )) (x x ) 2 + (t t ) 2 < δ. (2) Per l convergenz di {x n } verso x, in corrispondenz δ > (sorto dll convergenz uniforme), esiste un indice ν N tle che: x n x < δ per ogni n > ν. (3) Provimo l tesi con l indice ν d determinre ugule ν. Si n > ν, llor i punti (x n, t), (x, t) sono tli che pprtengono (fcile verific) e inoltre: d R 2((x n, t), (x, t)) (x n x ) 2 + (t t) 2 x n x < (grzie (3)) < δ per ogni t [, b], m llor, si può pplicre l (2), con (x, t ) (x n, t) e (x, t ) (x, t), ottenendo: f(x n, t) f(x, t) < ε per ogni t [, b] che è l (1); quindi vle il teorem di pssggio l ite sotto il segno di integrle e quindi l tesi. Anzicché trovre un formul per l sol derivt di F (x), cerchimo un formul per un funzione che è più generle rispetto F (x). Si f(x, t) : A [, b] R un funzione continu in A [, b] e sino x A e, z ], b[ (supporremo sempre, per fcilità, che < z < b), llor h senso considerre: Si viene così costruire un funzione di tre vribili: Vle il seguente: φ(x,, z) f(x, t) dt R f(x, t) dt : A ], b[ ], b[ R Teorem.2 Si f(x, t) : A [, b] R un funzione continu in A [, b]. Allor: i) L funzione φ(x,, z) f(x, t) dt : A ], b[ ], b[ R è continu in A ], b[ ], b[. ii) Per ogni x A esistono le derivte przili dell funzione φ(x,, z) rispetto e z e vlgono: (x,, z) f(x, ) (x,, z) f(x, z) per ogni x A e per ogni, z ], b[ z iii) Se per ogni (x, t) A ], b[, esiste f (x, t) ed è continu in A ], b[, llor vle l seguente formul di derivzione sotto il segno di integrle: z f (x,, z) f(x, t) dt (x, t) dt

3 Dimostrzione. Sino x A,, z ], b[ e sino x n, n, z n tre successioni tli che x n x, n, z n z. Proveremo che φ(x n, n, z n ) φ(x,, z ). Poiché A e ], b[ sono insiemi perti, llor per qunto osservto, si può supporre che, per qulche σ >, x n ]x σ, x +σ[ e n, z n ], b[, per ogni n N. Considerimo il rettngolo [x σ, x + σ] [, b]. Poiché f(x, t) : A [, b] è continu, in prticolre srà continu nel rettngolo, che è un insieme chiuso e itto, dunque per il teorem di Weierstrss, l funzione f(x, t) mmette mssimo ssoluto in. Si M > mx f(x, t). Considerimo l quntità: n φ(x n, n, z n ) φ(x,, z ) f(x n, t) dt f(x, t) dt (utilizzndo l proprietà di dditività) n n f(x n, t) dt + f(x n, t) dt + f(x n, t) dt f(x, t) dt n z n zn f(x n, t) dt + z f(x n, t) dt + f(x n, t) f(x, t) dt (4) z M, poiché f(x n, t) < M per ogni n N (in qunto (x n, t) ), si h: n n f(x n, t) dt < M dt M n e nlogmente si prov: zn f(x n, t) dt < M z n z z pertnto, qundo fccimo tendere n, i primi due integrli dell ultimo membro dell (4) tendono zero, così come, grzie l lemm precedente, nche il terzo integrle dell (4) tende zero, per cui l i) è provt. Per ogni, z ], b[ e per ogni x A, considert l funzione di un sol vribile: ζ(z) φ(x,, z) per il teorem di Torricelli si ottiene: per cui nche l ii) è provt. f(x, t) dt e ι() φ(x,, z ) z (x,, z ) ζ (z ) f(x, z ) e f(x, t) dt (x,, z ) ι ( ) f(x, ) Si (x,, z ) A ], b[ ], b[. Occorre provre che per ogni ε > esiste δ > tle che per ogni x A con x x < δ, risult: φ(x,, z ) φ(x,, z ) f(x, t) x x < ε z f(x, t) dt, Fissimo ε >. Poiché x A e A è perto, llor esiste un intorno di x tle che [x, σ, x o + σ] A. Considerto il rettngolo [x, σ, x o + σ] [, z ], per il teorem di Cntor sull uniforme continuità, considerndo, senz perdit di generlità, < z, segue che in corrispondenz ε z >, esiste un δ > (possimo, ovvimente, supporre che δ < σ) tle che: f(x, t ) f(x, t ε ) < per ogni (x, t ), (x, t ) con d R 2((x, t ), (x, t )) < z δ (5) Provimo l tesi con δ δ. Si x [x σ, x + σ] e tle che x x < δ. Osservimo che il rpporto incrementle di phi(x,, z ) ) si scrive: φ(x,, z ) φ(x,, z ) f(x, t) dt f(x, t) dt f(x, t) f(x, t) dt (6) x x x x x x Fissto t [, b], grzie l teorem del vlore medio di Lgrnge pplicto ll funzione ϕ(x) f(x, t) : [x, x] R (per semplicità stimo supponendo che x x), si h: f(x, t) f(x, t) f(ξ, t) x x dove ξ ]x, x[ per ogni t [, b] (7)

4 Poiché (x ξ) 2 + (t t) 2 x ξ x x < δ, vle l (5) con (x, t ) (ξ, t) e (x, t ) (x, t), pertnto, d (6) e (7), risult: φ(x,, z ) φ(x,, z ) f(x, t) z x x f(ξ, t) f(x, t) dt < ε dt ε per ogni t [, b] z che è l tesi. Dl teorem precedente e dl teorem sull derivbilità delle funzioni composte, discende il seguente: Corollrio.1 Si f(x, t) : A [, b] R continu nel suo insieme di definizione. Supponimo che esist e si continu in A ], b[. Sino α(x), β(x) : A R derivbili in A e tli che α(x), β(x) ], b[ per ogni x A, llor l funzione: risult derivbile e si h per ogni x A: ϕ (x ) β(x) α(x ) ϕ(x) β(x) α(x) f(x, t) f(x, t) dt : A R dt + f(x, β(x )) f(x, α(x )) Gli esempi che seguirnno mostrernno che se non sono verificte tutte le ipotesi dei precedenti teoremi, può cpitre che mnchi l continuità dell F (x) oppure l derivbilità di F (x). Esempio.1 Si f(x, t) : [, 1] [, 1] R così definit: x t f(x, t) se t < x se x t 1 Proveremo che l funzione F (x) non è continu pur essendo l funzione f(x, t) continu rispetto ll vribile (di integrzione) t. f(x, t) f(x, t) x t f(x, t) x t x f(x, t) x+t f(x, t) x+t f(x, t) Grfico del dominio di f(x, t) Si x [, 1], llor l funzione dell sol vribile t: x t f(x, t) se t < x : [, 1] R se x t 1 è continu. Si t [, 1] \ {}, llor l funzione dell sol vribile x: x t f(x, t ) se < t < x : [, 1] R se x t 1

5 è continu, mentre per t : { 1 se < x f(x, ) x : [, 1] R se x vi è un discontinuità in x. Dunque f(x, t) non è continu in (, ). Considerimo: F (x) f(x, t) dt : [, 1] R (osservimo che tle integrle h senso essendo f(x, t) un funzione continu rispetto ll vribile t). Si x [, 1] \ {} llor: mentre F (x ) f(x, t) dt 2 [ x x t 1 ] [ ] t x 1 ( f(x, t) dt 2 dt + dt 2 x x t t2 2 2 1 1 ) 1 t 2 F () dunque l funzione F (x) non è continu in x. f(, t) dt dt Esempio.2 Si f(x, t) : [ 1 4, 1 4 ] [, 1] R così definit: t se t < x f(x, t) t + 2 x se x t < 2 x se 2 x t 1; t < se x, f(x, t) f( x, t) se x < Mostreremo che l funzione f(x, t) è continu, mentre non è continu il segno di integrle. e che non vle l formul di derivzione sotto f(x, t) f(x, t) t + 2 x A 3 f(x, t) t + 2 x A 4 A 2 f(x, t) t A 5 A 1 f(x, t) t x A 6 f(x, t) Grfico del dominio di f(x, t) Il punto dove sembrerebbe esserci qulche problem per l continuità di f(x, t) è l origine (, ). Dividendo l insieme di definizione [ 1 4, 1 4 ] [, 1] nei sei sottoinsiemi dove vi è cmbio di legge: A 1, A 6, notimo che (, ) è di ccumulzione per ognuno dei sottoinsiemi. Provimo l continuità di f(x, t) per esempio nel sottoinsieme A 2. Risult: f(x, t) f(, ) t + 2 x se (x, t) (, )

6 Per ogni (x, t) ] 1 4, 1 4 [ ] 1, 1[, si h: se < t < x 1 x se x < t < 2 x se 2 x < t < 1; < t < se x, f( x, t) se x < Risult f(, t) per ogni t [, 1]. Inftti: f(x, t ) f(, t ) x x t > f(x, t ) x x t > f(x, ) f(, ) x x t f(x, t ) f(, t ) x x t < x x (poiché d un certo punto x < t2 4 ) t > x x t x x t < Si, desso x >, llor: x 2 x F (x ) f(x, t) dt dt + t dt + ( t + 2 [ t 2 x ) dt + dt x 2 ] t x [ ] t2 + t2 x 2 + 2 x ) t x t x Ripetendo qunto sopr clcolto, si mostr che è nche per x <, si h F (x) x. Bnlmente per x si h F (), dunque F (x) x per ogni x [ 1 4, 1 4 ] e quindi F (x) 1 per ogni x ] 1 4, 1 4 [. M, poiché: f(, t) dt dt si h: 1 F () f(, t) f(, t) dt dt dunque non vle l formul di derivzione sotto il segno di integrle. Finor bbimo supposto che l intervllo [, b] fosse itto. Se considerimo un intervllo ilitto llor può ccdere che i risultti dei precedenti teoremi non vlgono più, bisogn cioé fre nuove ipotesi sull funzione f(x, t). Definizione.1 Diremo che γ(t) è sommbile in un insieme I se è integrbile in ogni insieme chiuso e itto di I e γ(t) è integrbile in senso generlizzto ( integrle improprio o di funzione generlmente continu) Vlgono i seguenti risultti: Teorem.3 Si f(x, t) : A I R (essendo I un intervllo nche ilitto) un funzione continu. Supponimo che esist un funzione sommbile in I, γ(t), tle che: f(x, t) γ(t) per ogni x A e per ogni t I llor l funzione: è continu in A. F (x) f(x, t) dt : A R I Vle l seguente formul di derivzione sotto il segno di integrle: Teorem.4 Si f(x, t) : A I R (essendo I un intervllo nche ilitto) un funzione continu. Supponimo che esist e si continu in A I. Supponimo, infine, che esist un funzione sommbile in I, γ(t), tle che: γ(t) per ogni x A e per ogni t I llor si h: F (x) f(x, t) dt dt I I