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Calcolo integrale

Il calcolo integrale completa l'analisi affrontata nel triennio: l'integrale indefinito risponde alla domanda inversa rispetto alla derivazione (qual è la funzione di cui conosco la derivata?), mentre l'integrale definito misura una grandezza cumulata — anzitutto l'area sottesa a una curva — come limite di somme di Riemann. Il teorema fondamentale del calcolo integrale salda i due punti di vista, mostrando che derivazione e integrazione sono operazioni reciproche e fornendo, con la formula di Newton-Leibniz, lo strumento operativo per calcolare aree, volumi dei solidi di rotazione e, in forma di cenni, integrali impropri. È un argomento centrale dell'Esame di Stato, in particolare nella seconda prova del Liceo Scientifico.

4 sezioni·~22 min di lettura·3 competenze·Livello Standard 2 · Approfondimento 2·Verificato · 07/2026

T·101010 / 16
Profilo d’esame
Utilizzare l'integrale per calcolare aree, volumi e grandezze cumulate, modellizzando situazioni geometriche, fisiche ed economicheCollegare il calcolo differenziale e il calcolo integrale attraverso il teorema fondamentale del calcoloPadroneggiare le tecniche di integrazione (integrali immediati, per sostituzione, per parti) e interpretare l'integrale definito come limite di somme
Operatori:calcoladeterminadimostragiustificainterpretaspiegaillustraanalizza

livello base

In tutti gli indirizzi liceali si richiede la padronanza del significato dell'integrale, degli integrali immediati e del teorema fondamentale, con applicazioni al calcolo di aree semplici.

livello avanzato

Nel Liceo Scientifico (e nell'opzione Scienze Applicate) si approfondiscono i metodi di integrazione per sostituzione e per parti, i volumi dei solidi di rotazione e i cenni agli integrali impropri, spesso al centro della seconda prova.

Profondità

Profondità di lettura: Approfondimento

Testo

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Contenuti · 4 sezioni▾
  1. Calcolo integrale
    • 01Integrale indefinito e metodi di integrazione◐
    • 02Integrale definito e significato geometrico◐
    • 03Teorema fondamentale del calcolo integrale●
    • 04Applicazioni: aree, volumi e integrali impropri●
§ 01

Integrale indefinito e metodi di integrazione#

●●○StandardLPOSA-matematica-relazioni-e-funzioni — Primitiva e integrale indefinito; integrali immediati e metodi di integrazione (per sostituzione, per parti)

Mappa dei metodi di integrazione

Scelta del metodo di integrazioneGrafo, ∫ f(x) dx → Immediato, ∫ f(x) dx → Per sostituzione, ∫ f(x) dx → Per parti∫ f(x) dxImmediatoPer sostituzionePer partiforma notaf(g)·g'prodotto

Punti chiave

Il calcolo integrale nasce da una domanda inversa rispetto alla derivazione: data una funzione f, esiste una funzione F la cui derivata sia proprio f? Una tale F si chiama primitiva di f. Se F è una primitiva di f su un intervallo, allora anche F più una costante qualunque lo è, perché la derivata di una costante è nulla; viceversa due primitive della stessa funzione su un intervallo differiscono soltanto per una costante. L'insieme di tutte le primitive di f si chiama integrale indefinito di f e si scrive con il simbolo allungato dell'integrale seguito da f(x) dx, dove dx indica la variabile rispetto a cui si integra.
Gli integrali immediati si ottengono semplicemente leggendo «al contrario» la tabella delle derivate. Così l'integrale di una potenza x elevato a n (con n diverso da meno uno) è x elevato a n più uno diviso n più uno; l'integrale di uno su x è il logaritmo naturale del valore assoluto di x; l'integrale dell'esponenziale e elevato a x è ancora e elevato a x; gli integrali di seno e coseno si ricavano invertendo le rispettive derivate. La linearità dell'integrale — l'integrale di una somma è la somma degli integrali, e le costanti moltiplicative si portano fuori — permette di trattare ogni polinomio e molte combinazioni elementari.
Il metodo di integrazione per sostituzione è la lettura inversa della regola di derivazione delle funzioni composte. Si pone una nuova variabile t uguale a una parte dell'integranda, si calcola il differenziale dt e si riscrive interamente l'integrale nella nuova variabile; se la sostituzione è ben scelta, l'integrale in t diventa immediato e alla fine si ritorna alla variabile originaria. È efficace, ad esempio, quando nell'integranda compaiono una funzione e la sua derivata (a meno di costanti).
Il metodo di integrazione per parti è la lettura inversa della regola di derivazione del prodotto: l'integrale di f per la derivata di g è uguale al prodotto f per g meno l'integrale della derivata di f per g. Si applica quando l'integranda è il prodotto di due fattori di natura diversa, scegliendo come fattore da derivare quello che si semplifica derivando (tipicamente un polinomio) e come fattore da integrare quello che resta gestibile (un'esponenziale, un seno, un coseno). Una buona scelta dei due fattori riduce l'integrale a uno più semplice o immediato.
∫xn dx=xn+1n+1+c(n≠−1)\int x^{n}\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + c \qquad (n \neq -1)∫xndx=n+1xn+1​+c(n=−1)

Integrale di una potenza

Regola fondamentale per i polinomi: vale per ogni esponente reale diverso da meno uno; c è la costante di integrazione.

∫1x dx=ln⁡∣x∣+c\int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x| + c∫x1​dx=ln∣x∣+c

Caso n = -1

L'unico caso escluso dalla regola della potenza: la primitiva è il logaritmo naturale del valore assoluto di x.

∫f(g(x)) g′(x) dx=∫f(t) dtcon t=g(x)\int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(t)\,dt \quad \text{con } t = g(x)∫f(g(x))g′(x)dx=∫f(t)dtcon t=g(x)

Integrazione per sostituzione

Si pone t uguale a g(x), da cui dt uguale a g'(x) dx; l'integrale si riscrive nella nuova variabile.

∫f(x) g′(x) dx=f(x) g(x)−∫f′(x) g(x) dx\int f(x)\,g'(x)\,dx = f(x)\,g(x) - \int f'(x)\,g(x)\,dx∫f(x)g′(x)dx=f(x)g(x)−∫f′(x)g(x)dx

Integrazione per parti

Lettura inversa della derivata del prodotto: si deriva f e si integra g'; conviene quando f si semplifica derivando.

Esempio svolto

Integrazione per parti di un prodotto polinomio-esponenziale

Calcola l'integrale indefinito di x per e elevato a x rispetto a x.

  1. 01Scelta dei fattori

    Si pone f(x) uguale a x (si semplifica derivando) e g'(x) uguale a e elevato a x (immediato da integrare).

  2. 02Derivata e primitiva

    Si calcola la derivata di f e una primitiva di g'.

  3. 03Formula per parti

    Si applica la formula dell'integrazione per parti.

  4. 04Integrale residuo

    L'integrale residuo è immediato.

  5. 05Verifica

    Derivando il risultato si ritrova l'integranda: la derivata di (x meno uno) per e elevato a x è e elevato a x più (x meno uno) per e elevato a x, cioè x per e elevato a x.

Risultato: L'integrale vale (x meno uno) per e elevato a x più c, ossia x·e^x − e^x + c.

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: saper riconoscere a colpo d'occhio quale metodo applicare (immediato, sostituzione, per parti) è una competenza valutata sia nei quesiti sia nei problemi della seconda prova; motiva sempre la scelta del metodo.
  • Focus Esame di Stato: non dimenticare mai la costante additiva nell'integrale indefinito e ricordare il valore assoluto nell'integrale di uno su x — sono dettagli su cui le griglie di valutazione penalizzano.

Errori frequenti

  • Scrivere l'integrale di uno su x come logaritmo di x senza valore assoluto, oppure applicare la regola della potenza al caso n uguale a meno uno (dove invece compare il logaritmo).
  • Nell'integrazione per parti, scegliere come fattore da derivare quello sbagliato, ottenendo un integrale residuo più complicato di quello di partenza anziché più semplice.

Approfondimento

Due fondamenti dell'integrazione meritano la dimostrazione. Primo: due primitive di una stessa funzione su un intervallo differiscono per una costante. Se «F' = G' = f», la funzione «H = F − G» ha derivata «H' = f − f = 0» ovunque nell'intervallo; per un corollario del teorema di Lagrange, una funzione a derivata nulla su un intervallo è costante, perché presi due punti «H(x₂) − H(x₁) = H'(c)(x₂ − x₁) = 0». Dunque «F − G = costante», il che giustifica la costante additiva «+ C» dell'integrale indefinito. Secondo: la formula di integrazione per parti è la lettura inversa della regola del prodotto. Da «(f·g)' = f'g + fg'» si integra: «f·g = ∫ f'g dx + ∫ fg' dx», da cui «∫ f·g' dx = f·g − ∫ f'·g dx». Si sceglie come fattore da derivare, «f», quello che si semplifica derivando, tipicamente un polinomio, e come fattore da integrare, «g'», quello che resta gestibile: così l'integrale residuo diventa più semplice. Analogamente, l'integrazione per sostituzione è la regola della catena letta all'indietro, «∫ f(g(x))g'(x) dx = ∫ f(u) du» con «u = g(x)»; entrambi i metodi non sono trucchi ma inversioni sistematiche delle regole di derivazione.

Ripasso attivo

Calcola l'integrale indefinito di x per e elevato a x rispetto a x, utilizzando il metodo di integrazione per parti, e verifica il risultato per derivazione.

Richiamo attivo

Ricorda i punti chiave — poi rivela.

Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))

§ 02

Integrale definito e significato geometrico#

●●○StandardLPOSA-matematica-relazioni-e-funzioni — Integrale definito: definizione come limite di somme e significato geometrico; somme di Riemann

Punti chiave

L'integrale definito risponde a un problema antico: misurare l'area di una regione delimitata da una curva. Data una funzione continua e non negativa f su un intervallo chiuso da a a b, si divide l'intervallo in n parti e su ciascuna si costruisce un rettangolo, ottenendo una somma di aree di rettangoli — la somma di Riemann — che approssima l'area cercata. L'integrale definito è il limite di queste somme quando il numero delle suddivisioni tende all'infinito e l'ampiezza di ciascuna tende a zero.
Operativamente, scelta una suddivisione in n parti uguali di ampiezza delta x uguale a (b meno a) diviso n, si moltiplica il valore della funzione in un punto di ciascun sottointervallo per delta x e si sommano i contributi; al crescere di n l'approssimazione migliora. Per una funzione continua il limite esiste e non dipende dalla scelta dei punti campione: questo limite è, per definizione, l'integrale definito di f tra a e b. Geometricamente, per f non negativa, esso misura l'area compresa tra il grafico, l'asse x e le rette verticali x uguale ad a e x uguale a b (Fig. 2).

Area sottesa alla parabola y = x² su [0, 2]

Integrale definito come area sottesaGrafico di y = x^2, minimo in (0, 0), intercetta sull’asse y in y = 0, nell’intervallo x da -0.5 a 2.5−0.50.511.522.512345y = x2yx
Quando f assume valori negativi, l'integrale definito conta le aree con segno: i tratti in cui il grafico sta sopra l'asse x danno contributo positivo, quelli sotto contributo negativo. Per ottenere l'area geometrica effettiva (sempre positiva) occorre quindi integrare il valore assoluto della funzione, oppure spezzare l'intervallo nei tratti di segno costante e sommare i valori assoluti dei singoli integrali.
L'integrale definito gode di proprietà fondamentali: è lineare (l'integrale di una somma è la somma degli integrali, le costanti escono dal segno di integrale); è additivo rispetto all'intervallo (l'integrale da a a b più quello da b a c è uguale a quello da a a c); scambiando gli estremi cambia segno; sull'intervallo ridotto a un punto vale zero. Vale inoltre il teorema della media integrale: esiste almeno un punto interno in cui il valore della funzione coincide con il valor medio integrale, cioè l'integrale diviso per l'ampiezza dell'intervallo.
∫abf(x) dx=lim⁡n→+∞∑i=1nf(xi) Δx,Δx=b−an\int_{a}^{b} f(x)\,dx = \lim_{n \to +\infty} \sum_{i=1}^{n} f(x_i)\,\Delta x, \qquad \Delta x = \frac{b-a}{n}∫ab​f(x)dx=n→+∞lim​i=1∑n​f(xi​)Δx,Δx=nb−a​

Definizione come limite di somme

L'integrale definito è il limite delle somme di Riemann al tendere all'infinito del numero di suddivisioni.

∫abf(x) dx+∫bcf(x) dx=∫acf(x) dx\int_{a}^{b} f(x)\,dx + \int_{b}^{c} f(x)\,dx = \int_{a}^{c} f(x)\,dx∫ab​f(x)dx+∫bc​f(x)dx=∫ac​f(x)dx

Additività rispetto all'intervallo

L'integrale si spezza su intervalli consecutivi: utile quando la funzione cambia segno o espressione.

1b−a∫abf(x) dx=f(c)per qualche c∈(a,b)\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(x)\,dx = f(c) \quad \text{per qualche } c \in (a,b)b−a1​∫ab​f(x)dx=f(c)per qualche c∈(a,b)

Teorema della media integrale

Per f continua esiste un punto in cui il valore della funzione eguaglia il valor medio integrale.

Esempio svolto

Somma di Riemann e valore esatto

Stima l'area sottesa a y uguale a x al quadrato su [0, 2] con una somma di Riemann a 4 sottointervalli e punti di destra, poi confrontala con il valore esatto dell'integrale definito.

  1. 01Suddivisione

    Si divide [0, 2] in 4 parti uguali: l'ampiezza è 0,5 e i punti di destra sono 0,5; 1; 1,5; 2.

  2. 02Somma di Riemann

    Si sommano i valori della funzione nei punti di destra moltiplicati per delta x.

  3. 03Valore esatto

    Una primitiva di x al quadrato è x al cubo diviso 3; valutata tra 0 e 2 dà otto terzi.

  4. 04Confronto

    La somma a destra sovrastima l'area perché la funzione è crescente; otto terzi vale circa 2,67 contro 3,75 della stima.

Risultato: La somma di Riemann a destra dà 3,75 (sovrastima); il valore esatto dell'integrale è otto terzi, circa 2,67.

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: distinguere con chiarezza tra «integrale definito» (un numero, eventualmente negativo) e «area» (una grandezza geometrica sempre positiva, calcolata con il valore assoluto) è una distinzione frequentemente verificata.
  • Focus Esame di Stato: conoscere il significato della somma di Riemann e saperla collegare all'idea di limite è richiesto sia nei quesiti teorici sia nelle domande di giustificazione del colloquio.

Errori frequenti

  • Confondere il valore dell'integrale definito con l'area quando la funzione cambia segno: un integrale nullo non significa area nulla, ma compensazione tra parti positive e negative.
  • Dimenticare il fattore delta x nella somma di Riemann, sommando solo i valori della funzione e perdendo così le dimensioni di un'area.

Approfondimento

Il teorema della media integrale si dimostra combinando le proprietà dell'integrale con i teoremi sulle funzioni continue, e chiarisce il senso di valore medio. Sia «f» continua su «[a, b]»; per Weierstrass essa ammette minimo «m» e massimo «M» su tale intervallo, quindi «m ≤ f(x) ≤ M» per ogni «x». Integrando la disuguaglianza, poiché l'integrale conserva l'ordine, si ottiene «m(b − a) ≤ ∫ₐᵇ f(x) dx ≤ M(b − a)», e dividendo per «(b − a) > 0» risulta «m ≤ (1/(b − a))∫ₐᵇ f dx ≤ M». Il numero al centro, la media integrale «μ», è dunque compreso tra il minimo e il massimo di «f»; per il teorema dei valori intermedi esiste allora un punto «c ∈ [a, b]» in cui «f(c) = μ», cioè «∫ₐᵇ f(x) dx = f(c)·(b − a)». Geometricamente, l'area sotto la curva eguaglia quella del rettangolo di base «(b − a)» e altezza «f(c)»: esiste un'altezza media che pareggia i tratti in cui la curva sta sopra e sotto. Questo risultato è il passo decisivo nella dimostrazione del teorema fondamentale del calcolo, dove verrà applicato all'intervallo «[x, x + h]» per calcolare la derivata della funzione integrale.

Ripasso attivo

Stima l'area sottesa alla parabola y uguale a x al quadrato sull'intervallo da 0 a 2 mediante una somma di Riemann con 4 sottointervalli e punti campione di destra, poi confronta il risultato con il valore esatto dell'integrale definito.

Richiamo attivo

Ricorda i punti chiave — poi rivela.

Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))

§ 03

Teorema fondamentale del calcolo integrale#

●●●ApprofondimentoLPOSA-matematica-relazioni-e-funzioni — Teorema fondamentale del calcolo integrale e formula di Newton-Leibniz

La funzione integrale F(x) accumula l'area sotto y = sin x

Funzione integrale e teorema fondamentaleGrafico di y = sin x, zeri in x = 0, 3.142, massimo in (1.571, 1), intercetta sull’asse y in y = 0, nell’intervallo x da 0 a 3.50.511.522.533.5−0.20.20.40.60.811.2max in x = π/2y = sin xyx

Punti chiave

Il teorema fondamentale del calcolo integrale è il cuore dell'intero argomento: stabilisce che derivazione e integrazione sono operazioni l'una inversa dell'altra. La sua prima parte introduce la funzione integrale: fissato un estremo inferiore a, si considera la funzione che a ogni x associa l'integrale di f da a a x; questa funzione, indicata di solito con F maiuscola di x, misura l'area variabile sottesa al grafico fino al punto x.
La prima parte del teorema afferma che, se f è continua, la funzione integrale F è derivabile e la sua derivata è esattamente f: derivare l'area accumulata restituisce la funzione che la genera. In altre parole la funzione integrale è una primitiva di f. Questo risultato spiega perché l'integrale indefinito e l'integrale definito, apparentemente legati a problemi diversi (primitive da un lato, aree dall'altro), siano due facce dello stesso oggetto.
La seconda parte — la formula di Newton-Leibniz — è lo strumento di calcolo: per valutare l'integrale definito di f tra a e b basta trovare una qualsiasi primitiva F di f e calcolare la differenza tra il valore in b e il valore in a. Non occorre più passare per il limite delle somme di Riemann: il problema dell'area si riduce alla ricerca di una primitiva. È questa formula che rende il calcolo integrale uno strumento operativo e potente.
Dimostrare il teorema della media integrale e usarlo come passo per la prima parte è un'argomentazione classica: il rapporto incrementale della funzione integrale, per l'additività e per il teorema della media, coincide con il valore della funzione in un punto interno, e per continuità tende a f(x) quando l'incremento tende a zero. Da qui discende la formula di Newton-Leibniz applicando la differenza tra primitive.
F(x)=∫axf(t) dt  ⟹  F′(x)=f(x)F(x) = \int_{a}^{x} f(t)\,dt \;\Longrightarrow\; F'(x) = f(x)F(x)=∫ax​f(t)dt⟹F′(x)=f(x)

Prima parte (funzione integrale)

Per f continua, la funzione integrale è una primitiva di f: la sua derivata è la funzione stessa.

∫abf(x) dx=F(b)−F(a),F′(x)=f(x)\int_{a}^{b} f(x)\,dx = F(b) - F(a), \qquad F'(x) = f(x)∫ab​f(x)dx=F(b)−F(a),F′(x)=f(x)

Formula di Newton-Leibniz

L'integrale definito si calcola valutando una qualunque primitiva agli estremi e facendone la differenza.

Esempio svolto

Funzione integrale del seno e formula di Newton-Leibniz

Data F di x uguale all'integrale di sin t da 0 a x, determina F, calcola F primo e verifica che vale sin x; poi calcola l'integrale definito di sin x da 0 a pi greco.

  1. 01Primitiva del seno

    Una primitiva di sin t è meno cos t; valutata tra 0 e x dà la funzione integrale.

  2. 02Derivata di F

    Derivando F si ritrova l'integranda, come previsto dal teorema fondamentale.

  3. 03Integrale su [0, pi]

    Si applica Newton-Leibniz con la primitiva meno cos x.

  4. 04Risultato numerico

    La differenza vale 2: è l'area di una semionda di seno.

Risultato: F(x) = 1 − cos x, con F'(x) = sin x; l'integrale di sin x da 0 a pi greco vale 2.

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: la dimostrazione (o l'enunciato motivato) del teorema fondamentale e della formula di Newton-Leibniz è una richiesta ricorrente nei quesiti teorici e nel colloquio; saperla esporre con rigore vale punti nelle griglie.
  • Focus Esame di Stato: applicare correttamente la formula di Newton-Leibniz — trovare la primitiva e calcolare la differenza tra i valori agli estremi — è il calcolo di base di quasi ogni problema con integrali.

Errori frequenti

  • Confondere la funzione integrale (che dipende dall'estremo superiore variabile x) con il numero che si ottiene da un integrale definito su estremi fissi.
  • Nell'applicare Newton-Leibniz, invertire l'ordine della sottrazione (valore in a meno valore in b) ottenendo il risultato con segno sbagliato.

Approfondimento

La prima parte del teorema fondamentale merita la dimostrazione completa, perché è il perno che unisce derivazione e integrazione. Sia «f» continua e «F(x) = ∫ₐˣ f(t) dt» la funzione integrale. Se ne calcola la derivata dal rapporto incrementale: «[F(x + h) − F(x)]/h = (1/h)[∫ₐ^(x+h) f − ∫ₐˣ f] = (1/h)∫ₓ^(x+h) f(t) dt», per l'additività rispetto all'intervallo. Per il teorema della media integrale, esiste un punto «cₕ» compreso tra «x» e «x + h» tale che «(1/h)∫ₓ^(x+h) f(t) dt = f(cₕ)». Quando «h → 0», «cₕ» è schiacciato verso «x», e per la continuità di «f» si ha «f(cₕ) → f(x)». Dunque «F'(x) = lim_{h→0} f(cₕ) = f(x)»: la funzione integrale è una primitiva di «f». Da qui la formula di Newton-Leibniz: se «G» è una qualsiasi primitiva di «f», essa differisce da «F» per una costante, «G(x) = F(x) + k»; poiché «F(a) = 0», si ha «G(b) − G(a) = F(b) − F(a) = ∫ₐᵇ f», cioè «∫ₐᵇ f(x) dx = G(b) − G(a)». Il calcolo dell'area si riduce così alla ricerca di una primitiva, e le due anime del calcolo integrale — area e antiderivazione — si rivelano un unico oggetto.

Ripasso attivo

Considera la funzione integrale F di x definita come l'integrale di sin t da 0 a x. Determina la sua espressione esplicita, calcola la sua derivata e verifica che coincide con l'integranda; infine calcola l'integrale definito di sin x da 0 a pi greco.

Richiamo attivo

Ricorda i punti chiave — poi rivela.

Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))

§ 04

Applicazioni: aree, volumi e integrali impropri#

●●●ApprofondimentoLPOSA-matematica-relazioni-e-funzioni — Calcolo di aree, volumi dei solidi di rotazione (metodo dei dischi); integrali impropri (cenni)

Area tra le curve y = x e y = x² su [0, 1]

Area tra due curveGrafico di y = x, zeri in x = 0, intercetta sull’asse y in y = 0, crescente, nell’intervallo x da -0.2 a 1.3, Grafico di y = x^2, minimo in (0, 0), intercetta sull’asse y in y = 0, nell’intervallo x da -0.2 a 1.3−0.20.20.40.60.811.2−0.20.20.40.60.811.2y = xy = x2yx

Punti chiave

Le applicazioni del calcolo integrale traducono il significato di «grandezza cumulata» in problemi concreti. Il primo è l'area compresa tra due curve: se sull'intervallo da a a b la curva di equazione y uguale a f(x) sta sopra quella di equazione y uguale a g(x), l'area racchiusa è l'integrale della differenza f meno g tra a e b. È fondamentale individuare prima gli estremi di integrazione (gli ascisse dei punti di intersezione) e stabilire quale funzione sia la maggiore nell'intervallo considerato (Fig. 5).
Il secondo grande problema è il volume dei solidi di rotazione. Facendo ruotare attorno all'asse x la regione sottesa al grafico di una funzione f non negativa tra a e b, si genera un solido che può essere immaginato come un'impilatura di sottili dischi; ciascun disco ha raggio f(x) e spessore dx, quindi volume pi greco per f(x) al quadrato per dx. Sommando tutti i dischi — cioè integrando — si ottiene il volume come pi greco per l'integrale del quadrato di f tra a e b. È il metodo dei dischi, che permette di ritrovare per via analitica i volumi noti del cono, della sfera e del paraboloide.
Il terzo tema, presentato come cenno, è quello degli integrali impropri: si estende la nozione di integrale ai casi in cui l'intervallo di integrazione è illimitato (per esempio da 1 a più infinito) oppure la funzione è illimitata in un estremo. In questi casi l'integrale si definisce come limite di un integrale «ordinario» quando l'estremo tende all'infinito o al punto di singolarità: se il limite esiste finito l'integrale improprio converge, altrimenti diverge.
L'esempio archetipico è l'integrale di uno su x al quadrato da 1 a più infinito: l'area sotto la curva, pur estendendosi all'infinito, è finita e vale 1; al contrario l'integrale di uno su x sullo stesso intervallo diverge. Il confronto tra questi due casi mostra che la convergenza dipende dalla rapidità con cui la funzione tende a zero, un'idea che apre la strada allo studio delle serie e dei modelli in cui una grandezza «totale» resta finita pur su un dominio illimitato.
A=∫ab[f(x)−g(x)] dx(f≥g su [a,b])A = \int_{a}^{b} \big[f(x) - g(x)\big]\,dx \quad (f \ge g \text{ su } [a,b])A=∫ab​[f(x)−g(x)]dx(f≥g su [a,b])

Area tra due curve

Si integra la differenza tra la funzione superiore e quella inferiore, tra le ascisse di intersezione.

V=π∫ab[f(x)]2 dxV = \pi \int_{a}^{b} \big[f(x)\big]^{2}\,dxV=π∫ab​[f(x)]2dx

Volume del solido di rotazione (dischi)

Rotazione attorno all'asse x: ogni disco ha raggio f(x) e volume pi greco f(x)^2 dx.

∫1+∞1x2 dx=lim⁡t→+∞[−1x]1t=1\int_{1}^{+\infty} \frac{1}{x^{2}}\,dx = \lim_{t \to +\infty} \left[-\frac{1}{x}\right]_{1}^{t} = 1∫1+∞​x21​dx=t→+∞lim​[−x1​]1t​=1

Integrale improprio convergente

Area finita su un dominio illimitato: il limite esiste finito, quindi l'integrale converge.

Esempio svolto

Area tra due curve e volume di un solido di rotazione

Calcola l'area tra y uguale a x e y uguale a x al quadrato, poi il volume del solido generato dalla rotazione attorno all'asse x della regione sottesa a y uguale alla radice di x su [0, 4].

  1. 01Intersezioni

    Si risolve x uguale a x al quadrato: le soluzioni sono 0 e 1, estremi di integrazione.

  2. 02Funzione superiore

    Su (0, 1) la retta y uguale a x sta sopra la parabola y uguale a x al quadrato.

  3. 03Calcolo dell'area

    Si integra la differenza tra retta e parabola.

  4. 04Volume con il metodo dei dischi

    Il raggio è radice di x, quindi il quadrato del raggio è x; si integra tra 0 e 4.

Risultato: L'area tra le due curve è un sesto; il volume del solido di rotazione è 8 pi greco (circa 25,13).

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: il calcolo dell'area tra due curve e del volume di un solido di rotazione con il metodo dei dischi è tra i compiti più frequenti della seconda prova del Liceo Scientifico; cura la determinazione degli estremi e l'ordine delle funzioni.
  • Focus Esame di Stato: riconoscere quando un integrale è improprio e impostarne il calcolo come limite è valutato nei quesiti più avanzati; ricorda che è richiesto come «cenno», quindi su casi semplici e ben posti.

Errori frequenti

  • Calcolare l'area tra due curve come differenza degli integrali senza prima stabilire quale funzione sia la maggiore, ottenendo un'area negativa o sbagliata.
  • Nel metodo dei dischi, dimenticare di elevare al quadrato il raggio f(x) oppure omettere il fattore pi greco, perdendo il significato di volume.

Approfondimento

Il metodo dei dischi non è una formula da memorizzare ma il limite di una somma di Riemann tridimensionale, e permette di ritrovare per via analitica i volumi noti. Ruotando attorno all'asse «x» la regione sotto il grafico di «f ≥ 0» tra «a» e «b», si affetta il solido con piani perpendicolari all'asse: ogni fetta di spessore «Δx» è approssimata da un cilindretto, o disco, di raggio «f(x)» e altezza «Δx», dunque di volume «π f(x)²·Δx». Sommando i dischi e passando al limite si ottiene «V = π ∫ₐᵇ f(x)² dx». Applichiamolo alla sfera di raggio «r», generata dalla rotazione del semicerchio «f(x) = √(r² − x²)» tra «−r» e «r»: «V = π ∫₋ᵣʳ (r² − x²) dx = π [r²x − x³/3]₋ᵣʳ = π(2r³ − 2r³/3) = (4/3)π r³», la celebre formula, finalmente dimostrata e non solo enunciata. Lo stesso metodo dà i volumi del cono e del paraboloide. Quanto agli integrali impropri, il confronto tra «∫₁^(+∞) dx/x² = 1», convergente, e «∫₁^(+∞) dx/x = +∞», divergente, mostra che un'area su dominio illimitato è finita solo se la funzione tende a zero abbastanza rapidamente: è la stessa soglia che governerà la convergenza delle serie.

Ripasso attivo

Determina l'area della regione di piano compresa tra le curve y uguale a x e y uguale a x al quadrato; poi calcola il volume del solido ottenuto dalla rotazione attorno all'asse x della regione sottesa a y uguale alla radice di x sull'intervallo da 0 a 4.

Richiamo attivo

Ricorda i punti chiave — poi rivela.

Fonti: Esame di Stato del secondo ciclo — quadri di riferimento e griglie di valutazione (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))

Contenuti

Sezione -- / 04

    • 01Integrale indefinito e metodi di integrazione◐
    • 02Integrale definito e significato geometrico◐
    • 03Teorema fondamentale del calcolo integrale●
    • 04Applicazioni: aree, volumi e integrali impropri●

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Dagli appunti all'allenamento

Calcolo integrale

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~22
min
3
Competenze
Esercitati

Riferimenti e fonti

Fonti

Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM)

  • Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento
  • Esame di Stato del secondo ciclo — quadri di riferimento e griglie di valutazione

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