Per calcolare un integrale definito senza sommare davvero infiniti rettangolini, l’idea geniale è cercare una funzione FF la cui derivata sia ff: la primitiva. La somma dei differenziali dFdF da aa a bb non è altro che l’aumento totale di FF, cioè F(b)F(a)F(b)-F(a). Questo legame — il cuore del teorema fondamentale del calcolo — trasforma un integrale in una sottrazione.

To compute a definite integral without really summing infinitely many little rectangles, the brilliant idea is to look for a function FF whose derivative is ff: the antiderivative. The sum of the differentials dFdF from aa to bb is nothing but the total increase of FF, that is F(b)F(a)F(b)-F(a). This link — the heart of the fundamental theorem of calculus — turns an integral into a subtraction.

Per calcolare l’integrale definito, l’idea geniale è: supponiamo di aver trovato una funzione F(x)F(x) la cui derivata è f(x)f(x), cioè F(x)=f(x)F'(x) = f(x). In tal caso il differenziale di FF è dF=F(x)dx=f(x)dx.dF = F'(x)\,dx = f(x)\,dx. Ma f(x)dxf(x)\,dx è esattamente il “pezzettino” che stiamo sommando nell’integrale! Dunque:

abf(x)dx=x=ax=bdF=F(b)F(a).\int_a^b f(x)\,dx = \sum_{x=a}^{x=b} dF = F(b) - F(a).

La somma di tutti i pezzettini dFdF da aa a bb non è altro che l’aumento totale di FF: cioè il valore finale F(b)F(b) meno il valore iniziale F(a)F(a). È questo il legame — noto come teorema fondamentale del calcolo — che rende l’integrale calcolabile.

Definizione — Primitiva

F(x)F(x) si dice primitiva di f(x)f(x) se F(x)=f(x)F'(x) = f(x). Si scrive: P(f)=F    F=f.\mathcal{P}(f) = F \iff F' = f. La primitiva è l’operazione inversa della derivata: se derivare FFff, trovare la primitiva di ffFF.

Collegamenti

Argomenti: Integrale
Concetti: Differenziale · Integrale definito · Primitiva · Teorema fondamentale del calcolo
Competenze: Integrare

To compute the definite integral, the brilliant idea is: suppose we have found a function F(x)F(x) whose derivative is f(x)f(x), that is F(x)=f(x)F'(x) = f(x). In that case the differential of FF is dF=F(x)dx=f(x)dx.dF = F'(x)\,dx = f(x)\,dx. But f(x)dxf(x)\,dx is exactly the “little piece” we are summing in the integral! Hence:

abf(x)dx=x=ax=bdF=F(b)F(a).\int_a^b f(x)\,dx = \sum_{x=a}^{x=b} dF = F(b) - F(a).

The sum of all the little pieces dFdF from aa to bb is nothing but the total increase of FF: that is, the final value F(b)F(b) minus the initial value F(a)F(a). It is this link — known as the fundamental theorem of calculus — that makes the integral computable.

Definition — Antiderivative

F(x)F(x) is called an antiderivative of f(x)f(x) if F(x)=f(x)F'(x) = f(x). One writes: P(f)=F    F=f.\mathcal{P}(f) = F \iff F' = f. The antiderivative is the inverse operation of the derivative: if differentiating FF gives ff, finding the antiderivative of ff gives FF.

Topics: Integral
Concepts: Differential · Definite integral · Antiderivative · Fundamental theorem of calculus
Skills: Integrating

Riprendiamo il problema lasciato in sospeso: l’area sotto y=x4y=x^4 tra x=0x=0 e x=ax=a. Ora abbiamo lo strumento per risolverlo.

Osservazione — Completiamo l'esempio

Per f(x)=x4f(x) = x^4 cerchiamo FF con F(x)=x4F'(x) = x^4. La risposta è F(x)=x55F(x) = \dfrac{x^5}{5}, perché (x55)=x4\left(\dfrac{x^5}{5}\right)' = x^4. Quindi: A=0ax4dx=F(a)F(0)=a550=a55.A = \int_0^a x^4\,dx = F(a) - F(0) = \frac{a^5}{5} - 0 = \boxed{\dfrac{a^5}{5}}.

La somma infinita di rettangolini si è ridotta a un semplice conto: trovare la primitiva e valutarla agli estremi. Questo è il metodo generale con cui calcoleremo tutti gli integrali definiti.

Collegamenti

Argomenti: Integrale
Concetti: Area sottesa · Integrale definito · Primitiva
Competenze: Calcolare · Integrare

Let us take up the problem left pending: the area under y=x4y=x^4 between x=0x=0 and x=ax=a. Now we have the tool to solve it.

Remark — Completing the example

For f(x)=x4f(x) = x^4 we look for FF with F(x)=x4F'(x) = x^4. The answer is F(x)=x55F(x) = \dfrac{x^5}{5}, because (x55)=x4\left(\dfrac{x^5}{5}\right)' = x^4. Hence: A=0ax4dx=F(a)F(0)=a550=a55.A = \int_0^a x^4\,dx = F(a) - F(0) = \frac{a^5}{5} - 0 = \boxed{\dfrac{a^5}{5}}.

The infinite sum of little rectangles has been reduced to a simple calculation: find the antiderivative and evaluate it at the endpoints. This is the general method with which we will compute all definite integrals.

Topics: Integral
Concepts: Area beneath a curve · Definite integral · Antiderivative
Skills: Calculating · Integrating