2. Area sotto una curva per integrazione

di M. Bourne

Abbiamo incontrato le aree sotto le curve prima nella sezione Integrazione (vedi 3. Area sotto una curva), ma qui sviluppiamo ulteriormente il concetto. (Potreste anche essere interessati ad Archimede e l’area di un segmento parabolico, dove impariamo che Archimede capì le idee alla base del calcolo, 2000 anni prima di Newton e Leibniz!)

È importante abbozzare la situazione prima di iniziare.

Vogliamo trovare l’area sotto la curva `y = f(x)` da `x = a` a `x = b`.

Si possono avere diverse situazioni:

Caso 1: Curve che sono interamente sopra l’asse x.

La curva y = f(x), completamente sopra l’asse x. Mostra un rettangolo “tipico”, largo Δx e alto y.

In questo caso, troviamo l’area semplicemente trovando l’integrale:

`”Area”=int_a^bf(x)dx`

Da dove viene questa formula?

Continua sotto ⇩

Mini-lezioni video

Per un po’ di background:

Mini-lezione sull’integrazione

Differenza tra integrali indefiniti e definiti

Integrazione per sostituzione

Area sotto una curva da principi primi

Nel diagramma sopra, è mostrato un “rettangolo tipico” con larghezza `Δx` e altezza `y`. La sua area è `yΔx`.

Se sommiamo tutti questi rettangoli tipici, partendo da `a` e finendo a `b`, l’area è circa:

`sum_{x=a}^\b(y)Deltax`

Ora se lasciamo che `Δx → 0`, possiamo trovare l’area esatta per integrazione:

`”Area”=int_a^bf(x)dx`

Questo segue dalle somme di Riemann, dal capitolo Introduzione all’integrazione.

Esempio del caso 1

Hai bisogno di carta grafica?

Trova l’area sotto la curva `y = x^2+ 2` da `x = 1` a `x = 2`.

Rispondi

La curva y = x2 + 2, mostrando la parte sottostante la curva da x = 1 a x = 2.

`testo = int_a^b f(x) dx`

`=int_1^2(x^2+2)dx`

`=_1^2`

`=`

`=13/3\ testo^2`

Caso 2: Curve che sono interamente sotto l’asse delle x

Consideriamo il caso in cui la curva è sotto l’asse delle x per l’intervallo di valori di x considerati.

In questo caso, l’integrale dà un numero negativo. Dobbiamo prendere il valore assoluto di questo per trovare la nostra area:

“Area”=|int_a^bf(x)dx||`

Esempio del caso 2

Trova l’area limitata da `y = x^2 – 4`, l’asse `x` e le linee `x = -1` e `x = 2`.

Risposta

La curva y = x2 – 4, che mostra la porzione sotto la curva da x = -1 a x = 2.

L’area richiesta è totalmente sotto l’asse `x` in questo esempio, quindi dobbiamo usare segni di valore assoluto.

`testo = |int_a^bf(x) dx|`

`=|int_-1^2(x^2-4) dx|`

`=|_-1^2|`

`=|||`

`=|-9|`

`=9\ testo^2`

Caso 3: Una parte della curva è sotto l’asse x, una parte è sopra l’asse x

In questo caso, dobbiamo sommare le singole parti, prendendo il valore assoluto per la sezione dove la curva è sotto l’asse `x` (da `x = a` a `x = c`).

“Area”=|int_a^cf(x)dx|+int_c^bf(x)dx`

Se non facciamo così, l’area “negativa” (la parte sotto l’asse `x`) sarà sottratta dalla parte “positiva”, e la nostra area totale non sarà corretta.

Esempio del caso 3

Qual è l’area delimitata dalla curva `y = x^3`, `x = -2` e `x = 1`?

Risposta

La curva y = x3, che mostra la parte sotto la curva da x = -2 a x = 1.

Dal grafico possiamo vedere che la parte tra `x = -2` e `x = 0` è sotto l’asse delle x, quindi dobbiamo prendere il valore assoluto per quella parte.

`text= |int_-2^0x^3 dx|+int_0^1x^3 dx“

`=|_-2^0|+_0^1`

`=|(0-16/4)|+(1/4-0)`

`=4+1/4`

`=4.25\ testo^2`

Non fare così!

Se trovi alla cieca l’integrale dal limite inferiore al limite superiore, non otterrai l’area reale in questi casi.

`text= int_(-2)^1x^3 dx`

`=_(-2)^1`

`=(1/4-16/4)`

`=-15/4`

`=-3.25`

Questa non è la risposta corretta per l’area sotto la curva. È il valore dell’integrale, ma chiaramente un’area non può essere negativa.

È sempre meglio disegnare la curva prima di trovare le aree sotto le curve.

Sommario (finora)

In ciascuno dei casi 1, 2 e 3, stiamo sommando elementi da sinistra a destra, così:

Stiamo (efficacemente) trovando l’area sommando orizzontalmente le aree dei rettangoli, larghezza `dx` e altezza `y` (che troviamo sostituendo i valori di `x` in `f(x)`).

Quindi

`A=int_a^bf(x)dx`

(con segni di valore assoluto quando necessario, se la curva va sotto l’asse `x`).

Caso 4: Alcune curve sono molto più facili da sommare verticalmente

In alcuni casi, è più facile trovare l’area se si fanno somme verticali. A volte l’unico modo possibile è sommare verticalmente.

In questo caso, troviamo che l’area è la somma dei rettangoli, altezza `x = f(y)` e larghezza `dy`.

Se ci viene data `y = f(x)`, allora dobbiamo riesprimere questo come `x = f(y)` e dobbiamo sommare dal basso verso l’alto.

Quindi, nel caso 4 abbiamo:

`A=int_c^df(y)dy`

Esempio del caso 4

Trova l’area della regione limitata dalla curva `y=sqrt(x-1)`, l’asse `y` e le linee `y = 1` e `y = 5`.

Risposta

Prima lo schizzo:

51015202530123456xy

x
dy
x = y2 + 1

La curva x = y2 + 1, che mostra la parte “sotto” la curva da y = 1 a y = 5.

In questo caso, esprimiamo x in funzione di y:

`y=sqrt{x-1}`

`y^2=x-1`

`x=y^2+1`

Quindi l’area è data da:

A=int_1^5(y^2+1) dy=_1^5`

`=45 1/3\ testo`

Nota: Per questo particolare esempio, avremmo potuto anche sommarlo orizzontalmente (integrando `y` e usando `dx`), ma avremmo dovuto prima dividerlo in sezioni.

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