Teorema Fondamentale Calcolo Integrale

Enunciato

Sia f:[a,b]Rf:[a,b]\to \mathbb{R} funzione integrabile in, x0[a,b]x_0 \in [a,b], Sia: F(x)=x0xf(t)dtF(x) = \int_{x_0}^x f(t)dt, allora:

  1. F è continua in [a,b][a,b]
  2. Se ff continua in x(a,b),F\overline{x} \in (a,b), F derivabile in x\overline{x}
F(t)=f(t) F'(\overline{t}) = f(\overline{t})

Dimostrazione

Per semplicità x0=a, F(x)=axf(t)dtx_0=a,\ F(x)=\int_a^x f(t)dt

  1. Fisso x[a,b]\overline{x}\in [a,b], dimostriamo che FF continua in x\overline{x} ovvero: limxxF(x)=F(X)limxxF(x)F(X)=0\\ \lim_{x\to \overline{x}} F(x) = F(\overline{X}) \Leftarrow \Rightarrow \lim_{x\to \overline{x}} F(x) - F(\overline{X}) = 0

Sappiamo che:

0F(x)F(X)=axf(t)dtxXf(t)dt 0 \leq |F(x)-F(\overline{X})| = | \int_a^x f(t)dt - \int_x^{\overline{X}}f(t)dt |

Se X<x\overline{X} < x:

=aXf(t)dt+Xxf(t)dtaXf(t)dt=Xxf(t)dtXxf(t)dtXxMdt=M(xx) \Rightarrow = | \int_a^{\overline{X}}f(t)dt + \int_{\overline{X}}^xf(t)dt - \int_a^{\overline{X}}f(t)dt | \\ = |\int_{\overline{X}}^xf(t)dt| \leq \int_{\overline{X}}^x|f(t)|dt \leq \int_{\overline{X}}^xMdt =M(x-\overline{x})

Dove abbiamo utilizzato prima le proprietà degli integrali, e poi visto che ff è limitata esiste un massimo: 0<F(x)F(x)M(xx)F(x)F(x)=0\\ \Rightarrow 0 < |F(x) - F(\overline{x})| \leq M(x-\overline{x}) \\ \Rightarrow |F(x)- F(\overline{x})| = 0

  1. Ora supponiamo che ff è continua in [a,b][a,b]. Fissiamo x[a,b]\overline{x} \in [a,b], dimostriamo quindi che F(x)=f(x)F'(x) = f(x)

Applichiamo la definizione di derivata a F(X)F(X), quindi: F(x)f(X)xx=1xx[F(x)F(x)]=1xxxxf(t)dt\\ \frac{F(x)-f(\overline{X})}{x-\overline{x}} = \frac{1}{x-\overline{x}}\cdot [F(x)-F(\overline{x})] = \frac{1}{x-\overline{x}}\cdot \int_{\overline{x}}^xf(t)dt

Ora applichiamo il Teorema della Media:
Cx(x,x)1xxxxf(t)dt=f(x)\exists C_x \in (\overline{x},x) | \frac{1}{x-\overline{x}}\cdot \int_{\overline{x}}^xf(t)dt = f(x)
F(x)=limxxF(x)F(x)xx=limxxf(Cc)=f(x) F'(\overline{x}) = \lim_{x\to \overline{x}} \frac{F(x)-F(\overline{x})}{x-\overline{x}} = \lim_{x\to \overline{x}} f(C_c) = f(\overline{x})

Con CxxC_x \to \overline{x} quando xxx \to \overline{x}