Matematiikan tukikurssi

Samankaltaiset tiedostot
Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi. Hannu Kivimäki

Matematiikan tukikurssi

6 Integraalilaskentaa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Laskuharjoitus 4 / vko 47, mallivastaukset

2.4 Pienimmän neliösumman menetelmä

10. MÄÄRÄTYN INTEGRAALIN KÄYTTÖ ERÄIDEN PINTA-ALOJEN LASKEMISESSA

1. Derivaatan Testi. Jos funktio f on jatkuva avoimella välillä ]a, b[ ja x 0 ]a, b[ on kriit. tai singul. piste niin. { f (x) > 0, x ]a, x 0 [

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

II.1. Suppeneminen., kun x > 0. Tavallinen lasku

5 Epäoleellinen integraali

4 Pinta-alasovelluksia

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

Matematiikan tukikurssi

Sisältö. Integraali 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 20

Matematiikan tukikurssi

11. MÄÄRÄTTY INTEGRAALI JA TILAVUUS

Syksyn 2015 Pitkän matematiikan YO-kokeen TI-Nspire CAS -ratkaisut

> 1. = lim. ja lisäksi oletetaan, että integraali b

Viikon aiheet. Pinta-ala

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Pinta-alan laskeminen

Ristitulo ja skalaarikolmitulo

Integraalilaskenta. Määrätty integraali

VALTIOTIETEELLINEN TIEDEKUNTA TILASTOTIETEEN VALINTAKOE Ratkaisut ja arvostelu

Käydään läpi: ääriarvo tarkastelua, L Hospital, integraalia ja sarjoja.

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

Lisää määrätystä integraalista Integraalin arvioimisesta. Osoita: VASTAUS: Osoita: Osoita:

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 9: Integroimismenetelmät

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 9: Integroimismenetelmät

Riemannin integraalista

Matematiikan tukikurssi

Integraalilaskentaa. 1. Mihin integraalilaskentaa tarvitaan? MÄNTÄN LUKIO

Matematiikan tukikurssi

a = x 0 < x 1 < x 2 < < x n = b f(x) dx = I. lim f(x k ) x k=1

Painopiste. josta edelleen. x i m i. (1) m L A TEX 1 ( ) x 1... x k µ x k+1... x n. m 1 g... m n g. Kuva 1. i=1. i=k+1. i=1

Määritelmä Olkoon C R m yksinkertainen kaari ja γ : [a, b] R m sen yksinkertainen parametriesitys, joka on paloittain C 1 -polku.

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 9. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 9 () Numeeriset menetelmät / 29

OSA 1: POLYNOMILASKENNAN KERTAUSTA, BINOMIN LASKUSÄÄNTÖJÄ JA YHTÄLÖNRATKAISUA

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 3. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

Numeerinen integrointi.

Pythagoraan lause. Pythagoras Samoslainen. Pythagoraan lause

Polynomien laskutoimitukset

LYHYEN MATEMATIIKAN SIMULOITU YO-KOE 2 RATKAISUT

Tee B-osion konseptiin etusivulle pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Välivaiheet perustelevat vastauksesi!

Sinilause ja kosinilause

Integroimistehtävät, 10. syyskuuta 2005, sivu 1 / 29. Perustehtäviä. Tehtävä 1. Osoita, että vakiofunktio f(x) c on Riemann-integroituva välillä

Integroimistekniikkaa 1/5 Sisältö ESITIEDOT: integraalifunktio, määrätty integraali, derivointisäännöt Hakemisto

Analyysi 2. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Kevät Anna sellainen välillä ] 2, 2[ jatkuva ja rajoitettu funktio f, että

TYÖ 30. JÄÄN TIHEYDEN MÄÄRITYS. Tehtävänä on määrittää jään tiheys.

Luku 15. Integraali. Esimerkki Suoraan edellisen luvun derivointikaavojen perusteella on voimassa

Kertymäfunktio. Kertymäfunktio. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 2/2. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 1/2. Kertymäfunktio: Esitiedot

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

x k 1 Riemannin summien käyttö integraalin approksimointiin ei ole erityisen tehokasta; jatkuvasti derivoituvalle funktiolle f virhe b

lim + 3 = lim = lim (1p.) (3p.) b) Lausekkeen täytyy supistua (x-2):lla, joten osoittajan nollakohta on 2.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

.) (b) Vertaa p :tä vastaavaa kineettistä energiaa perustilan kokonaisenergiaan. ( ) ( ) = = Ek

Tehtävä 1. Jatka loogisesti oheisia jonoja kahdella seuraavaksi tulevalla termillä. Perustele vastauksesi

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

8.4 Gaussin lause Edellä laskettiin vektorikentän v = rf(r) vuo R-säteisen pallon pinnan läpi, tuloksella

Sarjaratkaisun etsiminen Maplella

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ PISTEYTYSKOKOUS

4. Reaalifunktioiden määrätty integraali

Reaalinen lukualue. Millainen on luku, jossa on päättymätön ja jaksoton desimaalikehitelmä?

Differentiaali- ja integraalilaskenta 5 op

4 Taso- ja avaruuskäyrät

Integraali ja yleistetty Pythagoraan lause

Matematiikan tukikurssi

Esimerkki 8.1 Määritellään operaattori A = x + d/dx. Laske Af, kun f = asin(bx). Tässä a ja b ovat vakioita.

5 Riemann-integraali ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Ala- ja yläintegraali

R4 Harjoitustehtävien ratkaisut

LINSSI- JA PEILITYÖ TEORIAA. I Geometrisen optiikan perusaksioomat

SUORAKULMAINEN KOLMIO

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Funktiojonot 1

MATEMATIIKAN HARJOITTELUMATERIAALI

Neliömatriisin A determinantti on luku, jota merkitään det(a) tai A. Se lasketaan seuraavasti: determinantti on

3 Integraali ja derivaatta

VEKTOREILLA LASKEMINEN

Numeerinen integrointi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 17. Osittaisintegrointi Sijoitusmenettely

sin θ θ θ r 2 sin 2 θ φ 2 = 0.

5 ( 1 3 )k, c) AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

TEHTÄVÄ 1. Olkoon (f n ) jono jatkuvia funktioita f n : [a, b] R, joka suppenee välillä [a, b] tasaisesti kohti funktiota f : [a, b] R.

Monikulmio on suljettu, yhtenäinen tasokuvio, jonka muodostavat pisteet ja näitä yhdistävät janat

L 0 L. (a) Entropian ääriarvo löydetään derivaatan nollakohdasta, dl = al 0 L )

S Fysiikka III (EST), Tentti

Matematiikan tukikurssi

Muita määrätyn integraalin sovelluksia

MITEN MÄÄRITÄN ASYMPTOOTIT?

Jouni Sampo. 28. marraskuuta 2012

Pintaintegraali. i j k cos(θ) sin(θ) 1. = r cos(θ)i r sin(θ)j + rk, r sin(θ) r cos(θ) 0 joten

Paraabelikin on sellainen pistejoukko, joka määritellään urakäsitteen avulla. Paraabelin jokainen piste toteuttaa erään etäisyysehdon.

Analyyttiset funktiot ja integrointiteorian alkeita

Integrointi ja sovellukset

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 12, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

763333A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 1 Kevät 2014

Olkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x 1 ja x 2 on voimassa ehto:

Transkriptio:

Mtemtiikn tukikurssi Kurssikert 3 Määrätyn integrlin lskeminen Aiemmin määrittelimme määrätyn integrlin f (x)dx funktion f (x) l- j yläsummien rj-rvon. Määrätyllä integrlill on kksi intuitiivist tulkint:. Mikäli f (x) on ei-negtiivinen eli f (x), niin määrätty integrli nt funktion f (x) j x-kselin välissä olevn lueen pint-ln välillä (, b). 2. Määrätty integrli f (x)dx on funktion f (x) keskirvo välillä (, b) kerrottun tämän välin pituudell eli luvull b. Funktion f (x) määräämätön integrli f (x)dx määriteltiin puolestn ilmn vstvnlist intuitiot: se on inostn lskusääntö, jok on derivoinnin käänteistoimitus. Eli esimerkiksi ( x 3 + + x 2 ) dx 4 x4 + rctn x + C. Määräämätön integrli j määrätty integrli kuitenkin liittyvät toisiins kiinteästi, kuten näiden nimistäkin voi päätellä. Merkitään ll määräämätöntä integrli f (x)dx merkinnällä F(x). Eli F(x) f (x)dx. Täten esimerkiksi jos f (x) x 3, niin F(x) (/4)x 4 + C. Integrlilskennn pääluse snoo, että määrätyt integrlit voi lske määräämättömien integrlien vull: f (x)dx F(b) F().

Eli: hlutn lske funktion f (x) määrätty integrli välillä (, b). Tämä sdn lskemll luksi funktion f määräämätön integrli F(x) j ktsomll, mikä sen rvo on pisteessä j mikä sen rvo on pisteessä b. Esimerkki. Hlutn lske määrätty integrli 4 3 x2 dx. Integrlilskennn pääluseen mukn: 4 x 2 dx F(4) F(3), 3 joss F on funktion x 2 määräämätön integrli eli F(x) (/3)x 3 + C. Täten 4 x 2 dx F(4) F(3) 3 ( 3 43 + C 64 3 9 37 3. ) ( ) 3 33 + C Toisin snottun funktion x 2 määrätty integrli välillä (3, 4) on 37/3 2, 3. Huom yllä, että vkio C häviää määrättyä integrli lskettess. Näin käy in, joten sitä on turh pitää lskuss mukn. Huom edellisessä esimerkissä, että tulos 4 3 x2 dx 2, 3 kertoo, että funktion x 2 keskimääräinen rvo välillä (3, 4) on 2,3. Toinen tulkint on, että tämän funktion j x kselin väliin jää pint-l, jok on suuruudeltn 2,3 välillä (3, 4). Esimerkki 2. Lsketn ex dx. Kosk e x on om integrlins, niin e x dx F(b) F() e b e. Huom, että tässä vkiot C ei pidetty lskuss mukn. Määrätyn integrlin lskemist helpott käytännössä, jos käytämme nottion F(b) F() semest merkintää b. Täten siis esimerkiksi b ( ) (3x + )dx 3 2 x2 + x ( ) ( ) 3 3 2 b2 + b 2 2 +. 2

Kuten yllä minitsimme, määrätyn integrlin voi nähdä keskirvon ti pint-ln. Tästä tulkinnst seur hyödyllisiä sovelluksi. Seurvss esimerkissä käytetään lisäksi tieto f (x)dx + eli integroinnin linerisuutt. g(x)dx ( f (x) + g(x)) dx, Esimerkki 3. Lske käyrien y x 2 j y x sekä suorien x j x 2 reunustmn lueen pint-l. Rtkisu. Kuten tunnettu, pint-ln voi lske integrlin f (x)dx. Kosk reunustmss on suort x j x 2, niin vlitn integroinnin päätepisteiksi j b 2. Lisäksi tiedetään. Integrli x2 dx nt käyrän y x 2 j x-kselin välissä olevn lueen pint-ln. Merkitään tätä l A. 2. Integrli xdx nt suorn y x j x-kselin välissä olevn lueen pint-ln. Merkitään tätä l B. 3. Välillä (, 2) pätee x 2 > x, eli käyrä y x 2 on suorn y x yläpuolell. Täten käyrien y x 2 j y x välissä olevn lueen pint-l sdn erotuksen A B. Eli erotuksen x 2 dx xdx (x 2 x)dx. Tästä seur, että käyrien y x 2 j y x reunustmn lueen pint-l välillä (, 2) sdn integroimll erotus x 2 x integrointirjoill j b 2: 2 (x 2 2 ( ) x)dx ( 8 3 4 2 7 3 3 2 5 6. 3 x3 2 x2 ) ( 3 2 Eli käyrien y x 2 j y x sekä suorien x j x 2 reunustmn lueen pint-l on 5/6. 3 )

Esimerkki 4. Lske käyrien y x 2 j y x sekä suorien x j x 2 reunustmn lueen pint-l. Rtkisu. Integrointiväli on nyt (, 2). Huomtn, että välillä (, ) pätee x > x 2, mutt välillä (, 2) ts pätee x 2 > x. Käyrien välistä pint-l lskiess pitää in vähentää korkemmll olevst käyrästä mtlmmll olev käyrä, joten tämä tehtävä on lskettv khdess osss. Välillä (, ) pätee x > x 2, joten integroidn erotus x x 2 tällä välillä: (x x 2 ( )dx 2 x2 ) 3 x3 2 3 6. Välillä (, 2) pätee x 2 > x, joten integroidn tällä välillä puolestn erotus x 2 x: 2 (x 2 2 ( x)dx 3 x3 ) 2 x2 ( 8 3 4 ) ( 2 3 ) 2 5 6. Täten käyrien y x 2 j y x sekä suorien x j x 2 reunustmn lueen pint-l on /6 + 5/6. 2 Määrätyn integrlin lskeminen sijoituksell Aiemmin lskimme määräämättömiä integrlej sijoituksell x g(t). Siinä siis integroitvn lusekkeen muuttuj x korvttiin sijoituksell g(t) j vstvsti termi dx korvttiin termillä g (t)dt. Määrätyn integrlin lskeminen tällä tvll on peritteess smnlist, mutt integroinnin rjt j b pitää myös muunt. Esimerkki 5. Lsketn nyt integrli x x + dx. 4

Tehdään luksi sijoitus t x +, jolloin x t j dx dt. Integrointilusekkeeseen tehdään nyt nämä sijoitukset, mutt pitää huomt että sijoituksen tki myös integroinnin rjt muuttuvt. Integrointirjt j b on määritelty muuttujn x suhteen j nyt siirrytään muuttujn t x +. Täten jos x, niin t j jos x, niin t. Integrointirjojen j b piklle tulevt täten uudet rjt c j d. Tällöin integrli sdn muotoon x x + dx 2 5 2 3 4 5 (t ) tdt t 3/2 t /2 dt ( 2 5 t5/2 2 ) 3 t3/2 Seurvksi käsitellään trigonometristen funktioiden integroimist sijoituskeinoll. Määritellään luksi trigonometrisen funktiot yksikköympyrän vull. Trkstelln ll olev kuv. Huom ensinnä, että kuvss pätee Pythgorn luse 2 + b 2 c 2 eli hypotenuusn neliö on yhtä kuin kteettien neliöiden summ: + t 2 t x Eli pätee ( + t 2 ) 2 2 + t 2. Toislt kosk kulmn x sini on määritel- 5

män mukn sen vstisen sivun j hypotenuusn suhde, pätee sin x t + t 2. Vstvsti kulmn kosiini on sen kulmn viereisen sivun j hypotenuusn suhde, joten cos x. + t 2 Tngentti puolestn on kulmn vstisen j viereisen sivun suhde eli kuvss tn x t. Näitä tietoj voi käyttää sovellettess sijoitust t tn x. Tätä sijoitust käytetään integrleihin, jotk ovt muoto Tällöin tehdään korvukset + b sin 2 x + c cos 2 x dx. Esimerkki 6. Integroidn sin 2 x t2 + t 2 j cos 2 x + t 2. π/4 π/4 4 3 sin 2 x dx. Tehdään sijoitus tn x t. Täten x rctn t, joten dx dt/( + t 2 ). Termin sin 2 x piklle puolestn sijoitetn termi t 2 /( + t 2 ). Myös integroinnin rjt muuttuvt: kun x π/4, niin tn x j kun x π/4, niin tn x. Tehdään kikki nämä sijoitukset: π/4 ( ) π/4 4 3 sin 2 x dx dt 4 3(t 2 /( + t 2 )) + t 2 4( + t 2 ) 3t 2 dt 4 + t 2 dt. 6

Tämä integrli näyttää nyt kohtlisen yksinkertiselt. Huomtn, että tämä sdn lskettu rkustngenttifunkion vull: 4 + t 2 dt ( 4 + (t/2) 2 ( 2 rctn(t/2) ) dt (rctn(/2) rctn( /2)) 2 2 rctn(/2). Tässä viimeinen yhtäsuuruus perustuu siihen, että rctn( /2) rctn(/2). Sijoituskeino käytettäessä pitää siis tehdä seurvt korvukset:. Muuttuj x sisältävät termit pitää korvt termillä g(t). 2. Termi dx pitää korvt termillä g (t)dt. 3. Integroinnin rjt pitää korvt uusill rjoill. ) 3 Määrätyn integrlin derivoiminen Tutkitn nyt määrättyä integrli, jonk ylärj on muuttuj x. Tutkitn siis integrli f (t)dt. Tämä integrli on nyt muuttujn x funktio, joten voidn merkitä F(x) f (t)dt. Esimerkki tällisest funktiost on F(x) (t 2 + t)dt. Huom, että tämä on nimenomn muuttujn x funktio, eikä muuttujn t funktio. Muuttuj t häviää integroitess, joten yhtä hyvin voitisiin kirjoitt F(x) 7 (c 2 + c)dc,

eli tuo integrlin sisässä olev kirjin ei ole lskennn knnlt oleellinen. f (t)dt de- Integrlilskennn toinen pääluse kertoo, että integrlin rivtt muuttujn x suhteen on funktio f (x): d x f (t) f (x). dx Tämän tuloksen voi tulkit intuitiivisesti, kun muist, että määrätyn integrlin voi tulkit pint-ln. Derivtt d dx f (t) siis kertoo, kuink funktion f (x) j x-kselin väliin jäävän lueen pint-l muuttuu, kun siirrytään hiemn oikelle eli ksvtetn rgumentti x hiemn. Vstus on, että l muuttuu funktion f rvon verrn. Tämä on sikäli intuitiivist, kosk kyseinen pint-l muuttuu pljon, jos f (x) on suuri luku j vähän jos f (x) on pieni luku. Esimerkki 7. Lske derivtt F (x), kun F(x) (t 2 + t)dt. Rtkisu. Integrlilskennn pääluseen mukn F (x) d (t 2 + t)dt dx x 2 + x. Seurvss esimerkissä käytetään tieto x f (t)dt f (t)dt, eli jos integrointirjojen järjestystä viht, niin integrli kertoutuu luvull. Esimerkki 8. Lske derivtt F (x), kun F(x) x ln tdt. Rtkisu. Integrlilskennn pääluseen mukn d ln tdt d dx x dx ln x. ln tdt 8

Siispä lrjll olev muuttuj x on helppo plutt ylärjlle. Hiemn enemmän ongelmi tuott integrlin 2 f (t)dt lskeminen, sillä tässä ylärjn ei ole muuttuj x, vn tämän muuttujn funktio x 2. Tästä tilnteest selvitään kuitenkin sopivll nottioll: merkitään F(x 2 ) 2 f (t)dt, eli nyt merkitään, että lskettv integrli on jonkin muuttujn F rvo pisteessä x 2. Täten siis F(x) f (t)dt. Derivoinnin ketjusäännön perusteell pätee d dx F(x2 ) 2xF (x 2 ), eli yhdistetyn funktion derivtt sdn sisäfunktion x 2 j ulkofunktion F derivttojen tulon. Tästä seur, että d x 2 dx f (t)dt 2x f (x 2 ), joss siis 2x on sisäfunktion x 2 derivtt j f (x 2 ) on ulkofunktion F(x) derivtt rvioitun pisteessä x 2. Esimerkki 9. Derivoi funktio F(x 2 ) 2 cos tdt. Rtkisu. Ketjusäännön j integroinnin pääluseen mukn d x 2 cos tdt 2x cos x 2. dx Jos integroinnin rjn on jokin muu funktio kuin x 2, selvitään tästäkin ketjusäännön yksinkertisell sovelluksell. 9

Esimerkki. Derivoi funktio sin x ln tdt. Rtkisu. Merkitään ensinnä tätä integrli funktion F rvon pisteessä sin x: F(sin x) sin x ln tdt. Tässä siis sisäfunktio on sin x. Tämän derivtt on tunnetusti cos x. Nyt voidn jälleen sovelt ketjusääntöä: d sin x ln tdt cos x ln sin x. dx Yllä todettiin, että muuttuj x s esiintyä joko integroinnin l- ti ylärjll. Se voi kuitenkin esiintyä kummllkin rjll yhtä ik. Tämä ei tuot lskuihin ongelmi, kosk integrlin voi in jk osiin: x f (t)dt x x f (t)dt + f (t)dt + f (t)dt f (t)dt. Integrlin x f (t)dt voi derivoid jälleen ketjusäännöllä: merkitään Täten Tämän perusteell F( x) x f (t)dt. d F( x) f ( x). dx d x f (t)dt d x f (t)dt + d dx x dx dx f ( x) + f (x). f (t)dt Esimerkki. Derivoi 3 x e t2 dt.

Rtkisu. Jetn tämä integrli ensin khteen osn: 3 x e t2 dt e t2 + x x 3 e t2 3 e t2 + Näistä kummnkin integrointi sujuu nyt kätevästi ketjusäännöllä: e t2. d x 3 e t2 dt d x e t2 dt + d 3 e t2 dx x dx dx e ( x)2 + 3x 2 e (x3 ) 2 e x2 + 3x 2 e x6. 4 Määrätyn integrlin sovelluksi Määrätyllä integroinnill on runssti sovelluksi, jotk perustuvt siihen, että integrli esittää pint-l. Tloustieteessä esimerkiksi kuluttjn ylijäämä on khden käyrän välissä olev pint-l, joten sen voi lske määrättynä integrlin. Integrlill voi lske pitsi loj, myös tilvuuksi. Tyypillinen sovellus on seurv: jokin käyrä y f (x) pyörähtää x-kselin ympäri tietyllä välillä (, b). Tällisell pyörähdyskppleell on tilvuus, jok on helppo lske integrlin vull: sen kv on π ( f (x)) 2 dx, eli kyseisen tilvuuden s integroimll f : neliön pyörähdysvälillä (, b) j kertomll tuloksen π:llä. Esimerkki 2. Käyrä y x 2 + pyörähtää x-kselin ympäri välillä (, ). Lske syntyneen kppleen tilvuus.

Rtkisu. Kyseinen tilvuus sdn integrlin π (x 2 + ) 2 dx π (x 4 + 2x 2 + )dx π ( 5 x5 + 2 3 x3 + x) π( 5 + 2 3 + ) 28 5 π. 2