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