3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

Samankaltaiset tiedostot
H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Muuttujan vaihto. Viikon aiheet. Muuttujan vaihto. Muuttujan vaihto. ) pitää muistaa lausua t:n avulla. Integroimisen työkalut: Kun integraali

4 Integrointimenetelmiä

Matematiikan tukikurssi

Monisteessa määritellään integraalifunktio ja esitetään perusominaisuuksia. Tässä pari esimerkkiä. = x x3 + 2 x + C.

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

1. Murtoluvut, murtolausekkeet, murtopotenssit ja itseisarvo

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Perusidea: Jaetaan väli [a, b] osaväleihin ja muodostetaan osavälejä vastaavat suorakulmiot/palkit, joiden korkeus funktion arvot kyseisellä välillä.

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

6*. MURTOFUNKTION INTEGROINTI

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

Funktion määrittely (1/2)

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

F {f(t)} ˆf(ω) = 1. F { f (n)} = (iω) n F {f}. (11) BM20A INTEGRAALIMUUNNOKSET Harjoitus 10, viikko 46/2015. Fourier-integraali:

cos x cos 2x dx a) symbolisesti, b) numeerisesti. Piirrä integroitavan funktion kuvaaja. Mikä itse asiassa on integraalin arvo?

integraali Integraalifunktio Kaavoja Integroimiskeinoja Aiheet Linkkejä Integraalifunktio Kaavoja Integroimiskeinoja Määrätty integraali

Hyvä uusi opiskelija!

Osi$aisintegroin, Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö: d

Todista, että jokaisella parittoman asteen reaalikertoimisella polynomilla on ainakin yksi reaalinen nollakohta. VASTAUS: ...

Osi$aisintegroin, Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö: d

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

2. Funktiot. Keijo Ruotsalainen. Mathematics Division

Diskreetti derivaatta

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

5. OSITTAISINTEGROINTI

Raja arvokäsitteen laajennuksia

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Talousmatematiikan perusteet: Luento 16. Integraalin käsite Integraalifunktio Integrointisääntöjä

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Rautaisannos. Simo K. Kivelä

5 Differentiaalilaskentaa

TRIGONOMETRISET JA HYPERBOLISET FUNKTIOT

VI. TAYLORIN KAAVA JA SARJAT. VI.1. Taylorin polynomi ja Taylorin kaava

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

Osi*aisintegroin2. Osi*aisintegroin2: esimerkkejä. Osi*aisintegroin2tapauksia 1/29/13. f'(x)g(x)dx=f(x)g(x) f(x)g'(x)dx. f'(x)g(x)dx=f(x)g(x)

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

Funktio 1. a) Mikä on funktion f (x) = x lähtöjoukko eli määrittelyjoukko, kun 0 x 5?

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Insinöörimatematiikka D

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Matematiikan tukikurssi

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

Tehtävä 1. Miksi seuraavat esimerkit eivät ole funktioita? 1. f : R Z, f(x) = x 2. 2 kun x on parillinen,

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

Rollen lause polynomeille

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)


x 7 3 4x x 7 4x 3 ( 7 4)x 3 : ( 7 4), 7 4 1,35 < ln x + 1 = ln ln u 2 3u 4 = 0 (u 4)(u + 1) = 0 ei ratkaisua

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

Reaaliarvoisen yhden muuttujan funktion derivaatta LaMa 1U syksyllä 2011

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MAA10 HARJOITUSTEN RATKAISUJA

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Lisä,etopake3 2: ra,onaalifunk,on integroin,

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

Nopea kertolasku, Karatsuban algoritmi

Mapusta. Viikon aiheet

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

0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut

Fysiikan matematiikka P

Yleisiä integroimissääntöjä

Differentiaalilaskennan tehtäviä

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

dy dx = y x + 1 dy dx = u+xdu dx, u = y/x, u+x du dx = u+ 1 sinu eli du dx = 1 1 Erotetaan muuttujat ja integroidaan puolittain: y = xln(ln(cx 2 )).

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Transkriptio:

50 3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali Integraalifunktio Derivoinnin käänteistoimituksena on vastata kysymykseen "Mikä on se funktio, jonka derivaatta on f?" Koska vakion derivaatta 0, havaitaan heti, että vastaus ei voi olla yksikäsitteinen. Funktion f : S integraalifunktio (määräämätön integraali, primitiivi, antiderivaatta) on funktio F, jonka derivaatta on f: F ( x) f( x), jollakin välillä I funktion f määrittelyjoukossa S. Jos F on funktion f integraalifunktio, niin myös F(x) + C on sitä kaikilla vakioilla C (integroimisvakio). Integraalifunktiolle käytetään yleisesti merkintää F( x) f( x), jossa integraalimerkki tulee tyylitellystä S-kirjaimesta sanasta summa. Tämä yhteys selittyy tuonnempana ns. määrätyn integraalin kautta. Samoin symbolin sisältö tarkentuu silloin, nyt se voidaan katsoa lähinnä merkinnäksi, joka on joskus hyödyllinen, esim. sijoittamismenettelyssä.

5 Seuraavat perussäännöt oletetaan tunnetuksi lukion kursseilta tai muilta aikaisemmilta opinnoilta. (Ne on helppo myös todistaa derivoimissääntöjen pohjalta.) Merkintä F tarkoittaa funktion f integraalifunktiota: F( x) f( x). af x bg x a f x b g x (lineaarisuus). + + f xg x F x g x F x g x (osittaisintegrointi). f tdt f( g x) g ( x), t g( x) (sijoitus) 3. () ( ) f g x g x F g x 4. f ax + b F( ax + b) a 4a. 4b. f x ln f x f x 5a. f ( x ) pariton 5b. f ( x ) parillinen F x parillinen F x pariton (jos vakio C on valittu siten, että F 0 0)

5 Alkeisfunktioiden integrointikaavoista edellytetään tunnetuiksi seuraavat. Ne ovat kaikki vastaavien derivoimissääntöjen "käänteiskaavoja". (Oikealle puolelle aina lisättävä integroimisvakio C on jätetty kaavoissa merkitsemättä.) a+ x a + a 6. x ( a ) 7. ln x x e e 8. x x 9. sin x cosx 0. cos x sin x. cot x sin x. tan x cos x x 3. arctan ( a 0) a + x a a x a x a > 4. arcsin ( a 0) 5. ln x x a x + a + + 6. sinh x cosh x 7. cosh x sinh x

53 Varsinaisia integroimistekniikkoja ei nykyisin symbolisten ohjelmistojen (Maple, Matlab Symbolic Mathematics Toolbox, Mathematica, MathCad, ) saatavuuden takia enää harjoitella rutiiniksi asti. Ohjelmistot eivät aina kuitenkaan selviä kaikista tilanteista ilman apua, joten perustapaukset on syytä tuntea. Ohessa on lueteltu tärkeimmät perusmenetelmät. Rationaalifunktioiden integrointi Rationaalifunktiot ovat polynomien osamääriä ja niillä on yhteyksiä moniin teknisiin sovelluksiin, mm. siirtofunktioiden ja integraalimuunnosten kautta. Jokainen rationaalifunktio on integroitavissa ja integraalifunktio esitettävissä alkeisfunktioiden avulla ("suljetussa muodossa"). (Näin ei ole asianlaita yleisesti funktioille. On paljon funktioita, joiden integraaleja ei voida esittää lausekkeina yksinkertaisimmista funktioista. Tällaisia ovat mm. useimmat fysiikan "erikoisfunktiot", kuten Besselin funktiot.) Rationaalifunktio f( x) Px Qx missä P ja Q ovat polynomeja, voidaan jakaa muotoon f( x) K( x) + R( x) Qx missä K(x) on polynomi ja rationaalifunktion R(x)/Q(x) osoittajana olevan polynomin R(x) aste on alempi kuin nimittäjän Q(x). 3 x 3x + 9x + 5 x 8 x + + x x+ x x+ Esim., mikä nähdään käsin laskien 3 3 esimerkiksi jakokulmaa käyttäen:

54 x x+ x 3 3 x 3x + 9x+ 5 3 (x x + 6 x) x + 3x+ 5 ( x + x 3) x + 8 Oletamme jatkossa, että näin on tarvittaessa tehty, ja siis polynomin R( x ) aste on pienempi kuin Qx:n eli deg R( x) < deg Q( x). R( x) Tällöin on hajotettavissa Q:n tekijöiden suhteen Qx osamurtokehitelmäksi. (partial fractions) Polynomi Q( x ) voidaan jakaa reaalisiin tekijöihin, joiden asteluku tyyliin m n ( ) ( )...( + + ) ( + + )..., ( a b, c d, ) Q x C x r x s x ax b x cx d < < p q missä rs,, ovat kertalukua m, n olevia reaalisia juuria, ja toisen asteen tekijät jaottomia, eli vastaavat kompleksijuuripareja. Silloin osamurtokehitelmän yleinen muoto on ( x r) ( ) R x R R R + m Q x x r + + m + x r S S S x s x s n + + + + n + + Ax+ B ( x s) ( ) A x+ B p p + + + p + ( x + ax+ b ) ( x + ax+ b) Cx + + D Cx q + Dq + + q +, x + cx+ d x + cx+ d

55 Esim. A B Cx+ D + + + x + ( x + )( x+ ) x ( x+ ) + ( x + )( x ) + B( x + ) + ( Cx + D)( x + ) ( x + ) ( x + ) A A + C 3 x + ( A + B + C + D) x + ( A + C + D) x + ( A + B + D) ( x + ) ( x + ) A + C 0, A + B + C + D 0, A + C + D 0, A + B + D A B C, D 0. x + x + x + x + x + x + Osamurtokehitelmässä olevat integraalit voidaan laskea seuraavasti: 8. A ( x a) n Aln x a, n A n, n ( n )( x a) 9. Ct n ( t + a ) dt C ln t + a, n C n, n ( n )( t + a ) 0. D D dt arctan t a a ( t + a )

56. I n I D n dt lasketaan rekursiivisesti: ( t + a ) Dt n + I na t a na ( + ) n+ n n ( n ). Ax+ B n ( a b) ( x + ax+ b) < palautetaan edellisiin täydentämällä nimittäjässä oleva toisen asteen polynomi neliöksi. Irrationaalifunktioiden integrointi Käsittelemme lyhyesti vain eräitä erityistapauksia. Jos funktio on rationaalinen lauseke R juurilausekkeesta, kyseisen juurilausekkeen sijoitus voi johtaa tulokseen. 3. R x, ax b n + n, sijoitus t ax + b n, x dt b cx d n + cx + d a ct integraalin rationaalifunktioksi muuttujan t suhteen. muuntaa Neliöksi täydentäminen ax + bx + c 4. ( a 0) b b ax bx c a x c b t x+ johtavat a + + + + ja sijoitus a 4a funktioihin arcsin tai logaritmi vakion a etumerkistä riippuen kaavojen 4 ja 5 mukaisesti.

57 Sijoittamalla sopiva trigonometrinen funktio voidaan neliöjuuresta päästä eroon: R x a x x asint, a, a x acost 5. (, ) R x x a adt x atant,, x + a cos t 6. (, + ) Vastaavasti merkeistä riippuen voidaan hyödyntää hyperbolisia funktioita sijoituksina: R x x a x acosht, asinhtdt, x a asinht 7. (, ) a cos t Eksponentti- ja logaritmifunktiot integroituvat myös joskus sopivalla sijoituksella tai osittaisintegroinnilla. ax ax dt 8. R ( e ) Sijoitus e t, x ln t, a at palauttaa rationaalifunktion integroinniksi. Rationaalifunktio lausekkeista sin ja cos palautuu sijoituksella rationaalifunktion integroinniksi R x x x t t dt tan t, sin x, cos x, + t + t + t 9. ( cos,sin )

58 Tehtäviä Laske oheisten funktioiden integraalit:. sin x. e ax 3. x/(x +) 4. x/(x 4 +) 5. x cosx 6. ln x 7. arctan x 8. x( x ) 9. 0. x 3x + 3 3 x x + x x + x x + Ratkaisuja. sin x sin t t dt (sij. x t, d( x)d(x ½ )½x -½ dt x ½ dt ) t sint dt (ositt. int. ut, v'sint, u', v-cost) (-tcost + cost dt) -t cost + sint - x cos x + sin x + C.. e ax /a a e ax /a e ax + C

59 3. x/(x +) ½ x/(x +) ½ ln(x +) + C 4. x/(x 4 +) ½/(t +) dt (sij. x t, x dt, x ½dt) ½arctan(t) ½arctan(x ) + C 5. x cosx xsinx - sinx (ositt. int. ux, v'cosx, u', vsinx ) x sinx +cosx + C 6. lnx x lnx -/x x (ositt. int. ulnx, v', u'/x, vx ) x lnx - x + C 7. arctanx x arctanx -/+x ) x (ositt. int. uarctanx, v', u'/(+x ), vx ) x arctanx -½ln(+x ) + C (Teht. 3) 8. I /(x(x -)) (A/x + B/(x+) + C/(x-)) /(x(x+)(x-)) (A/x + B/(x+) + C/(x-) A(x -) +Bx(x-) + Cx(x+) (A+B+C)x + (-B+C)x -A A-, BC½ I (-/x + ½/(x+) + ½/(x-)) -ln x +½ln x+ +½ln x- +C 9. I (x -3x+3)/(x 3 -x +x) (x -3x+3)/(x 3 -x +x) (x -3x+3)/(x(x-) ) A/x +B/(x-) + C/(x-) x -3x+3 A(x-) + Bx + Cx(x-) x -3x+3 (A+C)x + (-A+B-C)x +A A+C, -A+B-C-3, A3 A3, B, C- I(3/x + /(x-) - /(x-)) 3 ln x -/(x-) -ln x- +C

60 0. I (x+)/(x -x+) (nimittäjä jaoton) ½(x-)/(x -x+) + 3//(x -x+) I + I I ½ ln(x -x+) I 3//((x-½) +3/4) (nimittäjä täydennettiin neliöksi) (3/) (4/3) (muunnettiin arctan mielessä) x ½ + 3/ 3/ /(t +) dt, tehtiin sijoitus t(x-½)/( 3/), dt/( 3/) 3 arctan t II +I ½ ln (x x ½ -x+) + 3 arctan( 3/ + C