5.1. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

Samankaltaiset tiedostot
4. Reaalifunktioiden määrätty integraali

3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

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

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

3 Integraali ja derivaatta

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

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

Integraalilaskenta. Määrätty integraali

6 Integraalilaskentaa

Riemannin integraalista

Matematiikan tukikurssi

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

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

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

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

Integraalilaskentaa. 1. Mihin integraalilaskentaa tarvitaan? MÄNTÄN LUKIO

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

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

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

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

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

Sisältö. Integraali 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 20

Riemannin integraali

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

4 Pinta-alasovelluksia

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

Numeerinen integrointi.

5 Epäoleellinen integraali

Matematiikan tukikurssi. Hannu Kivimäki

Matematiikan tukikurssi

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

2 Epäoleellinen integraali

ANALYYSI 2. Camilla Hollanti. Tampereen yliopisto x 3. a x 1. x 4 x 11. x 2

10. MÄÄRÄTYN INTEGRAALIN KÄYTTÖ ERÄIDEN PINTA-ALOJEN LASKEMISESSA

Kertausta ja täydennystä

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

ANALYYSI 2. Tero Kilpeläinen

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

2 Riemann-integraali. 2.1 Porrasfunktion integraali. Aloitetaan integraalin täsmällinen määrittely tutkimalla porrasfunktion integraalia.

Pinta-alan laskeminen

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 [

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

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

Riemannin integraalista

i 2 n 3 ( (n 1)a (i + 1) 3 = 1 +

Matematiikan tukikurssi

2.4 Pienimmän neliösumman menetelmä

Numeerinen integrointi

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 6, ratkaisuista. 1. Onko jokin demojen 5 tehtävän 3 relaatioista

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

Ristitulo ja skalaarikolmitulo

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI

funktion voi tarkistaa derivoimalla. Sijoitusmenettely perustuu ketjusääntöön.

Matematiikan peruskurssi. Seppo Hassi

sin θ θ θ r 2 sin 2 θ φ 2 = 0.

Sähkömagneettinen induktio

Matemaattiset menetelmät I. Seppo Hassi

Riemann-integraalin ja mittaintegraalin vertailua

OSA 1: POLYNOMILASKENNAN KERTAUSTA, BINOMIN LASKUSÄÄNTÖJÄ JA YHTÄLÖNRATKAISUA

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

Matematiikan tukikurssi

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Funktiojonot 1

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille P

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

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

R4 Harjoitustehtävien ratkaisut

Mika Hirvensalo. Insinöörimatematiikka B 2014

Sisältö. Funktiojonot ja -sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 15

7 Funktiosarjoista. 7.1 Funktiosarjojen suppeneminen

Muita määrätyn integraalin sovelluksia

Lebesguen integraali - Rieszin määritelmä

Integraalilaskennasta lukiossa ja lukion oppikirjasarjoissa

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 6 / vko 13

MITEN MÄÄRITÄN ASYMPTOOTIT?

3.5 Kosinilause. h a c. D m C b A

Analyyttinen lukuteoria

4 Taso- ja avaruuskäyrät

Analyysi B. Derivaatta ja integraali. Pertti Koivisto

Pertti Koivisto. Analyysi B

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

Polynomien laskutoimitukset

Viikon aiheet. Pinta-ala

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa II

Sinilause ja kosinilause

ANALYYSIN TEORIA A JA B

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

ANALYYSI I, kevät 2009

Johdatus L A TEXiin. 4. Matematiikkaa II Markus Harju. Matemaattiset tieteet

Newtonin, Riemannin ja Henstock-Kurzweilin integraalit

Johdatus L A TEXiin. 4. Matematiikkaa II Markus Harju. Matemaattiset tieteet

Kuvausta f sanotaan tällöin isomorfismiksi.

ANALYYSI I, kevät 2009

ANALYYSI I, kevät 2009

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.

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

LYHYEN MATEMATIIKAN SIMULOITU YO-KOE 2 RATKAISUT

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1: tiivistelmä ja oheislukemista

Transkriptio:

MAT-3430 Lj mtemtiikk 3 TTY 00 Risto Silvennoinen Luku 5. Integrli 5.. Relifunktioien määräämätön integrli Integrlifunktio Derivoinnin käänteistoimituksen on vstt kysymykseen "Mikä on se funktio, jonk erivtt on f?" Kosk vkion erivtt = 0, hvitn heti, että vstus ei voi oll yksikäsitteinen. Funktion f : S integrlifunktio (määräämätön integrli, primitiivi, ntierivtt) on funktio F, jonk erivtt on f: F ( ) = f( ), jollkin välillä I funktion f määrittelyjoukoss S. Jos F on funktion f integrlifunktio, niin myös F() + C on sitä kikill vkioill C (integroimisvkio). Integrlifunktiolle käytetään yleisesti merkintää F( ) = f( ), joss integrlimerkki tulee tyylitellystä S-kirjimest snst summ. Tämä yhteys selittyy tuonnempn ns. määrätyn integrlin kutt. Smoin symolin sisältö trkentuu silloin, nyt se voin ktso lähinnä merkinnäksi, jok on joskus hyöyllinen, esim. sijoittmismenettelyssä.

Seurvt perussäännöt oletetn tunnetuksi lukion kursseilt ti muilt ikisemmilt opinnoilt. (Ne on helppo myös toist erivoimissääntöjen pohjlt.) Merkintä F trkoitt funktion f integrlifunktiot: F( ) = f( ). f g f g (linerisuus). ( ) + ( ) = ( ) + ( ) f g F g F g (osittisintegrointi). ( ) ( ) = ( ) ( ) ( ) ( ) f tt= f( g ) g ( ), t= g( ) (sijoitus) 3. ( ) ( ) ( ) ( ) = ( ( )) 4. ( ) f g g F g f + = F( + ) 4. ( ) 4. ( ) ( ) f = ln f f ( ) 5. f ( ) priton ( ) 5. f ( ) prillinen ( ) F prillinen F priton (jos vkio C on vlittu siten, että ( ) F 0 = 0)

3 Alkeisfunktioien integrointikvoist tärkeimpiä ovt seurvt. Ne ovt kikki vstvien erivoimissääntöjen "käänteiskvoj". (Integrleiss oikelle puolelle in lisättävä integroimisvkio C on jätetty kvoiss merkitsemättä.) Derivointi Integrointi = 6. = ( ) 6. ( ), + + 7. ln = 7. = ln 8. e e = 8. e= e 9. cos = sin 9. sin = cos 0. sin = cos 0. cos = sin. cot = sin. sin cot =. tn = cos. cos tn = 3. rctn = + 3. rctn + = 4. 5. rcsin = rsinh = + 4. 5. = rcsin = rsinh + 6. cosh = sinh 6. sinh = cosh 7. sinh = cosh 7. cosh = sinh

Vrsinisi integroimistekniikkoj ei nykyisin symolisten ohjelmistojen (Mple, Mtl Symolic Mthemtics Toolo, Mthemtic, MthC, ) stvuuen tki enää hrjoitell rutiiniksi sti. Ohjelmistot eivät in kuitenkn selviä kikist tilnteist ilmn pu, joten perustpukset on syytä tunte. Ohess on lueteltu tärkeimmät perusmenetelmät. 4

5 Rtionlifunktioien integrointi Rtionlifunktiot ovt polynomien osmääriä j niillä on yhteyksiä moniin teknisiin sovelluksiin, mm. siirtofunktioien j integrlimuunnosten kutt. Jokinen rtionlifunktio on integroitviss j integrlifunktio esitettävissä lkeisfunktioien vull ("suljetuss muooss"). (Näin ei ole sinlit yleisesti funktioille. On pljon funktioit, joien integrlej ei voi esittää lusekkein yksinkertisimmist funktioist. Tällisi ovt mm. useimmt fysiikn "erikoisfunktiot", kuten Besselin funktiot.) Rtionlifunktio f( ) = ( ) Q ( ) missä j Q ovt polynomej, voin jk muotoon f( ) = K( ) + R( ) Q ( ) missä K() on polynomi j rtionlifunktion R()/Q() osoittjn olevn polynomin R() ste on lempi kuin nimittäjän Q(). 3 3 + 9 + 5 8 = + + Esim., mikä nähään käsin lskien + 3 + 3 esimerkiksi jkokulm käyttäen: + 3 3 3 + 9+ 5 3 ( + 6 ) + 3+ 5 ( + 3) + 8

6 Oletmme jtkoss, että näin on trvittess tehty, j siis polynomin R( ) ste on pienempi kuin Q:n ( ) eli eg R( ) < eg Q( ). R( ) Tällöin on hjotettviss Q:n tekijöien suhteen Q ( ) osmurtokehitelmäksi. (prtil frctions) olynomi Q( ) voin jk relisiin tekijöihin, joien steluku tyyliin m n ( ) = ( ) ( )...( + + ) ( + + )..., (, c, ) Q C r s c < < missä rs,, ovt kertluku m, n olevi relisi juuri, j toisen steen tekijät jottomi, eli vstvt kompleksijuuriprej. Silloin osmurtokehitelmän yleinen muoto on p q ( ) ( ) ( r) ( ) R R R R = + m Q r + + m + r Esim. S S S s ( s) ( s) A + B A p+ Bp + + + p + + + + + n + + + + n + + ( ) ( ) C + + D C q + Dq + + q +, + c+ + c+ ( ) A B C+ D = + + = + + ( + )( + ) ( + ) + ( + )( ) + B( + ) + ( C + D)( + ) ( + ) ( + ) A = A + C = 3 ( ) + ( A + B + C + D) + ( A + C + D) + ( A + B + D) ( + ) ( + ) =

7 A + C = 0, A + B + C + D = 0, A + C + D = 0, A + B + D = A = B = C =, D = 0. = + + + + + + ( )( ) ( ) ( ) ( ) Osmurtokehitelmässä olevt integrlit voin lske seurvsti: 8. A ( ) n Aln, n= = A n, n ( n )( ) 9. Ct n ( t + ) t ( ) C ln t +, n= = C n, n ( n )( t + ) 0... D D t rctn t = I n ( t + ) = I D n t lsketn rekursiivisesti: ( t + ) Dt n = + I n t n ( + ) n+ n A+ B n ( ) ( + + ) n ( n ) < plutetn eellisiin täyentämällä nimittäjässä olev toisen steen polynomi neliöksi.

8 Irrtionlifunktioien integrointi Käsittelemme lyhyesti vin eräitä erityistpuksi. Jos funktio on rtionlinen luseke R juurilusekkeest, kyseisen juurilusekkeen sijoitus voi joht tulokseen. 3. R, n + n, sijoitus t= + n, = t c n + c + ct rtionlifunktioksi muuttujn t suhteen. muunt integrlin Neliöksi täyentäminen 4. ( 0) + + c c c t= + johtvt funktioihin + + = + + j sijoitus 4 rcsin ti logritmi vkion etumerkistä riippuen kvojen 4 j 5 mukisesti. Sijoittmll sopiv trigonometrinen funktio voin neliöjuurest päästä eroon: R = sint, =, = cost 5. (, ) R t = tnt, =, + = cos t 6. (, + ) Vstvsti merkeistä riippuen voin hyöyntää hyperolisi funktioit sijoituksin: R = cosht, = sinhtt, = sinht 7. (, ) cos t

9 Eksponentti- j logritmifunktiot integroituvt myös joskus sopivll sijoituksell ti osittisintegroinnill. t Sijoitus e = t, = ln t, = t plutt rtionlifunktion integroinniksi. 8. R ( e ) Rtionlifunktio lusekkeist sin j cos plutuu sijoituksell rtionlifunktion integroinniksi 9. ( cos,sin ) R t t t tn = t, sin =, cos =, = + t + t + t Tehtäviä Lske oheisten funktioien integrlit:. sin. e 3. /( +) 4. /( 4 +) 5. cos 6. ln 7. rctn 8. ( )

0 9. 0. 3 + 3 3 + + + Rtkisuj. sin = sin t t t (sij. = t, ( )=( ½ )=½ -½ =t = ½ t ) = t sint t (ositt. int. u=t, v'=sint, u'=, v=-cost) = (-tcost + cost t) = -t cost + sint = - cos + sin + C.. e = / e = / e + C 3. /( +) = ½ /( +) = ½ ln( +) + C 4. /( 4 +) = ½/(t +) t (sij. =t, = t, = ½t) =½rctn(t) = ½rctn( ) + C 5. cos = sin - sin (ositt. int. u=, v'=cos, u'=, v=sin ) = sin +cos + C 6. ln = ln -/ (ositt. int. u=ln, v'=, u'=/, v= ) = ln - + C 7. rctn = rctn -/+ ) (ositt. int. u=rctn, v'=, u'=/(+ ), v= ) = rctn -½ln(+ ) + C (Teht. 3)

8. I =/(( -)) = (A/ + B/(+) + C/(-)) /((+)(-)) = (A/ + B/(+) + C/(-) = A( -) +B(-) + C(+) =(A+B+C) + (-B+C) -A A=-, B=C=½ I= (-/ + ½/(+) + ½/(-)) = -ln +½ln + +½ln - +C 9. I = ( -3+3)/( 3 - +) ( -3+3)/( 3 - +) = ( -3+3)/((-) ) = A/ +B/(-) + C/(-) -3+3 = A(-) + B + C(-) -3+3 = (A+C) + (-A+B-C) +A A+C=, -A+B-C=-3, A=3 A=3, B=, C=- I=(3/ + /(-) - /(-)) = 3 ln -/(-) -ln - +C 0. I = (+)/( -+) (nimittäjä joton) = ½(-)/( -+) + 3//( -+) = I + I I = ½ ln( -+) I = 3//((-½) +3/4) (nimittäjä täyennettiin neliöksi) = (3/) (4/3) (muunnettiin rctn mielessä) ½ + 3/ = 3/ /(t +) t, tehtiin sijoitus t=(-½)/( 3/), t=/( 3/) = 3 rctn t I=I +I = ½ ln ( ½ -+) + 3 rctn( 3/ + C

5.. Relifunktioien määrätty integrli Vrsinisesti termi "integrli" tulee seurvss esitettävästä määrätystä integrlist, jok on läheistä suku summmiselle. Yhteys erivttn on sitten perustv ltu olev tulos, jot snotnkin ifferentili- j integrlilskennn ("nlyysin") perusluseeksi. Tästä eteenpäin trkoitmme termillä "integrli" in määrättyä integrli, ellei toisin nimenomn snot. Integrlin esiintyminen liittyy usein kumultiivisiin ilmiöihin. Esimerkiksi, jos yhen muuttujn funktio kuv nopeutt v j ik etenee hetkestä t i välin Δt i, niin v(t i ) Δt i kertoo ikvälillä Δt i eetyn mtkn, likimin tosin, kosk v voi muuttu välillä Δt i. Kun jko ik-kselill tihennetään j mtkplset summtn yhteen, tulln kuljetun kokonismtkn likirvoon. Trkstelln si geometrisesti. Jos positiivisen jtkuvn rjoitetun funktion f() kuvjn j -kselin välisen lueen pint-l hlutn määrittää välillä [,], niin voin käyttää suorkulmioit ln pproksimoimiseen. Suorkulmion korkeueksi vlitn funktion suurin j vstvsti pienin rvo kntn olevll osvälillä. Jos osvälejä lyhennetään eli välin [,] jko tihennetään, niin ilmeisesti kummtkin pproksimtiot trkentuvt. Eellisessä tpuksess sn pint-llle A yläpproksimtio S j vstvsti jälkimmäisessä l-pproksimtio s. Kirjimell on merkitty pproksimtioon liittyvää jko, jok ll olevss kuvss on tsvälinen. Fitzptrickin merkinnöillä S = U( f, ), s = L( f, ). Trenchin merkinnöillä S = S( ) j s = s ( ).

3 Jon määrittelevät sen jkopisteet = 0< < < n =. Snomme, että S j s ovt funktion f jkoon liittyvät ylä- j lsummt välillä [,]. Vikutt ilmeiseltä, että sillä ei ole merkitystä, onko jko tsvälinen vi ei. Kosk yläsummill (kun jkoj vihelln mielivltisesti) on in lrjn mikä hyvänsä lsumm, on niitten joukoll infimum eli suurin lrj inf S. Vstvsti lsummill on supremum eli pienin ylärj sups. n Funktiot f snotn välillä I=[,] integroituvksi (trkemmin Riemnnintegroituvksi), jos yläsummien suurin lrj j lsummien pienin ylärj ovt smt: sup s = f( ) = inf S. Tämä yhteinen rvo on funktion f (Riemnn-)integrli "yli välin [,]" eli määrätty integrli.

4 Voin osoitt, että (inkin) kikki rjoitetut ploittin jtkuvt funktiot ovt Riemnn-integroituvi. Toinen tp on vlit välin [, ] jon : = 0< < n < n = osväleiltä [ i-, i ] mielivltinen piste * i j määrittää suorkulmion korkeueksi f( * i ). Silloin l pproksimoi Riemnnin summ n i= f( i * )Δ i missä Δ i = i - i- on i:nnen osvälin pituus. Merkitään suurimmn osvälin pituutt eli jon normi = m( i i ). Snomme, että jko tihenee i rjtt, jos D 0, kun i. Silloin siis osvälien määrä ksv rjtt j niien pituuet lähestyvät noll. Funktion f määrätty integrli (Riemnn-integrli) on silloin n f ( ) = lim f( ) Δ n n D i n 0 = i n i missä rj-rvo trkoitt mitä hyvänsä Riemnnin summien jono, joss jot rjtt tihenevät. (Täsmälliset toistukset, ks.fitzptrick, Trench j kurssit Mtemttinen nlyysi sekä Mitt- j integrliteori.)

5 y o 3 i f * ( i ) i n * * * 3 * i * n Määrätylle integrlille voin joht seurvt perusominisuuet. f ( ) = f ( ). ( ) 0 f = c c 3. ( ) + ( ) = ( ) f f f (itiivisuus) f g f g (linerisuus) 4. α ( ) + β ( ) = α ( ) + β ( )

6 f g F g F g (osittisintegrointi) 5. ( ) ( ) = / ( ) ( ) ( ) ( ) f ( g ) g ( ) = f ( t) t ( t g( ) ) 6. ( ) g ( ) ( ) g 7. ( ) ( ) ( ) ( ) f g f g = (Sijoitus) 8. f ( ) f ( ) M ( ), M= m f ( ), Voin osoitt, että välillä [,] jtkuvlle funktiolle f löytyy in piste c voimelt väliltä (,) siten, että pint-l sn yhellä suorkulmioll: f() = f(c)(-). Tämä yhtälö pätee myös muille kuin ei-negtiivisille funktioille (siis ilmn em. geometrist tulkint). (Integrlilskennn välirvoluse.) y y=f() f(c) 0 c

7 Jos määrätyn integrlin ylärj otetn jtkuvn funktion f integrliss muuttujksi: G() = f(t)t, niin stu funktio on ifferentioituv: +h G(+h) - G() = f(t)t - +h f(t)t = f(t)t = f(c) h = f() h + (f(c) -f()) h = f() h + ε(h) h missä <c<+h j ε(h) = f(c)-f() 0, kun h 0. Sn siis tulos: Jos f on jtkuv välillä [,], niin funktion G() = f(t)t erivtt välillä (,) on G '() = f(). Siis erityisesti toetn, että G() on funktion f () integrlifunktio (primitiivi). Jos F on toinen f:n integrlifunktio, niin se ero G:stä vin vkion verrn: F() = G() + C. Kosk G() = 0, on tämä vkio C = F(). Siis mille hyvänsä f:n integrlifunktiolle F pätee

8 F() = f(t)t + F(). Tästä sn sijoittmll = yhteys, joll määrätyt integrlit voin lske integrlifunktion vull: Luse (Differentili- j integrlilskennn perusluse) Jos f :, on jtkuv, niin f on integroituv j jos F on jokin f:n integrlifunktio, niin f() = / F() = F() -F().