III. Rachunek całkowy funkcji jednej zmiennej.

Podobne dokumenty
RACHUNEK CAŁKOWY. Funkcja F jest funkcją pierwotną funkcji f na przedziale I R, jeżeli. F (x) = f (x), dla każdego x I.

1 Definicja całki oznaczonej

VI. Rachunek całkowy. 1. Całka nieoznaczona

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 15. CAŁKI OZNACZONE. Egzaminy I termin poniedziałek :00 Aula B sala 12B Wydział Informatyki

Analiza matematyczna i algebra liniowa Całka oznaczona

Całki oznaczone. Funkcja górnej granicy całkowania. Zastosowania całek oznaczonych. Całki niewłaściwe. Małgorzata Wyrwas

Całki oznaczone. Funkcja górnej granicy całkowania. Zastosowania całek oznaczonych. Całki niewłaściwe. Małgorzata Wyrwas

Notatki z Analizy Matematycznej 4. Jacek M. Jędrzejewski

Całka Riemanna. Analiza Matematyczna. Alexander Denisjuk

ANALIZA MATEMATYCZNA 1

Całka Riemanna Dolna i górna suma całkowa Darboux

Wykład 2. Pojęcie całki niewłaściwej do rachunku prawdopodobieństwa

Całka oznaczona i całka niewłaściwa Zastosowania rachunku całkowego w geometrii

Całka oznaczona. Matematyka. Aleksander Denisiuk. Elblaska Uczelnia Humanistyczno-Ekonomiczna ul. Lotnicza Elblag.

CAŁKA OZNACZONA JAKO SUMA SZEREGU

Całkowanie. dx d) x 3 x+ 4 x. + x4 big)dx g) e x 4 3 x +a x b x. dx k) 2x ; x 0. 2x 2 ; x 1. (x 2 +3) 6 j) 6x 2. x 3 +3 dx k) xe x2 dx l) 6 1 x dx

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki oznaczone. lim δ n = 0. σ n = f(ξ i ) x i. (1)

Analiza matematyczna v.1.6 egzamin mgr inf niestacj 1. x p. , przy założeniu, że istnieją lim

Analiza Matematyczna (część II)

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 Wykład 1

Analiza Matematyczna. Całka Riemanna

1 Rachunek zdań 3. 2 Funkcje liczbowe 6

f(x)dx (1.7) b f(x)dx = F (x) = F (b) F (a) (1.2)

Wykład 2. Granice, ciągłość, pochodna funkcji i jej interpretacja geometryczna

Całki niewłaściwe. Rozdział Wprowadzenie Całki niewłaściwe I rodzaju

MATEMATYKA 1 MACIERZE I WYZNACZNIKI

Matematyka dla biologów Zajęcia nr 7.

nazywamy odpowiednio dolną oraz górną sumą Darboux funkcji f w przedziale [a, b] wyznaczoną przez podział P.

Pochodne i całki, macierze i wyznaczniki

XI. Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Całka podwójna Całka podwójna po prostokącie. Oznaczenia:

Matematyka 1. Šukasz Dawidowski. Instytut Matematyki, Uniwersytet l ski

Całka oznaczona funkcji jednej zmiennej rzeczywistej. Autorzy: Witold Majdak

9. Całkowanie. I k. sup

f(g(x))g (x)dx = 6) x 2 1

CAŁKOWANIE NUMERYCZNE

Modelowanie i obliczenia techniczne. Metody numeryczne w modelowaniu: Różniczkowanie i całkowanie numeryczne

CAŁKOWANIE NUMERYCZNE

MATeMAtyka 3 inf. Przedmiotowy system oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych. Zakres podstawowy i rozszerzony. Dorota Ponczek, Karolina Wej

Wzory uproszczonego mno zenia: (a + b) 2 = a 2 + 2ab + b 2, (a b) 2 = a 2 2ab + b 2, a 2 b 2 = (a b) (a + b).

N(0, 1) ) = φ( 0, 3) = 1 φ(0, 3) = 1 0, 6179 = 0, 3821 < t α 1 e t dt α > 0. f g = fg. f = e t f = e t. U nas: g = t α 1 g = (α 1)t α 2

Prace Koła Matematyków Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie (2014)

Matematyka stosowana i metody numeryczne

< f g = fg. f = e t f = e t. U nas: e t (α 1)t α 2 dt = 0 + (α 1)Γ(α 1)

Całki oznaczone. wykład z MATEMATYKI

Metody numeryczne. Całkowanie. Janusz Szwabiński. nm_slides-4.tex Metody numeryczne Janusz Szwabiński 23/10/ :07 p.

Arkusz 1 - karta pracy Całka oznaczona i jej zastosowania. Całka niewłaściwa

Analiza Matematyczna

f(x) dx = F (x) + const, (9.1)

2. Analiza Funkcje niepustymi zbiorami. Funkcja

PRZEGLĄD FUNKCJI ELEMENTARNYCH. (powtórzenie) y=f(x)=ax+b,

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 12

3. F jest lewostronnie ciągła

Równania i nierówności kwadratowe z jedną niewiadomą

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Całki oznaczone i zastosowania

O SZEREGACH FOURIERA. T (x) = c k e ikx

Niewymierność i przestępność Materiały do warsztatów na WWW6

Zadania. I. Podzielność liczb całkowitych

Plan wykładów z Matematyki, I 2014/2015 semestr zimowy. (a) Podstawowe funkcje: pierwiastki, funkcja potęgowa, logarytm.

Maciej Grzesiak. Iloczyn skalarny. 1. Iloczyn skalarny wektorów na płaszczyźnie i w przestrzeni. a b = a b cos ϕ. j) (b x. i + b y

Zestaw wybranych wzorów matematycznych

Zastosowania całki oznaczonej

Wyznacznikiem macierzy kwadratowej A stopnia n nazywamy liczbę det A określoną następująco:

Piotr Stefaniak. Materiały uzupełniające do wykładu Matematyka

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE IIc ZAKRES PODSTAWOWY I ROZSZERZONY

2. FUNKCJE WYMIERNE Poziom (K) lub (P)

WEKTORY skalary wektory W ogólnym przypadku, aby określić wektor, należy znać:

Wykład 2. Funkcja logarytmiczna. Definicja logarytmu: Własności logarytmu: Logarytm naturalny: Funkcje trygonometryczne

usuwa niewymierność z mianownika wyrażenia typu

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

Analiza matematyczna ISIM II

Wymagania na ocenę dopuszczającą z matematyki klasa II Matematyka - Babiański, Chańko-Nowa Era nr prog. DKOS /02

RACHUNEK RÓŻNICZKOWY I CAŁKOWY WSB-NLU 2006/7 3

( ) Lista 2 / Granica i ciągłość funkcji ( z przykładowymi rozwiązaniami)

Materiały do kursu Matematyka na kierunku Informatyka studia stacjonarne

Wymagania edukacyjne matematyka klasa 2 zakres podstawowy 1. SUMY ALGEBRAICZNE

Klasa druga: II TK1, II TK2 Poziom podstawowy 3 godz. x 30 tyg.= 90 nr programu DKOS /07 I. Funkcja kwadratowa

Wykład z matematyki dla studentów Inżynierii Środowiska. Wykład 1. Literatura PRZEGLĄD FUNKCJI ELEMENTARNYCH

Wymagania kl. 2. Uczeń:

CAŠKA NIEOZNACZONA. Politechnika Lubelska. Z.Šagodowski. 18 lutego 2016

Wymagania edukacyjne matematyka klasa 2b, 2c, 2e zakres podstawowy rok szkolny 2015/ Sumy algebraiczne

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

Oznaczenia: K wymagania konieczne; P wymagania podstawowe; R wymagania rozszerzające; D wymagania dopełniające; W wymagania wykraczające

Całki niewłaściwe. Funkcje Γ i B Eulera oraz ich zastosowania

Wykład 8: Całka oznanczona

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki krzywoliniowe

Typ szkoły: ZASADNICZA SZKOŁA ZAWODOWA Rok szkolny 2016/2017 Zawód: FRYZJER, CUKIERNIK, PIEKARZ, SPRZEDAWCA, FOTOGRAF i inne zawody.

Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

PEWNIK DEDEKINDA i jego najprostsze konsekwencje

WYKŁAD 11: CAŁKOWANIE

Analiza Matematyczna MAEW101

Całka podwójna po prostokącie

Wykład 3: Transformata Fouriera

Temat lekcji Zakres treści Osiągnięcia ucznia

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

Analiza numeryczna. Stanisław Lewanowicz. Całkowanie numeryczne. Definicje, twierdzenia, algorytmy

Całka oznaczona. długość k-tego odcinka podziału P. punkt pośredni k-tego odcinka podziału P. Niech funkcja f będzie ograniczona na przedziale

Transkrypt:

III. Rchunek cłkowy funkcji jednej zmiennej. 1. Cłki nieoznczone. Niech f : I R, I R - przedził n prostej. Definicj 1.1. (funkcji pierwotnej) Funkcję F nzywmy funkcją pierwotną funkcji f n przedzile I, jeżeli dl kżdego x I F (x) = f(x). Twierdzenie 1.2. Niech F będzie funkcją pierwotną funkcji f n przedzile I. Wówczs: (i) funkcj F (x) + C, gdzie C R jest dowolną stłą (stłą cłkowni) jest tkże funkcją pierwotną funkcji f n I, (ii) kżd funkcj pierwotn funkcji f n I może być przedstwion w postci F (x) + C, gdzie C R. Twierdzenie 1.3. (wrunek dostteczny istnieni funkcji pierwotnej) Jeżeli funkcj f jest ciągł n przedzile I, to m n tym przedzile funkcję pierwotną. 1

Definicj 1.4. (cłki nieoznczonej) Niech F będzie funkcją pierwotną funkcji f n przedzile I. Cłką nieoznczoną funkcji f n I nzywmy rodzinę funkcji F (x)+c, gdzie C R i oznczmy przez f(x) dx, tzn. f(x) dx = F (x) + C F (x) = f(x). Znlezienie wszystkich funkcji pierwotnych funkcji f nzyw się jej cłkowniem. W wyrżeniu f(x) dx funkcję f nzyw się funkcją podcłkową. Przykłd 3.1. ( ) x 2 dx = x3 3 + C, bo x 3 3 + C = x 2, e x dx = e x + C, bo (e x + C) = e x. Z definicji wynikją nstępujące włsności cłki nieoznczonej: Fkt 1.5. (i) ( f(x) dx ) = f(x), (ii) f (x) dx = f(x) + C, C R, (iii) (f(x) + g(x)) dx = f(x) dx + g(x) dx, (iv) c f(x) dx = c f(x) dx. 2

Cłki nieoznczone wżniejszych funkcji elementrnych (1) 0 dx = C, x R; (2) x n dx = xn+1 n+1 (3) x p dx = xp+1 p+1 + C, n N {0}, x R; + C, p { 2, 3, 4,...}, x R \ {0}; (4) x α dx = xα+1 α+1 α; + C, α R \ Z, zkres zmienności x zleży od wrtości (5) 1 x dx = ln x + C, x R \ {0}; (6) x dx = x ln + C, 0 < 1, x R; (7) e x dx = e x + C, x R; (8) sin x dx = cos x + C, x R; (9) cos x dx = sin x + C, x R; (10) 1 dx = ctg x + C, x (kπ, π + kπ), k Z; sin 2 x (11) 1 cos 2 x dx = tg x + C, x ( π 2 + kπ, π 2 (12) 1 1+x 2 dx = rc tg x + C, x R; (13) 1 1 x 2 dx = rc sin +C, x ( 1, 1). + kπ), k Z; Przykłdy 3.2. 3

Twierdzenie 1.6. (wzór n cłkownie przez części) Zkłdmy, że funkcje f i g mją ciągłe pochodne. Wówczs f(x) g (x) dx = f(x) g(x) f (x) g(x) dx. Przykłdy 3.3. Twierdzenie 1.7. (cłkownie przez podstwienie) Zkłdmy, że funkcj f : I R jest ciągł n przedzile I, funkcj ϕ : J I m ciągłą pochodną n przedzile J. Niech x = ϕ(t). Wówczs f(x) dx = f(ϕ(t)) ϕ (t) dt. Przykłdy 3.4. 4

2. Cłkownie niektórych kls funkcji. 2.1. Cłkownie funkcji wymiernych. Definicj 2.1. (funkcji wymiernej włściwej) Funkcję wymierną W (x) = P n(x) Q m (x) nzywmy włściwą, jeżeli n < m. Fkt 2.2. Kżdą funkcję wymierną niewłściwą możn zpisć w postci sumy wielominu i funkcji wymiernej włściwej. Przykłd 3.5. x 2 +x+1 x 2 = 1 + x+1 x 2. Definicj 2.3. (ułmków prostych) Funkcję wymierną włściwą postci A (x + ) n, gdzie n N, A, R nzywmy ułmkiem prostym I-go rodzju. Funkcję wymierną włściwą postci Bx + c (x 2 + px + q) n, gdzie n N, p, q, B, C R, przy czym = p 2 4q < 0 nzywmy ułmkiem prostym II-go rodzju. 5

Fkt 2.4. (rozkłd funkcji wymiernej n ułmki proste) Kżd funkcj wymiern włściw jest sumą ułmków prostych. Funkcj wymiern włściw postci P (x) n (x x 1 ) k 1 (x x2 ) k 2...(x xr ) k r (x2 + p 1 x + q 1 ) l 1 (x2 + p 2 x + q 2 ) l 2...(x2 + p s x + q s ) l s jest sumą k 1 + k 2 +... + k r ułmków prostych I-go rodzju orz l 1 + l 2 +... + l s ułmków prostych II-go rodzju, przy czym - czynnikowi (x x i ) k i odpowid sum k i ułmków prostych I-go rodzju postci A i1 + A i2 x x i (x x i ) +... + A ik i, 1 i r; 2 (x x i ) k i - czynnikowi (x 2 + p j x + q j ) l j odpowid sum l j ułmków prostych II-go rodzju postci B j1 x + C j1 x 2 + p j x + q j + B j2x + C j2 (x 2 + p j x + q j ) 2 +... + B jl j x + C jlj (x 2 + p j x + q j ) l j, 1 j s, gdzie A i1, A i2,..., A iki, B j1, B j2,..., B jlj, C j1, C j2,..., C jlj R. Przykłd 3.6. x + 1 x 3 (x 5) 2 (x 1)(x 2 + 4) = A 2 x + B C D x 2+ x 3+ x 5 + E F (x 5) 2+ x 1 +x + b x 2 + 4 + cx + d (x 2 + 4) 2 W celu znlezieni współczynników A, B, CD, E, F,, b, c, d nleży pomnożyć powyższą równość przez minownik x 3 (x 5) 2 (x 1)(x 2 + 4) 2. Otrzymmy równość dwóch wielominów. Porównując współczynniki przy odpowiednich potęgch zmiennej x po obu stronch tej równości, dostniemy ukłd wrunków, z którego wyznczymy szukne współczynniki. 6

Algorytm cłkowni funkcji wymiernych. (Krok 1.) Funkcję wymierną niewłściwą zpisujemy w postci sumy wielominu i funkcji wymiernej włściwej. (Krok 2.) Minownik funkcji wymiernej włściwej rozkłdmy n czynniki liniowe x x i orz kwdrtowe x 2 + px + q, gdzie = p 2 4q < 0. (Krok 3.) Rozkłdmy funkcję wymierną włściwą n ułmki proste. (Krok 4.) Obliczmy cłki z ułmków prostych korzystjąc m.in. z poniższych wzorów: (1.1) A x+ dx = A ln x + + C, (1.2) A A (x+) dx = n (n 1)(x+) + C, n 2, n 1 (1.3) dx (x 2 + 2 ) n dx = x (1.4) Bx+C (x 2 +px+q) n dx = B 2 Cłkę obliczmy przez podstwienie 2(n 1) 2 (x 2 + 2 ) + 2n 3 n 1 2(n 1) 2 2x+C (x 2 +px+q) n dx + ( C Bp 2 2x + C (x 2 + px + q) n dx x 2 + px + q = t. dx (x 2 + 2 ) dx, > 0, n 2. n 1 ) dx (x 2 +px+q). n Cłkę dx (x 2 + px + q) n obliczmy przez sprowdzenie trójminu kwdrtowego x 2 +px+q do postci knonicznej ( x + p ) ) 2 + (q p2, 2 4 nstępnie stosujemy podstwienie t = x + p 2 i wykorzystujemy wzór rekurencyjny (1.3). Przykłdy 3.7. 7

2.2. Wybrne cłki z funkcji trygonometrycznych. (2.1) sin(x) dx = 1 cos x + C, (2.2) cos(x) dx = 1 sin x + C, (2.3) sin 2 x dx = 1 2 x 1 4 sin 2x + C, (2.4) cos 2 x dx = 1 2 x + 1 4 sin 2x + C, (2.5) sin n x dx = 1 n sinn 1 x cos x + n 1 n sin n 2 x dx, n N, (2.6) cos n x dx = 1 n cosn 1 x sin x + n 1 n cos n 2 x dx, n N, (2.7) tg n x dx = 1 n 1 tgn 1 x tg n 2 x dx, n > 2, (2.8) ctg n x dx = 1 n 1 tgn 1 x ctg n 2 x dx, n > 2. Cłki postci sin x cos bx dx, sin x sin bx dx, cos x cos bx dx, obliczmy stosując tożsmości trygonometryczne sin x cos bx = 1 [sin( + b)x + sin( b)x], 2 sin x sin bx = 1 [cos( b)x cos( + b)x], 2 cos x cos bx = 1 [cos( + b)x + cos( b)x]. 2 Cłkę postci R(sin x, cos x, tg x) dx, gdzie R dowoln funkcj, możn obliczyć stosując podstwienie Wtedy dx = u = tg x 2. 2du 2u 1 u2 2u 1 + u2, sin x = 1 + u2, cos x =, tg x = 1 + u2 1 u 2. 8

Cłkę postci R(sin 2 x, cos 2 x, sin x cos x) dx, gdzie R dowoln funkcj, możn obliczyć stosując podstwienie Wtedy dx = u = tg x. du 1 + u 2, sin2 x = u2 1 + u 2, cos2 x = 1 u 1 + u2, sin x cos x = 1 + u 2. Przykłdy 3.8. 9

2.3. Wybrne cłki z funkcji z niewymiernościmi. (3.1) dx x2 +k dx = ln x + x 2 + k + C, k R; (3.2) dx k2 x 2 dx = rc sin x k (3.3) f (x) dx = 2 f(x) + C, f(x) + C, k > 0; (3.4) k 2 x 2 dx = k2 2 rc sin x k + x 2 k2 x 2 + C, k > 0; (3.5) x 2 k2 x 2 dx = k2 2 rc sin x k x 2 k2 x 2 + C, k > 0; (3.6) x 2 + k dx = x 2 x2 + k + k 2 ln x + x 2 + k + +C, k R; (3.7) x 2 x2 +k dx = x 2 x2 + k k 2 ln x + x 2 + k + +C, k R. Przykłdy stosownych podstwień przy obliczniu cłek z funkcji z niewymiernościmi: (3.8) dx (x α) n 1 dx, podstwienie : t = x 2 +bx+c x α ; (3.9) dx (x 2 +b) px 2 +q dx, podstwienie : px 2 + q = tx; (3.10) R(x, x 2 + bx + c) dx, podstwieni Euler: (1) > 0 podstwimy x 2 + bx + c = t x lub x 2 + bx + c = t + x; (2) c > 0 podstwimy x 2 + bx + c = tx c lub x 2 + bx + c = tx + c; (3) = b 2 4c > 0 podstwimy x 2 + bx + c = (x x 1 )(x x 2 ) := t(x x 1 ) lub x 2 + bx + c := t(x x 2 ), gdzie x 1, x 2 są pierwistkmi trójminu kwdrtowego x 2 + bx + c. 10

(3.11) x m (b + x n ) p dx, gdzie m, n, p Q, (1) p Z podstwimy x = t r, gdzie r wspólny minownik ułmków m i n; (2) m+1 n Z podstwimy b + x n = t s, gdzie s minownik ułmk p; (3) m+1 n +p Z podstwimy b+x n = t s, gdzie s minownik ułmk p. Przykłdy 3.9. 11

3. Cłk oznczon. 3.1. Definicj cłki oznczonej. Niech f będzie funkcją określoną i ogrniczoną w przedzile [, b]. Definicj 3.1. Podziłem przedziłu [, b] nzywmy zbiór punktów p = {x 0, x 1,..., x n } tkich, że Oznczmy: = x 0 < x 1 <... < x n = b. x i = [x i 1, x i ], i = 1, 2,..., n x i = x i x i 1 - długość przedziłu x i δ(p) = mx 1 i n x i - średnic podziłu p c i [x i 1, x i ] - punkt pośredni z przedziłu x i S(p) = n i=1 f(c i) x i = f(c 1 )(x 1 x 0 )+f(c 2 )(x 2 x 1 )+...+f(c n )(x n x n 1 ) - sum pośredni Riemnn funkcji f odpowidjąc podziłowi p. Weźmy terz ciąg {p k } podziłów przedziłu [, b]. Ciągowi temu odpowidją wtedy ciąg średnic δ k = δ(p k ) orz ciąg sum pośrednich S k = S(p k ) Definicj 3.2. Ciąg {p k } podziłów przedziłu [, b] nzywmy normlnym, jeśli lim δ k = 0. k 12

Definicj 3.3. Jeżeli dl kżdego normlnego ciągu {p k } podziłów przedziłu [, b] odpowidjący mu ciąg sum pośrednich S k = S(p k ) jest zbieżny zwsze do tej smej grnicy niezleżnie od doboru punktów pośrednich, to grnicę tę nzywmy cłką oznczoną (w sensie Riemnn) funkcji f n przedzile [, b] i oznczmy symbolem f(x) dx. O funkcji f mówimy wtedy, że jest cłkowln w sensie Riemnn. Twierdzenie 3.4. Funkcj ciągł n przedzile [, b] jest n tym przedzile cłkowln w sensie Riemnn. Twierdzenie 3.5. Jeżeli funkcj f jest ogrniczon n przedzile [, b] i m n tym przedzile skończoną ilość punktów nieciągłości I-go rodzju, to f jest n tym przedzile cłkowln w sensie Riemnn. 13

3.2. Interpretcj geometryczn i fizyczn cłki oznczonej. A. Interpretcj geometryczn. Jeżeli f(x) 0 dl x [, b], to f(x) dx przedstwi pole figury D ogrniczonej osią Ox, wykresem funkcji f orz prostymi x = i x = b, tj. D = f(x) dx. B. Interpretcj fizyczn. Drog przebyt w ruchu zmiennym. Niech punkt mterilny porusz się po płszczyźnie lub w przestrzeni ze zmienną prędkością v(t) = v(t). Wówczs drog przebyt przez ten punkt w przedzile czsowym [t 1, t 2 ] wyrż się wzorem L = t2 Prc wykonn przez zmienną siłę. t 1 v(t) dt. Zkłdmy, że równolegle do osi Ox dził zmienn sił F (x) = F (x). Wówczs prc wykonn przez tę siłę od punktu x = do punktu x = b wyrż się wzorem W = F (x) dx. 14

3.3. Włsności cłki oznczonej. Twierdzenie 3.6. (wzór Newton-Leibniz) Jeżeli funkcj f jest ciągł n przedzile [, b], to f(x) dx = F (b) F (), gdzie F ozncz dowolną funkcję pierwotną funkcji f n tym przedzile. Przykłd 3.10. Twierdzenie 3.7. (o cłkowniu przez części) Zkłdmy, że funkcje f i g mją ciągłe pochodne n przedzile [, b]. Wówczs gdzie f(x) g (x) dx = [f(x) g(x)] b [f(x) g(x)] b = f(b) g(b) f() g(). f (x) g(x) dx, Przykłd 3.11. Twierdzenie 3.8. (o cłkowniu przez podstwienie) Jeżeli spełnione są wrunki (i) ϕ : [α, β] n [, b] i ϕ C 1 ([α, β]), (ii) ϕ(α) = i ϕ(β) = b, (iii) f C([, b]), to f(x) dx = β α f(ϕ(t)) ϕ (t) dt. Przykłd 3.12. 15

Twierdzenie 3.9. Jeżeli funkcje f i g są cłkowlne n przedzile [, b], to funkcje f + g, f g, c f, gdzie c R, f g są cłkowlne n [, b]. Pondto (i) (f(x) + g(x)) dx = f(x) dx + g(x) dx, (ii) (f(x) g(x)) dx = f(x) dx g(x) dx, (iii) c f(x) dx = c f(x) dx. Przykłd 3.13. Twierdzenie 3.10. Jeżeli funkcj f jest cłkowln n przedzile [, b] i c (, b), to f jest cłkowln n [, c] i [c, b] orz f(x) dx = c f(x) dx + c f(x) dx. Twierdzenie 3.11. Jeżeli funkcje f i g są cłkowlne n przedzile [, b] orz dl kżdego x [, b] spełniją nierówność f(x) g(x), to f(x) dx g(x) dx. 16

Twierdzenie 3.12. (o wrtości średniej dl cłek) Jeżeli funkcj f jest ciągł n przedzile [, b], to istnieje tki punkt c (, b), że f(x) dx = f(c) (b ). Definicj 3.13. Liczbę 1 b f(x) dx nzywmy wrtością średnią funkcji f n przedzile [, b]. Fkt 3.14. f(x) dx = b f(x) dx f(x) dx = 0 Jeśli funkcj f jest nieprzyst, to f(x) dx = 0. Jeśli funkcj f jest przyst, to f(x) dx = 2 0 f(x) dx. 17

3.4. Zstosowni cłek oznczonych. 3.4.1. Przykłdy zstosowń cłek oznczonych w geometrii. A. Oblicznie pól figur płskich. 1. Zkłdmy, że f jest funkcją ciągłą i nieujemną n przedzile [, b]. Pole obszru D = {(x, y) R 2 : x b 0 y f(x)} wyrż się wzorem D = f(x) dx. 2. Zkłdmy, że funkcje f i g są ciągłe n przedzile [, b] i spełniją nierówność f(x) g(x) dl x [, b]. Pole obszru D = {(x, y) R 2 : x b f(x) y g(x)} wyrż się wzorem D = [g(x) f(x)] dx. 3. Zkłdmy, że funkcje x = f(y) i x = g(y) są ciągłe n przedzile [c, d] i spełniją nierówność f(y) g(y) dl y [c, d]. Pole obszru D = {(x, y) R 2 : f(y) x g(y) c y d} wyrż się wzorem D = [g(y) f(y)] dy. 18

4. Niech (ϕ, r) oznczją współrzędne biegunowe punktu (x, y), tzn. x = r cos ϕ, y = r sin ϕ. Pole obszru S ogrniczonego krzywą zdną równniem we współrzędnych biegunowych r = f(ϕ) orz prostymi ϕ = α, ϕ = β wyrż się wzorem S = 1 2 Przykłd 3.14. β α [f(ϕ)] 2 dϕ. B. Oblicznie długości łuku krzywej. 1. Zkłdmy, że funkcj f m ciągłą pochodną n przedzile [, b]. Długość łuku krzywej Γ = {(x, y) R 2 : x b y = f(x)} wyrż się wzorem Γ = 1 + [f (x)] 2 dx. 2. Zkłdmy, że funkcje x = x(t) i y = y(t) mją ciągłe pochodne n przedzile [α, β]. Długość łuku krzywej zdnej równnimi prmetrycznymi wyrż się wzorem Przykłd 3.15. Γ = {(x, y) R 2 : x = x(t), y = y(t), t [α, β]}. Γ = β α [x (t)] 2 + [y (t)] 2 dt. 19

C. Oblicznie objętości bryły obrotowej. 1. Zkłdmy, że funkcj f jest ciągł i nieujemn n przedzile [, b]. Objętość bryły obrotowej V powstłej przez obrót wykresu funkcji f wokół osi 0x dl x [, b] wyrż się wzorem V = π [f(x)] 2 dx. 2. Zkłdmy, że funkcj f jest ciągł i nieujemn n przedzile [, b] orz 0. Objętość bryły obrotowej V powstłej przez obrót wykresu funkcji f wokół osi 0y dl x [, b] wyrż się wzorem V = 2π xf(x) dx. D. Oblicznie pol powierzchni bryły obrotowej. 1. Zkłdmy, że funkcj f jest nieujemn i m ciągłą pochodną n przedzile [, b]. Pole powierzchni Σ bryły obrotowej powstłej przez obrót wykresu funkcji f wokół osi 0x dl x [, b] wyrż się wzorem Σ = 2π f(x) 1 + [f (x)] 2 dx. 2. Zkłdmy, że funkcj f jest nieujemn i m ciągłą pochodną n przedzile [, b] orz 0. Pole powierzchni Σ bryły obrotowej powstłej przez obrót wykresu funkcji f wokół osi 0y dl x [, b] wyrż się wzorem Σ = 2π x 1 + [f (x)] 2 dx. Przykłd 3.16. 20

3.4.2. Przykłdy zstosowń cłek oznczonych w fizyce. A. Oblicznie długości drogi w ruchu zmiennym. Długość drogi przebytej przez punkt mterilny poruszjący się ze zmienną prędkością v(t) w przedzile czsowym [t 1, t 2 ] wyrż się wzorem: L = t2 t 1 v(t) dt. B. Oblicznie prcy wykonnej przez zmienną siłę. Prc wykonn przez zmienną siłę F (x) równoległą do osi Ox n odcinku od punktu x = do punktu x = b wyrż się wzorem: W = F (x) dx. 21

3.4.3. Przykłdy zstosowń cłek oznczonych do obliczni wielkości mechnicznych. A. Wyzncznie momentów sttycznych, momentów bezwłdności i środk ciężkości figury płskiej. Zkłdmy, że f jest funkcją ciągłą i nieujemną n przedzile [, b]. Oznczmy A = (, f()), A = (, 0), B = (b, f(b)), B = (b, 0). Rozwżmy figurę płską AA B B ogrniczoną krzywą AB będącą wykresem funkcji y = f(x) dl x [, b], odcinkiem A B osi Ox orz prostymi x = i x = b, tj. AA B B = {(x, y) R 2 : x b 0 y f(x)}. Złóżmy, że ms jest rozłożon n tej figurze równomiernie, tk że gęstość powierzchniow ρ (tj. ms przypdjąc n jednostkę pol) jest stł. (1) Moment sttyczny M x figury AA B B względem osi 0x wyrż się wzorem: M x = 1 2 ρ [f(x)] 2 dx. (2) Moment sttyczny M y figury AA B B względem osi 0y wyrż się wzorem: M y = ρ xf(x) dx. (3) Współrzędne środk ciężkości (ξ, η) figury AA B B wyrżją się wzormi: ξ = xf(x) dx, η = f(x) dx 1 b 2 [f(x)]2 dx. f(x) dx 22

(4) Moment bezwłdności I x figury AA B B względem osi 0x wyrż się wzorem: I x = 1 3 ρ [f(x)] 3 dx. B. Wyzncznie momentów bezwłdności i środk ciężkości bryły obrotowej. Niech V będzie bryłą obrotową powstłą przez obrót figury płskiej AA B B wokół osi 0x. Zkłdmy, że gęstość przestrzenn σ (tj. ms przypdjąc n jednostkę objętości) jest stł. (1) Moment bezwłdności I x bryły V względem osi 0x wyrż się wzorem: I x = 1 2 πσ [f(x)] 4 dx. (2) Środek ciężkości (ξ, η) bryły V leży n osi 0x i m współrzędne : ξ = x[f(x)]2 dx [f(x)]2 dx, η = 0. 23

C. Wyzncznie momentów sttycznych, momentów bezwłdności i środk ciężkości łuku krzywej. Zkłdmy, że funkcj f m ciągłą pochodną i jest nieujemn n przedzile [, b]. Rozwżmy łuk AB krzywej y = f(x) dl x [, b], tj. AB = {(x, y) R 2 : x b y = f(x)}. Zkłdmy, że gęstość liniow λ (tj. ms przypdjąc n jednostkę długości) jest stł. (1) Moment bezwłdności I x łuku krzywej AB względem osi 0x wyrż się wzorem: I x = λ [f(x)] 2 1 + [f (x)] 2 dx. (2) Środek ciężkości (ξ, η) łuku krzywej AB m współrzędne : ξ = x 1 + [f (x)] 2 dx 1 + [f (x)] 2 dx, η = f(x) 1 + [f (x)] 2 dx 1 + [f (x)] 2 dx. (3) Moment sttyczny M x łuku krzywej AB względem osi 0x wyrż się wzorem: M x = λ f(x) 1 + [f (x)] 2 dx. 24

4. Cłk niewłściw. Definicj 4.1. Powiemy, że x 0 jest osobliwością funkcji f, jeśli x 0 = ± lbo x 0 jest skończone i lim x x0 f(x) = ±. Złóżmy, że x 0 jest osobliwością funkcji f i dl kżdego β [, x 0 ) istnieje cłk β f(x) dx. Definicj 4.2. Jeżeli istnieje grnic lim β x 0 β f(x) dx, to grnicę tę nzywmy cłką niewłściwą funkcji f w przedzile [, x 0 ] i oznczmy czyli x0 x0 f(x) dx, f(x) dx := lim β x 0 β f(x) dx. Podobnie definiujemy cłkę niewłściwą, jeśli doln grnic cłkowni jest osobliwością funkcji f, tzn. f(x) dx := lim f(x) dx. x 0 α x + 0 α Przykłd 3.17. Obliczymy: () 1 1 x 2 dx, (b) 1 0 1 x dx. 25

Uwg. Jeżeli cłk niewłściw istnieje i jest skończon, tzn. istnieje grnic włściw występując w definicji, to mówimy, że cłk niewłściw funkcji f jest zbieżn n [, x 0 ] bądź [x 0, b]. Jeśli t grnic jest niewłściw lbo, to mówimy, że cłk jest rozbieżn do lbo odpowiednio. Definicj 4.3. Niech funkcj f będzie określon n prostej (, ). Definiujemy f(x) dx := gdzie jest dowolną liczbą z R. f(x) dx + f(x) dx, Przykłd 3.18. Obliczymy: e 3x dx. 26