URČITÝ INTEGRÁL a jeho aplikace Newton
Transkript
URČITÝ INTEGRÁL a jeho aplikace Newton-Leibnizova formule Zb a kde F ′ (x) = f (x). f (x) dx = F (b) − F (a), Vlastnosti Zc Zb Zc f (x) dx + f (x) dx = f (x) dx, 1) a 2) a b Za f (x) dx = 2 Za f (x) dx pro f sudou, 0 −a =0 3) Zb f (x) dx = − Za f (x) dx = 0 a 4) kde a < b < c pro f lichou. Za f (x) dx b a Substituce Zβ Zb t = g(x) dt = g ′ (x) dx ′ f (g(x)) g (x) dx = = f (t) dt = F (β) − F (α) α = g(a) β = g(b) α a Per partes Zb Zb b ′ f (x) g (x) dx = [f (x) g(x)]a − f ′ (x) g(x) dx a a Příklady Z2 p 1) a) x 1 + 2x2 dx, b) 0 Z1 0 Zπ/2 d) 2sin x cos x dx, e) 0 2) a) Z2 0 x2 √ dx, x3 + 1 Z2 p 2x2 xe b) Zπ/2 0 dx, f) Zπ/4 tg x dx. −π/4 sin x dx, (1 + cos x)2 Z2 c) (2x − 3)10 dx, 0 0 e) Zπ/2 c) sin4 x cos x dx x4 + 3 dx, 0 Zπ/2 d) cos(4x − π/2) dx, 0 x 3 Z3 2 1 dx, x ln2 x f) Z5/4 −1/2 1 1 p 3 (4x + 3)4 dx. g) Z1 2x−7 3 dx, Z1 h) 0 2x + 3 dx, 2 (x + 3x + 8)4 Z1 i) 0 Zπ/2 3) a) x cos 2x dx, 0 Z1 b) 0 −2x xe dx, c) 0 Zπ/2 d) cos2 2x dx, Z1 ex dx ex + 3 arccos x dx, 0 Zπ/2 e) ex cos 2x dx, 0 √ Zπ/2 f) x2 sin x dx 0 0 Nevlastní integrály 4) a) Z∞ ln x dx , x2 Z∞ x2 dx, x3 + 1 Z2 0 x dx √ , 2−x Z1 x2 dx √ , 1 − x2 Z1 b) f) 0 5) a) e) 0 Z∞ x dx, (x + 1)(x + 2)2 b) Z2 g) 1 c) Z0 −1 x2 1 dx, + 5x + 6 dx √ . 2−x dx √ , 1 − x2 d) Z2 √ 1 dx , x2 − 1 Z∞ f) x2 e−x dx. 0 d) 1 1 8 , e) (e − 1), ln 2 4 f) 0. 1 1 1 3 (1 + 311 ), d) 0, e) − , f) , 22 ln 2 ln 3 8 √ 4 1 1 1 g) 7 , h) − 3 , i) 2 e + 3 − 4. 3 3 ln 3 3 8 12 2) a) b) 1 , 2 Z2 0 x dx √ , x−1 Z∞ 0 0 Výsledky (zcela bez záruky) 4 1√ 1 13 , b) − 3, c) , 1) a) 3 3 2 5 4 , 3 d) 0 0 1 e) Z∞ c) e−4x dx, ln x √ dx, x c) 1 3 1 3) a) − , b) − 2 , 2 4 4e 4) a) 1, b) −4, 5) a) 8√ 2, 3 b) c) 8 , 3 1 , 4 c) c) 1, d) 3 d) ln , 2 π , 2 π , 4 1 e) − (1 + eπ/2 ), 5 e) ∞, d) ln(2 + √ f) 1 − ln 2, 3), e) π , 4 f) π − 2. √ g) 2 2. f) 2. Řešení vybraných příkladů 4) b) Jde o nevlastní integrál vlivem funkce. Integrovaná funkce je spojitá na (0, 1i, ale v okolí nuly je neomezená. Spočítáme proto integrál v mezích a, 1, kde 0 < a ≤ 1 a posléze přejdeme k limitě a → 0+ . 2 Z1 a ln x √ dx = x Z1 x −1/2 ln x dx = a & % u′ = x−1/2 , u = 2 x1/2 1 v = ln x, v ′ = x h =2 x 1/2 h i1 √ √ √ = 0 − 2 a ln a − 4 x1/2 = −2 a ln a − 4 + 4 a i1 Z 1 1 ln x − 2 x1/2 dx = a | {z x} a x−1/2 a Zbývá spočítat limitu. Problémy působí √ √ lim (−2 a ln a − 4 + 4 a) = pouze první člen. a→0+ Zkusíme ”L‘Hospitala” −2/a 1/2 = lim 4 a − 4 = −4, a − 4 = lim a→0+ −1/2 · a−3/2 a→0+ Z1 = lim − 2 ln a − 4 = a→0+ a−1/2 tedy ln x √ dx = −4. x 0 4) d) Jde o nevlastní integrál vlivem meze. Vypočteme Zb x2 1 dx, b > 0 a následně + 5x + 6 0 limitu pro b → ∞. Nejprve rozložíme integrand na parciální zlomky. x2 1 A B A (x + 3) + B (x + 2) 1 = = + = + 5x + 6 (x + 2) (x + 3) x+2 x+3 (x + 2) (x + 3) ⇒ A (x + 3) + B (x + 2) = 1. Porovnáme koeficienty u stejných mocnin x a dostaneme: A + B = 0 ⇒ A = 1, B = −1. Nebo lépe; do rovnice dosadíme kořeny jmeno3A + 2B = 1 Z b 1 1 x = −2 : A = 1, vatele: Náš integrál je tedy − dx = x = −3 : −B = 1 ⇒ B = −1. x+2 x+3 0 b + 2 b − ln 2 . = [ln |x + 2| − ln |x + 3|] = ln 0 b + 3 3 b + 2 = 0 (Limita vnitřní funkce je 1, ln 1 = 0.) A máme výsledek, hurá!!! lim ln b→∞ b + 3 Z∞ x2 1 3 dx = ln , + 5x + 6 2 0 Většinou se však při výpočtu nevlastních integrálů limity nepíší, prostě se dosadí patřičné hodnoty. A protože je škoda nevyužít volného místa, zde je ještě jeden příklad. 5) c) Jde o nevlastní integrál vlivem funkce, integrand není definovaný pro x = −1. Z0 Z0 Z0 Z0 x = sin t cos t π dx cos t dt = √ p = dt = . dt = = dx = cos t dt | cos t| 2 1 − x2 α = −π/2, β = 0 1 − sin2 t −1 −π/2 −π/2 3 −π/2 APLIKACE URČITÉHO INTEGRÁLU Obsah rovinné plochy y y f (x) f (x) g(x) S S a S= b Zb x obr. 1 a f (x) dx S= b Zb a a x obr. 2 (f (x) − g(x)) dx, Objem rotačního tělesa, vzniklého rotací vyšrafované plochy (obr. 1) kolem osy x. V =π Zb f 2 (x) dx a Délka křivky l= Zb p 1 + (f ′ (x))2 dx Zβ p (ẋ(t))2 + (ẏ(t))2 dt a l= α pro křivku y = f (x), x ∈ ha, bi. pro křivku x = x(t), y = y(t), t ∈ hα, βi. Obsah rotační plochy vzniklé rotací rovinné křivky l kolem osy x. S = 2π Zb p f (x) 1 + (f ′ (x))2 dx Zβ p y(t) (ẋ(t))2 + (ẏ(t))2 dt a S = 2π α rotuje křivka y = f (x), x ∈ ha, bi. rotuje křivka x = x(t), y = y(t), t ∈ hα, βi. Těžiště plošného útvaru (obr. 1) o konstantní plošné hustotě σ. Sy , kde statický moment Sy = xT = M Sx yT = , M Zb σ xf (x) dx a hmotnost M = a a 1 kde statický moment Sx = 2 Zb Zb σ f 2 (x) dx a 4 σ f (x) dx Příklady 1) Určete obsah rovinného oboru, ohraničeného a) křivkami y = 1 x2 , y= , 2 1 + x2 b) souřadnicovými osami a křivkou x = t2 , y = cos t, t ∈ h0, π/2i, c) souřadnicovými osami a křivkou x = 2 cos3 t, y = 2 sin3 t, t ∈ h0, π/2i. 2) Určete délku křivky √ a) y = 8 x3 , x ∈ h0. 1i, b) x = 2 cos3 t, y = 2 sin3 t, t ∈ h0, π/2i, c) kružnice o poloměru r, d) x = a (t − sin t), y = a(1 − cos t), t ∈ h0, 2πi (jeden oblouk cykloidy). 3) Určete objem a) koule, b) kužele s podstavou o poloměru r a výškou v, c) rotačního paraboloidu s podstavou o poloměru r a výškou v, d) tělesa, které vznikne rotací rovinného oboru ohraničeného osou x a parametricky zadanou křivkou x = arctg t, y = 1 − t2 . Výsledky 1) a) π/2 − 1/3, b) π − 2, c) 3π/8. √ 1 (19 19 − 1), b) 3, c) 2πr, d) 8a. 2) a) 27 4 3 1 2 1 2 8 3) a) πr , b) πr v, c) πr v, d) 2π π − . 3 3 2 3 Řešení vybraných příkladů 3) d) Nejprve určíme průsečíky křivky s osou x (tj. meze příslušného integrálu). y = 1 − t2 = 0 ⇒ t = ±1. Objem spočítáme ze vztahu Z1 Z1 Z1 4 1 t − 2t2 + 1 integrovaná 2 2 2 V =π y (t) ẋ(t) dt = = 2 π (1−t ) dt = 2 π dt = funkce je sudá 1 + t2 1 + t2 0 −1 = 2π Z1 0 4 t −3+ 1 + t2 2 0 t3 − 3 t + 4 arctg t dt = 2 π 3 y 1 1 1 8 − 3 + π − 0 = 2π π − . 3 3 f (x) = 1 − tg2 x A koho zajímá, jaká že plocha vlastně rotuje, zde je obrázek. π/4 5 = 2π 0 x Fyzikální aplikace 1) Těžiště trojúhelníku, aneb okénko do analytické geometrie. Určete těžiště homogenního trojúhelníku ABC, kde A [ 0, 0 ], B [ 7, 0 ], C [ 5, 4 ]. Řešení: rovnice přímky dané dvěma body A [xA , yA ] B [xB , yB ] je: yB − yA (x − xA ). y − yA = xB − xA Pro zadané body vychází: 4 0−4 AC : y = x, BC : y − 4 = (x − 5), což upraveno dává y = −2x + 14. 5 7−5 A můžeme směle použít vzorce ze strany 4. Protože je trojúhelník homogenní, je jeho plošná hustota konstantní a nemusíme s ní počítat, což učiníme. Tj. můžeme položit σ = 1. M= Z5 4 x dx + 5 0 7 5 Z7 x2 4 x2 + −2 + 14x = 14 (−2x + 14) dx = 5 2 0 2 5 5 y C T A Sy = Z5 4 x x dx + 5 0 0 B x S Z7 Nebo jsme si mohli namalovat obrázek a uvědomit si, že hmotnost trojúhelníku je při jednotkové plošné hustotě číselně rovna jeho obsahu a ten je základna krát výška lomeno dvěma, tedy 7 · 4/2 = 14. 5 Z Z7 16 2 1 x dx + (−2x + 14)2 dx = Sx = 2 25 8 x · = 25 3 4 x3 · x (−2x + 14) dx = 5 3 5 5 3 5 5 1 (−2x + 14)3 + − · 4 3 0 x3 x2 + −2 + 14 3 2 0 7 7 5 = 56 3 = 56. 5 Takže těžiště má souřadnice Sy Sx 4 xT = = 4, yT = = . M M 3 Je-li trojúhelník homogenní, splývá fyzikální těžiště (hmotný střed) s geometrickým. Snadno se o tom přesvědčíme, ať už budeme počítat těžiště jako průsečík těžnic, nebo třeba takto: 1 1 −→ T = S + SC = [3.5, 0] + (1.5, 4) = [4, 4/3]. 3 3 2) Určete souřadnice těžiště rovinného oboru ohraničeného první větví cykloidy a osou x. Cykloida má parametrické rovnice: x = a (t − sin t), y = a (1 − cos t), t ∈ h0, 2πi. 3) Určete souřadnice těžiště první větve cykloidy (coby křivky). 4) Určete souřadnice těžiště rovinného oboru v prvním kvadrantu, ohraničeného částí asteroidy x = a cos3 t, y = a sin3 t, t ∈ h0, π/2i a osami x a y. Výsledky 2) T = [ aπ, 5a/6 ] 3) T = [ aπ, 4a/3 ] 4) T = [ 256 a/315π, 256 a/315π]. 6
Podobné dokumenty
L`Hospitalovo pravidlo
g klesajı́cı́ na (b, b + δ).
Vezměme libovolnou posloupnost (xn ) takovou, že
– pro každý index n ∈ N je xn ∈ (b, b + δ);
– posloupnost (xn ) je ostře klesajı́cı́ a lim xn = b.
Aplikujeme Cau...
Cv z MMAN2-10-
Výsledek je zřejmě nesprávný, neboť integrál z kladné funkce je kladný a nemůžeme dostat jako výsledek nulu. Chyba vzniklá substitucí tg x = z je v tom, že tg x
je v h0, πi nespojitá v bodě x = π2 .
Sloní kvocient
17. V geometrické posloupnosti platí a21 = 8, a23 = 72. Znamená to, že kvocient může mít
hodnotu
a) 9
b) 3
c) 1/3
d) −3
18. V geometrické posloupnosti má první člen hodnotu a1 = 0, 4 a kvocient je...
3.5. Výpočet limit užitím derivace (L′Hospitalovo pravidlo) Věta 3.5
f ′( x)
f ( x)
f ( x)
a platí lim
= a, a ∈ R* , pak existuje lim
= a.
x → x0 g ′( x)
x → x0 g ( x )
x → x0 g ( x)
lim
Primitivní funkce, neurčitý integrál, základní integrály
Primitivní funkce, neurčitý integrál, základní integrály
1. Definice Říkáme, že F (x) je v intervalu (a, b) primitivní funkcí k funkce f (x), jestliže pro všechna
x ∈ (a, b) platí F 0 (x) = f (x).
...
Řešený příklad XII.–3.f: Najděte primitivní funkce: ∫ 1 4x2 + 3 dx
Nechť f (x) = |x|e−x . Ukažme, že tato funkce je sudá. Nechť je x > 0.
Integral s parametrem - spojitost > Zadání Vyšetřete definiční obor
Vyšetřete definiční obor funkce a její spojitost. Pokuste se určit hodnotu fce F( a ), najděte
limity v krajních bodech definičního oboru a oboru spojitosti, vyjádřete derivaci funkce:
> F:=a->Int(...