urcity_integral.pdf
Stiahnuť PDF · 493 kBPreber si túto poznámku so svojou AI
Skopíruj pripravený podklad a vlož ho do ChatGPT, Claude alebo inej AI — bude ťa učiť alebo skúšať len z tejto poznámky.
Náhľad poznámky
Určitý integrál
Robert Mařík
27. června 2006
Obsah
1 Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
2
2 Výpočet — Newtonova–Leibnizova věta.
18
3 Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
19
4 Aplikace – výpočet objemů a obsahů
30
⊳⊳
c
Robert Mařík, 2006
1
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
Na následujících stranách si vysvětlíme geometricky hlavní myšlenky definice
Riemannova integrálu.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
2
3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Křivka na obrázku je grafem funkce y = x2 − 2x + 2
Rozdělíme interval. Norma dělení je 2.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
2
0.8
3
2.9
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Křivka na obrázku je grafem funkce y = x2 − 2x + 2
Rozdělíme interval. Norma dělení je 2.
Zvolíme reprezentanty v každém podintervalu.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
2
0.8
3
2.9
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Křivka na obrázku je grafem funkce y = x2 − 2x + 2
Rozdělíme interval. Norma dělení je 2.
Zvolíme reprezentanty v každém podintervalu.
Nakreslíme integrální součet – plocha červeného obrazce.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
1
2
3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Zjemníme dělení. Norma tohoto dělení je 1.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
1
0.8
2
1.6
3
2.9
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Zjemníme dělení. Norma tohoto dělení je 1.
Zvolíme reprezentanty v každém podintervalu.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
1
0.8
2
1.6
3
2.9
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Zjemníme dělení. Norma tohoto dělení je 1.
Zvolíme reprezentanty v každém podintervalu.
Nakreslíme integrální součet – plocha červeného obrazce.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
1
0.1
2
1.7
3
2.2
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Ponecháme dělení. Norma dělení je pořád 1.
Zvolíme reprezentanty v každém podintervalu, ale jinak, než v předchozím kroku.
Nakreslíme integrální součet – plocha červeného obrazce.
Integrální součet závisí na výběru reprezentantů.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
0.5
0.2
1
0.55
1.5
1.2
2
1.75
2.4
2.3
3
2.8
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Zjemníme dělení. Norma tohoto dělení je 0.6 (nejdelší interval je ten poslední).
Zvolíme reprezentanty a určíme integrální součet – plocha červeného obrazce.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
0.2
0.15
0.4
0.35
0.6
0.55
0.8
0.75
1
0.95
1.2
1.15
1.4
1.35
1.6
1.55
1.8
1.75
2
1.95
2.2
2.15
2.4
2.35
2.6
2.55
2.8
2.75
3
2.95
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Opět zjemníme dělení. Norma tohoto dělení je 0.2
Zvolíme reprezentanty a určíme integrální součet.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Pokračujeme ve zjemňování dělení. Nyní je norma 0.1.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
0
3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Pokračujeme ve zjemňování dělení ad infimum. Nyní je norma 0.05.
Pokud se hodnota integrálních součtů ustálí (integrální součty mají limitu při normě
dělení jdoucí k nule) a pokud tato limita nezávisí ani na konkrétním výběru
reprezentantů ani na způsobu, jak dělení zjmeňujeme, říkáme, že funkce je
Riemannovsky integrovatelná a její Riemannův (= určitý) integrál je ona limita
integrálních součtů.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
Definice (dělení intervalu). Buď
[a, b] uzavřený interval −∞ < a < b < ∞. Děle-
ním intervalu
[a, b] rozumíme konečnou posloupnost D = {x0, x1, . . . , xn} bodů
z intervalu [a, b] s vlastností
a = x0 < x1 < x2 < x3 <
· · · < xn−1 < xn = b.
Čísla xi nazýváme dělící body. Normou dělení D rozumíme maximální číslo, které
udává vzdálenost sousedních dělících bodů. Normu dělení D označujeme ν(D). Je
tedy ν(D) = max{xi − xi−1, 1 ≤ i ≤ n}.
Definice (integrální součet). Buď
[a, b] uzavřený interval a f funkce definovaná a
ohraničená na [a, b]. Buď D dělení intervalu [a, b]. Buď R = {ξ1, . . . , ξn} posloup-
nost čísel z intervalu [a, b] splňující xi−1 ≤ ξi ≤ xi pro i = 1..n. Potom součet
σ
( f , D, R) =
n
∑
i=1
f (ξi)(xi
− xi−1)
nazýváme integrálním součtem funkce f příslušným dělení D a výběru reprezentantů
R.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
Definice (Riemannův integrál). Buď
[a, b] uzavřený interval a f funkce definovaná
a ohraničená na [a, b]. Buď Dn posloupnost dělení intervalu [a, b] a Rn posloupnost
reprezentantů. Řekneme, že funkce f je Riemannovsky integrovatelná na intervalu
[a, b], jestliže existuje číslo I ∈ R s vlastností
lim
n
→∞
σ
( f , Dn, Rn) = I
pro libovolnou posloupnost dělení Dn, splňující lim
n
→∞
ν
(Dn) = 0 při libovolné volbě
reprezentantů Rn. Číslo I nazýváme Riemannův integrál funkce f na intervalu [a, b]
a označujeme
Z
b
a
f (x) dx.
Definice (horní a dolní mez). Číslo a v definici Riemannova integrálu se nazývá dolní
mez
a číslo b horní mez Riemannova integrálu.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
Věta 1 (postačující podmínky pro integrovatelnost funkce).
1. Funkce spojitá na intervalu [a, b] je na tomto intervalu Riemannovsky integrova-
telná.
2. Funkce ohraničená na [a, b], která má na tomto intervalu konečný počet bodů
nespojitosti je Riemannovsky integrovatelná.
3. Funkce monotonní na [a, b] je na tomto intervalu Riemannovsky integrovatelná.
Věta 2 (linearita určitého integrálu vzhledem k funkci). Nechť f , g jsou funkce inte-
grovatelné na [a, b], c nechť je reálné číslo. Pak platí
Z
b
a
[ f (x) + g(x)] dx =
Z
b
a
f (x) dx +
Z
b
a
g(x) dx,
Z
b
a
c f (x) dx = c
Z
b
a
f (x) dx.
Věta 3 (aditivita určitého integrálu vzhledem k mezím). Nechť f je funkce integrova-
telná na [a, b]. Buď c ∈ (a, b) libovolné. Pak je f integrovatelná na intervalech [a, c] a
[c, b] a platí
Z
b
a
f (x) dx =
Z
c
a
f (x) dx +
Z
b
c
f (x) dx.
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
Věta 4 (monotonie vzhledem k funkci). Buďte f a g funkce integrovatelné na [a, b]
takové, že f (x) ≤ g(x) pro x ∈ (a, b). Pak platí
Z
b
a
f (x) dx
≤
Z
b
a
g(x) dx.
Definice (střední hodnota). Buď f funkce (Riemannovsky) integrovatelná na inter-
valu [a, b]. Číslo
1
b
− a
Z
b
a
f (x) dx
se nazývá střední hodnota funkce f na intervalu [a, b].
Funkce
a
b
Střední hodnota
stř. hodnota
a
b
Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
c
Robert Mařík, 2006
2
Výpočet — Newtonova–Leibnizova věta.
Věta 5 (Newtonova–Leibnizova věta). Nechť funkce f (x) je Riemannovsky integrova-
telná na [a, b]. Nechť F(x) je funkce spojitá na [a, b], která je intervalu (a, b) primitivní
k funkci f (x). Pak platí
Z
b
a
f (x) dx = [F(x)]ba = F(b) − F(a).
Příklad.
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx =
x3
3 −
x
2 + 2x
3
0
=
33
3 −
3
2 + 2.3 −
03
3 −
0
2 + 2.0
= 3
2 − 32 + 6 − 0
= 6
Výpočet — Newtonova–Leibnizova věta.
c
Robert Mařík, 2006
3
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
• Vrátíme se k definici Riemannova integrálu a k integrálním součtům.
• Budeme se snažit co nejlépe aproximovat plochu pod křivkou.
• Pro větší početní komfort budeme interval dělit na stejně dlouhé dílky.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
0
3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Dělení a integrální součet
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
I
≈
h
2
f (x0) + 2 f (x1) + 2 f (x2) + f (x3)
h = 1 je délka mezi sousedními značkami na ose x
x0 = 0
x1 = 1
x2 = 2
x3 = 3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Nahradíme každý obdélník lichoběžníkem. Aproximace je lepší a výpočet se moc
nezhorší.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
I
≈
h
2
f (x0) + 2 f (x1) + 2 f (x2) + 2 f (x3) + 2 f (x4) + f (x5)
h = 0.6 je délka mezi sousedními značkami na ose x
x0 = 0
x1 = 0.6
x2 = 1.2
x3 = 1.8
x4 = 2.4
x5 = 3
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Volíme kratší výšku lichoběžníků a aproximace je ještě lepší, počítání je však delší.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
I
≈
h
2
f (x0) + 2 f (x1) +
· · · + 2 f (x5) + f (x6)
h = 0.5 je délka mezi sousedními značkami na ose x
x0
x1
x2
x3
x4
x5
x6
Integrál
Z
3
0
(x
2 − 2x + 2) dx.
Pro jemnější dělení je aproximace ještě lepší.
Chyba, které se dopustíme, je malá jestliže
• použijeme “dostatečně jemné” dělení,
• funkce se “příliš neliší” od lineární funkce (to ale neovlivníme).
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
Příklad. Hledejme
Z
2
1
sin
x
x
d
x. n = 10, h = 0.1.
i
xi = a + hi
yi =
sin
xi
xi
m
myi
0
1
0.841471
1
0.841471
1
1.1
0.810189
2
1.620377
2
1.2
0.776699
2
1.553398
3
1.3
0.741199
2
1.482397
4
1.4
0.703893
2
1.407785
5
1.5
0.664997
2
1.329993
6
1.6
0.624734
2
1.249467
7
1.7
0.583332
2
1.166664
8
1.8
0.541026
2
1.082053
9
1.9
0.498053
2
0.996105
10
2
0.454649
1
0.454649
Součet v posledním sloupci je S = 13.184361 a proto
Z
2
1
sin
x
x
d
x
≈
h S
2
=
S
20
= 0.659218.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
Příklad. Hledejme
Z
2
1
sin
x
x
d
x. n = 10, h = 0.1.
i
xi = a + hi
yi =
sin
xi
xi
m
myi
0
1
0.841471
1
0.841471
1
1.1
0.810189
2
1.620377
2
1.2
0.776699
2
1.553398
3
1.3
0.741199
2
1.482397
4
1.4
0.703893
2
1.407785
5
1.5
0.664997
2
1.329993
6
1.6
0.624734
2
1.249467
7
1.7
0.583332
2
1.166664
8
1.8
0.541026
2
1.082053
9
1.9
0.498053
2
0.996105
10
2
0.454649
1
0.454649
Součet v posledním sloupci je S = 13.184361 a proto
Z
2
1
sin
x
x
d
x
≈
h S
2
=
S
20
= 0.659218.
• Rozdělíme interval na 10 dílků, n = 10. Délka jednoho dílku bude h =
b
− a
n
=
2
− 1
10
= 0.1.
• Výpočet zaznamenáme v následující tabulce (budeme zaokrouhlovat na 6 dese-
tinných míst).
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
Příklad. Hledejme
Z
2
1
sin
x
x
d
x. n = 10, h = 0.1.
i
xi = a + hi
yi =
sin
xi
xi
m
myi
0
1
0.841471
1
0.841471
1
1.1
0.810189
2
1.620377
2
1.2
0.776699
2
1.553398
3
1.3
0.741199
2
1.482397
4
1.4
0.703893
2
1.407785
5
1.5
0.664997
2
1.329993
6
1.6
0.624734
2
1.249467
7
1.7
0.583332
2
1.166664
8
1.8
0.541026
2
1.082053
9
1.9
0.498053
2
0.996105
10
2
0.454649
1
0.454649
Součet v posledním sloupci je S = 13.184361 a proto
Z
2
1
sin
x
x
d
x
≈
h S
2
=
S
20
= 0.659218.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
Příklad. Hledejme
Z
2
1
sin
x
x
d
x. n = 10, h = 0.1.
i
xi = a + hi
yi =
sin
xi
xi
m
myi
0
1
0.841471
1
0.841471
1
1.1
0.810189
2
1.620377
2
1.2
0.776699
2
1.553398
3
1.3
0.741199
2
1.482397
4
1.4
0.703893
2
1.407785
5
1.5
0.664997
2
1.329993
6
1.6
0.624734
2
1.249467
7
1.7
0.583332
2
1.166664
8
1.8
0.541026
2
1.082053
9
1.9
0.498053
2
0.996105
10
2
0.454649
1
0.454649
Součet v posledním sloupci je S = 13.184361 a proto
Z
2
1
sin
x
x
d
x
≈
h S
2
=
S
20
= 0.659218.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
Příklad. Hledejme
Z
2
1
sin
x
x
d
x. n = 10, h = 0.1.
i
xi = a + hi
yi =
sin
xi
xi
m
myi
0
1
0.841471
1
0.841471
1
1.1
0.810189
2
1.620377
2
1.2
0.776699
2
1.553398
3
1.3
0.741199
2
1.482397
4
1.4
0.703893
2
1.407785
5
1.5
0.664997
2
1.329993
6
1.6
0.624734
2
1.249467
7
1.7
0.583332
2
1.166664
8
1.8
0.541026
2
1.082053
9
1.9
0.498053
2
0.996105
10
2
0.454649
1
0.454649
Součet v posledním sloupci je S = 13.184361 a proto
Z
2
1
sin
x
x
d
x
≈
h S
2
=
S
20
= 0.659218.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
Příklad. Hledejme
Z
2
1
sin
x
x
d
x. n = 10, h = 0.1.
i
xi = a + hi
yi =
sin
xi
xi
m
myi
0
1
0.841471
1
0.841471
1
1.1
0.810189
2
1.620377
2
1.2
0.776699
2
1.553398
3
1.3
0.741199
2
1.482397
4
1.4
0.703893
2
1.407785
5
1.5
0.664997
2
1.329993
6
1.6
0.624734
2
1.249467
7
1.7
0.583332
2
1.166664
8
1.8
0.541026
2
1.082053
9
1.9
0.498053
2
0.996105
10
2
0.454649
1
0.454649
Součet v posledním sloupci je S = 13.184361 a proto
Z
2
1
sin
x
x
d
x
≈
h S
2
=
S
20
= 0.659218.
Použití přesnějších metod vede k přesnější hodnotě I
.
= 0.659329906435512, od
které jsme se odchýlili na čtvrtém desetinném místě.
Numerický odhad — Lichoběžníkové pravidlo
c
Robert Mařík, 2006
4
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
Obsah křivočarého lichoběžníku a objem rotačního tělesa
x
y
x
y
S =
Z
b
a
f (x) dx
V = π
Z
b
a
f
2(x) dx
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Obsah množiny mezi křivkami a objem tělesa, vzniklého rotací této množiny
x
y
a
b
f (x)
g(x)
x
y
S =
Z
b
a
[ f (x) − g(x)] dx
V = π
Z
b
a
h
f
2(x) − g2(x)
i
d
x
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
1
− (x − 1)
2 = −x
1
− (x
2 − 2x + 1) = −x
1
− x
2 + 2x − 1 = −x
3
x
− x
2 = 0
(3 − x)x = 0
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
1
− (x − 1)
2 = −x
1
− (x
2 − 2x + 1) = −x
1
− x
2 + 2x − 1 = −x
3
x
− x
2 = 0
(3 − x)x = 0
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
• První z křivek je parabola, druhá z křivek je přímka y =
−x.
• Křivky se protínají v bodě, jehož x-ová splňuje rovnici
1
− (x − 1)
2 = −x
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
1
− (x − 1)
2 = −x
1
− (x
2 − 2x + 1) = −x
1
− x
2 + 2x − 1 = −x
3
x
− x
2 = 0
(3 − x)x = 0
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
Průsečíky křivek jsou body [0, 0] a [3, −3].
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
1
− (x − 1)
2 = −x
1
− (x
2 − 2x + 1) = −x
1
− x
2 + 2x − 1 = −x
3
x
− x
2 = 0
(3 − x)x = 0
3
0
−3
2
x
y
S =
3
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
y = 1
− (x − 1)
2 = 1 − (x2 − 2x + 1) = 2x − x2 = x(2 − x)
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
3
0
−3
2
x
y
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
x + y = 0
⇐⇒ y = −x
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
3
0
−3
2
x
y
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
Umocníme.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
3
0
−3
2
x
y
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
Upravíme integrand.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
3
0
−3
2
x
y
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2Z b
a
f (x) dx = [F(x)]ba = F(b) − F(a)
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
3
0
−3
2
x
y
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2Z b
a
f (x) dx = [F(x)]ba = F(b) − F(a)
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = 1 − (x − 1)
2 a x + y = 0.
3
0
−3
2
x
y
S =
Z
3
0
1
− (x − 1)
2 − (−x) dx =
Z
3
0
1
− (x
2 − 2x + 1) + x dx
=
Z
3
0
−x
2 + 3x dx =
−
x
3
3
+ 3
x
2
2
3
0
=
−
33
3
+ 3
32
2
−
−
03
3
+ 3
02
2
= −9 +
27
2
=
9
2
Dopočítáme obsah množiny.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete obsah množiny mezi křivkami y = ex a y = e−x pro x ∈ [0, 1] a objem
tělesa, které vznikne rotací této množiny okolo osy x.
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Zakreslíme křivky.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Vyjádříme obsah plochy jako určitý integrál.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Vypočteme neurčitý integrál.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Vypočítáme určitý integrál pomocí Newtonovy–Leignizovy formule. Dosadíme tedy
meze.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Dopočítáme numericky.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Vyjádříme objem tělesa jako určitý integrál.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Upravíme, abychom mohli použít vzorec.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Vypočteme neurčitý integrál.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Použijeme Newtonovu–Leibnizovu formuli. Dosadíme tedy meze.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
y = ex, y = e−x, x
∈ [0, 1], S =?, V =?.
1
0
1
x
y
S =
Z
b
a
f (x)
− g(x)
d
x
V = π
Z
b
a
f
2(x) − g2(x)
d
x
S =
Z
1
0
ex
− e−
x dx = ex + e−x
1
0 = e
1 + e−1 −
h
e
0 + e0
i
= e +
1
e
− 2
V = π
Z
1
0
(ex)
2 − (e−x)2 dx = π
Z
1
0
e
2
x − e−2x dx = π
1
2
e
2
x +
1
2
e−
2
x
1
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e−
2 −
1
2
e
0 +
1
2
e
0
= π
1
2
e
2 +
1
2
e2
− 1
Upravíme.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Určete objem tělesa, vzniklého rotací množiny pod grafem funkce y = e
√
x
pro x ∈ [0, 1] okolo osy x.
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
y(0) = e
√
0 = e0 = 1
y(1) = e
√
1 = e1 ≈ 2.72
y′ =
1
2 ·
e
√
x
√
x
≥ 0
y′′ =
1
2 ·
e
√
x 1
2
√
x
√
x
− e
√
x 1
2
√
x
x
=
1
2 ·
e
√
x ·
√
x
− 1
x
√
x
Obrázek
1
1
e
x
y
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
• Odhadneme průběh funkce y = e
√
x.
• Doma si spočíteje obsah tohoto obrazce (postup je podobný jako postup uvedený
níže, výsledek je S = 2).
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Užijeme vzorec pro objem.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Vypočítáme bokem neurčitý integrál.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Upravíme funkci.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Použijeme substituci.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Použijeme substituci.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Použijeme metodu per-partés
Z
u
· v′ dx = u · v −
Z
u′
· v dx
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Dokončíme integraci.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Vytkneme
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
Z
e
2
√
x dx
2
√
x = t
4
x = t
2
4 d
x = 2t dt
d
x =
1
2
t dt
=
1
2
Z
t
· e
t dt
u = t
u′ = 1
v′ = et
v = et
=
1
2
t
· e
t −
Z
1
· e
t dt
=
1
2
tet
− e
t
=
1
2 ·
et
· (t − 1) =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
=
1
e
2 2
1
1
e
0 0
1
Použijeme zpětnou substituci pro návrat k proměnné x. Integrační konstanta může
být libovolná, volíme ji například nulovou.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
= π
1
2
e
2 2 − 1 −
1
2
e
0 0 − 1
= π
e2
2
+
1
2
= π
e
2 + 1
2
Použijeme Newtonovu–Leibnizovu větu.
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
V =?, x
∈ [0, 1], y = e
√
x
V = π
Z
1
0
e
√
x
2
d
x
Z
e
√
x
2
d
x =
1
2 ·
e
2
√
x · 2
√
x
− 1
V = π
1
2
e
2
√
x 2√x − 1
1
0
= π
1
2
e
2 2 − 1 −
1
2
e
0 0 − 1
= π
e2
2
+
1
2
= π
e
2 + 1
2
Aplikace – výpočet objemů a obsahů
c
Robert Mařík, 2006
Document Outline
- Konstrukce (definice) Riemannova integrálu.
- Výpočet --- Newtonova--Leibnizova věta.
- Numerický odhad --- Lichoběľníkové pravidlo
- Aplikace -- výpočet objemů a obsahů
Automaticky vygenerovaný textový náhľad. Pre plné formátovanie si stiahnite súbor.
nechodím na prednášky