Zveza med določenim in nedoločenim integralom

Zveza med določenim in nedoločenim integralom

Avtor: E-um (vsebinsko), Skupina NAUK (tehnično)

Ponovimo osnove o določenem integralu

1. Določeni integral poljubne funkcije, ki je na celem integracijskem intervalu pozitivna, je enak ploščini krivočrtnega lika, ki ga graf funkcije na tem intervalu določa skupaj z abscisno osjo.

Pravilno.
Napačno.

Namig

Ponovimo osnove o določenem integralu

2. Določeni integral poljubne funkcije, ki je na celem integracijskem intervalu pozitivna, je pozitivno realno število.

Pravilno.
Napačno.

Namig

Ponovimo osnove o določenem integralu

3. Določeni integral funkcije, ki je na celotnem integracijskem intervalu negativna, je enak nič.

Pravilno.
Napačno.


Namig


Ponovimo osnove o določenem integralu

4. Ali velja enakost ?

Da, zgornja enakost je pravilna.
Ne, zgornja enakost ni pravilna.
(1.png)

Namig


Ponovimo osnove o določenem integralu

5. S pomočjo slike ugotovi, ali velja enakost

Da, zgornja enakost je pravilna.
Ne, zgornja enakost ni pravilna.
(1.png)


Namig


Namig

Če ti je težko odgovoriti na to vprašanje, si še enkrat preberi gradivo z naslovom Določeni integral.

Namig

Pomagaj si s prvo trditvijo, ki povezuje določeni integral s ploščino krivočrtnega lika.

Namig

Pomagaj si s povezavo določenega integrala s ploščino krivočrtnega lika.

Namig

Spomni se na lastnost določenega integrala

kjer je poljubna točka iz intervala in zvezna funkcija na tem intervalu.

Namig

Pomagaj si tudi s . vprašanjem.

Narobe

Ni res.

Narobe

Ni res. Zakaj se ti zdi, da je trditev nepravilna? Razmisli še enkrat s pomočjo prve trditve, ki govori o povezavi določenega integrala s ploščino krivočrtnega lika.

Narobe

To pa ne bo držalo. Določeni integral funkcije, ki je na celem integracijskem intervalu negativna, je enak nasprotni vrednosti ploščine krivočrtnega lika, ki ga graf funkcije na tem intervalu določa skupaj z abscisno osjo, torej je negativno število.

Narobe

Nimas prav. Zakaj misliš, da zgornja enakost ne velja? Interval smo s točko razbili na dva dela in upoštevali naslednjo lastnost določenega integrala:

Narobe

Nimaš prav.

kjer je ploščina osenčenega trikotnika.

Pravilno

Res je. To je osnovna geometrijska predstava o določenem integralu.

Naprej

Pravilno

Seveda je tako. Določeni integral funkcije, ki je na celotnem integracijskem intervalu pozitivna, je namreč enak ploščini krivočrtnega lika, ta pa je pozitivno realno število.

Naprej

Pravilno

Tako je. Določeni integral funkcije, ki je na celem integracijskem intervalu negativna, je enak nasprotni vrednosti ploščine krivočrtnega lika, ki ga graf funkcije na tem intervalu določa skupaj z abscisno osjo, torej je negativno število.

Naprej

Pravilno

Res je.

Naprej

Pravilno

Prav imaš. Upoštevamo enakosti

kjer je ploščina osenčenega trikotnika.


Naprej

Za radovedne

Ali bi znal utemeljiti, da je

za poljubno liho funkcijo ?
Seveda. Podobno kot pri zadnjem primeru lahko integracijski interval s točko razbijemo na dva podintervala in upoštevamo

kjer je ploščina krivočrtnega lika, ki ga določa graf funkcije na intervalu .

Povzetek ponovitve

 

POVEZAVA DOLOČENEGA INTEGRALA S PLOŠČINO KRIVOČRTNIH LIKOV

Če je zvezna nenegativna funkcija na intervalu , je vrednost določenega integrala

enaka ploščini krivočrtnega lika, ki ga graf funkcije na intervalu določa skupaj z abscisno osjo. Če pa je funkcija na intervalu negativna, je vrednost določenega integrala enaka nasprotni vrednosti ploščine krivočrtnega lika.

Poveži, saj znaš

Ponovili smo osnovna dejstva o določenem integralu, ki ti bodo pomagala pri reševanju naslednje naloge. Določene integrale moraš povezati z ustreznimi ploščinami likov na slikah. Modro piko povlečeš proti pripadajoči rdeči piki in obe piki čimbolj natančno prekriješ. Bodi pozoren na povratno informacijo, ki se izpiše le, če nalogo pravilno rešiš do konca.

Aplikacija RiŠ se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Riš datoteka

Povezal si že, sedaj izračunaj še vrednosti določenih integralov

Dopolni manjkajoče besedilo v okvirčkih! Besedilo se nanaša na predhodno nalogo, in sicer po vrsti na prvo, drugo, tretjo in četrto sliko.

1. Vrednost določenega integrala

je enaka nasprotni vrednosti ploščine lika, ki mu pravimo in je osenčen z barvo. S pomočjo njegove ploščine lahko torej izračunamo vrednost določenega integrala, ki je enaka (odgovor zapiši s številko).

2. Vrednost določenega integrala

je enaka vsoti ploščin dveh likov - , osenčenih z barvo. Vrednost določenega integrala je zato enaka (odgovor zapiši s številko).

3. Vrednosti določenih integralov

sta enaki ploščinam krivočrtnih likov, po vrsti obarvanih z in barvo.

Preveri

Pomoč

Postopek:

  1. kjer smo uporabili formulo za ploščino trapeza

  2. kjer sta in ploščini pravokotnih trikotnikov.

Rešitev

1. Vrednost določenega integrala

je enaka nasprotni vrednosti ploščine lika, ki mu pravimo trapez in je osenčen z rdečo barvo. S pomočjo njegove ploščine lahko torej izračunamo vrednost določenega integrala, ki je enaka -4 (odgovor zapiši s številko).

2. Vrednost določenega integrala

je enaka vsoti ploščin dveh likov - trikotnikov, osenčenih z modro barvo. Vrednost določenega integrala je zato enaka 5 (odgovor zapiši s številko).

3. Vrednosti določenih integralov

sta enaki ploščinam krivočrtnih likov, po vrsti obarvanih z zeleno in rumeno barvo.

Narobe

Nekje si naredil napako.

Poskusi ponovno.

Pravilno

Naprej

Določeni integrali funkcij, ki določajo krivočrtne like

Do sedaj smo znali določiti vrednosti nekaterih določenih integralov, in sicer s pomočjo povezave med določenim integralom in ploščino likov - trikotnikov in trapezov.

Veliko večji izziv pa predstavlja določitev (izračun) vrednosti določenih integralov funkcij, katerih grafi na integracijskem intervalu skupaj z abscisno osjo določajo KRIVOČRTNE LIKE. Ploščin takih likov namreč običajno ne znamo izračunati. Taka primera sta tudi integrala

To nezavidljivo situacijo nam bo pomagala rešiti zveza med določenim in nedoločenim integralom. Formulo sta skoraj istočasno izpeljala matematika Newton in Leibnitz, zato jo danes imenujemo po obeh.

(2.png)
Isaac Newton
(3.png)
Gottfried Leibnitz

Newton - Leibnitzova formula ali osnovni izrek integralskega računa

 

Naj bo zvezna funkcija na intervalu . Določeni integral

je enak razliki vrednosti nedoločenega integrala na zgornji in spodnji meji, kar na kratko zapišemo:

če je

Newton - Leibnitzova formula ali osnovni izrek integralskega računa

(4.gif)

Tako lahko izračunamo vrednost določenega integrala

Brž ko torej poznamo nedoločeni integral funkcije , lahko s pomočjo Newton-Leibnitzove formule izračunamo določeni integral funkcije na poljubnem integracijskem intervalu. Seveda zgoraj zapisana formula, ki povezuje določeni in nedoločeni integral, ni samoumevna in prav je, da si vsaj tisti bolj matematično angažirani pogledamo dokaz, da res velja.

O konstanti pri nedoločenem integralu

Spomnimo se, da smo nedoločeni integral funkcije definirali kot družino funkcij oblike , kjer je poljubna konstanta in za velja

Tudi pri računanju določenega integrala po Newton-Lebnitzovi formuli bi za nedoločeni integral lahko vzeli poljubno funkcijo iz te družine. Funkciji bi torej lahko prišteli poljubno konstanto , ki bi se pri odštevanju vrednosti nedoločenega integrala na zgornji in spodnji meji izničila:

Pri računanju določenega integrala s pomočjo Newton-Leibnitzove formule lahko torej brez izgube na splošnosti za konstanto izberemo vrednost .

Več o izpeljavi Newton - Lebnitzove formule

Isaac Newton in Gottfried Wilhelm Leibnitz sta skoraj istočasno in neodvisno drug od drugega odkrila in utemeljila osnove integralskega računa. Sicer je bila Newtonova pisava integralov precej bolj nerodna od Leibnitzove, ki je veliko časa vložil prav v iskanje primernih oznak.

Dokaz Newton - Leibnitzove formule

Za dokaz Newton-Leibnitzove formule definirajmo naslednjo funkcijo:

kjer je poljubna točka definicijskega območja funkcije . Opazimo, da lahko zapišemo naslednja integrala s pomočjo funkcije :

Ker je

in ker velja

lahko integral funkcije na intervalu zapišemo

Tako je potrebno dokazati le še, da za funkcijo velja

Oglejmo si razliko , kjer je . Razlika predstavlja ravno površino lika pod krivuljo funkcije na intervalu . Z in označimo minimalno in maksimalno vrednost zvezne funkcije na intervalu . Tedaj velja:

Če zgornji neenačbi delimo z , dobimo

Ker je zvezna funkcija, se vrednosti in približujeta k vrednosti , kakor hitro se približuje vrednosti , zato je

kar sta Newton in Leibnitz tudi želela dokazati.

Primeri računanja s pomočjo Newton-Leibnitzove formule

1. primer:

Izračunajmo vrednost določenega integrala

V Newton-Leibnitzovi formuli potrebujemo najprej nedoločeni integral funkcije :

Nedoločeni integral in integracijski meji vstavimo v formulo:

Z vrednostjo zgornjega določenega integrala smo izračunali tudi ploščino krivočrtnega lika (pri uvodni nalogi osenčen z zeleno barvo), ki ga graf pozitivne funkcije na integracijskem intervalu določa skupaj z abscisno osjo.

(5.png)

Primeri računanja s pomočjo Newton-Leibnitzove formule

2. primer:


Izračunajmo vrednost določenega integrala

Za Newton-Leibnitzovo formulo potrebujemo spet najprej nedoločeni integral funkcije:

Nedoločeni integral in integracijski meji vstavimo v formulo:

Z vrednostjo zgornjega določenega integrala smo izračunali tudi ploščino krivočrtnega lika (pri uvodni nalogi osenčen z rumeno barvo), ki ga graf pozitivne funkcije

na integracijskem intervalu določa skupaj z abscisno osjo.

(6.png)

Pokaži svoje znanje

V spodnje okvirčke zapiši natančni vrednosti prvih dveh določenih integralov in na tri decimalke zaokroženo vrednost tretjega določenega integrala. Pri zapisu uporabi decimalno vejico.


Preveri

Pomoč

Narobe

Nekje si naredil napako.

Poskusi ponovno.

Pravilno

Naprej

Še dve lastnosti določenega integrala

Pri računanju določenega integrala s pomočjo nedoločenega integrala smo povsem neobremenjeno uporabljali dve preprosti lastnosti nedoločenega integrala, ki se "preneseta" tudi na določeni integral:

  1. Nedoločeni integral vsote funkcij je vsota nedoločenih integralov funkcij.
  2. Nedoločeni integral funkcije, pomnožene s konstanto, je enak produktu nedoločenega integrala s to konstantno.

Primer


 

Naj bosta , zvezni funkciji na intervalu in poljubno realno število (konstanta).

  1. Določeni integral vsote je vsota določenih integralov:

  2. Konstantni faktor pod integralskim znakom lahko prenesemo pred integralski znak:

    Utemeljitvi obeh lastnosti sta zelo enostavni in si ju lahko pogledaš pod spodnjim gumbom.


Utemeljitvi obeh lastnosti sta zelo enostavni in si ju lahko pogledaš pod spodnjim gumbom.

Utemeljitev

Primer

Določeni integral

smo izračunali kot

saj je

Utemeljitev

Naj bo nedoločeni integral funkcije in nedoločeni integral funkcije . Potem je nedoločeni integral za funkcijo , pa nedoločeni integral za funkcijo . Uporabimo še Newton-Leibnitzovo formulo, s čimer zaključimo utemeljitvi za obe lastnosti določenega integrala:

Primer

Zdaj izračunajmo določeni integral

še enkrat tako, da uporabimo novi lastnosti določenega integrala:

Rezultat je seveda v obeh primerih enak. Seveda pri računanju določenega integrala izberemo tisto pot, ki nam je lažja oziroma krajša.

Še nekaj nalog za utrditev znanja

1. Kateremu določenemu integralu je enaka vsota določenih integralov

2. Vrednost določenega integrala

3. Če vemo, da je odvod funkcije enak funkciji , potem je


Preveri

Rešitve

  1. Če vemo, da je odvod funkcije enak funkciji , potem je

Narobe

Tvoj rezultat je / 3.

Pravilno

Naprej

Dodatne naloge

1. naloga Izračunaj natančne vrednosti določenih integralov:
(Vpiši na 3 decimalna mesta zaokrožen rezultat.)

a)


b)


c)


d)


e)


Preveri

Dodatne naloge

2. naloga Pokaži, da velja

Primer dokaza


in s pomočjo zgornje enakosti izračunaj spodnji integral.

Preveri

Rešitev

Narobe

Poskusi ponovno.

Pravilno

Naprej

Rešitve

a)
b)
c)
d)
e)

Narobe

1. naloga: /5

Dokaz

Pravilno

Naprej

Dodatne naloge

3. naloga Izračunaj ploščino krivočrtnega lika, ki ga graf funkcije oklepa z abscisno osjo na intervalu .


a) na intervalu

b) na intervalu


4. naloga Izračunaj čim bolj na kratko:

Rešitev:

Poglej postopek


5. naloga Izračunaj ploščino lika, ki ga omejujeta graf funkcije in abscisna os.
(Rezultat zaokroži na 2 decimalki natančno.)



Preveri

Rešitve

3. naloga


a) Funkcija je na intervalu negativna.

b) Funkcija je na intervalu pozitivna.

4. naloga

5. naloga


Narobe

Rezultat: /4

Postopek

Pravilno

Konec

0%
0%