Məzmuna keç
Educora
Universitet32 dəq72 / 82

İnteqral: ibtidai funksiya və müəyyən inteqral

İbtidai funksiya, qeyri-müəyyən inteqrallar cədvəli, Riman cəmləri, müəyyən inteqral sahə kimi, Nyuton–Leybnis düsturu, inteqralın xassələri, əyrilər arasındakı sahə və funksiyanın orta qiyməti.

Özünü yoxla
Bu dərsdə öyrənəcəksən
  • İbtidai funksiyaları cədvəl və xəttilik vasitəsilə tapmaq
  • Müəyyən inteqralı Riman cəmlərinin limiti kimi izah etmək
  • Nyuton–Leybnis düsturu ilə müəyyən inteqralları hesablamaq
  • Əyrilər arasındakı sahəni və funksiyanın orta qiymətini tapmaq

Avtomobilin bort kompüteri hər saniyə sürəti qeyd edir. Avtomobil nə qədər yol gedib? Sürət sabit olsaydı, yol = sürət × zaman olardı, lakin sürət daim dəyişir. Səfəri çox kiçik zaman aralıqlarına bölək, hər birində sürəti zamana vuraq, hasilləri toplayaq və aralıqları kiçildək — nəticə inteqral olacaq. Təəccüblüdür ki, onu hesablamaq üçün diferensiallamanı tərsinə aparmaq kifayətdir.

İbtidai funksiya və qeyri-müəyyən inteqral

Tərif
İbtidai funksiya

Əgər intervalın bütün nöqtələrində F′(x) = f(x) olarsa, F funksiyası f-in bu intervalda ibtidai funksiyası adlanır. Məsələn, x³/3 funksiyası x²-nin ibtidai funksiyasıdır, x³/3 + 5 və x³/3 − π da elə: istənilən iki ibtidai funksiya bir-birindən sabit ədəd qədər fərqlənir.

∫ f(x) dx = F(x) + C, F′(x) = f(x)
burada:
  • ∫inteqral işarəsi
  • f(x)inteqralaltı funksiya
  • dxinteqrallama dəyişəninin x olduğunu göstərir
  • Cixtiyari sabit

Qeyri-müəyyən inteqral bütün ibtidai funksiyalar ailəsidir. Xəttilik: ∫ (a · f + b · g) dx = a ∫ f dx + b ∫ g dx.

f(x)∫ f(x) dxQeyd
xⁿxⁿ⁺¹ / (n + 1) + Cn ≠ −1; ∫ x³ dx = x⁴/4 + C
1 / xln |x| + Cx ≠ 0; n = −1 halı
eˣeˣ + Cöz-özünün ibtidaisidir
aˣaˣ / ln a + Ca > 0, a ≠ 1
sin x−cos x + Cmənfi işarəyə diqqət
cos xsin x + Cx radianla
1 / cos² xtg x + Ccos x ≠ 0
1 / sin² x−ctg x + Csin x ≠ 0
1 / (1 + x²)arctg x + Cbütün x
1 / √(1 − x²)arcsin x + C|x| < 1
1 / (x² + a²)(1/a) arctg(x/a) + Ca ≠ 0
Əsas inteqrallar cədvəli — törəmələr cədvəlinin tərsi.
∫ f(kx + b) dx = (1/k) · F(kx + b) + C∫ f(kx + b) dx = (1/k) · F(kx + b) + C
burada:
  • Ff-in ibtidai funksiyası
  • k, bsabitlər, k ≠ 0

Xətti arqument qaydası: ∫ cos 3x dx = (1/3) sin 3x + C, ∫ e²ˣ⁺¹ dx = (1/2) e²ˣ⁺¹ + C, ∫ dx/(2x − 5) = (1/2) ln|2x − 5| + C.

Cədvəl üzrə inteqrallama

a) ∫ (3x² − 4/x + 2eˣ) dx
b) ∫ (√x + 1/x²) dx

Həllini göstər
a) Hər toplananı ayrıca inteqrallayaq: 3 · x³/3 − 4 ln|x| + 2eˣ + C = x³ − 4 ln|x| + 2eˣ + C.
b) Qüvvət şəklində yazaq: x^(1/2) + x⁻². ∫ x^(1/2) dx = x^(3/2)/(3/2) = (2/3)x^(3/2); ∫ x⁻² dx = x⁻¹/(−1) = −1/x.
Cavab: (2/3)x√x − 1/x + C.
Yoxlama: ((2/3)x^(3/2))′ = x^(1/2) = √x və (−1/x)′ = 1/x². ✓
İnteraktiv
Simulyasiya yüklənir…
Birinci əyri f(x) = x², ikincisi onun ibtidai funksiyalarından biridir: F(x) = x³/3 + C. C-ni dəyiş: F-in qrafiki yuxarı-aşağı sürüşür, lakin hər x-də onun bucaq əmsalı f(x)-ə bərabər qalır — buna görə C sabiti ixtiyaridir.

Müəyyən inteqral: Riman cəmləri

f funksiyası [a, b] parçasında kəsilməz olsun. Parçanı eni Δx = (b − a)/n olan n bərabər hissəyə bölək, hər hissədə bir xᵢ* nöqtəsi seçək və Riman cəmini ∑ f(xᵢ*) · Δx quraq — bu, n nazik düzbucaqlının sahələrinin cəmidir. n → ∞ olduqda cəmlər bir ədədə — müəyyən inteqrala yaxınlaşır. f ≥ 0 olduqda bu, qrafikin altındakı sahədir; f < 0 olan yerlərdə sahə mənfi işarə ilə hesablanır (işarəli sahə).

∫ₐᵇ f(x) dx = lim (n→∞) ∑ᵢ₌₁ⁿ f(xᵢ*) · Δx, Δx = (b − a)/n∫ₐᵇ f(x) dx = lim (n→∞) ∑ᵢ₌₁ⁿ f(xᵢ*) · Δx, Δx = (b − a)/n
burada:
  • a, binteqralın aşağı və yuxarı sərhədləri
  • xᵢ*i-ci hissədə seçilmiş nöqtə
  • Δxhər hissənin eni

Müəyyən inteqralın tərifi (Riman). ∫ işarəsi «cəm» (summa) sözünün uzadılmış S hərfidir, dx isə Δx-i xatırladır.

Düzbucaqlılarla sahə

∫₀¹ x² dx inteqralını n = 4 düzbucaqlı ilə, sağ və sol uc nöqtələrdən istifadə edərək qiymətləndir.

Həllini göstər
Δx = 1/4. Sağ uclar 1/4, 1/2, 3/4, 1:
R₄ = (1/16 + 4/16 + 9/16 + 16/16) · 1/4 = 30/64 ≈ 0,469.
Sol uclar 0, 1/4, 1/2, 3/4: L₄ = (0 + 1/16 + 4/16 + 9/16) · 1/4 = 14/64 ≈ 0,219.
Dəqiq sahə bu ədədlər arasındadır. n düzbucaqlı üçün Rₙ = (n + 1)(2n + 1)/(6n²) → 2/6 = 1/3 (n → ∞).

Analizin əsas teoremi

Milyonlarla düzbucaqlını toplamaq yorucudur. Nyuton və Leybnisin böyük kəşfi sahəni ibtidai funksiya ilə əlaqələndirir. A(x) = ∫ₐˣ f(t) dt sahə funksiyasına baxaq. x-i h qədər artırsaq, eni h, hündürlüyü təxminən f(x) olan nazik zolaq əlavə olunur: A(x + h) − A(x) ≈ f(x) · h. h-a bölüb h → 0 götürsək, A′(x) = f(x) alınır. Deməli, sahə funksiyası f-in ibtidai funksiyasıdır!

d/dx ∫ₐˣ f(t) dt = f(x)d/dx ∫ₐˣ f(t) dt = f(x)
burada:
  • ∫ₐˣ f(t) dtsahə funksiyası A(x) — yuxarı sərhəddi dəyişən inteqral
  • tinteqrallama dəyişəni (x ilə qarışmasın deyə başqa hərf)

Əsas teoremin birinci hissəsi: diferensiallama inteqrallamanı «ləğv edir».

∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a) = F(x) |ₐᵇ
burada:
  • Ff-in istənilən ibtidai funksiyası
  • F(x) |ₐᵇF(b) − F(a) fərqinin qısa yazılışı

Nyuton–Leybnis düsturu (əsas teoremin ikinci hissəsi). C sabiti fərqdə ixtisar olunur, ona görə istənilən ibtidai funksiya yarayır.

İnteraktiv
Simulyasiya yüklənir…
Rənglənmiş sahə ∫₀ᵇ x² dx-dir. b-ni dəyiş və sağ yuxarıdakı qiyməti Nyuton–Leybnis düsturu ilə müqayisə et: b³/3. Məsələn, b = 2 üçün 8/3 ≈ 2,667.
Nyuton–Leybnis düsturu ilə hesablama

a) ∫₀¹ x² dx b) ∫₀^π sin x dx c) ∫₁^e dx/x d) ∫₀² (3x² − 2x + 1) dx

Həllini göstər
a) [x³/3]₀¹ = 1/3 − 0 = 1/3 — yuxarıdakı Riman cəmlərinin limiti ilə eynidir.
b) [−cos x]₀^π = −cos π + cos 0 = 1 + 1 = 2. Sinusoidin bir «tağının» sahəsi 2-dir.
c) [ln x]₁^e = ln e − ln 1 = 1.
d) [x³ − x² + x]₀² = 8 − 4 + 2 = 6.
  • Sərhədlərin yerini dəyişmək işarəni dəyişir; ∫ₐᵃ f dx = 0.
  • Additivlik: istənilən m üçün ∫ₐᵇ f dx = ∫ₐᵐ f dx + ∫ₘᵇ f dx.
  • Xəttilik: ∫ₐᵇ (αf + βg) dx = α ∫ₐᵇ f dx + β ∫ₐᵇ g dx.
  • Müqayisə: [a, b]-də f(x) ≤ g(x) isə, ∫ₐᵇ f dx ≤ ∫ₐᵇ g dx.
  • Simmetriya: tək f üçün ∫₋ₐᵃ f dx = 0, cüt f üçün ∫₋ₐᵃ f dx = 2 ∫₀ᵃ f dx.

Əyrilər arasındakı sahə və orta qiymət

S = ∫ₐᵇ (f(x) − g(x)) dx
burada:
  • fyuxarıdakı əyri: [a, b]-də f(x) ≥ g(x)
  • gaşağıdakı əyri
  • a, badətən əyrilərin kəsişmə nöqtələrinin absisləri

İki əyri arasındakı sahə: «yuxarı çıx aşağı», sonra inteqralla.

Düz xətt ilə parabola arasındakı sahə

y = x və y = x² xətləri ilə məhdudlaşmış fiqurun sahəsini tap.

Həllini göstər
Kəsişmə nöqtələri: x = x² ⇒ x(x − 1) = 0 ⇒ x = 0 və x = 1.
[0; 1]-də x ≥ x² (məsələn, x = 1/2 üçün 1/2 > 1/4), yəni düz xətt yuxarıdadır.
S = ∫₀¹ (x − x²) dx = [x²/2 − x³/3]₀¹ = 1/2 − 1/3 = 1/6.
f̄ = 1/(b − a) · ∫ₐᵇ f(x) dxf̄ = 1/(b − a) · ∫ₐᵇ f(x) dx
burada:
  • f̄f-in [a, b] parçasında orta qiyməti
  • b − aparçanın uzunluğu

Orta qiymət teoremi: kəsilməz f funksiyası parçanın hansısa c nöqtəsində məhz f̄ qiymətini alır — hündürlüyü f̄ olan düzbucaqlının sahəsi qrafik altındakı sahəyə bərabərdir.

Orta qiymət və orta sürət

a) sin x funksiyasının [0; π] parçasında orta qiymətini tap.
b) Cismin sürəti v(t) = 3t² m/s-dir. 0 ≤ t ≤ 2 s müddətində gedilən yolu və orta sürəti tap.

Həllini göstər
a) f̄ = (1/π) ∫₀^π sin x dx = 2/π ≈ 0,637 (maksimum qiymət 1-in təxminən 64%-i).
b) Yol: s = ∫₀² 3t² dt = [t³]₀² = 8 m.
Orta sürət: 8/2 = 4 m/s. Yoxlama: sürət 0-dan 12 m/s-ə qədər artır, orta qiymət bu aralıqdadır.

Əsas fikirlər

  • F′ = f olarsa, F f-in ibtidai funksiyasıdır; ∫ f dx = F + C.
  • ∫ xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C (n ≠ −1), ∫ dx/x = ln|x| + C, ∫ eˣ dx = eˣ + C.
  • Müəyyən inteqral Riman cəmlərinin limitidir — qrafik altındakı işarəli sahə.
  • Nyuton–Leybnis: ∫ₐᵇ f dx = F(b) − F(a); həmçinin d/dx ∫ₐˣ f(t) dt = f(x).
  • Əyrilər arasındakı sahə: ∫ₐᵇ (yuxarı − aşağı) dx; orta qiymət: (1/(b − a)) ∫ₐᵇ f dx.

Özünü yoxla

10 sual. Hər düzgün cavab XP qazandırır.

1 / 10
∫ (4x³ + 2x) dx nəyə bərabərdir?