Integralas: apibrėžimas, savybės ir praktiniai taikymai

Sužinokite integralą: aiškus apibrėžimas, pagrindinės savybės ir praktiniai taikymai (Riemano suma, pavyzdžiai ir pritaikymai fizikoje bei inžinerijoje).

Autorius: Leandro Alegsa

Skaičiuoklėje integralas paprastai apibūdinamas kaip „plotas po kreive“, tačiau griežtai kalbant tai yra matematinis operatorius, reiškiantis sumavimo procesą, kuris gali duoti skaičių (apibrėžtas integralas) arba antiderivacijų šeimą (neapibrėžtas integralas). Integralas glaudžiai susijęs su išvestine: išvestinė nusako kreivės statumą (arba „nuolydį“, kaip kitimo greitis), o integravimas „sukaupia“ mažas pokyčių dalis. Taip pat žodis „integralas“ gali būti vartojamas kitose reikšmėse (pvz., kaip būdvardis, susijęs su sveikaisiais skaičiais), tačiau šis straipsnis nagrinėja integralų reikšmę diferencialiniame ir integraliniame skaičiavime.

Žymėjimas ir trumpa istorija

Integravimo simbolis yra ∫ {\displaystyle \int _{\,}^{\,}} {\displaystyle \int _{\,}^{\,}}, primenantis ilgą raidę „S“. Šį simbolį pirmasis panaudojo Gotfrydas Vilhelmas Leibnicas (Gottfried Wilhelm Leibniz), kaip stilizuotą lotyniško žodžio summa („suma“) raidę, norėdamas pažymėti sumavimą – pavyzdžiui, ploto, kurį apima funkcija y=f(x), sumą.

Apibrėžimas (Rimano suma)

Apibrėžtas integralas iš f(x) tarp a ir b apibrėžiamas kaip ribinė Riemanno (kartais lietuviškai vadinama Rimano) sumos reikšmė, kai suskirstymo intervalai tampa vis plonesni. Tai – apribotas sumavimo procesas: intervalas [a,b] padalijamas į daug mažų intervalų, funkcijos reikšmė kiekviename intervale padauginama iš intervalų pločio ir šios dalys sudedamos; imant ribą, kai intervalų pločiai artėja prie nulio, gaunama integralas ∫_a^b f(x) dx.

Neapibrėžtas ir apibrėžtas integralai

  • Neapibrėžtas integralas (arba antiderivacija) yra funkcijų šeima F(x) tokia, kad F'(x)=f(x). Žymima ∫ f(x) dx = F(x) + C, kur C – konstanta.
  • Apibrėžtas integralas ∫_a^b f(x) dx grąžina skaičių, dažnai interpretuojamą kaip ploto (ar kitos kvantinės reikšmės) skirtumas intervale [a,b]. Jei f gali būti neigiama, integralas atsižvelgia į algebraišką plotą (virš x ašies – teigiamas, po x ašimi – neigiamas).

Pagrindinė skaičiavimo (integralinio skaičiavimo) teorema

Ši teorema jungia išvestinę ir integralą dviem svarbiais teiginiais:

  • Jei f yra tęstinė funkcija, tai F(x)=∫_a^x f(t) dt yra diferencijuojama funkcija ir F'(x)=f(x).
  • Jei F yra antiderivacija funkcijos f, tai ∫_a^b f(x) dx = F(b) − F(a).

Tai leidžia vertinti apibrėžtus integralus rasti antiderivacijas vietoj skaičiavimo kaip ribas.

Pagrindinės savybės

  • Lineariškumas: ∫ (a f(x) + b g(x)) dx = a ∫ f(x) dx + b ∫ g(x) dx.
  • Adityvumas intervalais: ∫_a^c f(x) dx + ∫_c^b f(x) dx = ∫_a^b f(x) dx.
  • Monotonija: jei f(x) ≥ g(x) intervale, tai ∫_a^b f(x) dx ≥ ∫_a^b g(x) dx.
  • Skirtumo savybė: ∫_a^b f(x) dx = −∫_b^a f(x) dx.

Integravimo metodai

Tarp dažniausių simbolinių metodų yra:

  • Substitucija (pakaitos metodas) – analogiškas grandinės taisybei diferencijose;
  • Dalijimas dalimis (integration by parts) – naudojama dauginio integralams;
  • Dalinių trupmenų skaidymas – racionalių funkcijų integralams;
  • Specifinės formulės – trigonometrinių, eksponentinių, logaritminių funkcijų integralams;
  • Skaitmeniniai metodai (trapecijų taisyklė, Simpsono taisyklė, gaus–Kronrod ir kt.) – kai antiderivacijos nėra uždaros formos arba reikia skaitinio įvertinimo.

Praktiniai taikymai

Integravimas yra pagrindinis įrankis daugelyje sričių:

  • Plotas po kreive: apibrėžtas integralas skirtas apskaičiuoti ploto tarp funkcijos ir x ašies (ar tarp dviejų kreivių).
  • Tūrio skaičiavimas: naudojant „diskų“ arba „vamzdžių“ (shell) metodus, sudedami dvimačių pjūvių tūriai, kaip iš dalies aprašyta: dvimačius kietojo kūno pjūvius sudedant per plotį gaunamas trimačio objekto tūris.
  • Fizika: judėjimo uždaviniai – žinant greitį (atstumas/laikas) galima apskaičiuoti nueitą atstumą integruojant greitį laiko atžvilgiu. Originaliame tekste pateikti pavyzdžiai su žymėjimu ( atstumas laikas ) {\displaystyle \left({\frac {\text{atstumas}}{\text{laikas}}}}\right)} {\displaystyle \left({\frac {\text{distance}}{\text{time}}}\right)} ir ( atstumas laikas ) × laikas {\displaystyle \left({\frac {\frac {\text{atstumas}}{\text{laikas}}}}}\right)\times {\text{laikas}}}. {\displaystyle \left({\frac {\text{distance}}{\text{time}}}\right)\times {\text{time}}}
  • Darbas ir energija: integralas naudojamas apskaičiuoti atliktą darbą jėgai priklausant nuo vietos (∫ F(x) dx) arba energijos pokyčius.
  • Statistika ir tikimybių teorija: integralo principai naudojami tankiųją tikimybių funkcijoms integruoti, gaunant tikimybės reikšmes ir skaičiuojant vidurkius.
  • Mechanika ir masės centras: masės centro, inercijos momento ir pan. skaičiavimui reikia integruoti tankio paskirstymą.
  • Inžinerija: srovės, šilumos tekėjimo, signalų apdorojimo ir kt. modeliavimui naudojami integralai bei jų skaitmeniniai sprendimai.

Intuityvus paaiškinimas

Galima apie integralą galvoti kaip apie „rankinį“ sumavimą: jei norime sujungti daugybę smulkių dydžių (pvz., greičio mažus laiko intervalo įverčius), integralas leidžia mums šiuos smulkius indėlius susumuoti iki bendros reikšmės. Skirtumas tarp paprasto sumavimo (1+2+3+...+n) ir integravimo yra tas, kad integrale reikia sudėti ir visas tarpines, dalines arba net besitęsiančias reikšmes, naudojant ribą, kur tarpų pločiai artėja prie nulio – tai ir yra Riemanno suma.

Naudingi patarimai mokantis integracijos

  • Pradėkite nuo antiderivacijų pagrindų ir paprastų taisyklių (galios taisyklė, eksponentinės ir trigonometrinės funkcijos).
  • Mokykitės pakeitimo (substitucijos) ir dalijimo dalimis technikų – jos taikomos įvairiems uždavinių tipams.
  • Praktikuokitės skaičiuoti apibrėžtus integralus naudojant Pagrindinę teoremą: raskite antiderivaciją F ir įvertinkite F(b)−F(a).
  • Susipažinkite su skaitmeniniais metodais, kai uždavinys neturi uždaros formos sprendimo.

Integralai yra universalus ir gilus matematikos įrankis, kurio supratimas atveria kelią daugybei taikymų moksle, inžinerijoje ir ekonomikoje. Jų studija apima tiek teorinį pagrindų įsisavinimą, tiek praktinius skaičiavimo įgūdžius.

Kas yra integralas (animacija)Zoom
Kas yra integralas (animacija)

Zoom

Integravimas yra susijęs su paviršiaus s radimu, kai yra a, b ir y = f(x). Aukščiau pavaizduoto integralo iš a į b formulė yra tokia:
    formulė:   ∫ a b f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx} {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx}

Integravimo metodai

Antiderivacija

Pagal pagrindinę skaičiavimo teoremą integralas yra antiderivacija.

Jei paimsime funkciją 2 x {\displaystyle 2x} {\displaystyle 2x}ir ją antidiferencijuojame, galime sakyti, kad 2 x {\displaystyle 2x}{\displaystyle 2x} integralas yra x 2 {\displaystyle x^{2}}. {\displaystyle x^{2}}. Sakome integralas, o ne integralas, nes funkcijos antidiferencialas nėra unikalus. Pavyzdžiui, x 2 + 17 {\displaystyle x^{2}+17}{\displaystyle x^{2}+17} taip pat diferencijuojasi į 2 x {\displaystyle 2x}{\displaystyle 2x} . Todėl imant antiderivaciją reikia pridėti konstantą C. Tai vadinama neapibrėžtuoju integralu. Taip yra todėl, kad, ieškant funkcijos išvestinės, konstantos lygios 0, kaip funkcijos

f ( x ) = 5 x 2 + 9 x + 15 {\displaystyle f(x)=5x^{2}+9x+15\,}{\displaystyle f(x)=5x^{2}+9x+15\,} .

f ′ ( x ) = 10 x + 9 + 0 {\displaystyle f'(x)=10x+9+0\,}{\displaystyle f'(x)=10x+9+0\,} . Atkreipkite dėmesį į 0: negalime jo rasti, jei turime tik išvestinę, todėl integralas yra

∫ ( 10 x + 9 ) d x = 5 x 2 + 9 x + C {\displaystyle \int (10x+9)\,dx=5x^{2}+9x+C}{\displaystyle \int (10x+9)\,dx=5x^{2}+9x+C} .

Paprastos lygtys

Tokią paprastą lygtį kaip y = x 2 {\displaystyle y=x^{2}}{\displaystyle y=x^{2}} galima integruoti atsižvelgiant į x taikant šį metodą. Norint integruoti, prie galios, į kurią pakeltas x, pridedamas 1, o tada x dalijamas iš šios naujos galios vertės. Todėl normalinės lygties integravimas vyksta pagal šią taisyklę: ∫ x n d x = x n + 1 n + 1 + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}x^{n}dx={\frac {x^{n+1}}{n+1}}+C} {\displaystyle \int _{\,}^{\,}x^{n}dx={\frac {x^{n+1}}{n+1}}+C}

Pabaigoje esantis d x {\displaystyle dx}{\displaystyle dx} rodo, kad integruojame x atžvilgiu, t. y. kai x kinta. Tai yra atvirkštinis diferencijavimo būdas. Tačiau integruojant pridedama konstanta C. Ji vadinama integravimo konstanta. Ji reikalinga, nes diferencijuojant sveikąjį skaičių gaunamas nulis, todėl integruojant nulį (kurį galima įterpti į bet kurio integralo galą) gaunamas sveikasis skaičius C. Šio sveikojo skaičiaus reikšmė būtų randama taikant duotas sąlygas.

Lygtys, kuriose yra daugiau nei vienas narys, paprasčiausiai integruojamos integruojant kiekvieną atskirą narį:

∫ x 2 + 3 x - 2 d x = ∫ x 2 d x + ∫ 3 x d x - ∫ 2 d x = x 3 3 + 3 x 2 2 - 2 x + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,x^{2}+3x-2dx=\int _{\,}^{\,}x^{2}dx+\int _{\,}^{\,}3xdx-\int _{\,}^{\,}2dx={\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {3x^{2}}{2}}-2x+C} {\displaystyle \int _{\,}^{\,}x^{2}+3x-2dx=\int _{\,}^{\,}x^{2}dx+\int _{\,}^{\,}3xdx-\int _{\,}^{\,}2dx={\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {3x^{2}}{2}}-2x+C}

Integravimas, apimantis e ir ln

Egzistuoja tam tikros integravimo naudojant e ir natūralųjį logaritmą taisyklės. Svarbiausia, e x {\displaystyle e^{x}}{\displaystyle e^{x}} yra savęs paties integralas (pridėjus integravimo konstantą): ∫ e x d x = e x + C {\displaystyle \int _{\,}^{x,}e^{x}dx=e^{x}+C} {\displaystyle \int _{\,}^{\,}e^{x}dx=e^{x}+C}

Natūralusis logaritmas, ln, naudingas integruojant lygtis su 1 / x {\displaystyle 1/x}{\displaystyle 1/x} . Tokių lygčių negalima integruoti pagal aukščiau pateiktą formulę (pridėti vienetą prie galybės, padalyti iš galybės), nes pridėjus vienetą prie galybės gaunamas 0, o dalyti iš 0 neįmanoma. Vietoj to 1 / x {\displaystyle 1/x}{\displaystyle 1/x} integralas yra ln x {\displaystyle \ln x} {\displaystyle \ln x}: ∫ 1 x d x = ln x + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}{\frac {1}{x}}dx=\ln x+C} {\displaystyle \int _{\,}^{\,}{\frac {1}{x}}dx=\ln x+C}

Bendresne forma: ∫ f ′ ( x ) f ( x ) d x = ln | f ( x ) | + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}{\,}{\frac {f'(x)}{f(x)}}dx=\ln {|f(x)|}+C} {\displaystyle \int _{\,}^{\,}{\frac {f'(x)}{f(x)}}dx=\ln {|f(x)|}+C}

Dvi vertikalios juostos rodo absoliučiąją vertę; į f ( x ) {\displaystyle f(x)}f(x) ženklą (teigiamą arba neigiamą) neatsižvelgiama. Taip yra todėl, kad nėra neigiamų skaičių natūraliojo logaritmo reikšmės.

Savybės

Funkcijų suma

Funkcijų sumos integralas yra kiekvienos funkcijos integralų suma, t. y,

∫ a b [ f ( x ) + g ( x ) ] d x = ∫ a b f ( x ) d x + ∫ a b g ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx}{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx} .

Tai įrodyti nesunku: Integralo apibrėžimas yra sumų riba. Taigi

∫ a b [ f ( x ) + g ( x ) ] d x = lim n → ∞ ∑ i = 1 n ( f ( x i ∗ ) + g ( x i ∗ ) ) {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}\left(f(x_{i}^{*})+g(x_{i}^{*})\right)} {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}\left(f(x_{i}^{*})+g(x_{i}^{*})\right)}

= lim n → ∞ ∑ i = 1 n f ( x i ∗ ) + ∑ i = 1 n g ( x i ∗ ) {\displaystyle =\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})} {\displaystyle =\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})}

= lim n → ∞ ∑ i = 1 n f ( x i ∗ ) + lim n → ∞ ∑ i = 1 n g ( x i ∗ ) {\displaystyle =\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})} {\displaystyle =\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})}

= ∫ a b f ( x ) d x + ∫ a b g ( x ) d x {\displaystyle =\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx} {\displaystyle =\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx}

Atkreipkite dėmesį, kad abiejų integralų ribos yra vienodos.

Integravimo konstantos

Kai konstanta yra integrale su funkcija, konstantą galima išimti. Be to, kai konstanta c nėra kartu su funkcija, jos reikšmė yra c * x. Tai yra,

∫ a b c f ( x ) d x = c ∫ a b f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}cf(x)\,dx=c\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx} {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}cf(x)\,dx=c\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx}ir

Tai galima padaryti tik naudojant konstantą.

∫ a b c d x = c ( b - a ) {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}c\,dx=c(b-a)} {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}c\,dx=c(b-a)}

Įrodymas vėlgi atliekamas remiantis integralo apibrėžimu.

Kita

Jei a, b ir c yra eilės tvarka (t. y. vienas po kito ant x ašies), f(x) integralas iš taško a į tašką b plius f(x) integralas iš taško b į c yra lygus f(x) integralui iš taško a į c. Tai yra,

∫ a b f ( x ) d x + ∫ b c f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{b}^{c}f(x)\,dx=\int \limits _{a}^{c}f(x)\,dx}, {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{b}^{c}f(x)\,dx=\int \limits _{a}^{c}f(x)\,dx}jei jie yra eilės tvarka. (Tai galioja ir tada, kai a, b, c nėra eilės tvarka, jei apibrėžiame ∫ a b f ( x ) d x = - ∫ b a f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx}{\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx} .)

∫ a a a f ( x ) d x = 0 {\displaystyle \int \limits _{a}^{a}f(x)\,dx=0}{\displaystyle \int \limits _{a}^{a}f(x)\,dx=0} . Tai išplaukia iš pagrindinės skaičiavimo teoremos (FTC): F(a)-F(a)=0

∫ a b f ( x ) d x = - ∫ b a f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx} {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx}Vėlgi, vadovaujantis FTC: F ( b ) - F ( a ) = - [ F ( a ) - F ( b ) ] {\displaystyle F(b)-F(a)=-[F(a)-F(b)]} {\displaystyle F(b)-F(a)=-[F(a)-F(b)]}

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra integralas?


A: Integralas - tai erdvė po lygties grafiku, dar vadinama "plotu po kreive". Tai atvirkštinė išvestinei ir matematikos šakos, vadinamos skaičiavimais, dalis.

K: Kaip atrodo integravimo simbolis?


A: Integravimo simbolis skaičiuotėje atrodo kaip didelė raidė "S": ∫ {\displaystyle \textstyle \int _{\,}^{\,}}.

K: Kaip integralai susiję su išvestinėmis?


A: Integralus ir išvestines sieja pagrindinė skaičiavimo teorema, kuri teigia, kad integralą galima pakeisti išvestine, panašiai kaip sudėtį galima pakeisti atimtimi.

K: Kada galima naudoti integravimą?


A: Integravimą galima naudoti, kai bandoma padauginti vienetus sprendžiant uždavinį arba ieškant kietojo kūno tūrio. Ji padeda sudėti dvimačius pjūvius, kol susidaro plotis, taip suteikiant objektui tris matmenis ir jo tūrį.

K: Kuo integravimas panašus į sumavimą?


A: Integravimas panašus į sumavimą tuo, kad jis sudeda daugybę smulkių dalykų, tačiau integruojant turime sudėti ir visus tarpinius dešimtukus bei trupmenas.

K: Ką reiškia Riemanno suma?


A: Riemanno suma reiškia, kad reikia sudėti mažus tempo grafiko gabalėlius, kol jie susumuojami ir sudaro vieną visą lygtį.


Ieškoti
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3