matematinė analizė ir tiesinė algebra
DESCRIPTION
Matematinė analizė ir tiesinė algebra. 5-7 paskaitos. Pirmykštė funkcija ir neapibrėžtinis integralas. Funkcijos y = f(x) pirmykštė funkcija vadinama funkcija y = F (x) , su kuria galioja lygybė F’(x) = f(x) . - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Matematinė analizė ir tiesinė algebra
5-7 paskaitos.
2
• Funkcijos y=f(x) pirmykštė funkcija vadinama funkcija y=F(x), su kuria galioja lygybė F’(x)=f(x) .
• Jei funkcijos y=f(x) pirmykštė funkcija yra y=F(x) , tai bet kuri kita funkcijos y=f(x) pirmykštė funkcija y=G(x) išreiškiama formule G(x)=F(x)+C, kur C – laisvoji konstanta.
• Funkcijos y=f(x) neapibrėžtiniu integralu vadinama funkcijos y=f(x) pirmykščių funkcijų F(x)+C aibė:
čia f(x) vadinama pointegraline funkcija, o sandauga f(x)dx – pointegralinių reiškiniu.
•Iš integralo apibrėžimo aišku, kad
Pirmykštė funkcija ir neapibrėžtinis integralas
;)()( CxFdxxf
)())(()( xfCxFdxxf
3
Pagrindinių integralų lentelė
;10 ,ln
, aaCa
adxa
xx
;||ln Cxx
dx
; tgcos2
Cxx
dx ; ctg
sin 2Cx
x
dx
;1 ,1
aCa
xdxx
aa
;sincos Cxxdx
;Cedxe xx
.arcsin1 2
Cxx
dx
; arctg1 2
Cxx
dx
;cossin Cxxdx
4
Pagrindinių integralų lentelė
;arcsin22
22222 C
a
xaxa
xdxxa
.
24tgln
cosC
x
x
dx
;ln 22
22Caxx
ax
dx
;2
tglnsin
Cx
x
dx
;ln2
122
Cax
ax
aax
dx
;ln22
222
2222 Caxxa
axx
dxax
5
• Pastovų daugiklį galima iškelti prieš integralo ženklą
•Funkcijų sumos integralas lygus šių funkcijų integralų sumai
•Tada bet kuriam dėmenų skaičiui n
•Skaičiuojant funkcijų sumos integralą, rašoma viena laisvoji konstanta
Neapibrėžtinio integralo savybės
dxxgdxxfdxxgxf )()()()(
dxxfkdxxkf )()(
n
kk
n
kk dxxfdxxf
11
)()(
CxGxFdxxgxf )()()()(
6
Pagrindinės integravimo taisyklės
;)(1
)()(1
)( CbkxFk
bkxdbkxfk
dxbkxf
;)()( tai),(ir )()(Jeigu CuFdxufxguCxFdxxf
;|)(|ln)(
)(Cxfdx
xf
xf
7
• Integravimas keičiant kintamąjį. Jeigu x=g(t) diferencijuojama funkcija, o t – naujasis integravimo kintamasis, tai
Suintegravus, reikia grįžti prie seni kintamojo x
• Integravimas dalimis. Jei u ir v diferencijuojamos funkcijos, tai
Integravimo metodai
;vduuvudv
.)())(()( dttgtgfdxxf
8
• Šiuo metodu patogu integruoti racionaliąsias funkcijas:
• Racionaliosios funkcijos
integravimas.
•Kai n≥k, daugianarį P(x) padaliję iš (x-c)k gauname kokį nors daugianarį Q(x) ir liekaną R(x), kurio laipsnis yra mažesnis už k:
•Šią lygybę dalijame iš (x-c)k :
Neapibrėžtųjų koeficientų metodas
k
nn
nn
k cx
axaxaxa
cx
xP
)(
...
)(
)( 011
1
011
1
011
1
...
...
)(
)(
bxbxbxb
axaxaxa
xQ
xPm
mm
m
nn
nn
)())(()( xRcxxQxP k
kk cx
xRxQ
cx
xP
)(
)()(
)(
)(
9
•Integruodami gauname:
• Teorema. Tarkime, R(x) yra m-jo yra laipsnio daugianaris ir m<k. Tuomet egzistuoja koeficientai A1, A2, ..., Ak su kuriais R(x) išreiškiamas formule
•Šia tapatybę dalijame iš (x-c)k:
•Koeficientai A1, A2, ..., Ak randami tapatybės dešiniojoje pusėje atlikus veiksmus ir sulyginus abiejų pusių koeficientus prie vienodų kintamojo x laipsnių.
Neapibrėžtųjų koeficientų metodas
kkkk AcxAcxAcxAxR )(...)()()( 1
22
11
kk
kk
k cx
A
cx
A
cx
A
cx
A
cx
xR
)()(...
)()(
)(1
12
21
dx
cx
xRdxxQdx
cx
xPkk )(
)()(
)(
)(
10
• Neapibrėžtųjų koeficientų metodas taikomas ir sudėtingesnėms racionaliosioms funkcijoms integruoti,
• Teorema. Tarkime, P(x) ir Q(x) yra n-jo ir m-jo laipsnio daugianariai ir n<m. Tuomet jei Q(x) yra išreikštas kaip
tai egzistuoja koeficientai A1, A2, ..., Ap , B1, B2, ..., Bq, ..., M1, M2, ..., Mr, N1, N2, ..., Ns, ... su kuriais
Neapibrėžtųjų koeficientų metodas
...,)()...()()()( 22 qrqpm zwxxvuxxxxaxQ
...)(
...)()(
...)()(
)(2
212
21
q
q
p
p
x
B
x
B
x
B
x
A
x
A
x
A
xQ
xP
...)(
...)(
...222
222
11
rrr
vuxx
NxM
vuxx
NxM
vuxx
NxM
11
1. Jeigu racionalioji trupmena netaisyklingoji, tai išskyrę sveikąją dalį (padaliję skaitiklį iš vardiklio), gauname taisyklingąją racionaliąją trupmeną.
2. Taisyklingosios racionaliosios trupmenos vardiklį išskaidome daugikliais. Jų gali būti 2 tipų: (x-α)p ir (x2+ux+x)r, čia α – realioji vardiklio šaknis, o kvadratinių trinarių diskriminantai neigiami.
3. Priklausomai nuo vardiklyje gauto skaidinio, nagrinėjamą taisyklingąją racionaliąją trupmeną išreiškiame paprasčiausių racionaliųjų trupmenų suma. Jų gali būti 2 tipų:
čia α, u, v, A, M, N – realieji skaičiai, k, l – natūralieji skaičiai, D=u2-4v<0 .
4. Randame neapibrėžtuosius koeficientus ir integruojame gautas paprasčiausias racionaliąsias trupmenas
Racionaliųjų trupmenų integravimo algoritmas
.)(
ir )(
2 lvuxx
NMx
x
Ak
12
1. Universalusis keitinys skaičiuojant trigonometrinės funkcijos R(x) integralą yra tg(x/2)=t, tada
2. Jeigu R(-sinx, cosx) = -R(sinx, cosx) (t.y. pointegralinė funkcija nelyginė sinx atžvilgiu), tai rekomenduojamas keitinys cosx=t, tada
3. Jeigu R(sinx, -cosx) = -R(sinx, cosx) (t.y. pointegralinė funkcija nelyginė cosx atžvilgiu), tai rekomenduojamas keitinys sinx=t, tada
Trigonometrinių reiškinių integravimas
.1
2 tg,
1
1 cos ,
1
2sin ,
1
2 , arctg2
22
2
22 t
tx
t
tx
t
tx
t
dtdxtx
.1sin ,1
, arccos 2
2tx
t
dtdxtx
.1 cos ,1
,arcsin 2
2tx
t
dtdxtx
13
4. Jeigu R(-sinx, -cosx) = R(sinx, cosx), tai rekomenduojamas keitinys tgx=t, tada
5. Integralams ∫sin2nxdx ir ∫cos2nxdx skaičiuoti naudojamos formulės
6.
Trigonometrinių reiškinių integravimas
.1
1 cos ,
1sin ,
1 , arctg
222t
xt
tx
t
dtdxtx
.2
2cos1sin ,
2
2cos1cos 22 x
xx
x
,)cos()cos(2
1coscos dxxnmxnmnxdxmx
,)sin()sin(2
1cossin dxxnmxnmnxdxmx
.)cos()cos(2
1sinsin dxxnmxnmnxdxmx
14
Integralas
pakeičiamas trupmenos integralu, naudojant keitinį
kur k lygus trupmenų m/n, ... , r/s bendrajam vardikliui.
Atskiru atveju, vietoje gali būti ax+b arba x.
Iracionaliųjų funkcijų integravimas
dxdcx
bax
dcx
baxxR
s
r
n
m
,...,,
,
1
tdcx
bax k
dcx
bax
15
čia p = b/a, q = c/a.
• Visais atvejais gautajame kvadratiniame trinaryje x2+px+q išskiriame pilną kvadratą ir tą dalį, kuri yra pakelta kvadratu, pažymime nauju kintamuoju t.
• Tuomet gauname vieną iš trijų reiškinių:
Iracionaliųjų funkcijų integravimas
0 kai,)(,
0 kai,,),(
2
2
2
adxqpxxaxR
adxqpxxaxRdxcbxaxxR
.2
ir 42
222 t
px
pq
pxqpxx
. .3 , .2 , .1 222222 trrtrt
16
• Iracionalumui atsikratyti galime taikyti keitinius:
Iracionaliųjų funkcijų integravimas
. ctg arba tg .1 22 urturtrt
.cos
arba sin
.2 22
u
rt
u
rtrt
. cos arba sin .3 22 urturttr
17
• Tegu funkcija y=f(x) yra tolydi intervale [a; b]. Taškais x1, x2, ...,xn-1 šį intervalą padalykime į n intervalų. Pažymėkime a=x0, b=xn. Tuomet intervalas [a; b] yra n dalinių intervalų sąjunga. Šių dalinių intervalų ilgiai yra atitinkamai Δx1= x1 – x0
, Δx2 = x2 - x1, Δxn= xn - xn-1. Kiekviename daliniame intervale [xn-1; xn] laisvai pasirinkę po vieną tašką ck , sudarykime sumą
kuri vadinama integraline suma.
Tarkime, funkcija y=f(x) yra tolydi intervale [a; b], o
- šios funkcijos integralinė suma, w=max Δxk . Jei egzistuoja limw→0S , nepriklausanti nei nuo intervalo [a; b] skaidinio, nei nuo taškų ck pasirinkimo, tai ši riba vadinama funkcijos apibrėžtinių integralu intervale [a; b].
Apibrėžtinis integralas
,)()(...)()(1
2211
n
kkknn xcfxcfxcfxcfS
n
kkk xcfS
1
)(
18
• Apibrėžtinis integralas žymimas simboliu
čia a ir b vadinami integravimo rėžiais: a – apatiniu, b – viršutiniu; f(x) – pointegralinė funkcija; f(x)dx – pointegraliniu reiškiniu.
• Jei intervale [a; b] egzistuoja funkcijos f(x) apibrėžtinis integralas, tai sakoma, kad funkcija f(x) yra integruojama intervale [a; b].
• Kiekviena tolydi uždarome intervale funkcija yra integruojama tame intervale.
•Apibrėžtinis integralas yra kreivinės trapecijos, apribotos Ox ašimi ir funkcijos y=f(x) grafiku, kai a ≤ x ≤ b, plotas (jei intervale [a; b] funkcijos reikšmės yra neneigiamos f(x) ≥ 0).
• Kai intervale [a; b] funkcijos f(x) reikšmės nėra teigiamos, t.y. f(x) ≤ 0, tai šios funkcijos apibrėžtinis integralas intervale [a; b] tenkina nelygybę
Apibrėžtinis integralas
b
a
dxxf .)(
.0)( b
a
dxxf
19
• Niutono – Leibnico formulė.
•Jei f(x) yra tolydi intervale [a; b], tai funkcija F(t), išreikšta apibrėžtiniu integralu su kintamuoju viršutiniu rėžiu, t.y.
turi išvestinę F’(t)=f(t).
Apibrėžtinio integralo savybės
a
a
dxxf .0)( .)()( a
b
b
a
dxxfdxxf
).()()( aFbFdxxfb
a
t
a
batdxxftF ],,[ ,)()(
20
•Tarpinės reikšmės teorema. Jei funkcija y=f(x) yra tolydi intervale [a; b], tai yra toks skaičius c, a < c < b, kad galioja lygybė
•Skaičius f(c) vadinamas funkcijos y=f(x) tarpine reikšme intervale [a; b].
Apibrėžtinio integralo savybės
b
a
b
c
c
a
dxxfdxxfdxxf )()()(
b
a
b
a
dxxfkdxxkf )()(
b
a
b
a
b
a
dxxgdxxfdxxgxf )()()()(
).)(()( abcfdxxfb
a
21
• Tarkime, funkcija y=f(x) yra tolydi intervale [a; +∞). Funkcijos y=f(x) netiesioginiu integralu intervale [a; +∞) vadinama riba
• Tolydžios intervale (-∞; a] funkcijos y=f(x) netiesioginiu integralu vadinama riba
•Tolydžios intervale (-∞;∞) funkcijos y=f(x) netiesioginiu integralu vadinama riba
•Jei netiesioginį integralą apibrėžianti riba egzistuoja, tai sakoma, kad šis integralas konverguoja, priešingu atveju – diverguoja.
Netiesioginiai integralai
a
t
at
dxxfdxxf )()(lim
aa
tt
dxxfdxxf )()(lim
dxxfdxxft
tt
)()(lim
22
• Netiesioginiams integralams iš esmės galioja tokios pat savybės kaip ir apibrėžtiniam integralui, kurio rėžiai baigtiniai.
Netiesioginių integralų savybės
.)()(
a
a
dxxfdxxf
c
c
aa
dxxfdxxfdxxf )()()(
aa
dxxfkdxxkf )()(
aaa
dxxgdxxfdxxgxf )()()()(
23
• Niutono-Leibnico formulę apibrėžtiniam integralui skaičiuoti galima apibendrinti it taikyti skaičiuojant netiesioginius integralus.
•Kaip ir apibrėžtinio integralo, netiesioginio integralo geometrinė prasmė yra tokia pati – tam tikros figūros plotas. Ši figūra, būdama begalinė, gali turėti ir baigtinį plotą (jei integralas konverguoja). Pavyzdžiui,
Netiesioginių integralų savybės
).()(lim)()()()( aFtFaFFxFdxxfta
a
.22
arctg1
12
xdx
x