A határozott integrál

Hasonló dokumentumok
f (ξ i ) (x i x i 1 )

Határozott integrál. Newton -Leibniz szabály. alkalmazások. improprius integrál

Matematika A1a - Analízis elméleti kérdései

Laplace-transzformáció. Vajda István február 26.

Kalkulus II. Beugró kérdések és válaszok 2012/2013 as tanév II. félév

Többváltozós analízis gyakorlat

A Riemann-integrál intervallumon I.

Improprius integrálás

Az integrálszámítás néhány alkalmazása

= n 2 = x 2 dx = 3c 2 ( 1 ( 4)). = π 13.1

Numerikus módszerek 2.

VI. Deriválható függvények tulajdonságai

Improprius integrálás

Az érintőformula A Simpson formula Gauss-kvadratúrák Hiba utólagos becslése. Numerikus analízis

9. HATÁROZATLAN INTEGRÁL

7. HATÁROZATLAN INTEGRÁL. 7.1 Definíció és alapintegrálok

4. Hatványozás, gyökvonás

Határozzuk meg, hogy a következő függvényeknek van-e és hol zérushelye, továbbá helyi szélsőértéke és abszolút szélsőértéke (

5. Logaritmus. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 125 -öt kapjunk. A 3 5 -nek a 3. hatványa 5, log. x Mennyi a log kifejezés értéke?

0.1 Deníció. Egy (X, A, µ) téren értelmezett mérhet függvényekb l álló valamely (f α ) α egyenletesen integrálhatónak mondunk, ha

2. NUMERIKUS INTEGRÁLÁS

Differenciálszámítás. Lokális szélsőérték: Az f(x) függvénynek az x 0 helyen lokális szélsőértéke

Differenciálgeometria feladatok

A határozott integrál fogalma és tulajdonságai

ANALÍZIS II. TÉTELBIZONYÍTÁSOK ÍRÁSBELI VIZSGÁRA

5.1. A határozatlan integrál fogalma

Gazdasági matematika I. tanmenet

FELVÉTELI VIZSGA, július 15.

Vektorok. Vektoron irányított szakaszt értünk.

f függvény bijektív, ha injektív és szürjektív is (azaz minden képhalmazbeli elemnek pontosan egy ısképe van)

12. Határozatlan és határozott integrál

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Exponenciális és Logaritmusos feladatok

Gyökvonás. Hatvány, gyök, logaritmus áttekintés

Matematika 4 gyakorlat Földtudomány és Környezettan BSc II/2

1. feladat Oldja meg a valós számok halmazán a következő egyenletet: 3. x log3 2

Tehetetlenségi nyomatékok

MATEMATIKA 1. előadás jegyzet Földtudomány és Környezettan alapszakos hallgatók számára. Csomós Petra

l.ch TÖBBVÁLTOZÓS FÜGGVÉNYEK HATÁRÉRTÉKE ÉS DIFFERENCIÁLHATÓSÁGA

Debreceni Egyetem. Kalkulus II. Gselmann Eszter

Az f ( xy, ) függvény y változó szerinti primitív függvénye G( x, f xydy= Gxy + C. Kétváltozós függvény integrálszámítása. Primitívfüggvény.

Minta feladatsor I. rész

a b a leghosszabb. A lapátlók által meghatározott háromszögben ezzel szemben lesz a

1. MECHANIKA-MOZGÁSTAN GYAKORLAT (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) Matematikai összefoglaló

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Numerikus integrálás. Szakdolgozat. Írta: Pásztor Nikolett Matematika BSc - matematikai elemz szakirány

BSc Analízis II. előadásjegyzet 2009/2010. tavaszi félév

1. MECHANIKA-MOZGÁSTAN GYAKORLAT (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) Matematikai összefoglaló

Óravázlatok: Matematika 2. Tartományintegrálok

IX. A TRIGONOMETRIA ALKALMAZÁSA A GEOMETRIÁBAN

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

12. Határozatlan és határozott integrál

KIEGÉSZÍTÉS A VONALINTEGRÁLHOZ

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011 Matematika I. kategória (SZAKKÖZÉPISKOLA) Az 1. forduló feladatainak megoldása

Egy látószög - feladat

MATEMATIKA 9. osztály I. HALMAZOK. Számegyenesek, intervallumok

Egy szép és jó ábra csodákra képes. Az alábbi 1. ábrát [ 1 ] - ben találtuk; talán már máskor is hivatkoztunk rá.

Ellenállás mérés hídmódszerrel

Tekintsük az I (I R) intervallumon értelmezett f : I R függvényt. Ebben a

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK EMELT SZINT Függvények Analízis

Molnár Bence. 1.Tétel: Intervallumon értelmezett folytonos függvény értékkészlete intervallum. 0,ami ellentmondás uis. f (x n ) f (y n ) ε > 0

7. tétel: Elsı- és másodfokú egyenletek és egyenletrendszerek megoldási módszerei

ANALÍZIS II. DEFINÍCIÓK, TÉTELEK

KALKULUS INFORMATIKUSOKNAK I.

Varga Zsolt. Numerikus integrálás

Els gyakorlat. vagy más jelöléssel

( x) XI. fejezet. Határozott integrál, terület és térfogat számítás. Elméleti áttekintés. A határozott integrál definícióját ld. a jegyzetben.

2010/2011 es tanév II. féléves tematika

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

5.2. ábra. A mágnestűk a rúdmágnes erőterében az erővonalak irányát mutatják.

2010. október 12. Dr. Vincze Szilvia

2014/2015-ös tanév II. féléves tematika

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

11. évfolyam feladatsorának megoldásai

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

MATEMATIKA FELADATLAP a 8. évfolyamosok számára

Függvény határérték összefoglalás

Az ABCD köré írható kör egyenlete: ( x- 3) + ( y- 5) = 85. ahol O az origó. OB(; 912). Legyen y = 0, egyenletrendszer gyökei adják.

Gyakorló feladatok az II. konzultáció anyagához

Sorozatok. 5. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Sorozatok p. 1/2

Analízis II. harmadik, javított kiadás

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

Lajk o K aroly Kalkulus II. Debreceni Egyetem Matematikai es Informatikai Int ezet

Feladatok matematikából 3. rész

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Házi feladatok megoldása. Harmadik típusú nyelvek és véges automaták. Házi feladatok megoldása. VDA-hoz 3NF nyelvtan készítése

konvergensek-e. Amennyiben igen, számítsa ki határértéküket!

Exponenciális és logaritmikus egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlôtlenségek

Vektortér fogalma vektortér lineáris tér x, y x, y x, y, z x, y x + y) y; 7.)

Az előadás anyagának törzsrésze

Numerikus integrálás

Néhány szó a mátrixokról

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Juhász István Orosz Gyula Paróczay József Szászné Dr. Simon Judit MATEMATIKA 10. Az érthetõ matematika tankönyv feladatainak megoldásai

A fontosabb definíciók

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

Átírás:

A htározott integrál Bevezető problém: Egyenes úton egy utó időben változó v(t) = ds/dt sebességgel hld. A mindenkori sebesség ismeretében szeretnénk kiszámolni, hogy mekkor utt tesz meg vlmely t b időintervllumbn. H ismernénk v(t) egy F (t) ntideriváltját, kkor s = F (t) + C és így s b = F (b) F () lenne. H F (t) nem ismert, kkor z [, b] intervllumot felosztnánk kis t t... t n részintervllumokr, úgy, hogy ezek mindegyikén sebesség közelítőleg állndónk legyen vehető. H t i részintervllumon sebesség közelítőleg v i állndó értéknek vehető, kkor s b v t + v t +... + v n t n Reméljük, hogy nnál pontosbb lesz z iménti becslésünk, minél finombb beosztását vesszük z [, b] intevllumnk. ) Riemnn összeg Tekintsünk egy y = f() (folytonos) függvényt z [, b] intevllumon. Osszuk fel z intervllumot n belső pont felvételével n részintervllumr = < < <... < n < b = n Definíció: P = {,,,..., n, n } z [, b] intervllum egy beosztás. Egy beosztásbn k-dik részintervllum [ k, k ], ennek hossz k = k k Definíció: Mindegyik részintervllumon vlmely (tetszőleges) c k pontot kijelölve, k c k k z S P = f(c k ) k (.) k= összeg z f() függvény egy Riemnn összege z [, b] intervllumon. Speciális Riemnn összeget kpunk, h minden részintervllumon z iménti összegbe f(c k ) helyett függvénynek megfelelő részintervllumon vett infimumát vgy szuprémumát írjuk Nyilvánvló, hogy S m,p = S M,P = k= k= m k k hol m k = inf {f()} lsó összeg (.) [ k, k ] M k k hol M k = sup {f()} felső összeg (.) [ k, k ] S m,p S P S M,P Definíció: Egy P beosztás normáj: P. = m k { k }, zz leghosszbb részintervllum hossz. Definíció: H z f() függvény z [, b] intervllumon korlátos és z intervllum egyre finomodó P beosztásir lim S m,p = lim S M,P = I (.4) P P mindkét htárérték létezik és egyenlő z I (véges) számml, kkor zt mondjuk, hogy f() integrálhtó z [, b] intervllumon és ott htározott integrálj z I szám. Tétel: Az [, b] intervllumon z f() függvény pontosn kkor integrálhtó, h bármilyen ε > számhoz tlálhtó olyn δ, hogy z [, b] minden olyn beosztásár, mire P < δ következik, hogy S P I < ε zz f(c k ) k I < ε (.5) c k [ k, k ] bármilyen válsztás mellett. k=

H létezik ez z I htárérték, kkor zt következőképpen jelöljük I = lim P n k= f(c k ) k = f() (.6) elnevezése: f() htározott integrálj -tól b-ig. Szóhsznált: integrál jel; [, b] integrációs (integrálási) trtomány; b z integrálás lsó felső htár; f() integrndus; integrációs változó Megjegyzés: A htározott integrál értéke csk z integrálndó függvénytől és z intervllumtól függ, független ttól, hogy hogyn jelöljük z integrációs változót. Azz pl. f() = f(t)dt = f(u)du (.7) Problém: A Riemnn összegek ngyon sokfélék lehetnek, függően ttól, hogy milyen beosztást válsztunk és milyen c k pontokt szemelünk ki részintervllumokbn. A sok lehetséges közelítő összeg mindig ugynhhoz z I számhoz trt, h P??? Tétel: (854, Riemnn) Minden folytonos függvény integrálhtó. Pontosbbn, h f() folytonos z [, b] intervllumon, kkor ott létezik htározott integrálj. Péld: = b. Legyen ugynis beosztás olyn, hogy P = { k k = k, k =,,..n, = b/n} és válsszuk minden részintervllumon c k = k pontokt. Ekkor f(c k ) = (k ) és Riemnn összeg Az összeg htárértéke S n = f(c k ) k = k= k= k ( ) = (b/n) n(n + )(n + ) 6 lim n S == b lim ( + /n)( + /n) n = b H z integrál létezik (h minden más Riemnn összeg ehhez számhoz konvergál), kkor I = b /. Az f() = zonbn folytonos függvény, így ezt joggl hihetjük. b) Területszámítás Rjzoljuk fel z y = f() függvény grfikonját z (, y) síkon. Az [, b] intervllum egy beosztás z -tengelyen pontokt jelöl ki. Az [ k, k ] részintervllumon tégllpot rjzolunk z -tengelytől függvény y k = f(c k ) értékéig. A tégllp előjeles területe ekkor T k = f(c k ) k. Nemnegtív függvényekre z összes ilyen elemi tégllp területe szemléletesen közelíti grfikon ltti felületet A beosztás finomításávl kérdéses terület egyre jobbn hsonlít görbe ltti tényleges felülethez Kérdés: A beosztás elemi tégllpjink z együttes területe tényleg felület közönséges területét közelíti? Definíció: Az [, b] intervllumon dott nemnegtív f() függvény grfikonj ltti terület ngyság T = f() (.8) Péld: Számoljuk ki z y = és z y = függvények görbéje áltl htárolt síkidom területét. Ez y() = 4/ Megjegyzés: H függvény nem mindenhol pozitív, kkor f() = T + T (.9) z -tengely fölötti területek összegéből levonv z -tengely ltti terület ngyságát. c) Középérték

Tekintsünk egy y = f() folytonos függvényt z [, b] intervllumon. Osszuk fel z intervllumot n egyenlő részre, beosztásbn ekkor = ( b)/n egyform hosszúságú részintervllumok lesznek. Mindegyik részintervllumon válsszunk ki egy c k [ k, k ] pontot. A függvényből vett f(c k ) minták átlg ekkor f(c ) + f(c ) +... + f(c n ) n = n k= f(c k ) = n k= f(c k ) = b S n (.) Azz függvény így elkészített átlg-, vgy középértéke Riemnn összeg osztv z intervllum hosszávl. A beosztás finomításávl egy htározott értékhez trtunk: Definíció: H f() integrálhtó z [, b] intervllumon, kkor f, z f() [, b]-n vett átlg f = b f() (.) Megjegyzés: H f() nemnegtív, kkor ez szám grfikonj ltti terület osztv z intervllum hosszávl. d) A htározott integrál tuljdonsági Definíció: f() = Definíció: f() = b f() Additivitás intervllum szerint: c f() + c f() = f() Lineáris művelet: λf() = λ f() {f() + g()} = f() + g() ill. kombinálv: Tetszőleges {λ, λ,..., λ m } konstnsok és z [, b]-n integrálhtó {f (), f (),..., f m ()} függvényekre { b m } m λ i f i () = λ i f i () (.) i= Péld: f() = 4 függvény görbéje és z tengely közötti terület ngyság [, ] intervllumon. f() = f() = f() = f() + 4 i= f() = 4 ( ) = 6 4 = 4 ( ) = 7 e) Egyenlőtlenségek, középértéktétel M-Min egyenlőtlenség (b ) min [,b] {f()} f() (b ) m [,b] {f()} (.) másképp mondv (b ) min [,b] {f()} lsó, (b ) m [,b] {f()} felső korlátj htározott integrálnk.

4 Péld: + cos() Középértéktétel: H f() folytonos, kkor létezik olyn c pont z [, b] intervllumbn, hol f() felveszi középértékét: f(c) = b f() = f (.4) Bizonyítás: Az előzőből min {f} f m {f} és hsználjuk fel, hogy folytonos függvény zárt intervllumon felveszi mimum és minimum közti összes értéket. Azz kell lennie olyn pontnk, hol f(c) = f Péld: f() = 4 átlg [, ] intervllumon f() = ) (4 = Ezt z értéket 4 =, = ± pontokbn veszi fel. Ezek közül z = + vlóbn z intervllum belsejében vn. Péld: H f() = vlmely folytonos függvényre és vlmely intervllumr, kkor f() = leglább egyszer z intervllum belsejében. Monitonitás: H f() g() integrálhtók z [, b] intervllumbn, kkor f() g() (.5) Péld: A trigonometriából ismert, hogy cos() = cos ( ) sin ( ) = sin ( ). Továbbá sin (t) t és így cos() ) ( = = 5 6.8 f) A htározott integrál kiszámítás, Newton-Leibniz formul Tekintsük z F () = f(t)dt (.6) htározott integrált, mint felső htár függvényét. Minden -hez egy számot rendeltünk, mint ilyen F () tehát felső htár függvénye. Tétel: F () folytonos függvény (Bizonyítás z következő tétel bizonyításánk elemeit felhsználv HF!) Tétel: A klkulus lptétele I. rész H f(t) folytonos, kkor F () differenciálhtó és d F () = d f(t)dt = f() Azz F () ekkor z f() egy ntideriváltj vgy primitív függvénye. Bizonyítás: A derivált definíciójár gondolv felírjuk z D h F () = F ( + h) F () h differenci hánydos értékét és megmuttjuk, hogy D h F () f() miközben h. F ( + h) F () h ( = +h f(t)dt h f(t)dt ) = h +h f(t)dt

z integrálok dditivitás mitt. A középértéktétel lpján zonbn létezik olyn c pont z [, + h] intervllumbn, mire h +h f(t)dt = f(c) Nyilvánvló, hogy miközben h z [, + h] intervllum z -re zsugorodikból és így lim h f(c) = f(), zz d F () = lim F ( + h) F () h = lim h h h +h f(t)dt = lim h f(c) = f() Péld: Htározzuk meg z d F () függvényt, h F () = cos(t)dt. Közvetett függvényt célszerű hsználni, legyen u =. Ekkor df () = df (u) du du = d du u cos(t)dt = cos(u) = cos( ) Tétel: A klkulus lptétele II. rész: Newton-Leibniz formul H z [, b] intervllumon f() folytonos és F () z f vlmely (bármely) ntideriváltj (primitív függvénye), kkor 5 f(t)dt = F (b) F () = F b Bizonyítás: Az előző tételben definiált F () mint felső htár függvénye f() egy ntideriváltj. f() egyéb ntideriváltji ettől csk konstnsbn térhetnek el Bármelyik ntideriváltt is hsználjuk F () = F () + C F (b) F () = {F (b) + C} {F () + C} = F (b) F () = mi bizonyítj tétel állítását. Péld: π cos(t)dt = sin(t) π = sin(π) sin() = n = n+ n + b f(t)dt = ( b n+ n+) hol n n + f(t)dt = f(t)dt g) Numerikus integrálás Mi vn kkor, h nem tláljuk primitív függvényt? Mert esetleg nem is létezik, mint pl. -nek, vgy + -nek nincs primitív függvénye. A numerikus integrálás során többnyire z [, b] intervllumot n egyenlő részre vágjuk (ekvidisztáns beosztás). Egy részintervllum hossz h = (b ) /n. A függvénynek z { k k = + kh, k =,,..., n} pontokbn felvett y k = f ( k ) értékeit kiszámítjuk. Az így kpott n + számml különböző kifejezéseket írhtunk fel, melyek mindegyike z f(t)dt szám egy közelítése. Téglány szbály: közönséges Riemnn összeget számolunk Erre láttunk példát korábbn. Rritkán hsználjuk, mert z lább ismertetendő módszerek ugynkkor számolási munkávl áltlábn jobb eredményt dnk. Trpéz szbály: A függvény grfikonján minden részintervllumon egyenes vonlll összekötjük z ( k, y k ) és z ( k+, y k+ ) egymás utáni pontokt. Az -tengely megfelelő pontjivl így egy trpéz lkult ki. Egy ilyen trpéz területe T k = h {y k + y k+ } sin()

6 z elemi trpézok áltl lefedett összes terület pedig T = h {[y + y ] + [y + y ] +... + [y n + y n ]} = h {y + y + y +... + y n + y n } Péld: Kiszámoljuk n = 4 mellett z f() = integrálját z [, ] intervllumon. Ekkor h = /4 és k 4 k 5/4 6/4 7/4 y k 5/6 6/6 49/6 4 A trpéz formuláb helyettesítve kpjuk, hogy { + 5 } 8 6 + 6 6 + 49 6 + = 75 =.475 Persze ezt z integrált már pontosn kiszámoltuk, tudjuk, hogy = = 7 =. f(t)dt (.7) Láthtón z 5 pontból számolt közelítés egész jó. Más integrálok számolásánál, mikor pontos értéket nem ismerjük, szükségünk lehet vlmi támpontr, hogy numerikus eredményünk mennyire jól közelíti z integrál vlódi értékét. Megmutthtó, hogy: Tétel: H z f () (második derivált) folytonos z [, b]-n és létezik olyn M felső korlát, hogy f () M z egész intervllumon, kkor közelítés hibájár igz, hogy E T = f(t)dt T b h M (.8) Péld: Az előbbi számoláshoz kpcsolódv f () () =, így E T ( ) = 4 96 =.4 6 Az számolásunkbn most speciálisn pontosn ekkor hib, tehát becslésben épp z egyenlőség teljesül. Ez nem áltlános, becslés vlójábn felső korlát hib ngyságár. Péld: Korlátot dunk z π sin() trpéz szbály hsználtávl vló integráláskor hib ngyságár. deriváltj: ( sin()) = sin() + cos() ( sin()) = cos() + cos() sin() melyet felül becsülünk kérdéses intervllumon: ( sin()) cos() + sin() + π 6 Ehhez szükséges z integrndus második A [, π]-n z utolsó egyenlőtlenségekben szigorúbb becslést is írhttunk voln, de célnk így is megfelel. A hib tehát E T π ( π n) 6 = π mi n = esetben E T.55..., míg n = -r E T.55 n

Azt gondolhtnánk, hogy ngyon kis h-t válsztv tetszőleges pontosságot érhetnénk el. A gykorltbn zonbn nem lehet tetszőlegesen kis h-t hsználni. Ennek két fő ok vn. A ngyon kis h hsznált sok osztópontot jelent és egy komplikáltbb integrndus esetén z y k függvényértékek kiszámolás, tárolás, kezelése túl ngy munkát jelent. A másik problém, hogy számítógépek csk véges pontossággl számolnk (tipikusn - értékes tizedesjegyre), így hib nem tehető tetszőlegesen kicsinnyé. A következő eljárás ugynkkor beosztás mellett, ugynkkor számolási munkávl várhtólg jobb eredményt d trpéz összegnél. Simpson szbály: Az [, b] intervllumot páros számú, egyenlő hosszúságú részintervllumr osztjuk. Minden részintervllum páron másodfokú polinomml y() = A + B + C közelítjük függvényt. Egy ilyen polinom integrálj egy intervllum páron 7 Ezeket összedv h h y() = h (y + 4y + y ) S = h {(y + 4y + y ) + (y + 4y + y 4 ) +... + (y n + 4y n + y n )} = h {y + 4y + y + 4y +... + y n + 4y n + y n } f(t)dt A közelítés hibáj: Tétel: H f (4) (negyedik derivált) folytonos z [, b]-n és létezik olyn M 4 felső korlát, hogy f (4) M 4 z egész intervllumon, kkor (.9) E S b 8 h4 M 4 (.) Nem mitt jobb, mint trpéz szbály, hogy helyett 8 osztj z intervllumot, hiszen M és M 4 rányáról mitsem tudunk. A lényeg, hogy h helyett h 4 htvány szerint csökkenthető hib beosztás finomításávl. Péld: Tudjuk, hogy 5 4 = mit közelítsünk most n = 4 pontos Simpson formulávl. Tehát és S = 5 4 56 Mivel f (4) = 5 4 = állndó, hibbecslés k 4 k /4 /4 /4 4/4 5 y k 56 6 5 56 8 5 56 56 5 56 { + 4 + 6 + 4 8 + 56} = 85 84 =.6... E S 8 ( ) = 4 84 mi véletlenül megint kkor, mint ténylegesen elkövetett hib, csk zért, mert ilyen speciális függvényt integráltunk. h) Görbék átl htárolt terület Számítsuk ki felülről y = f(), lulról z y = g(), jobbról = és blról pedig z = b görbék áltl htárolt területet Beosztást véve, z -tengelyen tégllpokt rjzolhtunk A k = {f(c k ) g(c k )} k

8 területekkel. Ezek összege {f(c k ) g(c k )} k k= egy Riemnn összeg. A beosztás finomításávl ez egy htározott integrál, zz keresett terület A = lim P k= {f(c k ) g(c k )} k = {f(t) g(t)} dt (.) Péld: Kiszámítjuk cos() és sin() görbék áltl [, π/] intervllumon közbezárt idom területét: A = π/ {cos(t) + sin(t)} dt = [sin(t) cos(t)] π/ = Hsonlón járunk el, h görbék = F (y) és = G(y) lkúk és z y = c és z y = d egyenesek közötti trtomány területe szükséges: A = d c {F (t) G(t)} dt (.) H keresett síkidom ezeknél áltlánosbb lkú, kkor feldrbolhtjuk koordinát tengelyekkel párhuzmos vonlkkl olyn részekre, hogy zokr z előbbi formulák már lklmzhtók legyenek. i) Síkgörbék ívhossz Tekintsük egy y = y() vgy = (y) görbét síkon. Vegyünk egy beosztást és z összetrtozó ( k, y k ) és ( k+, y k+ ) pontokt kössük össze egyenessel. Az így kpott poligon síkgörbét nnál jobbn közelíti, minél finombb beosztás. Egy elemi szksz hossz L k = ( k ) + ( y k ) teljes poligon hossz pedig L L k = k= k= ( k ) + ( y k ) = ( ) yk + k k A beosztás finomításávl tehát zt várjuk, hogy ez z összeg (leglábbis jól viselkedő görbék esetén) görbe hosszához trt. De hogyn lehetne ezt formálisn kiszámolni? Definíció: H y() folytonosn differenciálhtó, kkor sim görbének nevezzük. Sim görbére vn olyn {c k, y(c k )} pont k c k k+, hol görbe érintője párhuzmos szelővel ( Lgrnge-féle középértéktétel szerint). Így tehát k= y k = y( k+) y( k ) = y (c k ) k k+ k L k= + (y (c k )) k mi láthtón egy Riemnn összeg. Mivel feltevésünk szerint y () folytonos, így biztosn létezik Riemnn összeg htárértéke és lim + (y (c k )) k = + P k= ( ) dy + (y ()) is z. Ekkor viszont

Definíció: Az [, b] intervllumon sim y() görbe hossz L = + ( ) dy (.) H így nehéz lenne kiszámolni, kkor tekinthetjük z = (y) görbét is megfelelő y = c és y = d htárok között. Az előzőekhez hsonlón ekkor d ( ) L = + dy (.4) dy c Péld: Kiszámítjuk negyedkörív hosszát. Az R sugrú, origó középpontú kör egyenlete +y = R. A negyedkörív hosszához z iménti formulábn [, R] trtományon kell integrálnunk, kár z (y) = R y, kár z y() = R eplicit képletet hsználjuk. Legyen z előbbi, ekkor 9 (y) = y R y és + ( ) = + y R y = R R y mivel R L = R ( y R ) d y R = R u du = R [rc sin(u)] = Rπ j) Impropius integrálok Eddig Riemnn integrált csk véges [, b] intervllumokr definiáltuk és ott is csk olyn függvényekre, melyek z intervllumon korlátosk. Most kiterjesztjük htározott integrál foglomát végtelen intervllumokr, és függvények szingulritási helyeire is. Definció: H z lábbi htárértékek léteznek és: f() integrálhtó z [, b] intervllumon tetszőleges b > -r, kkor f() = lim b f() integrálhtó z [, b] intervllumon tetszőleges < b-re, kkor f() = lim f() integrálhtó z [c, b] intervllumon tetszőleges < c < b-re, kkor f() = lim c + c f() integrálhtó z [, c] intervllumon tetszőleges < c < b-re, kkor f() = c lim c b f() (.5) f() (.6) f() (.7) f() (.8) H z előbbi hárérték léteznek, kkor zt mondjuk, hogy z impropius integrál konvergál és értéke htárérték. H htárérték nem létezik, kkor z impropius integrált divergensek mondjuk. A divergens integrálok két típusát különböztetjük meg. Előfordul, hogy htárérték tágbb értelemben létezik, de nem véges. Ilyenkor gykrn írjuk például, hogy f() =

A másik eset, h htárérték nem létezik. Akkor zt mondjuk, hogy z impropius integrál nem létezik. Péld: ln()/ integrálj [, ) intervllumon: és ln()/ = [ ( ln() )] b Péld: / integrálj (, ] intervllumon: és ( ) ( ) = ln(b) b [ ] b = ln(b) b b + [ lim ln(b) ] [ b b b + = lim ln(b) ] [ + = lim /b ] + = b b b Péld: Az lábbi integrál divergens, htáréték végtelen = lim c c c / = [ ] c = ( c) lim ( c) = c + Péld: Az lábbi integrál divergens, htáréték nem létezik = lim [ ln c ]c = lim [ ln ( c) + ] = c cos() = lim [sin()] b = nem létezik, [, ] minden pontj torlódási pont b Definció: H z integrndus végtelenné válik z [, b] egy belső d pontjábn, kkor f() = d f() + z integrál konvergens, h mindkét impropius integrál konvergens, egyébként divergens Péld: = lim / ( ) c = lim c c Definció: H tetszőleges R mellet z Péld: + lim / ( ) c + c ( ) / [ (c ) / ( ) /] + lim c + Ahol limesz külön jelölését elhgyjuk + = + + f() és f() = + = f() + Kritériumok konvergenci divergenci eldönhetőségére (például) d f() (.9) [ ( ) / (b ) /] = + / f() létezik, kkor f() (.) + = [ tn () ] = [ π ] H f() és g() folytonos z [, ) intervllumon és f() g() ebben trtománybn, kkor konvergens, h g() z. H f() és g() folytonos z [, ) intervllumon és f() és g() ebben trtománybn, és kkor = π f() lim f() g() < (.) f() és g() vgy mindkettő konvergens, vgy mindkettő divergens.

Péld: e -nek nincs elemi primitív függvénye, így nem tudjuk z impropius integrált direkt módon kiszámolni, de e e = Péld: f() = / és g() = /( + ) z [, ) intervllumon lim + = e = [ e ] = e tehát egyszerre divergensek konvergensek. És vlóbn mindkettő konvergens, ugynis = és + = π 4 k) Vegyes megjegyzések z integrálok elméletéből H függvény z [, b] intervllumon korlátos és folytonos (, b)-n, kkor integrálhtó [, b]-n. H függvény z [, b] intervllumon korlátos és monoton (, b)-n, kkor integrálhtó [, b]-n. H függvény z [, b] intervllumon integrálhtó, kkor függvény értékének véges sok pontbn vló megváltozttás z integrálhtóságon és z integrál értékén nem változtt. H függvény z [, b] intervllum integrálhtó, kkor z bszolút értéke is integrálhtó (!fordítv nem következik!). Igz továbbá, hogy f() f() (.) Ahhoz, hogy f() létezzen nem szükséges, hogy függvény végtelenben nullához trtson (elég, h gyorsn oszcillál ) H f() létezik, kkor minden ε > számhoz vn olyn T küszöbszám, hogy f() < ε, h > T és b > T (.)

Gykorló feldtok ) Mutssuk, meg, hogy h f() folytonos z [, b]-n és f() =, kkor f() = leglább egyszer z [, b]-n. Válsz: (Középértététel) ) Mutssuk, meg, hogy π + cos() Válsz: (Min-M tétel) ) Hsználjuk, hogy cos() / mivel djunk lsó korlátot cos() értékére. Válsz: (I 5/6) 4) Adjuk meg következő kezdeti-érték problém megoldását htározott integrálll: Válsz: ( F () = tn() egy ntiderivált, y() = F () + C, 5 = + C) 5) Adjuk meg következő kezdeti-érték problém megoldását htározott integrálll: Válsz: ( F () = + egy ntiderivált, y() = F () + C, = + C ) { dy = tn(), y() = 5 }. { dy = + }, y() =. 6) Számítsuk ki Newton-Leibnitz formul segítségével: π és 4 ( ) 4 = 4 π cos() =, π cos () = 7) Adjuk meg z f() = függvény grfikonj és z -tengely áltl htárolt terület ngyságát trtományr. Vigyázt, függvény előjelet vált jelzett intervllumon! Válsz: (T = 5/ + 8/ = 7/) 8) Mennyi ( z y() = vezérgörbéjű forgástest (kúp) térfogt [, 4]. Válsz: V = ) 4 π = π 4 = 4 π 4 9) Számítsuk ki z R sugrú kör területét és z R sugrú gömb térfogtát! Válsz: y() = R ( R { } { }) ( ) T = 4 R = R u = R R du = R = R u = ( { } { }) = 4R π/ u du = u u = sin(t) du = cos(t)dt u = t = π/ = 4R cos (t)dt = R π V = R π ( ) ) R = π (R R R = 4 R π ) Kétszer prciálisn integrálv számítsuk e értékét! Válsz: e = e = e e e = e + e ) Mekkor beosztást kell vennünk, hogy z ln() = módszerrel 4 hibánál jobbn megkpjuk? Válsz: ( ) () = m [,] = E S h = 6 e + = ( + ) e e = /4 e 6 5/4 e 4 értéket numerikus integrálássl trpéz, illetve Simpson ( ) ( n 4 6 n ) n 6 4

Házi feldtok ) Rjzoljuk fel z f() = függvényt z lábbi intervllumokon. Adjuk meg mindegyik esteben z intrvllumr vett átlgot és zt helyet, hol függvény felveszi átlgértékét. ) [, ] b) [, ] c) [, ] ) A Min-M egyenlőtlenséggel djunk lsó és felső korlátot z + és z / korlátot z / integrálnk egy finomított korlátj. ) Számítsuk ki Newton-Leibnitz formul segítségével: 6/5 π sin() +cos() π/ (u = helyettesítéssel) ( + 4) (u = + 4 helyettesítéssel) π/4 sin() (prciálisn) π/4 + htározott integrálr. Hsonlón djunk + integrálokr, figyeljük meg, hogy z utóbbi két szám összege z első 4) Integrálássl számítsuk ki, hogy mekkor térfogt egy egyenes kúpnk. Az lpkör sugr r és h kúp mgsság. 5) Htározzuk meg ln(5) közelítő értékét z ln(5) = 5 / numerikus integrálásávl. Legyen beosztás részintervllumink hossz h =. A becslést végezzük el Riemnn összeg számolásávl két módon is. (c k = k ), mjd jobboldli (c k = k ) htárpontokt válsszuk. Az intervllumokból előbb bloldli Számítsuk ki z inetgrált trpéz szbály segítségével. Számítsuk ki hibát! Alklmzzuk Simpson-szbályt is, hibát ismét djuk meg!