Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.2: Певний інтеграл

Відстань від швидкості

Приклад3.2.1

Припустимо, автомобіль їде по прямій дорозі з постійною швидкістю 40 миль на годину протягом двох годин. Див. Графік його швидкості нижче. Як далеко це зайшло?

графік

Рішення

Ми всі пам'ятаємо відстань = час швидкості, так що це легко. Автомобіль поїхав (40 миль/год) (2 години) = 80 миль.

Приклад3.2.2

Тепер припустимо, що автомобіль їде так, що його швидкість стабільно зростає від 0 до 40 миль на годину, протягом двох годин. (Просто будьте вдячні, що ви не застрягли за цією машиною на шосе.) Дивіться графік його швидкості нижче. Як далеко зайшов цей автомобіль?

графік

Рішення

Проблема з нашим старим надійним відстанню = співвідношення часу швидкості полягає в тому, що він працює лише в тому випадку, якщо швидкість постійна. Якщо швидкість змінюється, немає хорошого способу використовувати цю формулу.

Але подивіться на графік з останнього прикладу ще раз. Зверніть увагу, що відстань = час швидкості також описує область між графіком швидкості іt -віссю, міжt=0t=2 годинами. Швидкість - це висота прямокутника, час - довжина прямокутника, а відстань - площа прямокутника. Таким чином ми можемо розширити нашу просту формулу для обробки більш складних швидкостей: І саме так ми можемо відповісти на другий приклад.

Відстань, яку проїжджає автомобіль, - це область між його графіком швидкості,t -віссю,t=0 іt=2. Цей регіон є трикутником, тому його площа12bh=12(2 hours)(40 miles per hour)=40 miles. Таким чином, автомобіль проїжджає 40 миль під час своєї дратівливої поїздки.

У наших прикладах відстань/швидкості функція представляла швидкість руху (милі на годину), а площа представляла загальну пройдену відстань. Цей принцип працює в більш загальному плані:

Для функцій, що представляють інші темпи, такі як виробництво заводу (велосипеди на день) або потік води в річці (галони в хвилину) або рух через міст (автомобілі в хвилину), або поширення хвороби (щойно хворі люди на тиждень), площа все одно буде представляти загальну кількість чогось.

clipboard_e623ae93bae55b3975b2615671584de3b.png
Приклад3.2.3

На графіку нижче показана швидкість потоку (кубічні фути в секунду) води в річці Скайкоміш в містечку Голдбар у штаті Вашингтон.

графік

Рішення

Площа затіненої області являє собою загальний обсяг (кубічні фути абоft3) води, що протікає повз місто протягом жовтня місяця. Ми можемо наблизити цю область до наближення загальної води, думаючи про затінену область як прямокутник з трикутником зверху.

Total water = total area area of rectangle + area of the "triangle"(2000ft3s)(30 days)+12(1500ft3s)(30 days)=(2570ft3s)(30 days)

Зауважте, що нам потрібно перетворити одиниці, щоб зрозуміти наш результат:Total water (2570ft3s)(30 days)=(2570ft3s)(2,592,000 sec)7.128109 ft3

Близько 7 мільярдів кубічних футів води протікали повз Goldbar в жовтні.

Наближення з прямокутниками

Як ми наближаємо площу, якщо крива швидкості, ну, крива? Ми могли б використовувати прямокутники і трикутники, як ми робили в останньому прикладі. Але виявляється корисніше (і простіше) просто використовувати прямокутники. Чим більше прямокутників ми використовуємо, тим краще наше наближення.

графік

Припустимо, ми хочемо обчислити площу між графіком позитивної функціїf іx -віссю на інтервалі[a,b] (на графіку вище). Метод Рімана Сума полягає у побудові декількох прямокутників з основами на інтервалі[a,b] та сторонам, які доходять до графікаf (див. Нижче). Потім площі прямокутників можна обчислити та скласти разом, щоб отримати число, яке називається Riemann Sum off on[a,b]. Площа області, утвореної прямокутниками, - це наближення потрібної нам площі.

графік
Приклад3.2.4

Наблизимо площу на графіку зліва між графомf іx -віссю на інтервалі [2, 5] шляхом підсумовування площ прямокутників на графіку праворуч.

графік

Рішення

Загальна площа прямокутників дорівнює(2)(3)+(1)(5)=11 units2.

Приклад3.2.5

AДозволяти область обмежена графікомf(x)=1x,x -вісь, і вертикальні лінії вx=1 іx=5. Ми не можемо точно знайти область (з тим, що ми знаємо зараз), але ми можемо наблизити її за допомогою прямокутників.

Коли ми робимо наші прямокутники, у нас є багато варіантів. Ми могли б вибрати будь-які (не перекриваються) прямокутники, чиї днища лежать в інтервалі на осі х, і чиї вершини перетинаються з кривою десь. Але найпростіше вибрати прямокутники, які (а) мають однакову ширину і (б) беруть свої висоти від функції на одному краю. Нижче наведені графіки, що показують два способи використання чотирьох прямокутників для наближення цієї області. На першому графіку ми використовували ліві кінцеві точки; висота кожного прямокутника походить від значення функції на її лівому краю. На другому графіку на наступній сторінці ми використовували праві кінцеві точки.

Ліві кінцеві точки: Площа приблизно дорівнює сумі площ прямокутників. Кожен прямокутник отримує свою висоту від функції,f(x)=1x а кожен прямокутник має ширину 1.

графік

Ви можете знайти площу кожного прямокутника, використовуючи область = ширина висоти. Таким чином, загальна площа прямокутників, ліва оцінка площі під кривою, єf(1)1+f(2)1+f(3)1+f(4)1=1+12+13+14=25122.08.

Зверніть увагу, що оскільки ця функція зменшується, всі ліві прямокутники кінцевої точки стирчать над потрібною областю - використання лівих кінцевих точок переоцінює площу.

Правосторонні кінцеві точки: правою оцінкою площі єf(2)1+f(3)1+f(4)1+f(5)1=12+13+14+15=77601.28.

графік

Всі праві прямокутники лежать повністю під кривою, тому ця оцінка буде заниженою.

Ми бачимо, що справжня площа насправді знаходиться між цими двома оцінками. Таким чином, ми могли б взяти їх середнє:Average=2512+77602=101601.68

Загалом, середнє значення лівої і правої оцінок буде ближче до реальної площі, ніж будь-яка індивідуальна оцінка.

Наша оцінка площі під кривою становить близько 1,68. (Фактична площа становить близько 1,61.)

Цей аплет дозволить вам побачити, як змінюється наближення, якщо ви використовуєте більше прямокутників; змініть повзунок положення, щоб перемикатися між лівими кінцевими точками, правими кінцевими точками та середніми точками:

Якби ми хотіли отримати кращу відповідь, ми могли б використовувати ще більше і навіть більш вузькі прямокутники. Але є межа тому, скільки роботи ми хочемо зробити вручну. На практиці вибирайте керовану кількість прямокутників. У нас будуть кращі методи, щоб отримати більш точні відповіді найближчим часом.

Ці суми площ прямокутників називаються сумами Рімана. Ви можете побачити стенографічне позначення, яке використовується, коли люди говорять про суми. Ми не будемо багато використовувати його в цій книзі, але ви повинні знати, що це означає.

Сума Рімана та сигма-позначення

Ріман Сум

Сума Рімана для функціїf(x) за інтервал[a,b] - це сума площ прямокутників, яка наближає площу під кривою. Почніть з поділу інтервалу[a,b] наn підінтервали; кожен підінтервал буде основою одного прямокутника. Зазвичай робимо всі прямокутники однакової шириниΔx. Висота кожного прямокутника походить від функції, оціненої в певний момент його підінтервалу. Тоді сума Рімана єf(x1)Δx+f(x2)Δx+f(x3)Δx++f(xn)Δx або, враховуючиΔx,Δx(f(x1)+f(x2)+f(x3)++f(xn)).

Позначення сигми

Прописна грецька буква Sigma використовується для позначення суми. Позначення сигми - це спосіб компактно представляти суму багатьох подібних термінів, таких як сума Рімана.

Використовуючи позначення Sigma, можна записати суму Ріманаni=1f(xi)Δx.

Це читається вголос як сума, якаi переходить від 1 доn зfx subi разів Дельтаx. iЦе лічильник або індекс, як ви могли бачити в класі програмування.

Визначення визначеного інтеграла

Оскільки площа під кривою настільки важлива, вона має особливий словниковий запас і позначення.

Певний інтеграл

Певним інтегралом позитивної функціїf(x) протягом інтервалу[a,b] є площа міжf,x -вісь,x=a іx=b.

Певним інтегралом позитивної функціїf(x) відa доb є площа під кривою міжa іb.

Якщоf(t) являє собою позитивну швидкість (вy -одиницях наt -одиниці), то певний інтегралf(t) відa доb - це загальнаy -одиниці, які накопичуються міжt=a іt=b.

Позначення для визначеного інтеграла

Записується певний інтегралf(x)b відa доbaf(x)dx.

Символ називається інтегральним знаком; він являє собою витягнуту букву S, що стоїть за сумою. (Відповідає від суми Рімана)

dxНа кінці повинні бути включені! Thedx розповідає, що таке змінна — у цьому прикладі змінна єx. (dxВідповідаєΔx від суми Рімана)

Функціяf називається integrand.

aІb називаються межами інтеграції.

Форми дієслова

Ми інтегруємо, або знаходимо певний інтеграл функції. Цей процес називається інтеграцією.

Формальне алгебраїчне визначення

baf(x)dx=lim

Практичне визначення

Певний інтеграл можна наблизити сумою Рімана (діливши площу на прямокутники, де висота кожного прямокутника виходить від функції, обчислюючи площу кожного прямокутника і складаючи їх вгору). Чим більше прямокутників ми використовуємо, тим вужчі прямокутники, тим краще буде наше наближення.

Забігаючи вперед

Незабаром ми матимемо методи обчислення точних значень деяких визначених інтегралів з формул. У багатьох випадках, в тому числі, коли функція дається вам у вигляді таблиці або графіка, вам все одно потрібно буде наблизити певний інтеграл прямокутниками.

Приклад\PageIndex{6}

На графіку нижче показаноy = r(t), кількість телефонних дзвінків, здійснених за годину у вівторок. Приблизно скільки дзвінків було здійснено між 9 вечора та 11 вечора? Висловіть це як певний інтеграл і наближене з сумою Рімана.

графік

Рішення

Ми знаємо, що накопичені дзвінки будуть областю під цим графіком швидкості протягом цього двогодинного періоду, певним інтегралом цієї ставки відt = 9 доt = 11.

Загальна кількість дзвінків буде \int\limits_9^{11} r(t)\,dt .

Вгорі тут крива, тому ми не можемо отримати точну відповідь. Але ми можемо наблизити площу за допомогою прямокутників. Давайте виберемо чотири прямокутники та ліві кінцеві точки:

графік

\int\limits_9^{11} r(t)\,dt \approx 0.5(100+150+180+195)=312.5\nonumber

Одиниці викликів на годину \cdot годин = дзвінки. За нашими оцінками, близько 312 дзвінків було здійснено між 9 вечора та 11 вечора. Це занижена оцінка чи завищена оцінка?

Приклад\PageIndex{7}

Опишіть площу між графікомf(x) = \frac{1}{x},x -віссю та вертикальними лініями приx = 1 іx = 5 як певний інтеграл.

Рішення

Це та сама площа, яку ми оцінювали приблизно 1,68 раніше. Тепер ми можемо використовувати позначення певного інтеграла для його опису. Наша оцінка \int\limits_1^5 \frac{1}{x}\, dx склала 1,68. Справжнє значення \int\limits_1^5 \frac{1}{x}\, dx становить близько 1,61.

Приклад\PageIndex{8}

Використовуючи уявлення про площу, визначте величину \int\limits_1^3 1+x \,dx .

Рішення

\int\limits_1^3 1+x \,dx являє собою площу між графікомf(x) = 1+x,x -віссю та вертикальними лініями в 1 і 3.

графік

Так як цю область можна розбити на прямокутник і трикутник, ми можемо знайти площу точно. Площа дорівнює 4 + \frac{1}{2}(2)(2) = 6 \text{ units}^2.\nonumber

Приклад\PageIndex{9}

У таблиці наведені темпи приросту населення Беррітауна за кілька років. Скористайтеся цією таблицею для оцінки загального приросту населення з 1970 по 2000 рік:

Рік, t 1970 1980 1990 2000
Темпи приросту населення R(t) в тисячах людей на рік 1.5 1.9 2.2 2.4

Рішення

Певний інтеграл цієї норми дасть сумарну зміну чисельності населення за тридцятирічний період. У нас є лише кілька частин інформації, тому ми можемо лише оцінити. Незважаючи на те, що ми ще не зробили графік, ми все ще наближаємо область під кривою швидкості, використовуючи прямокутники. Наскільки широкі прямокутники? Ми маємо інформацію кожні 10 років, тому прямокутники мають ширину 10 років. Скільки прямокутників? Будьте обережні тут — це тридцятирічний проміжок, тому є три прямокутника.

  • Використання лівих кінцевих точок: (1.5) (10) + (1.9) (10) + (2.2) (10) = 56
  • Використання правих кінцевих точок: (1.9) (10) + (2.2) (10) + (2.4) (10) = 65

Беручи середнє з цих двох:\frac{56+65}{2}=60.5\nonumber

Наша найкраща оцінка загального приросту населення з 1970 по 2000 рік становить 60,5 тис. осіб.

Підписана область

Можливо, ви помітили, що до цього моменту ми наполягали на тому, що integrand (функція, яку ми інтегруємо) бути позитивним. Це тому, що ми говорили про область, яка завжди позитивна.

Якщо висота (від функції) є від'ємним числом, то множення її на ширину не дає нам фактичної площі, це дає нам область з негативним знаком.

Але виявляється корисно подумати про можливість негативної області. Ми розширимо нашу ідею певного інтеграла зараз, щоб включити integrands, які не завжди можуть бути позитивними. Висоти прямокутників, значення з функції, тепер не завжди можуть бути позитивними.

Певна інтегральна і підписана площа

Певний інтеграл функціїf(x) за інтервал[a, b] є знаковою областю міжf,x -віссю,x = a іx = b.

Певний інтеграл функціїf(x) відa доb - це підписана область під кривою міжa іb.

Якщо функція позитивна, підписана область є позитивною, як і раніше (і ми можемо назвати її областю.)

Якщо функція опускається нижчеx -осі, області областей нижчеx -осі надходять з негативним знаком. У цьому випадку ми не можемо назвати це просто областю. Ці негативні області віднімають від певного інтеграла.

\int\limits_a^b f(x) \,dx = (Площа вище x -осі) - (Площа нижче x -осі)

Якщоf(t) являє собою позитивну швидкість (вy -одиницях наt -одиниці), то певний інтегралf відa доb - це загальнаy -одиниці, які накопичуються міжt = a іt = b.

Якщоf(t) являє собою будь-яку ставку (вy -одиницях наt -одиниці), то певний інтегралf відa доb - це чистіy -одиниці, які накопичуються міжt = a іt = b.

Приклад\PageIndex{10}

Знайти певний інтегралf(x) = –2 на інтервалі [1,4].

Рішення

графік

\int\limits_1^4 -2\,dxце підписана область області, показана праворуч. Область лежить нижче x -осі, тому область, 6, входить з негативним знаком. Таким чином, певний інтеграл є\int\limits_1^4 -2\,dx =-6.

Негативні ставки свідчать про те, що сума зменшується. Наприклад, якщоf(t) швидкість руху автомобіля в позитивному напрямку по прямій в часіt (милі/год), то негативні значенняf вказують на те, що автомобіль рухається в негативному напрямку, назад. Певним інтеграломf є зміна положення автомобіля протягом часового проміжку. Якщо швидкість позитивна, накопичується позитивна відстань. Якщо швидкість негативна, то відстань в негативному напрямку накопичується.

Це вірно з будь-якою нормою. Наприклад, якщоf(t) швидкість зміни населення (людини/рік) для міста, то негативні значення вказувалиf б на те, що населення міста стає менше, а певним інтегралом (тепер негативним числом) буде зміна чисельності населення, зменшення, протягом часовий інтервал.

Приклад\PageIndex{11}

У 1980 році навколо озера гніздяться 12 000 качок, а швидкість зміни популяції (у качок на рік) показана на малюнку нижче. Напишіть певний інтеграл, щоб представити загальну зміну популяції качок з 1980 по 1990 рік та оцініть чисельність населення в 1990 році.

графік

Рішення

Зміна чисельності населення це:\[ \begin{align*} \int\limits_{1980}^{1990} f(t) \,dt & = -(\text{area between f and axis}) \\ & \approx -(200\text{ ducks/year})\cdot (10\text{ years}) \\ & = -2000\text{ ducks} \end{align*} \nonumber \]

Тоді (популяція качок 1990) = (1980 популяція) + (зміна з 1980 на 1990) = (12 000) + (-2000) = 10000 качок.

Приклад\PageIndex{12}

Помилка починається з місця розташуванняx = 12 наx -осі о 1 годині вечора йде вздовж осі зі швидкістю,v(x) показаною на графіку. Як далеко клоп проїжджає між 13:00 і 15:00, і де помилка о 3 годині вечора?

графік

Рішення

Зверніть увагу, що швидкість позитивна з 1 до 2:30, потім стає негативною. Отже, помилка рухається в позитивному напрямку від 1 до 2:30, потім обертається і рухається назад до того місця, де вона почалася. Площа під кривою швидкості від 1 до 2:30 показує загальну відстань, пройдену жуком у позитивному напрямку; помилка перемістилася на 12,5 футів у позитивному напрямку. Площа між кривою швидкості та віссю x, між 2:30 та 3, показує загальну відстань, пройдену жуком у негативному напрямку, назад до будинку; помилка пройшла 2,5 футів у негативному напрямку. Певний інтеграл кривої швидкості\int\limits_1^3 v(t) \,dt, показує чисту зміну відстані:\int\limits_1^3 v(t) \,dt = 12.5-2.5=10.\nonumber

Помилка виявилася на 10 футів далі в позитивному напрямку, ніж він почав. О 3 годині вечора клоп знаходиться вx = 22.

Приклад\PageIndex{13}

Використовуйте графік нижче, щоб обчислити \int\limits_0^2 f(x) \,dx \int\limits_2^4 f(x) \,dx ,, \int\limits_4^5 f(x) \,dx , і \int\limits_0^5 f(x) \,dx .

графік

Рішення

Використання заданих областей, \int\limits_0^2 f(x) \,dx = 2 , \int\limits_2^4 f(x) \,dx = -5 \int\limits_4^5 f(x) \,dx = 2 , і \int\limits_0^5 f(x) \,dx = (область вище) - (область нижче) = (2+2) - (5) = -1.

Апроксимація з технологією

Якщо ваша функція задана у вигляді графіка або таблиці, вам все одно доведеться наблизити певні інтеграли, використовуючи області, як правило, прямокутників. Але якщо ваша функція дана у вигляді формули, ви можете звернутися до технології, щоб отримати кращу приблизну відповідь. Наприклад, більшість графічних калькуляторів мають якийсь інструмент числового інтеграції вбудований. Ви також можете знайти багато онлайн-інструментів, які можуть це зробити; введіть числову інтеграцію в будь-яку пошукову систему, щоб побачити вибір з них.

Більшість інструментів числового інтегрування використовують прямокутники для оцінки підписаної площі, так само, як і вручну. Але вони використовують набагато більше прямокутників, ніж у вас вистачило б терпіння, тому вони отримують кращу відповідь. Деякі з них використовують системи комп'ютерної алгебри для пошуку точних відповідей; ми дізнаємося, як це зробити самі пізніше в цьому розділі.

Коли ви звернетеся до техніки, щоб знайти значення певного інтеграла, будьте уважні. Далеко не кожен інструмент зможе дати вам правильну відповідь на кожен інтеграл. Спочатку ви повинні скласти оцінку відповіді, щоб ви могли судити, чи має сенс відповідь, яку ви отримаєте.

Приклад\PageIndex{14}

Використовуйте технологію, щоб наблизити певний інтеграл \int\limits_1^5 \frac{1}{x} \,dx . (Це той самий певний інтеграл, який ми наближали з прямокутниками раніше.)

Рішення

Ми могли б використовувати наступну команду в GeoGebra, щоб наблизити цей інтеграл:

Інтегральна [1/х, 1, 5]

Або натисніть це посилання, щоб побачити, як оцінити цей інтеграл за допомогою Wolfram|Alpha.

Приклад\PageIndex{15}

Використовуйте технологію, щоб наблизити певний інтеграл \int\limits_1^2 e^{x^2+x} \,dx .

Рішення

Функція тут позитивна, тому тут повинна бути якась область під кривою. Існує не алгебраїчний спосіб знайти точну відповідь, тому деякі програми можуть просто повернути оригінальний інтеграл, а не намагатися наблизити його.

Ми могли б використовувати наступну команду в GeoGebra, щоб наблизити цей інтеграл:

Інтеграл [e^ (х ^ 2+ х), 1, 2]

Або натисніть це посилання, щоб побачити, як наблизити цей інтеграл за допомогою Wolfram|Alpha. Хоча це виглядає як Wolfram|Alpha може оцінити інтеграл, функція Ерфі, яку вона показує у своїй відповіді, насправді визначається з точки зору іншого інтеграла, тому вона досі не знайшла алгебраїчної відповіді.

Накопичення в реальному житті

Ми вже бачили, що площа під графіком може представляти величини, одиниці яких не є звичайними геометричними одиницями квадратних метрів або квадратних футів. Наприклад, якщоt є мірою часу в секундах іf(t) є швидкістю з одиницями фути/секунду, то певний інтеграл має одиниці (фути/секунди) \cdot (секунди) = фути.

Загалом, одиницями для певного інтеграла \int\limits_a^b f(x)\,dx є (y-одиниці) \cdot (x-одиниці). Швидка перевірка агрегатів може допомогти уникнути помилок при налаштуванні застосованої проблеми.

У попередніх прикладах ми розглядали функцію, яка представляла швидкість руху (милі на годину); у цьому випадку площа представляла загальну пройдену відстань. Для функцій, що представляють інші темпи, такі як виробництво заводу (велосипеди на день) або потік води в річці (галони в хвилину) або рух через міст (автомобілі в хвилину), або поширення хвороби (щойно хворі люди на тиждень), площа все одно буде представляти загальну кількість чогось.

Приклад\PageIndex{16}

MR(q)Припустимо, граничний дохід в доларах/товар для продажуq предметів. Що \int\limits_0^{150} MR(q) \,dq являє собою?

Рішення

\int\limits_0^{150} MR(q) \,dq має одиниці (долари/елемент) \cdot (items) = долари, і являє собою накопичені долари для продажу від 0 до 150 предметів. Тобто загальний дохід від продажу 150 найменувань. \int\limits_0^{150} MR(q) \,dq = TR(150)

Приклад\PageIndex{17}

Припустимоr(t), в сантиметрах на рік уявляє, як змінюється діаметр дерева з часом. Що \int\limits_{T_1}^{T_2} r(t) \,dt являє собою?

Рішення

\int\limits_{T_1}^{T_2} r(t) \,dt має одиниці (сантиметри на рік) \cdot (років) = сантиметри, і являє собою накопичений зріст діаметра дерева відT_1 доT_2. \int\limits_{T_1}^{T_2} r(t) \,dt Тобто відбувається зміна діаметра дерева за цей проміжок часу.

3.1: Прелюдія до інтеграла
3.3: Фундаментальна теорема та антидиференціація