background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

102 

48

 

Całka oznaczona 

 
Niech f

RR b dzie funkcj  okre lon  i ograniczon  w przedziale [ab].  

Podzielmy przedział [ab] na dowoln  liczb  odcinków (niekoniecznie równych), których długo ci s  odpo-

wiednio równe 

1

x

∆ , 

2

x

∆ ,..., 

n

x

∆ . Oznaczmy ten podział przez Π. Zatem 

}

...

:

]

,

[

{

1

2

1

0

1

b

x

x

x

x

x

a

x

x

n

n

i

i

=

<

<

<

<

<

=

=

Π

1

=

i

i

i

x

x

x

Niech 

ξ

1

ξ

2

,..., 

ξ

n

 oznaczaj  punkty wybrane dowolnie, po jednym z ka dego odcinka: 

}

,...,

2

,

1

,

:

{

)

(

1

n

i

x

x

i

i

i

i

=

ξ

ξ

=

Π

ω

 

Utwórzmy sum  

(

)

n

n

x

f

x

f

x

f

S

ξ

+

+

ξ

+

ξ

=

Π

ω

Π

)

(

...

)

(

)

(

)

(

,

2

2

1

1

Sum  t  nazywa si  sum  Riemanna funkcji f odpowiadaj c  podziałowi 

Π przedziału 

]

,

b

a

 i wyborowi 

ω(Π) 

punktów po rednich. 

Znaczenie geometryczne sumy 

(

)

)

(

,

Π

ω

Π

S

 jest oczywiste, gdy funkcja f jest w przedziale [ab] nieujemna. 

Wówczas iloczyn 

i

i

x

f

ξ )

(

 jest polem prostok ta o podstawie 

i

x

∆  i wysoko ci 

)

(

i

f

ξ . Suma 

(

)

)

(

,

Π

ω

Π

S

 jest sum  

pól prostok tów o podstawach 

1

x

∆ , 

2

x

∆ , ... , 

n

x

∆  i wysoko ciach 

)

(

1

ξ

f

)

(

2

ξ

f

, ... , 

)

(

n

f

ξ . 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Długo   najwi kszego  odcinka  wchodz cego  w  skład  podziału 

Π  oznaczamy  δ(Π)  i  nazywamy 

rednic   podziału 

Π

.

 

Zatem 

}

...,

,

2

,

1

:

max{

)

(

n

i

x

i

=

=

Π

δ

.  

 
Definicja. 

Je li istnieje liczba I taka,  e ró nica 

(

)

|

)

(

,

|

I

S

Π

ω

Π

 

jest dowolnie mała dla dostatecznie „drobnych” podziałów 

Π i to niezale nie od wyboru ω(Π) punktów po rednich, to 

liczb  I nazywa si  

całk  oznaczon

 funkcji f na przedziale [ab] i oznacza symbolem 

b

a

dx

x

f

)

(

 Je li istnieje 

b

a

dx

x

f

)

(

, to mówimy,  e 

funkcja

 f 

jest całkowalna w sensie Riemanna

 w przedziale [ab]. Liczb  a na-

zywamy 

granic  doln

, liczb  b 

− 

granic  górn  całki

. Ponadto przyjmujemy 

0

)

(

=

a

a

dx

x

f

=

a

b

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

.  

 

1

x

 

2

x

 

3

x

 

4

x

 

ξ

1

 

ξ

2

 

ξ

3

 

ξ

4

 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

103 

T

WIERDZENIE

 (

o całkowalno ci funkcji ci głej

).  

Je eli funkcja f jest ci gła w przedziale, to jest całkowalna w tym przedziale. 

 

T

WIERDZENIE

 

(

o całkowalno ci funkcji monotonicznej

).  

Je eli funkcja f jest monotoniczna w przedziale, to jest w nim całkowalna. 

 

F

AKT

.

 

(Leibniz, Newton).

  

Je li F jest funkcj  pierwotn  funkcji f w przedziale [ab], to  

)

(

)

(

)

(

a

F

b

F

dx

x

f

b

a

=

 

1. 

π
2

0

3

sin

dx

x

    

Korzystaj c ze wzoru 

+

=

dx

x

n

n

x

x

n

dx

x

n

n

n

2

1

sin

1

cos

sin

1

sin

 

znajdujemy funkcj  pierwotn  F funkcji 

x

x

f

3

sin

)

(

=

x

x

x

dx

x

x

x

x

F

cos

cos

sin

sin

cos

sin

)

(

3

2

2

3

1

3

2

2

3

1

=

+

=

Dlatego 

π
2

0

3

sin

dx

x

[

]

=

=

π

2

0

3

2

2

3

1

cos

cos

sin

x

x

x

3

2

1

3

2

1

0

2

3

1

0

2

3

2

0

2

1

2

2

3

1

0

cos

0

cos

0

sin

cos

cos

sin

=

π

π

π

 

2. 

=

+

2

1

)

1

(x

x

dx

 

1

1

1

)

1

(

1

+

=

+

x

x

x

x

wymiernej

funkcji

rozkad

y

Zastosujem

[

]

3

4

2

1

2

1

ln

)

2

ln

1

(ln

3

ln

2

ln

|

1

|

ln

|

|

ln

1

1

1

=

=

+

=

+

=

x

x

dx

x

x

 

 

3. 

=

+

=

+

+

2

3

2

2

3

2

)

1

(

1

2

x

dx

x

x

dx

dt

dx

t

x

dx

dt

=

=

=

+

1

1

2

1

2

1

1

2

1

1

2

2

1

1

2

2

1

3

2

1

]

[

=

=

=

=

=

=

+

=

+

t

dt

t

t

dt

 

Uwaga! 

W porównaniu ze stosowaniem podstawie  w całce nieoznaczonej mamy zasadnicz  zmian ; 

musimy pami ta  o zmia-

nie granic całkowania

 

4.

 

=

+

4

0

1

x

dx

tdt

dx

t

x

t

x

2

,

2

=

=

=

=

+

=

=

=

2

4

0

0

1

2

t

tdt

=

+

+

2

0

1

1

1

2

t

dt

t

=

+

2

0

1

1

1

2

dt

t

[

]

=

+

2
0

1

ln

2

t

t

 

[

] [

]

3

ln

2

4

0

1

ln

0

2

2

1

ln

2

2

=

+

+

 
 

5. 

=

e

x

x

dx

1

2

)

(ln

1

dx

dt

x

t

x
=

=

1

ln

=

=

=

=

2

1

ln

0

1

ln

2

1

e

t

dt

[

]

6

0

2

1

0

0

6

2

1

π

=

=

π

arcsin

arcsin

arcsint

 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

104 

6. 

3

1

ln dx

x

 

Znajdujemy funkcj  pierwotn  funkcji podcałkowej (stosuj c metod  całkowania przez cz ci).

  

=

dx

x

ln

x

v

u

v

x

u

x

=

=

=

=

1

1

ln

C

x

x

dx

x

x

+

=

=

ln

ln

Dlatego (reguła Leibniza – Newtona) 

3

1

ln dx

x

[

]

2

3

ln

3

)

1

1

ln

1

(

3

3

ln

3

ln

0

3

1

=

=

=

x

x

x

.

 

7. 

π

0

2

cos x

x

 

Do wyznaczenia funkcji pierwotnej zastosujemy wzór na całkowanie przez cz ci: 

=

dx

x

cos

2

x

v

x

u

x

v

x

u

sin

2

cos

2

=

=

=

=

=

=

xdx

x

x

x

sin

2

sin

2

x

v

u

x

v

x

u

cos

1

sin

=

=

=

=

 =  

=

=

]

cos

cos

[

2

sin

2

dx

x

x

x

x

x

C

x

x

x

x

x

+

+

+

sin

cos

2

sin

2

 

Dlatego (reguła Leibniza – Newtona) 

π

=

+

+

π

+

π

π

+

π

π

=

+

+

=

π

π

2

0

sin

0

cos

0

2

0

sin

0

sin

cos

2

sin

]

sin

cos

2

sin

[

cos

0

1

0

2

0

1

0

2

0

2

0

2

x

x

x

x

x

x

x

 

 

8. 

dx

x

arctg

1

0

 

Do wyznaczenia funkcji pierwotnej zastosujemy wzór na całkowanie przez cz ci 

=

dx

x

arctg

2

2

1

2

1

1

x

v

x

u

x

v

x

u

=

+

=

=

= arctg

=

+

=

dx

x

x

x

x

2

2

2

1

2

2

1

1

arctg

=

+

+

dx

x

x

x

x

2

2

2

1

2

2

1

1

1

1

arctg

+

=

dx

x

x

x

)

1

1

1

(

2

2

1

2

2

1

arctg

C

x

x

x

x

+

+

=

arctg

arctg

2

1

2

1

2

2

1

 

Dlatego (reguła Leibniza – Newtona) 

=

dx

x

arctg

1

0

[

]

=

+

1

0

2

1

2

1

2

2

1

x

x

x

x

arctg

arctg

2

1

4

1

0

2

1

0

2

1

2

1

2

1

2

1

0

0

1

1

4

4

π

=

+

+

π

π

arctg

arctg

arctg

arctg

 

 

 

9. Nie ka da funkcja okre lona i ograniczona na 

]

,

b

a

 jest całkowalna na 

]

,

b

a

, np. funkcja 

=

]

1

,

0

[

,

1

]

1

,

0

[

,

0

)

(

odcinka

a

niewymiern

liczba

gdy

odcinka

wymierna

liczba

gdy

x

x

x

f

 

nie jest całkowalna na [0, 1]. 
Gdyby my  dla  ka dego  podziału 

Π  dokonali  wyboru  punktów  po rednich  zło onego  jedynie  z  punktów  wymiernych 

odcinka [0, 1], to suma całkowa byłaby równa 0, a gdyby wybór punktów po rednich zło ony był jedynie z punktów 
niewymiernych odcinka [0, 1], to suma całkowa byłaby równa 1. 
 

 
 
 
 
 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

105 

49

 

Zastosowania całki oznaczonej 

 

Pole trapezu krzywoliniowego

, ograniczonego wykresem ci głej funkcji f(x), f(x

≥ 0 dla x∈[ab], osi  x i prostymi  

ab jest równe 

=

b

a

dx

x

)

(

|

D

|

 

 

Pole trapezu krzywoliniowego

, ograniczonego z góry wykresem funkcji g(x), z dołu wykresem f(x) (f(x)

≥0 dla 

x

∈[ab]) oraz z boków prostymi ab  jest równe 

[

]

=

=

b

a

b

a

dx

x

f

x

g

C

g

f

x

g

y

x

f

b

x

a

y

x

)

(

)

(

|

|

,

)

(

)

(

:

)

,

(

0

]

,

[

D

D

 

 

1. Oblicz pole obszaru ograniczonego wykresami funkcji 

)

(

1

x

x

f

=

 i 

)

2

(

2

2

x

x

x

f

=

Rozwi zanie. 

 

 
Punkty wspólne wykresów tych funkcji: (0,0), (3,

−3). 

[

]

=

=

3

0

2

)

(

)

2

(

|

|

dx

x

x

x

D

[

]

2

9

3
0

3

3

1

2

2

3

3

0

2

)

3

(

=

=

x

x

dx

x

x

 

2. Oblicz pole obszaru zawartego mi dzy wykresami parabol 

2

x

y

=

 i 

x

y

=

2

 

Rozwi zanie. 

Punktami wspólnymi tych parabol s : (0, 0) i (1, 1). Dlatego 

 

 

[

]

[

]

3

1

1

0

3

3

1

3

3

2

1

0

3

3

1

3

2

1

0

2

)

(

2

3

=

=

=

=

x

x

x

x

dx

x

x

D

 

 
 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

106 

3. Obliczy  pole obszaru ograniczonego wykresami funkcji 

x

sin

=

x

y

2

cos

=

0

x

 

1

3

]

0

cos

0

sin

[

]

cos

sin

[

]

cos

2

sin

[

]

sin

2

[cos

|

|

4

3

1

0

2

1

6

3

2

1

0

2

1

0

2

3

2

3

6

6

=

+

+

=

+

=

=

π

π

π

π

x

x

dx

x

x

D

 

 

 Krzywa 

[ ]

R

)

(

,

:

)

(

x

f

x

b

a

L

, klasy 

1

, ma długo  

(

)

+

=

b

a

dx

x

f

L

2

)

(

1

 

 
 

4. Oblicz długo  łuku sinusoidy

 

x

sin

=

]

,

0

[

π

x

.

 

Rozwi zanie. 

π

π

+

=

+

=

0

2

0

2

cos

1

]

)

[(sin

1

dx

x

dx

x

L

π

+

+

=

0

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

cos

sin

cos

dx

x

x

x

x

=

=

π

0

2

2

cos

2

dx

x

=

π

0

2

cos

2

dx

x

π

=

0

2

sin

2

2

x

2

2

=

 

5. Obliczy  długo  krzywej 

2

x

y

=

, gdzie 

]

,

0

[

2

1

x

.  

Rozwi zanie. 

Dla funkcji 

2

x

y

=

 mamy 

2

x

x

y

=

. Zatem 

[

]

=

+

=

2

1

0

2

)

(

'

1

dx

x

f

L

π

=

=

=

+

6

1

0

0

2

0

2

2

2

1

2

1

2

1

]

[arcsin

1

1

1

x

x

dx

dx

x

x

 

 

Niech 

b

t

a

t

f

),

(

, b dzie pr dko ci  (intensywno ci ) wpływu towarów w chwili t do magazynu. Wów-

czas 

b

a

dt

t

)

(

 jest zapasem towarów w magazynie po upływie czasu od a do b

 

 

Niech funkcja 

)

(t

z

 opisuje zysk, jaki przynosi urz dzenie U w chwili t, niech funkcja 

)

(t

k

 opisuje koszt eks-

ploatacji urz dzenia U w chwili t. Funkcja 

)

(

)

(

)

(

t

k

t

z

t

f

=

 opisuje rzeczywisty zysk osi gany z zainstalowania urz -

dzenia U w chwili t; niech a oznacza chwil  uruchomienia urz dzenia Ub – maksymalny czas eksploatacji. Wówczas  

b

a

dt

t

)

(

 

jest równa zyskowi, jaki dało nam zainstalowanie urz dzenia U

 
 
 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

107 

 

We my funkcj  

[ ]

R

b

a

f

,

:

 ci gł  na przedziale 

[ ]

b

a, . Obracaj c wykres funkcji dookoła osi x, otrzymu-

jemy brył  obrotow , której obj to  liczymy ze wzoru 

(

)

π

=

b

a

dx

x

f

2

)

(

Vol

 

za  pole powierzchni - 

(

)

dx

x

f

x

f

b

a

+

π

=

2

)

(

1

)

(

2

Pole

 

 

 

6. Obliczy  obj to  i pole powierzchni kuli o promieniu r

Kula taka powstaje przez obrót krzywej

2

2

x

r

y

=

r

x

r

, wokół osi odci tych. Dlatego 

(

)

π

=

b

a

dx

x

f

2

)

(

Vol

3

3

4

3

3

1

2

2

2

]

[

)

(

r

x

x

r

dx

x

r

r

x

r

x

r

r

π

=

π

=

π

=

=

=

(

)

dx

x

f

x

f

b

a

+

π

=

2

)

(

1

)

(

2

Pole

r

dx

r

dx

x

r

x

x

r

r

r

r

r

π

=

π

=

+

π

=

4

2

1

2

2

2

2

2

2

.

 

 

 

 

 

50

 

Całki niewła ciwe 

 

1.  

Je li funkcja 

R

∞)

,

0

[

:

f

 jest całkowalna w ka dym przedziale 

[ ]

b

a

,

, gdzie 

<

b

a

, to przyjmujemy 

=

b

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

 

i przy warunku,  e granica istnieje, 

całk  niewła ciw

 nazywamy

 

zbie n

; w przeciwnym przypadku mówimy,  e 

całka 

niewła ciwa

 jest 

rozbie na

 

2.  

Je li funkcja 

R

−∞ ]

,

(

:

b

f

 jest całkowalna w ka dym przedziale 

[ ]

b

a

,

, gdzie 

b

a

<

<

−∞

, to przyjmujemy 

−∞

=

b

a

a

b

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

 

i przy warunku,  e granica istnieje, 

całk  niewła ciw

 nazywamy

 

zbie n

; w przeciwnym przypadku mówimy,  e 

całka 

niewła ciwa

 jest 

rozbie na

 

3.  

Je li funkcja 

R

:

f

 jest całkowalna w ka dym przedziale 

[ ]

b

a

,

, to przyjmujemy 

+

=

b

b

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

 

i przy warunku,  e obie całki niewła ciwe po prawej stronie wzoru istniej , 

całk  niewła ciw

 nazywamy

 

zbie n

; w 

przeciwnym przypadku mówimy,  e 

całka niewła ciwa

 jest 

rozbie na

 

 
 
 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

108 

4.  

Zakładamy,  e funkcja 

R

)

,

[

:

b

a

f

 jest całkowalna na ka dym przedziale 

[

]

ε

b

a,

 i nieograniczona na ka dym prze-

dziale 

)

,

[

b

b

ε

. Przyjmujemy 

ε

ε

+

=

b

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

0

 

i przy warunku,  e granica istnieje, 

całk  niewła ciw

 nazywamy

 

zbie n

; w przeciwnym przypadku mówimy,  e 

całka 

niewła ciwa

 jest 

rozbie na

 

5.  

Zakładamy,  e funkcja 

R

]

,

(

:

b

a

f

 jest całkowalna na ka dym przedziale 

[

]

b

a

,

ε

+

 i nieograniczona na ka dym prze-

dziale 

]

,

(

ε

+

a

a

. Przyjmujemy 

ε

+

ε

+

=

b

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

0

 

i przy warunku,  e granica istnieje, 

całk  niewła ciw

 nazywamy

 

zbie n

; w przeciwnym przypadku mówimy,  e 

całka 

niewła ciwa

 jest 

rozbie na

 

6.  

Je eli  funkcja  f jest  całkowalna na  ka dym  przedziale 

[

]

α

c

a,

  i 

[

]

b

c

,

β

+

,  nieograniczona  na  s siedztwie  punktu  c  i 

istniej  całki niewła ciwe  

b

c

c

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

,

)

(

 

to sum   

+

b

c

c

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

 

nazywamy 

całk  niewła ciw  funkcji nieograniczonej

 f 

na przedziale

 

[ ]

b

a,  i piszemy 

+

=

b

c

c

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

 

1

2

x

dx

Funkcja 

[

)

R

2

1

,

1

:

x

x

f

 jest ci gła na 

[

)

,

1

, a wi c całkowalna na ka dym przedziale 

[ ]

b

,

1 . Dlatego

 

1

1

1

lim

1

lim

lim

1

1

2

1

2

=

+

=

=

=

b

x

x

dx

x

dx

b

b

b

b

b

 

 

+

0

2

x

dx

 

 Funkcja 

(

]

R

+

2

1

1

0

,

:

x

x

f

 jest ci gła na 

(

]

0

,

−∞ , a wi c całkowalna na ka dym przedziale 

[ ]

0

,

a

. Dlatego

 

[

]

(

)

2

0

lim

lim

1

lim

1

0

0

2

0

2

π

=

=

=

+

=

+

−∞

−∞

−∞

a

x

x

dx

x

dx

a

a

a

a

a

arctg

arctg

 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

109 

3

0

2

)

1

(x

dx

Funkcja okre lona wzorem

2

)

1

(

1

)

(

=

x

x

f

 nie jest ograniczona w s siedztwie punktu 

1

=

c

. Dlatego badamy całk  

=

1

0

2

)

1

(x

dx

ε

ε

+

1

0

2

0

)

1

(

lim

x

dx

=

=

ε

ε

+

1

0

0

1

1

lim

x

=

ε

+

ε

)

1

1

(

lim

0

 

Poniewa  jest ona rozbie na, wi c badana całka jest równie  rozbie na. 

 

 
Zadanie 1.  

Oblicz 

2

ln x

x

dx

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na półprostej mamy 

=

=

=

A

A

A

A

x

x

x

dx

x

x

dx

2

2

2

|]

ln

|

[ln

lim

ln

lim

ln

  

Dlatego wyj ciowa całka jest rozbie na (do wyznaczenia funkcji pierwotnej dla funkcji podcałkowej zastosowano pod-

stawienie 

t

x

=

ln

). 

 

Zadanie 2.  

Oblicz 

+

1

2

1

dx

x

x

arctg

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na półprostej mamy: 

=

+

dx

x

x

2

1

arctg

dt

dx

t

x

x

dx

dt

x

=

=

=

+

+

2

2

1

1

1

1

arctg

C

x

C

t

dt

t

+

=

+

=

=

2

2

1

2

2

1

)

(arctg

2

32

3

2

16

1

2

4

1

2

1

2

2

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

1

2

)

(

]

)

1

(

[

]

)

(

[

lim

]

)

(

[

lim

1

lim

1

π

=

π

π

=

=

=

=

+

=

+

arctg

arctg

arctg

arctg

arctg

A

x

dx

x

x

dx

x

x

A

A

A

A

A

 

Dlatego wyj ciowa całka jest zbie na (do wyznaczenia funkcji pierwotnej dla funkcji podcałkowej zastosowano podsta-
wienie 

t

x

=

arctg

). 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

110 

Zadanie 3.  

Oblicz 

2

2

1

x

dx

x

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na półprostej mamy 

=

=

=

=

A

A

A

A

A

A

x

x

dx

x

x

dx

x

x

dx

x

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

2

|]

1

|

ln

[

lim

1

2

lim

1

lim

1

  

Dlatego wyj ciowa całka jest rozbie na. 

Zadanie 4.  

Oblicz 

0

2

dx

xe

x

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na półprostej mamy 

2

1

2

1

0

2

1

0

0

)

(

0

]

[

lim

lim

2

2

2

=

=

=

=

A

x

A

A

x

A

x

e

dx

xe

dx

xe

  

Dlatego wyj ciowa całka jest zbie na (do wyznaczenia funkcji pierwotnej dla funkcji podcałkowej zastosowano podsta-

wienie 

t

x

=

2

). 

 

Zadanie 5.  

Oblicz 

+

1

2

2

x

dx

x

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na prostej mamy 

+

+

+

=

+

0

2

0

2

2

1

2

1

2

1

2

x

dx

x

x

dx

x

x

dx

x

Poniewa   

=

+

=

+

=

+

A

A

A

A

x

x

dx

x

x

dx

x

0

2

0

2

0

2

|]

1

|

[ln

lim

1

2

lim

1

2

co oznacza,  e całka ta jest rozbie na, wi c wyj ciowa całka jest rozbie na (w  takim przypadku nie musimy oblicza  
drugiej całki). 

 

Zadanie 6.  

Oblicz 

+

+

2

2

2

x

x

dx

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na prostej mamy 

+

+

+

+

+

=

+

+

=

+

+

1

2

1

2

2

2

1

)

1

(

1

)

1

(

1

)

1

(

2

2

x

dx

x

dx

x

dx

x

x

dx

Poniewa   

π

=

+

=

+

+

=

+

+

2

1

1

1

2

1

2

)]

1

(

[

lim

1

)

1

(

lim

1

)

1

(

A

A

A

A

x

x

dx

x

dx

arctg

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

111 

π

=

+

=

+

+

=

+

+

−∞

−∞

2

1

1

1

2

1

2

)]

1

(

[

lim

1

)

1

(

lim

1

)

1

(

B

B

B

B

x

x

dx

x

dx

arctg

wi c  

π

=

+

+

2

2

2

x

x

dx

 
Zadanie 7.  

Oblicz 

+

+

9

4

2

x

x

dx

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji całki niewła ciwej na prostej mamy 

+

+

+

+

+

=

+

+

=

+

+

2

2

2

2

2

2

5

)

2

(

5

)

2

(

5

)

2

(

9

4

x

dx

x

dx

x

dx

x

x

dx

Poniewa   

π

=

=

+

+

=

+

+

+

5

2

1

2

5

2

5

1

2

2

2

2

]

[

lim

5

)

2

(

lim

5

)

2

(

A

x

A

A

A

x

dx

x

dx

arctg

π

=

=

+

+

=

+

+

+

−∞

−∞

5

2

1

2

2

5

1

2

2

2

2

]

[

lim

5

)

2

(

lim

5

)

2

(

B

x

B

B

B

x

dx

x

dx

5

arctg

zatem  

π

=

+

+

5

1

2

9

4x

x

dx

 

Zadanie 8.  

Oblicz 

dx

x

)

(

, je li 

>

<

=

.

1

0

,

1

1

1

,

1

0

)

(

2

x

x

x

x

x

f

dla

dla

dla

 

Rozwi zanie. 

π

=

=

+

+

=

2

1

1

1

2

1

1

1

2

1

1

0

1

0

)

(

dx

x

dx

dx

x

dx

dx

x

f

 

Do wyznaczenia funkcji pierwotnej dla funkcji podcałkowej zastosowano wzór  

C

a

x

a

x

a

x

dx

x

a

+

+

=

arcsin

2

2

2

2

2

2

1

 

 

Zadanie 9.  

Oblicz 

dx

x

)

(

, je li 

π

>

π

<

=

.

0

,

0

cos

,

0

0

)

(

2

1

2

1

x

x

x

x

x

f

dla

dla

dla

 

 

Rozwi zanie. 

1

]

[sin

cos

0

cos

0

)

(

2

1

2

1

2

1

2

1

0

0

0

0

=

=

=

+

+

=

π

π

π

π

x

dx

dx

dx

x

dx

dx

x

f

 

 

 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

112 

Zadanie 10.  

Oblicz 

dx

x

)

(

, je li 

>

<

=

.

8

0

,

8

1

,

1

0

)

(

7

1

x

x

x

x

f

dla

dla

dla

 

 

Rozwi zanie. 

1

0

0

)

(

8

1

7

1

8

8

1

7

1

1

=

=

+

+

=

dx

dx

dx

dx

dx

x

f

 

Zadanie 11.  

Oblicz 

1

0

x

dx

 

Rozwi zanie. 

Funkcja podcałkowa nie jest ograniczona w prawostronnym s siedztwie dolnej granicy całkowania. W takim przypadku 
– zgodnie z definicj  – mamy  

2

]

2

[

lim

lim

1

0

1

0

1

0

=

=

=

ε

ε

ε

ε

+

+

x

x

dx

x

dx

Zadanie 12.  

Oblicz 

1

0

2

x

dx

Rozwi zanie 

Funkcja podcałkowa nie jest ograniczona w lewostronnym s siedztwie górnej granicy całkowania. W takim przypadku – 
zgodnie z definicj  – mamy  

π

=

=

=

ε

ε

ε

ε

+

+

2

1

1

0

0

1

0

2

0

1

0

2

]

[arcsin

lim

1

lim

1

x

x

dx

x

dx

Zadanie 13.  

Oblicz 

π

4

1

0

dx

x

ctg

 

Rozwi zanie. 

Funkcja podcałkowa nie jest ograniczona w prawostronnym s siedztwie dolnej granicy całkowania. W takim przypadku 
– zgodnie z definicj  – mamy  

=

=

=

π

ε

ε

π

ε

ε

π

+

+

4

1

4

1

4

1

|]

sin

|

[ln

lim

lim

0

0

0

x

dx

x

dx

x

ctg

ctg

Całka jest rozbie na. 

 

Zadanie 14.  

Oblicz 

1

2

2

1

x

dx

x

Rozwi zanie 

Funkcja podcałkowa nie jest ograniczona w lewostronnym s siedztwie górnej granicy całkowania. W takim przypadku – 
zgodnie z definicj  – mamy  

1

]

1

[

lim

1

lim

1

1

0

2

0

1

2

0

1

2

2

1

2

1

=

=

=

ε

ε

ε

ε

+

+

x

x

dx

x

x

dx

x

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

113 

Zadanie 15.  

Oblicz pole obszaru ograniczonego wykresem funkcji

2

1

1

)

(

x

x

f

=

 i osi  odci tych. 

Rozwi zanie. 

Poniewa  

)

1

,

1

(

=

f

D

, wi c 

=

1

1

2

1

|

|

x

dx

D

 

Funkcja podcałkowa nie jest ograniczona w lewostronnym s siedztwie górnej granicy całkowania, ani w prawostronnym 
s siedztwie dolnej granicy całkowania W takim przypadku – zgodnie z definicj  – mamy  

π

=

=

=

ε

+

ε

ε

+

ε

+

+

2

1

0

1

0

0

1

2

0

0

1

2

]

[arcsin

lim

1

lim

1

x

x

dx

x

dx

π

=

=

=

ε

ε

ε

ε

+

+

2

1

1

0

0

1

0

2

0

1

0

2

]

[arcsin

lim

1

lim

1

x

x

dx

x

dx

π

=

+

=

=

1

0

2

0

1

2

1

1

2

1

1

1

|

|

x

dx

x

dx

x

dx

D

Zadanie 16.  

Oblicz pole obszaru ograniczonego wykresem funkcji 

x

x

x

f

ln

1

)

(

=

, gdzie 

e

x

<

1

, i osi  odci tych. 

Rozwi zanie. 

=

e

x

x

dx

D

1

ln

|

|

 

Funkcja podcałkowa nie jest ograniczona w prawostronnym s siedztwie dolnej granicy całkowania W takim przypadku – 
zgodnie z definicj  – mamy  

2

]

ln

2

[

lim

ln

lim

ln

|

|

1

0

1

0

1

=

=

=

=

ε

+

ε

ε

+

ε

+

+

e

e

e

x

x

x

dx

x

x

dx

D

 

Zadanie 17.  

Oblicz 

3

0

2

)

1

(x

dx

 

 

Rozwi zanie. 

Funkcja podcałkowa nie jest okre lona w punkcie 

1

=

x

. W takim przypadku post pujemy nast puj co 

+

=

3

1

2

1

0

2

3

0

2

)

1

(

)

1

(

)

1

(

x

dx

x

dx

x

dx

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

114 

Teraz funkcja podcałkowa w pierwszej całce jest nieograniczona w lewostronnym s siedztwie górnej granicy całkowa-
nia, funkcja podcałkowa w drugiej całce jest nieograniczona w prawostronnym s siedztwie dolnej granicy całkowania. 
Poniewa   

=

=

=

ε

ε

ε

ε

+

+

1

0

0

1

0

2

0

1

0

2

1

1

lim

)

1

(

lim

)

1

(

x

x

dx

x

dx

wi c wyj ciowa całka jest rozbie na (w takim przypadku nie musimy oblicza  drugiej całki). 

Zadanie 18. 

[

]

4

1

2

0

4

1

1

2

4

1

0

1

0

1

0

1

4

1

ln

2

lim

)

1

ln

2

(

lim

ln

lim

ln

=

=

=

=

+

+

+

ε

ε

ε

ε

ε

x

x

x

x

dx

x

x

dx

x

x

 

 

 

 

Kryterium całkowe zbie no ci szeregu liczbowego. 

Niech funkcja f b dzie dodatnia i malej ca w przedziale 

)

,

1

[

∞  oraz niech 

)

(n

f

a

n

=

1

n

. Wówczas 

Szereg 

=1

n

n

a

jest zbie ny 

⇔ całka 

1

)

dx

x

f

jest zbie na. 

 

Przykład 1

° 

Korzystaj c z kryterium całkowego zbadamy zbie no  szeregu 

=

+

1

5

2

1

n

n

Poniewa  całka  

=

+

=

+

=

+

=

+

A

A

A

A

A

A

x

dx

x

dx

x

dx

x

1

2

1

1

2

1

1

1

)

5

2

ln(

lim

5

2

2

lim

5

2

1

lim

5

2

1

 

nie jest zbie na, wi c szereg nie jest zbie ny. 

Przykład 2

° 

Korzystaj c z kryterium całkowego zbadamy zbie no  szeregu 

=

+

1

2

4

9

1

n

n

Poniewa  całka 

)

(

)

(

lim

)

(

1

lim

4

9

1

lim

4

9

1

2

3

2

6

1

1

2

3

2

3

9

1

1

2

3

2

2

9

1

1

2

1

2

arctg

arctg

=

=

+

=

+

=

+

π

A

A

A

A

A

A

x

dx

x

dx

x

dx

x

 

jest zbie na, wi c szereg jest zbie ny. 

 

 

51 

Szeregi pot gowe 

 

Definicja.  

Szereg funkcyjny postaci 

=

0

0

)

(

k

k

k

x

x

a

, gdzie 

k

 s  stałymi, nazywamy 

szeregiem pot gowym 

o  rodku w punkcie 

R

x

0

.  

 
Mo na wykaza ,  e je li szereg pot gowy jest zbie ny w punkcie 

0

c

, to jest bezwzgl dnie zbie ny wewn trz prze-

działu 

)|

|

|,

|

(

0

0

c

x

c

x

+

. Z powy szego wynika,  e istnieje takie,  e w przedziale 

)

,

(

0

0

r

x

r

x

+

szereg jest zbie ny, 

a na zewn trz tego przedziału szereg jest rozbie ny. Liczb  t  nazywamy 

promieniem zbie no ci

 szeregu pot gowego. 

 

 
 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

115 

Twierdzenie

 o promieniu zbie no ci (Hadamard, d’Alembert, Cauchy):

 

Je li istnieje granica 

λ

=

+

n

n

n

a

a

1

lim

albo

λ

=

n

n

n

|

|

lim

 

to promie  zbie no ci szeregu jest 

=

λ

<

λ

<

λ

=

λ

=

0

0

0

1

dla

dla

dla

r

 

 

Przykład 3

° 

Okre l przedział zbie no ci szeregu

 

n

n

n

n

x

n

n

2

1

!

2

=

Zastosujemy kryterium d’Alemberta. 

e

x

n

n

x

n

n

x

x

n

n

x

n

n

w

w

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

2

2

2

2

)

1

(

2

1

1

1

2

1

lim

2

)

1

(

lim

2

!

2

)

1

(

)!

1

(

2

lim

|

|

|

|

lim

=

+

=

+

=

+

+

=

+

+

+

+

 

2

|

|

1

2

2

e

x

e

x

<

<

 

Szereg jest zbie ny w przedziale 

)

,

(

2

2

e

e

Przykład 4

°

 Okre l przedział zbie no ci szeregu 

=

+

+

+

1

)

2

)(

1

(

2

)

1

(

n

n

n

n

n

x

Zastosujemy kryterium d’Alemberta. 

1

2

2

|

1

|

1

2

|

1

|

3

1

lim

2

|

1

|

|

|

|

|

lim

1

<

<

<

+

<

+

=

+

+

+

=

+

x

x

x

n

n

x

w

w

n

n

n

n

 

Ko ce przedziału zbie no ci:  

=

+

+

=

+

1

)

2

)(

1

(

1

2

1

n

n

n

x

 jest szeregiem zbie nym. 

=

+

+

=

+

1

)

2

)(

1

(

)

1

(

2

1

n

n

n

n

x

 jest szeregiem zbie nym bezwzgl dnie. 

Szereg jest zbie ny w przedziale 

]

1

,

3

[

Twierdzenie 

(o rozwijaniu funkcji w szereg pot gowy). 

Je li 

1

° funkcja f ma w przedziale 

)

,

(

0

0

δ

+

δ

− x

x

pochodne dowolnego rz du, 

2

° dla ka dego 

)

,

(

0

0

δ

+

δ

x

x

x

spełniony jest warunek 

0

)

(

!

)

(

lim

0

)

(

=

n

n

n

x

x

n

c

f

,  

to 

=

=

0

0

)

(

)

(

!

)

(

)

(

n

n

n

x

x

n

c

f

x

f

dla ka dego 

)

,

(

0

0

δ

+

δ

x

x

x

 

Szereg pot gowy wyst puj cy w tezie twierdzenia nazywa si  

szeregiem Taylora

 funkcji f w punkcie 

0

; gdy 

0

0

=

x

szereg ten nazywa si  

szeregiem Maclaurina

 

Twierdzenie

 (o ró niczkowaniu szeregu pot gowego)

Szereg pot gowy mo na ró niczkowa  wyraz po wyrazie w przedziale 

)

,

(

r

r

, gdzie jest promieniem zbie no ci: 

=

=

=

+

+

+

+

=

1

1

0

1

0

0

2

1

0

0

)

(

...

)

(

...

)

(

2

)

(

k

k

k

n

n

k

k

k

x

x

ka

x

x

na

x

x

a

a

x

x

a

dx

d

 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

116 

 

Po prawej stronie mamy tzw.

 

SZEREG POCHODNY

.  

FAKT. Oba szeregi maj  ten sam zbiór zbie no ci. 

 

Twierdzenie

 (o całkowaniu szeregu pot gowego)

Szereg pot gowy mo na całkowa  wyraz po wyrazie w przedziale 

)

,

(

r

r

, gdzie jest promieniem zbie no ci: 

=

+

+

=

=

+

+

+

+

+

=

0

1

1

1

1

1

3

2

3

1

2

1

2

1

0

0

0

...

...

k

k

k

k

n

n

n

x

k

k

k

x

a

x

a

x

a

x

a

x

a

dx

x

a

 

 

Przykład 5

°

 

...

1

1

1

3

2

+

+

+

+

=

x

x

x

x

 Jest to szereg geometryczny zbie ny dla 

1

|

|

<

x

Przykład 6

°

 

...

1

1

1

3

2

+

+

=

+

x

x

x

x

 Jest to szereg geometryczny zbie ny dla 

1

|

|

<

x

Przykład 7

°

 

x

x

dx

d

+

=

+

1

1

)]

1

[ln(

...

1

1

1

3

2

+

+

=

+

x

x

x

x

 dla 

1

|

|

<

x

=

=

+

+

=

+

+

=

+

=

+

1

1

4

4

1

3

3

1

2

2

1

0

3

2

0

)

1

(

...

...)

1

(

1

1

)

1

ln(

k

k

k

x

x

x

k

x

x

x

x

dx

x

x

x

dx

x

x

  jest  szeregiem  zbie nym  dla 

1

1

<

<

x

. Ponadto dla 

1

=

x

 jest zbie ny warunkowo. Kład c do tego wzoru warto  

1

=

x

 mamy 

...

4

1

3

1

2

1

1

)

1

(

2

ln

1

1

+

+

=

=

=

k

k

k

 

 

Przykład 8

°

 

...

1

1

1

6

4

2

2

+

+

=

+

x

x

x

x

 Jest to szereg geometryczny (o ilorazie 

2

x

) zbie ny dla 

1

|

|

<

x

Jest zbie ny warunkowo (kryterium Leibniza) dla 

1

=

x

. Zatem 

...

1

1

1

)

(

6

4

2

2

+

+

=

+

=

x

x

x

x

x

dx

d

arctg

Dlatego 

...

7

5

3

7

5

3

+

+

=

x

x

x

x

x

arctg

 

a nast pnie (dla 

1

=

x

)  

...

7

1

5

1

3

1

1

1

4

+

+

=

=

π

arctg

 

 

 

 

52 

Szeregi trygonometryczne 

 

Szereg postaci 

=

+

+

1

0

2

1

)

sin

cos

(

n

n

n

nx

b

nx

a

a

 

nazywa si  szeregiem trygonometrycznym. 

 

Je li  f  jest  dowoln   funkcj   całkowaln   w  przedziale 

]

,

[

π

π

,  za   współczynniki  s   obliczone  na  podstawie  wzorów 

π

π

π

=

dx

x

f

a

)

(

1

0

π

π

π

=

dx

nx

x

f

a

n

cos

)

(

1

π

π

π

=

dx

nx

x

f

b

n

sin

)

(

1

, to szereg  

=

+

+

1

0

2

1

)

sin

cos

(

~

)

(

n

n

n

nx

b

nx

a

a

x

f

 

background image

Stanisław Kowalski: Wykłady z matematyki  – 

Całka oznaczona

 – wykład 10 i 11

 

117 

nazywa si  szeregiem Fouriera

1

 funkcji f

 

Podamy jeden z warunków wystarczaj cych na to, aby szereg Fouriera funkcji f był zbie ny do f

Je li  funkcja 

R

f

π

π

]

,

[

:

  jest  klasy 

1

  na  zbiorze 

}

,

...,

,

,

,

{

\

]

,

[

2

1

π

π

π

π

n

x

x

x

}

...

2

1

π

<

<

<

<

<

π

n

x

x

x

,  i  ma 

pochodn  ograniczon , to w ka dym punkcie 

}

,

...,

,

,

,

{

\

]

,

[

2

1

π

π

π

π

n

x

x

x

x

 szereg Fouriera funkcji f jest zbie ny do 

)

(x

f

Przykład 1.

 

π

<

<

<

π

=

.

0

1

,

0

)

(

2

1

x

x

x

f

dla

dla

  

Znajdujemy współczynniki szeregu Fouriera: 

2

1

0

1

0

2

1

1

1

0

)

(

=

+

=

=

π

π

π

π

π

π

π

dx

dx

dx

x

f

a

0

cos

cos

cos

)

(

0

1

0

2

1

1

1

=

+

=

=

π

π

π

π

π

π

π

dx

nx

dx

nx

dx

nx

x

f

a

n

=

=

+

=

=

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

0

0

1

0

1

0

2

1

1

1

cos

2

cos

sin

sin

sin

)

(

n

nx

n

nx

dx

nx

dx

nx

dx

nx

x

f

b

n

 

=

π

=

=

π

=

π

=

+

π

π

=

π

π

1

2

)

1

2

(

3

2

0

]

)

1

(

1

[

2

3

2

cos

3

2

3

1

cos

2

cos

2

1

1

1

k

n

k

k

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

dla

dla

 

Dlatego 

=

+

π

π

+

+

=

+

+

+

+

0

1

2

1

3

4

1

5

1

3

1

3

4

1

)

1

2

sin(

...)

5

sin

3

sin

(sin

~

)

(

k

k

x

k

x

x

x

x

f

 

 

Przykład 2.

 

π

<

<

<

<

π

=

.

0

1

,

0

1

)

(

x

x

x

f

dla

dla

   

=

+

π

π

+

=

+

+

+

0

1

2

1

4

5

1

3

1

4

)

1

2

sin(

...)

5

sin

3

sin

(sin

~

)

(

k

k

x

k

x

x

x

x

f

 

 

Przykład 3.

 

π

<

<

π

=

.

0

sin

,

0

0

)

(

x

x

x

x

f

dla

dla

 

 

=

π

π

π

π

+

+

=

+

+

+

+

1

2

2

2

1

1

37

1

17

1

5

1

2

2

1

1

1

4

)

2

cos(

sin

...)

6

cos

4

cos

2

cos

(

sin

~

)

(

k

k

kx

x

x

x

x

x

x

f

 

 

Przykład 4.

 

|

|

)

(

x

x

f

=

 

=

π

π

π

π

=

+

+

+

1

2

4

2

25

1

9

1

4

2

)

1

2

(

)

1

2

cos(

...)

5

cos

3

cos

(cos

~

)

(

k

k

x

k

x

x

x

x

f

 

 

                                                           

1

 J. Fourier – matematyk i fizyk francuski (1768 – 1830).