background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

Wykład 11 -12. Funkcje pierwotne. Całki 

Literatura: R.Leitner. ” Zarys matematyki wyższej”, Tom II 

                 

 M. Dędys. SGH. Materiały dydaktyczne. 

Rozważmy funkcję f: X      Zakładamy tutaj, że X jest przedziałem 
otwartym ograniczonym lub nieograniczonym. 
 
W poprzednich wykładach poszukiwaliśmy pochodnej funkcji f. W 
tym wykładzie „odwracamy” problem.  Poszukiwać będziemy  takiej 
funkcji F,  której pochodną jest funkcja f. Stąd bierze się określenie: F  
jest funkcją pierwotna funkcji f. Następująca definicja precyzuje 
pojecie funkcji pierwotnej 
 
 I. FUNKCJA PIERWOTNA 
 
Definicja 1. Funkcja pierwotna. 
Mówimy, że F jest funkcją pierwotną funkcji f jeśli dla każdego 
x

    wartość pochodnej funkcji F jest równa wartości f, tzn.  

F

           , dla każdego x    

 
 Wniosek z definicji.  
a) Jeżeli  F jest funkcją pierwotną dla f, to każda funkcja G postaci 
G(x)=F(x)+c,  gdzie c jest dowolną stałą,  jest także funkcją pierwotną  
f.  Mamy bowiem G

 (x) = (F(x)+c) = F       f(x) dla każdego x    

 
Komentarz. Można wykazać, że jeśli F jest funkcją pierwotną  
funkcji f, to rodzina funkcji {F+c : c – dowolna stała} obejmuje 
wszystkie funkcje pierwotne funkcji f.  
 
Definicja 2. Całka nieoznaczona 
Jeżeli F jest funkcją pierwotną funkcji f w przedziale X, to wyrażenie  

F(x) + c           dla x

   

nazywamy  całką nieoznaczoną funkcji f w przedziale X i zapisujemy 
symbolem 

          ( czytamy: całka f od x dx). Mamy więc 

 

              

           F(x) + c     dla x  ,  

 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

Innymi słowy całka nieoznaczona funkcji f, jest dowolną funkcją 
pierwotną funkcji podcałkowej f. 
  Przyjęło się bowiem nazewnictwo: f- funkcja podcałkowa, x-
zmienna całkowania, f(x)dx- wyrażenie podcałkowe, c-stała 
całkowania, symbol dx nazywa się różniczką.

 

 

 
Wyznaczenie  całki nieoznaczonej funkcji f polega na 
odgadnięciu takiej funkcji, której pochodna jest równa funkcji 
podcałkowej. 
 
 
Przykład.
1. Wyznaczyć całkę nieoznaczoną funkcji 
podcałkowej f(x) gdy 
 
a) f

 (x) = x,      b) f(x) = 1/x dla x > 0

 

 
Ad a)  

        = 

 

 

 

 + c     dla x

  R,  ponieważ     (

 

 

 

 

      

  

 

        

 
Ad  b) 
 

(i)  

 

 

 

    = ln x + c    dla x > 0,  ponieważ  (ln x + c)  = 

 

 

.  

  
Zauważmy, że dla x < 0  prawdziwa jest równość  
 

(ii) 

 

 

 

    = ln(  x) + c    dla x < 0,  ponieważ (ln(  x) + c)   

 

  

         = 

 

 

  ,  

zatem obie równości (i) oraz (ii) zapiszemy jednym wzorem: 
 
       

 

 

      ln(|x|) +c    dla x      przy czym  c oznacza tu dowolną 

stałą w przypadku x >0  oraz dowolną stała w przypadku x< 0. 
 
 
 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

 I 2. Podstawowe wzory całkowania  
( Poniższe wzory  są prawdziwe w przedziałach, w których funkcja 
podcałkowa jest ciągła. Sprawdzenie poprawności wzorów 
zostawiamy jako ćwiczenie).  
 
Zestaw podstawowych funkcji pierwotnych 
 
1. 

       = c;          = x+c 

 

2. 

    

 

      

 

   

   

         p          

 
3. 

 

 

 

      ln(|x|) +c    dla x  0 

 

4. 

    

 

       

 

    

 

5. 

    

 

    

 

 

   

                            

 
6. 

            =   cos x + c 

 
7. 

            = sin x + c 

 
8. 

           =   ln |cos x| + c   

 
9.

             =  ln |sin x| + c 

 

10. 

 

 

   

 

 

                  

 

11. 

 

 

   

 

 

               

Uwaga. Symbol całki nieoznaczonej składa się ze znaku całki: 

    i ze znaku różniczki: dx. Znak różniczki informuje: która ze 
zmiennych jest zmienną całkowania. Czasami bez różniczki jest 
trudno to rozpoznać 

Przykład 2.    

 

      

 

   

   

   ,  ponieważ  

 

  

 

  

 

   

   

        

 

 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

 

    

 

      

 

 

   

   , ponieważ  

 

  

  

 

 

   

     = 

 

  

  

 

   

 

    

     

               = 

 

    

 

 

   

   

  = 

 

 

  ( 

W rachunku wykorzystano tożsamość 

 

 

   

     

).                              

Przykłady:  

3.

    

 

          =     

   

 

     

 

 

   

 

 

)dx= 

 

 

   

 

 

 dx =

           

(por. wzór 11) 
 
4. 

     

 

  =  x

3  

+c  bo (x

3  

+c)

 =3 x

2

  

 
Twierdzenie 1. 
Jeżeli funkcje f i g mają  funkcje pierwotne w przedziale X , to suma  

f+g oraz iloczyn a

 f, a   , a     też mają funkcje pierwotne w 

tym przedziale  przy czym 
 
(i) 

                                           dla x   oraz  

                              

 
Uwaga.
 Każda całka nieoznaczona jest sumą funkcji 
pierwotnej + stała. W równości (i) mamy zatem 3 stałe i 3 
funkcje pierwotne. Przyjął się zapis:    
                                       +c 
gdzie c jest zależna od wszystkich 3 stałych i 3 funkcji 
pierwotnych. Ta uwaga dotyczy wszystkich równości między 
funkcjami pierwotnymi. 
 
Twierdzenie 2. Jeżeli 

funkcja f jest ciągła

 w przedziale X, to 

posiada funkcję pierwotną

 w tym przedziale.  

(Dowód pomijamy). 
 
Uwaga.
 Jeżeli we wzorze na całkę  nieoznaczoną nie  podaje 
się przedziału , to należy rozumieć, że wzór ten jest 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

prawdziwy w każdym przedziale otwartym, w którym funkcja 
podcałkowa jest ciągła. 
 
Przykład (całkowanie sumy)                                                                              
5. 

 

   

 

   =      

 

 

   =          

 

 

 dx = x+ln|x|+c 

 
Przykład (wyłączanie mnożnika) 
 

6.

            = a      +b     = a 

 

 

 

 + bx + c 

 

 

W niektórych przypadkach ułatwieniem w obliczaniu 
całki są przytoczone niżej twierdzenia  o całkowaniu 
przez części i o całkowaniu przez podstawienie.    

 
Twierdzenie3. (O całkowaniu przez części) 
Jeżeli funkcje u i v mają ciągłe pochodne w przedziale X, to  
 
        

       

 

      = u(x)v(x) –                   (*) 

 
w skrócie 
                   

    

 

    = uv  –         

 
Uzasadnienie wzoru.  Wynik  uzyskuje się ze wzoru na 
pochodną iloczynu : (uv)  =   

 

      

 
Komentarz. Jeśli chcemy skorzystać ze wzoru  (*)  przy 
całkowaniu funkcji f(x) to musimy przedstawić f w postaci 
uv

 . Funkcje u i v należy tak dobrać abyśmy byli w stanie 

obliczyć  całki v =    

 

    oraz         . 

 
7. Zestaw przykładów
.(Całkowanie przez części) 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

a) 

                 

        

 

       

 

 

              

 = 

                             x sinx 

 ∫sinxdx =  xsinx+cosx+c  

 

b)

               

          

 

   

 

 

 

 

 

       

 = xln x    

 

 

      = xln x –x + c 

 

c)  

 

 

 

         =  

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          

 =   

 

         

 

 

                (**)

 

 
Potraktujmy 

 

 

 

           jako niewiadomą. Z (**) wynika, że 

 

2

 

 

 

         =   

 

       , 

stąd 

 

                                        

 

 

 

         = 

 

 

 

  

 

       

 

       

 

     . 

 
Tym razem podamy, w poniższym twierdzeniu,  wzór ułatwiający 
liczenie całki, który jest związany z różniczkowaniem funkcji 
złożonej. Przypominamy (przy odpowiednich założeniach) pochodna  
funkcji złożonej dana jest wzorem :  [F(g(x))] = F        

 

    

 
Twierdzenie 3.
 (O całkowaniu przez podstawienie) 
Jeżeli funkcja g ma w przedziale X pochodną g (x), zaś 

funkcja f ma w przedziale g(X) (g(X) obraz X przy 

przekształceniu g)  funkcję pierwotną F, to 

                

          

 

       = F(g(x)) + c       (**) 

 w przedziale X     

Uwaga.  Ze względu na to, że F jest funkcją pierwotną funkcji 
f, to z definicji   

               a zatem wzór (**)  przybiera 

wykorzystywaną w obliczeniach postać: 
   

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

           

          

 

                  gdzie  t = g(x)      (***) 

 
tzn. obliczmy całkę          i podstawiamy t = g(x). 
Przykład 8.  Przyjmijmy : f( t) =  

 

,  g(x) = 

  

 

     zatem 

 

 

 

    = 2x.  

Wykorzystując wzór (***) mamy 
 
        

   

 

             =         

 

    

 

   =    

 

    

   

 

  

        = 

 

 

 

 

   

 

  

=

  

 

   

 

 

 + c 

 
W praktycznych zagadnieniach zadanie postawione jest 
inaczej.  W funkcjach podcałkowych należy  odszukać  (jeśli 
to możliwe) funkcje typu f, g i  

 

i zastosować wzór (***). 

 
Przyjęło się więc powyższą całkę, z dodatkowymi  
komentarzami w nawiasach „{}”, wyznaczać następująco: 

         

 

    

 

   =         

 

    

         

 =   

 

    

   

 

  

 

  

 

   

 

 

 

 
Przykłady c.d. 

 9

   

  

   = 

 

 

    

  

      

      

        

 = 

 

 

   

 

   

    

=

 

  

 

 +c 

 
W skrócie technicznym  rozwiązanie to przebiega w 
następujący sposób: 

   

  

   =  

      

        

 =   

   

  

   

    

=

 

  

 

 +c 

 
Następne rozwiązania podajemy już w skrócie technicznym. 

10. 

    

 

 

  =  

     

 

          =   

   

 

    

   

 

 

 

 

 

 

 

+  c 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

11

   

     

            

         

             

 =   

 

    

       

  

 

     

 +c 

12

 

 

 

 

  

 

   =  

     

 

   

 

           =  

 

 

 

 

    

   

 

  

 

 

 

    

 

   

 

  

 
Uwaga. Jeżeli w funkcji podcałkowej licznik jest pochodną 
mianownika, to funkcją pierwotną jest logarytm modułu 
mianownika. 
 

13

           =  

     

     

  = 

         

             

   

 

 

 

    

      

=ln|sin x| + c 

 
Przykłady do samodzielnych ćwiczeń. 
I .Całkowanie przez podstawienie 

14

 

 

    

     

 

15.

  

  

    

 

 

   

 

16.  

 

  

    

 

 

 

    

 

17.

  

 

 

    

 

 

   

II. Całkowanie  przez części  
 
18.

                                  

 

19.

  

    

  

   =                     

 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

 

20.

    

 

 dx = 

      

 

   dx = 

        

 

   

 

 

 

          

 

      

 

 

     

 

   

  

 

   

 

 + c  

 

 II.  Całka oznaczona 

 

 

Przypominamy , że ciągłość funkcji w przedziale 
domkniętym [a,b]oznacza ciągłość w każdym 
punkcie przedziału (a,b) i istnienie  granic 
jednostronnych  równych wartościom funkcji w 
odpowiednich  krańcach .  

 
II1. Pojecie całki oznaczonej  
 Definicja.  

Rozważmy funkcję f, która jest ciągła w 

przedziale [a,b]. Całką oznaczoną funkcji f w przedziale [a,b] 
nazywamy liczbę  

                        

         

 

 

= F(b)

   F(a) 

 
gdzie F jest funkcją pierwotną funkcji f w [a,b] 
 
Komentarz (Nazewnictwo) 
Przedział [a,b] nazywa się przedziałem całkowania  
Początek przedziału, punkt a, nazywa się dolną granicą 
całkowania. 
Koniec przedziału, punkt b, nazywa się górną granicą 
całkowania. 
W obliczeniach przyjęło się następujące oznaczenie: 
       

 

 

 

  F(a)   F(b) 

 
21. Zestaw przykładów 

a) 

    

 

   

 

 

 =[

 

 

 

 

 

 

=

  

 

 

 

 

 = 

  

 

 

b) 

     

 

   

 

 

= [

  

 

   

 

 

 

 

=0

 ( 1)=1 

 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

10 

 

W  b) wykorzystaliśmy funkcje pierwotną z Przykładu 20. 
 
II2. Własności całki oznaczonej 
Twierdzenie 4. 
Jeśli funkcje f i g są ciągłe w [a,b], to 

a)

                           

 

 

 

 

 

       dla a     

 

b) 

                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c) 

                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 dla dowolnego 

c

           

 
Własności a) i b) są takie jak dla całki nieoznaczonej. 
Zwróćmy uwagę na własność c), która wskazuje  na to, że 
można liczyć całkę na  podprzedziałach” rozbijających” 
przedział  całkowania. 
22. Przykład 

     

 

            

 

 

=

    

 

   

 

 

+2

                 

 

 

 

 

=

 

 

+4+12 

 
II.  Interpretacja geometryczna całki oznaczonej 
 
 
Rozważmy funkcję f(x)=2 dla x

 (0,1).  

 

 

                            

 

 
 
                     
               Rys.1.
Pole zaznaczonego prostokąta wynosi 2 
 
Zauważmy, że wartość całki w granicach od 0 do 1 przy 
funkcji podcałkowej f(x)=2, x       jest polem zakreślonego 
prostokąta.  

  0             1          

     

 

        2     
 
    

          

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

11 

 

Mamy bowiem:       

          

 

 

       

 

 

=[2x

 

 

 

=2  

 

Pole prostokąta umiemy liczyć bez odwoływania się do 
całki. Okazuje się jednak, że za pomocą całki oznaczonej 
potrafimy określić pole znacznie bardziej złożonych 
figur. 

                 
Można udowodnić, że jeżeli f(x) jest nieujemną  funkcją  
ciągłą określoną w przedziale [a,b], to pole figury K gdzie 
 
               K= 

 (x,y):  a         0             

 

     wyraża się całką oznaczoną: 

          

 

 

 

               y 
                  

 

                          K 
                                                           x 
        a                                           b 
 

   Rys.2  Pole K=  

          

 

 

 

 
23. Zestaw przykładów 
a)  
Oblicz pole figury: K= {(x,y):   -1

  x     0       

 

 
 
 
 
 
       -1                                    2      

Rys.3. Malo dokładny szkic K. Pole K=  

    

 

   

 

  

 

f(x) 

background image

Zastosowania matematyki w ekonomii 2014. Wykład 11-12.                           R.Rempała 
 

12 

 

   

    

 

   

 

  

=[ 

 

 

 

 

  

   

=  

 

 

 

   

    

 

 

 = 

 

 

 =3 

 
b)  Obliczyć pole figury  ograniczonej wykresem f(x)=cos x, 
osią 0x, oraz prostymi x=

 

 

   i x= 

  

 

 

 
 
 
 
 
                                                                        
                                         

 

 

 

                 

 

  

 

 

                  

     0                                                  

  
                                                    
     
 Rys.4. Mało dokładny szkic K. 
      
Funkcja  f(x)=cos x jest ujemna w przedziale  [

 

 

 

 , 

  

 

 

 ,   zatem 

 

Pole K= 

   

         

 

  

 

  

 

 

 

 = 

  [sinx 

 

 

 

  

 

=  

      

  

 

      

 

 

     

=

 [

   

 

     = 1 +

  

 

.