background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 11  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Rozszerzenie znaczenia symbolu całki Riemanna  

Z definicji całki Riemanna widać, że istotną rolę odgrywa uporządkowanie prostej R ( przy tworzeniu 
podziału P). Jeżeli zmienimy uporządkowanie prostej , to sumy całkowe zmieniają znak, bo zmieniają 
znak różnice x

k

-x

k-

. Przyjmiemy więc dla a< 

 

=

b

a

df

a

b

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

.     

Stąd w  szczególności 

0

)

(

=

a

a

dx

x

f

 

Całkowanie a różniczkowanie 
 

Tw

. Niech 

f

∈ℜ[a,b]  i niech 

b

x

a

. Wówczas 

a)  funkcja  

=

x

a

dt

t

f

x

F

)

(

)

(

 jest ciągła na [a,b]. 

b)  jeśli f jest ciągła w punkcie x

0

∈[a,b] , to F jest różniczkowalna w punkcie 

0

x

F

(x

0

)=f(x

0

). 

 
Dow

. a) 

Niech x

∈[a,b]. Wybieramy dowolne h takie, że x+h∈[a,b

+

+

+

=

+

=

=

+

h

x

x

x

a

h

x

x

x

a

x

a

h

x

a

dt

t

f

dt

t

f

dt

t

f

dt

t

f

dt

t

f

dt

t

f

x

F

h

x

F

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

  (

∗) 

]

,

b

a

R

f

 f jest ograniczona na  [a,b]

M

t

f

b

a

t

M

)

(

]

,

[

  (

∗∗) 

Z (

∗) i (∗∗)

     

|

+

+

+

}

,

max{

}

,

min{

|

|

|

)

(

|

|

)

(

)

(

h

x

x

h

x

x

h

M

dt

t

f

x

F

h

x

F

 

⇒ ciągłość 

Dow

. b) 

Niech x

0

∈[a,b] - punkt ciągłości  funkcji f. Wybieramy dowolne h takie, że 

x

0

+h

∈[a,b]. Wówczas 

(

)

=

=

=

+

+

+

h

x

x

h

x

x

dt

x

f

t

f

h

x

f

dt

t

f

h

x

f

h

x

F

h

x

F

0

0

0

0

)

(

)

(

1

)

(

)

(

1

)

(

)

(

)

(

0

0

0

0

0

 

(

)

+

+

+

=

}

,

max{

}

,

min{

0

0

0

0

0

0

0

0

)

(

)

(

1

)

(

)

(

1

h

x

x

h

x

x

h

x

x

dt

x

f

t

f

h

dt

x

f

t

f

h

 

f jest ciągła w punkcie 

0

x

ε

δ

δ

ε

>

>

)

(

)

(

0

0

]

,

[

0

0

x

f

t

f

x

t

b

a

t

. Stąd 

ε

ε

δ

=

+

<

h

h

x

f

h

x

F

h

x

F

h

1

)

(

)

(

)

(

|

|

0

0

0

, co implikuje 

)

(

)

(

)

(

lim

)

(

0

0

0

0

0

x

f

h

x

F

h

x

F

x

F

h

=

+

=

 

 

Wniosek. 

Jeżeli f

C[a,b], to 

=

x

a

dt

t

f

x

F

)

(

)

(

 jest funkcją pierwotną funkcji f na [a,b] i F(a)=0. 

Tw

. (Newtona-Leibniza) Jeżeli f

∈ℜ[a,b] i istnieje funkcja F różniczkowalna na [a,b] taka, że 

)

(

)

(

]

,

[

x

f

x

F

b

a

x

=

,  to 

)

(

)

(

)

(

a

F

b

F

dx

x

f

b

a

=

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 11  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Dow

.   Dla  podziału 

}

,...,

,

{

1

0

n

x

x

x

=

P

 wybieramy punkty pośrednie 

]

,

[

1

k

k

k

x

x

ξ

tak, aby 

)

)(

(

)

(

)

(

1

1

=

k

k

k

k

k

x

x

f

x

F

x

F

ξ

  (z tw. Lagrange’a dla F wynika, że jest to możliwe). 

Wówczas 

)

(

)

(

))

(

)

(

(

)

)(

(

1

1

1

1

a

F

b

F

x

F

x

F

x

x

f

k

n

k

k

k

n

k

k

k

=

=

=

=

ξ

 

(wszystkie wyrazy sumy z wyjątkiem  F(a) i F(b) ulegną redukcji). 

Wobec założonej całkowalności f  , jeżeli  

0

P

d

, to 

=

b

a

n

k

k

k

k

dx

x

f

x

x

f

)

(

)

)(

(

1

1

ξ

Stąd  

)

(

)

(

)

(

a

F

b

F

dx

x

f

b

a

=

 
Tw

. (całkowe o wartości średniej) 

Jeżeli funkcja jest ciągła na [a,b], 

 

∃ c∈(a,b): )

)(

(

)

(

a

b

c

f

dx

x

f

b

a

=

 

Dow

=

x

a

dt

t

f

x

F

)

(

)

(

 jest funkcją pierwotną funkcji f na [a,b]. Wobec tego 

)

(x

F

- różniczkowalna 

na [a,b], czyli również ciągła na [a,b], czyli F spełnia zał. tw. Lagrange’a , więc 

c∈(a,b): 

F(b)-F(a)=F

 

(c)(b-a)=f(c) (b-a). 

Jeżeli f

∈ℜ[a,b]  to liczbę 

a

b

dx

x

f

b

a

=

)

(

µ

 nazywamy wartością średnią funkcji f na przedziale [a,b]. 

Jeżeli f jest ciągła, to 

c∈(a,b) :

)

(c

f

=

µ

 

 
Tw

. (o 

całkowaniu przez części dla całki oznaczonej) 

 Jeżeli  

•  f  są różniczkowalne na [a,b],  
• 

g

f

′,

∈ℜ[a,b] 

 to

[

]

=

=

b

a

b

a

b

a

b

a

dx

x

g

x

f

a

g

a

f

b

g

b

f

dx

x

g

x

f

x

g

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

)}

(

)

(

)

(

)

(

{

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

 

Dowód

. Łatwo zauważyć, że funkcje f g’ i g 

∈ℜ[a,b]. Ze woru (fg)’= fg’ + g  i tw. Newtona –

Leibniza mamy 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

a

g

a

f

b

g

b

f

dx

g

f

g

f

b

a

=

+

, stąd teza. 

Tw

. (o 

całkowaniu przez podstawienie całki oznaczonej) 

 

a)       

=



}

,

=

=

)

=

β

α

β

α

ϕ

ϕ

β

α

ϕ

β

β

ϕ

α

ϕ

ϕ

dt

t

t

f

dx

x

f

t

t

x

x

f

a

C

b

a

)

(

))

(

(

)

(

]

[

  

)

(

:

{

 

na

 

cg.

jest 

 

(

,

)

(

1

]

,

[

 

b) 

=



}

=

=

=

B

A

b

a

b

a

dy

y

g

dx

x

h

x

h

g

x

x

h

y

y

g

B

b

h

A

a

h

C

h

)

(

)

(

))

(

(

]

b

a,

[

   

)

(

:

{

 

na

 

cg.

jest 

 

)

(

,

)

(

1

]

,

[

 

Dow. 

(a).Niech F będzie funkcją pierwotną funkcji f na [a,b]. Wówczas 

))

(

t

F

ϕ

 jest funkcją 

pierwotną funkcji 

)

(

))

(

(

t

t

f

ϕ

ϕ

 na [

α

,

β

].  (z tw. o różniczkowaniu funkcji złożonej). Stąd 

=

=

=

b

a

dx

x

f

a

F

b

F

F

F

dt

t

t

f

)

(

)

(

)

(

))

(

(

))

(

(

)

(

))

(

(

α

ϕ

β

ϕ

ϕ

ϕ

β

α

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 11  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

 

 Zastosowanie 

całki Riemanna 

 
Zastosowania geometryczne całek

 

 

I. 

Pole trapezu krzywoliniowego  

  

{

:

)

,

y

x

 

b

x

a

 

)

(

)

(

2

1

x

f

y

x

f

2

1

f

f

 na [a,b],

2

1

f

f

- ciągłe na [a,b

(

)

=

b

a

dx

x

f

x

f

P

)

(

)

(

1

2

 

 

 

II. 

Długość łuku krzywej 

Niech 

(

)

3

)

(

),

(

),

(

)

(

]

[

:

R

t

z

t

y

t

x

t

r

t

r

=

,

r

r

β

α

 będzie funkcją wektorową określoną na 

]

[

β

α

,

W daną krzywą wpisujemy łamaną i bierzemy kres górny długości  łamanych. Jeżeli będzie on 
skończony, to krzywą nazywamy prostowalną

Tw

. Jeżeli 

1

]

,

[

β

α

C

r

r

 to krzywa 

)

(

{

:

t

r

K

r

 ]}

,

[

β

α

t

 jest prostowalna (ma długość) i  

(

) (

) (

)

+

+

=

β

α

dt

t

z

t

y

t

x

l

2

2

2

)

(

)

(

)

(

 

Szkic dowodu

.  

Długość łamanej=

=

n

k

k

k

r

r

1

1

|

|

r

r

=

=

+

+

n

k

k

k

k

k

k

k

t

z

t

z

t

y

t

y

t

x

t

x

1

2

1

2

1

2

1

))

(

)

(

(

))

(

)

(

(

))

(

)

(

(

={ 3 razy tw. Lagrange’a}=

)

(

)]

(

'

[

)]

(

'

[

)]

(

'

[

1

1

2

2

2

=

+

+

k

k

n

k

k

k

k

t

t

z

y

x

ψ

η

ξ

={przejście graniczne}

⇒ 

teza. 

Przypadek szczególny

 : Jeżeli K={(xf(x) : x

∈ [a,b] , f∈ 

1

]

,

b

a

C

, to 

+

=

b

a

dx

x

f

l

2

'

))

(

(

1

 

 
III. 

Objętość bryły 

Niech S(x), 

b

x

a

 oznacza pole przekroju bryły V płaszczyzna prostopadłą do osi OX w 

punkcie x i niech funkcja S(x)  będzie ciągła na przedziale [a,b]. 

Wtedy  

=

b

a

dx

x

S

V

)

(

      

W szczególności dla bryły obrotowej: 

=

b

a

dx

x

f

V

)

(

2

π

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 11  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

 
IV. 

Pole powierzchni bryły obrotowej  

 
Pole powierzchni bryły obrotowej aproksymujemy sumą pól powierzchni stożków ściętych 
zakreślonych przez łamaną wpisaną w daną krzywą.  

(

)

+

=

b

a

dx

x

f

x

f

P

2

)

(

1

|

)

(

|

2

π

 

 
Zastosowania fizyczne całek 
  
V. Droga  przebyta w ruchu zmiennym 

Niech punkt materialny porusza się po płaszczyźnie lub w przestrzeni ze zmienną prędkością 

))

(

),

(

),

(

(

)

(

t

v

t

v

t

v

t

v

z

y

x

=

r

. Oznaczmy 

)

(

)

(

)

(

|

)

(

|

)

(

2

2

2

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

z

y

x

+

+

=

= r

 . 

Droga przebyta przez punkt w przedziale czasowym [t

1

,t

2

] wyraża się wzorem 

=

2

1

)

(

t

t

dt

t

v

L

 a przemieszczenie 

]

)

(

,

)

(

,

)

(

[

)

(

2

1

2

1

2

1

2

1

=

=

t

t

t

t

z

t

t

y

x

t

t

dt

t

v

dt

t

v

dt

t

v

dt

t

v

r

r

r

 

 

VI.  Praca wykonana przez zmienną siłę działającą wzdłuż prostej 

Załóżmy, że równolegle do osi OX działa zmienna siła 

|

)

(

|

)

(

x

F

x

F

r

=

Praca wykonana przez tę siłę od punktu x=a do punktu x=b wyraża się wzorem 

=

b

a

dx

x

F

W

)

(

 

VII.  Masa odcinka materialnego   

Załóżmy że odcinek [a,b] obdarzony jest masą o gęstości liniowej 

ρ

(x) . Wówczas jego masa wyraża 

się wzorem   

=

b

a

dx

x

m

)

(

ρ

.