Wykład 10,

(A. Lenarcik, 5 XII 2011)

1. Wróćmy na chwilę do reguły de l’Hospitala, która była wprowadzona na ósmym wykładzie. Na podstawie wspo-mnianej książki Stefana Banacha udało się rozczytać eleganckie uzasadnienie tej reguły dla granic typu 0 . Oto szkic.

0

Celem jest wyznaczenie granicy

f ( x)

lim

.

(1)

g( x)

x→a

Granica jest typu 0 tzn. zarówno licznik, jak i mianownik dążą do zera, gdy x → a. Granicę (1) chcemy badać 0

wiedząc, że istnieje granica

f 0( x)

lim

.

(2)

g0( x)

x→a

Wypiszmy niezbędne założenia. Funkcje f ( x) i g( x) są określone w pewnym sąsiedztwie punktu a: ( a−ε, a) ∪( a, a+ ε); obie są tam różniczkowalne oraz g( x) i g0( x) są różne od zera. Przy tych założeniach udowodnimy, że jeśli granica (2) istnieje, to również istnieje granica (1) i są równe. Najpierw

Lemat. Dla dowolnego x 0 ∈ ( a, a + ε) istnieje c ∈ ( a, x 0) takie, że f 0( c)

f ( x 0)

=

.

(3)

g0( c)

g( x 0)

Dowód. Niech k = f ( x 0) /g( x 0). W przedziale ha, x 0 i zdefiniujmy funkcję

f ( x) − k g( x)

dla

x ∈ ( a, x

ϕ( x) =

0 i

0

dla

x = a

Funkcja jest ciągła w ha, x 0 i oraz różniczkowalna w ( a, x 0). Ponadto ϕ( a) = ϕ( x 0). Z twierdzenia Rolle’a istnieje c ∈ ( a, x 0) takie, że ϕ0( c) = 0, czyli f 0( c) − k g0( c) = 0, skąd (3).

Dowód (reguły l’H). Rozważmy dowolny ciąg xn dążący do a z prawej strony, xn ∈ ( a, a + ε). Na mocy lematu do każdego xn dobieramy cn ∈ ( a, xn) takie, że

f 0( cn)

f ( xn)

=

.

g0( cn)

g( xn)

Ponieważ ciąg cn dąży do a, więc lewa strona powyższej równości dąży do granicy (2), zatem również prawa strona dąży do tej granicy, co chcieliśmy pokazać. Analogiczne rozumujemy (wraz z lematem) w przedziale ( a − ε, a).

2. Na poprzednim wykładzie wprowadziliśmy w sposób intuicyjny całkę oznaczoną Z

b

f ( x) dx .

(4)

a

z funkcji f po przedziale od a do b, interpretując ją za pomocą pola powierzchni. Intuicyjność tej definicji wynika z faktu, że nie sprecyzowaliśmy, co to jest pole powierzchni. Rozważmy np tzw. funkcję Dirichleta

0

dla

x niewymiernego

D( x) =

1

dla

x wymiernego

Funkcja ta jest nieciągła w każdym punkcie. Co jest polem powierzni pod jej wykresem? Nie wyjaśnimy tego tutaj, ale widać, że odpowiedź nie jest oczywista1

3. W celu zdefiniowania całki Riemanna z funkcji f ( x) w przedziale od a do b definiujemy podział a = x 0 < x 1 <

. . . < xn = b. Średnicą podziału nazywamy maksymalną z różnic ( xi − xi− 1) dla i = 1 , . . . , n. Ciągiem wartości pośrednich dla podziału nazywamy dowolny ciąg t 1 , t 2 , . . . tn taki, że xi− 1 ¬ ti ¬ xi ( i = 1 , . . . , n). Mając ustalony podział wraz z wartościami pośrednimi definiujemy sumę częściową

n

X f( ti)( xi − xi− 1) ,

i=1

którą traktujemy jako przybliżenie całki (4). Mamy następujące

1pole to można obliczyć za pomocą tzw. całki Lebesgue’a (i wtedy wynosi ono zero). Całka ta była słynnym tematem rozmowy Stefana Banacha z przyjacielem, gdy zainteresował się nimi Hugo Steinhaus. W sensie całki Riemanna, którą omawiamy dalej, pole to nie jest określone.

Twierdzenie (o istnieniu całki)

Jeżeli funkcja f jest ciągła w przedziale ha, bi, to dla dowolnego ciągu podziałów o średnicy dążącej do zera, z dowol-nymi wartościami pośrednimi, ciąg sum częściowych dąży do tej samej granicy. Granicę tę nazywamy całką oznaczoną z funkcji f w przedziale od a do b w sensie Riemanna.

Nie będziemy zamieszczać dowodu tego twierdzenia. Prezentacja metody Riemanna wydaje się ważna, gdyż daje ona wyobrażenie o numerycznym obliczaniu całek. Całkowanie takie moźna przeprowadzić na nowoczesnym kalkulatorze.

UWAGA. Założenie o ciągłości funkcji f można osłabić. Całka Riemanna będzie np. istniała, gdy liczba punktów nieciągłości funkcji f będzie skończona.

4. Dla przykładu obliczmy całkę

Z

1

x 2 dx .

(5)

0

Weźmy pod uwagę najprostszy podział xi = i ( i = 0 , 1 , . . . , n) o średnicy 1 . Jako wartości pośrednie weźmy prawe n

n

końce ti = xi = i . Otrzymamy sumę częściową

n

1 2 1

2 2 1

n 2

1

12 + 22 + 32 + . . . + n 2

Sn =

·

+

·

+ . . . +

·

=

.

n

n

n

n

n

n

n 3

Stosując znany wzór na sumę kolejnych kwadratów 12 + 22 + 32 + . . . + n 2 = 1 n( n + 1)(2 n + 1) otrzymamy 6

n( n + 1)(2 n + 1)

( n + 1)(2 n + 1)

2 n 2 + 3 n + 1

Sn =

=

=

.

6 n 3

6 n 2

6 n 2

Z twierdzenia o istnieniu całki

Z

1

2 n 2 + 3 n + 1

2 + 3 + 1

1

x 2 dx =

lim

=

lim

n

n 2 =

.

0

6 n 2

6

3

n→∞

n→∞

5. Bardziej efektywnego sposobu obliczania całek oznaczonych dostarcza tzw. zasadnicze twierdzenie rachunku róż-

niczkowego i całkowego.

Twierdzenie. Niech f ( x) będzie funkcją ciągłą w przedziale ha, bi. Wówczas jeżeli F ( x) jest dowolną pierwotną dla f ( x), to

Z

b

f ( x) dx = F ( b) − F ( a) .

a

UWAGA. Będziemy stosować oznaczenie [ F ( x)] b = F ( b) − F ( a).

a

Obliczmy dla przykładu całkę (5). Pierwotną funkcji x 2 jest np. 1 x 3. Zatem 3

Z

1

x 3 1

13

03

1

x 2 dx =

=

−

=

.

0

3

3

3

3

0

6. Dogodnie jest dopuścić w całce oznaczonej możliwość a > b. Wówczas definiujemy R b f ( x) dx = − R a f ( x) dx. Z

a

b

twierdzenia o istnieniu całki można wyprowadzić ważne własności.

(I) Dla dowolnych a, b, c w dziedzinie funkcji ciągłej f mamy Z

c

Z

b

Z

c

f ( x) dx =

f ( x) dx +

f ( x) dx .

a

a

b

(II) Niech a ¬ b oraz przypuśćmy, że zachodzi oszacowanie m ¬ f ( x) ¬ M dla x ∈ ha, bi. Wówczas Z

b

m( b − a) ¬

f ( x) dx ¬ M ( b − a) .

a

Korzystając z powyższych własności możemy naszkicować dowód zasadniczego twierdzenia rachunku różniczkowego i całkowego. Skorzystamy z faktu uzasadnionego na poprzednim wykładzie, że dwie pierwotne tej samej funkcji określonej w przedziale różnią się o stałą. Zdefiniujmy funkcję

Z

x

P ( x) =

f ( t) dt

(górna granica całki x jest zmienna; zmieniamy x pod całką na t.

a

Mamy P ( a) = R a = 0 (całka po przedziale o zerowej długości). Pokażemy, że funkcja P ( x) jest pierwotną dla f ( x).

a

Obliczmy iloraz różnicowy w punkcie x ∈ ha, bi:

P ( x + ∆ x) − P ( x)

1 Z x+∆ x

=

f ( t) dt .

(6)

∆ x

∆ x x

Załóżmy, że ∆ x > 0. Oznaczmy przez m( x, x + ∆ x) (odpowiednio M ( x, x + ∆ x)) minimalną (odpowiednio maksymalną) wartość funkcji f w przedziale hx, x + ∆ xi. Oczywiście dla dowolnego t ∈ hx, x + ∆ xi mamy m( x, x + ∆ x) ¬ f ( t) ¬ M ( x, x + ∆ x) .

Z własności (II)

Z

x+∆ x

m( x, x + ∆ x) · ∆ x ¬

f ( t) dt ¬ M ( x, x + ∆ x) · ∆ x .

x

Łącząc to z (6) otrzymamy

P ( x + ∆ x) − P ( x)

m( x, x + ∆ x) ¬

¬ M ( x, x + ∆ x) .

∆ x

Korzystając z ciągłości funkcji f uzasadnimy, że zarówno lewa, jak i prawa stona powyższej nierówności dąży do f ( x) dla ∆ x → 0. Podobnie będzie dla ∆ x < 0. Zatem P ( x + ∆ x) − P ( x)

lim

= f ( x) ,

∆ x

∆ x→ 0

co oznacza, że funkcja P ( x) jest pierwotną dla f ( x). Jeżeli teraz F ( x) jest dowolną pierwotną funkcji f ( x), to dwie pierwotne różnią się o stałą, czyli P ( x) = F ( x) + C. Ponieważ P ( a) = 0, więc C = −F ( a), czyli P ( x) = F ( x) − F ( a).

W szczególności P ( b) = F ( b) − F ( a), czyli R b f ( x) dx = F ( b) − F ( a), co chcieliśmy pokazać.

a

UWAGA. Powyżej pokazaliśmy, że dla każdej funkcji ciągłej f istnieje pierwotna P . Czyli przy okazji naszkicowaliśmy dowód faktu o istnieniu pierwotnej.