Rymano integralas

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.
Peršokti į: navigaciją, paiešką
 Broom icon.svg  Šį puslapį ar jo dalį reikia sutvarkyti pagal Vikipedijos standartus – neenciklopedinis stilius
Jei galite, sutvarkykite; apie sutvarkymą galite pranešti specialiame
Vikipedijos projekte.
Įvairiai sudarytų Rymano sumų geometrinė prasmė

Rymano integralas (angl. Riemann integral) – vienas iš apibrėžtinio integralo apibrėžimų, pasiūlytas vokiečių matematiko Georgo Rymano. Kaip ir kiti apibrėžtinio integralo variantai, Rymano integralas naudojamas skaičiuoti plotui, tūriui, masei ir kitiems adityviems dydžiams.

Apibrėžimas[taisyti | redaguoti kodą]

Integralinė suma[taisyti | redaguoti kodą]

Funkcijos f(x) integralinės sumos geometrinė interpretacija.

Pirmiausia sudaroma funkcija, vadinama Rymano integralinė suma. Ji apibrėžiama labai panašiai kaip ir Darbu sumos.

Tegul funkcija f(x) apibrėžta intervale [a; b]. Intervalas suskaidomas tokiu būdu:

a = x_0 < x_1 < \dots < x_{n-1} < x_n = b

Gautų intervalų ilgiai žymimi \Delta x_i=x_i-x_{i-1}. Jų iš viso yra n. Ilgiausio gabaliuko ilgį pažymėkime \Delta, t. y. \Delta =max (\Delta x_i) . Toks intervalo skaidinys vadinamas T.

Kiekviename skaidinio gabaliuke bet kur parenkami taškai:

\xi_i \in [x_{i-1}; x_i] .

Toks taškų parinkimą simboliškai žymimas \xi. Sudaroma suma:

 I(x_i, \xi_i)=f(\xi_1) \Delta x_1 + f(\xi_2) \Delta x_2 +...+f(\xi_n) \Delta x_n  = \sum_{i = 1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i .

Geometriškai, ši suma reiškia stačiakampių, besikertančių (besiliečiančių) su kreivine trapecija, plotų sumą. Šių stačiakampių kraštinės yra f(\xi_i) ir \Delta x_i. Priešingai, nei Darbu sumos, ši suma priklauso ne tik nuo to, kaip skaidomas intervalas, bet ir nuo taškų parinkimo, t. y. S yra T ir \xi funkcija.

Integralinė suma pasižymi tokiomis savybėmis:

  •  \forall T ir  \forall \xi galioja nelygybė:
 s(T) \leq S(T, \xi) \leq S(T) .

Čia s(T) ir S(T) yra Darbu sumos.

  • Galioja sąryšiai:
 \forall T: s(T) = \inf_{\xi} S(T, \xi)
 \forall T: S(T) = \sup_{\xi} S(T, \xi)

t. y. minimali integralinės sumos vertė keičiant taškų parinkimą yra apatinė Darbu suma, maksimali vertė – viršutinė Darbu suma.

Geometriškai šios savybės akivaizdžios, nes pagal apibrėžimą, s(T) ir S(T) yra atitinkamai mažiausia ir didžiausia įmanoma integralinės sumos vertės.

Integralo apibrėžimas[taisyti | redaguoti kodą]

Sudaroma funkcijos f(x) integralinė suma. Jeigu riba, kai intervalo gabaliukų maksimalus ilgis \Delta artėja į nulį, turi baigtinę vertę ir nepriklauso nei nuo taškų parinkimo, nei nuo intervalo skaidymo būdo, sakoma, kad funkcija f(x) yra integruojama intervale [a; b] Rymano prasme ir žymima:

 \lim_{\Delta \rightarrow 0} I(x_i, \xi_i) = I = \int \limits_a^b f(x) \; \mathsf{d}x=\Phi(b) -\Phi(a)

Dydžiai a ir b vadinami integravimo rėžiai.

Geometriškai Rymano integralas reiškia plotą, po kreivine trapecija, kuri apribota tiesėmis x = a, \; x = b, x ašimi ir funkcija f(x) (apie kitus taikymus žr. taikymų skyrelyje).

Būtina integruojamumo sąlyga[taisyti | redaguoti kodą]

Iš integralinės sumos apibrėžimo aišku, kad, jeigu f(x) intervale [a; b] yra neaprėžta, tai kažkuriame skaidinio gabaliuke galime imti tašką \xi_i, su kuriuo dydis f(\xi_i) bus kiek norima didelis. Taigi ir integralinės sumos riba bus neapibrėžta, t. y. augs į begalybę. Geometriškai tai reiškia, kad funkcija, kuri bent viename intervalo taške artėja į begalybę, neriboja baigtinio ploto – plotas po ja yra begalinis.

Būtina ir pakankama integruojamumo sąlyga[taisyti | redaguoti kodą]

Jeigu funkcija intervale [a; b] yra aprėžta, t. y. tenkina būtiną integruojamumo sąlygą, tai dar nereiškia, kad ji yra integruojama Rymano prasme. Kaip pavyzdį galime pateikti funkciją 
f(x) =
\begin{cases}
1/x, &  \mbox { kai } x \ne 0  \\
0 , &  \mbox { kai } x   = 0 
\end{cases}
, kuri yra apibrėžta, bet nėra integruojama intervale [-1; 1].


Kad funkcija būtų integruojama, ji turi tenkinti tokią sąlygą:

\forall \varepsilon > 0 \; \exists  T : S(T)-s(T) < \varepsilon

Čia S(T) ir s(T) yra Darbu sumos. Jei tenkinama ši sąlyga, tai funkcija yra integruojama Rymano prasme ir atvirkščiai: jeigu funkcija yra integruojama Rymano prasme – teisinga ši sąlyga.

Ši sąlyga reiškia, kad intervalo skaidinio gabaliukams be galo mažėjant, apatinė ir viršutinė Darbu sumos tampa lygios kreivinės trapecijos plotui.

Tačiau dažniausiai literatūroje minima būtina ir pakankama funkcijos tam tikrame intervale integruojamumo sąlyga yra ta, kad funkcija turi būti tame intervale dalimis tolydi.

Rymano integralo savybės[taisyti | redaguoti kodą]

Rymano integralas pasižymi tokiomis savybėmis, kurias gana lengva suprasti, laikant integralą plotu.

  • \int_a^a f(x) \mathsf{d}x = 0. Stačiakampio, kurio viena kraštinė lygi 0, plotas lygus 0.
  • Jei b < a, tai  \int_a^b f(x) \mathsf{d}x = -\int_b^a f(x) \mathsf{d}x . T. y. integruojant iš dešinės į kairę, plotas laikomas neigiamu. Taip yra todėl, kad dydžiai \Delta x_i integralinėje sumoje yra neigiami.
  • Jei c \in [a; b], tai \int_a^c f(x) \mathsf{d}x + \int_c^b f(x) \mathsf{d}x = \int_a^b f(x) \mathsf{d}x. Plotus galima sudėti, jei jie nesikerta. Dėl praeitos savybės, taip sudėti galima net ir tada, kai c yra už intervalo galų, jei tik ten funkcija yra integruojama.
  • Jei f(x) ir g(x) yra integruojamos kažkokiame intervale, tai integruojama ir šių funkcijų sandauga f(x)g(x). Atvirkščias teiginys yra neteisingas.
  •  \int_a^b (f(x) + g(x)) \mathsf{d}x = \int_a^b f(x)\mathsf{d}x + \int_a^b g(x) \mathsf{d}x.

Skaičiavimas[taisyti | redaguoti kodą]

Skaičiuoti Rymano integralą naudojantis apibrėžimu ne visada įmanoma, be to, tai yra labai sudėtinga. Dažniausiai praktikoje naudojama Niutono-Leibnico formulė, kuri sieja neapibrėžtinį integralą su apibrėžtiniu, nors iš esmės tai yra visiškai skirtingi dalykai:

\int_a^b f(x) \mathsf{d}x=  F(x) \vert_a^b = F(b) - F(a).

Čia F(x) yra viena iš f(x) pirmykščių funkcijų. Pavyzdžiui, rasime integralą \int_0^1 x^2 \mathsf{d}x , t. y. plotą po parabolės šaka, apribota tiesėmis a = 0, \; b = 1 :

Iš pradžių surandame:
\int x^2 \mathsf{d}x = \frac{x^{2+1}}{2+1} +C=\frac{x^3}{3}+C.
Tada į šitą formulę įstatome a ir b reikšmes:
F(b) =\frac{1^3}{3}+C=\frac{1}{3}+C.
F(a) =\frac{0^3}{3}+C=C.

Tada atimame F(a) iš F(b):

F(b) - F(a)=\int_0^1 x^2 \mathsf{d}x = \frac{1^3}{3} - \frac{0^3}{3} = \frac{1}{3}.

Radome plotą esantį po dešine parabolės šaka, kuris apribotas, šiuo atveju, tik viena iš dešinės pusės statmena x ašiai tiese (kurios ilgis yra 1^2).

  • \int_0^1{e^x dx\over 4e^{2x}+12e^x+34} =\int_1^e{dt \over 4t^2+12t+34}=\int_1^e{dt\over(2t+3)^2+25}={1\over 2}\int_5^{2e+3}{du\over u^2+25}=

={1\over 10}\arctan{u\over 5}\vert_5^{2e+3}=\frac{1}{10}\arctan{2e+3\over 5}-{\pi\over 40}, kur t=e^x; dt=e^x dx; a=e^0=1; b=e^1=e; u=2t+3; du=2dt. Apibrėžtinio integralo integravimas dalimis: \int_a^b u\;dv=uv\vert_a^b-\int_a^b v\; du.

  • \int_0^{{\pi\over 2}}x\sin x\; dx=-x\cos x\vert_0^{{\pi\over 2}}+\int_0^{{\pi\over 2}}\cos x\; dx=\sin x\vert_0^{{\pi\over 2}}=1, kur x=u; \sin x dx=dv; dx=du; -\cos x=v.
  • Apskaičiuosime 100 cm ilgio strypo masę, kai jo ilginis tankis \gamma(x)=2+0.001x^2 (g/cm).

m=\int_0^{100}(2+0.001x^2)dx=(2x+{0.001\over 3}x^3)|_0^{100}=200+{1000\over 3}=533{1\over 3}\;(g).

  • \int_0^1\sqrt{1-x^2}dx. Keičiame x=\sin t, dx=\cos t dt. Kadangi \sin t=0, kai t=0 ir \sin t=1, kai t={\pi\over 2}, tai

\int_0^1\sqrt{1-x^2}dx=\int_0^{\pi\over 2}\sqrt{1-\sin^2 t}\cos t dt=\int_0^{\pi\over 2}\cos^2 dt=\int_0^{\pi\over 2}{1+\cos(2t)\over 2}dt={\pi\over 4}+{1\over 4}\sin(2t)|_0^{\pi\over 2}={\pi\over 4}.

Parabolės.
  • Apskaičiuosime figūros, apribotos kreivių y=x^2 ir y=x^{1/2} plotą.
Pirmiausia turime rasti tų kreivių susikirtimo taškų abscises. Tuo tikslu sprendžiame lygtį x^2=x^{1/2} iš čia x_1=0, x_2=1. Tuomet

S=\int_0^1(\sqrt{x}-x^2)dx={2\over 3}x^{3\over 2}|_0^1-{x^3\over 3}|_0^1={2\over 3}-{1\over 3}={1\over 3}.

Elipsė.
  • Apskaičiuokime figūros, apribotos elipse {x^2\over a^2}+{y^2\over b^2}=1 plotą.
Apskaičiuokime plotą tos figūros dalies, kuri yra pirmajame ketvirtyje, po to gautą rezultatą padauginsime iš 4. Elipsės kanonine lygtį pakeičiame parametrinėmis lygtimis x=a\cos t, y=\sin t. Piramjame ketvirtyje x kinta nuo 0 iki a, todėl t kinta nuo {\pi\over 2} iki 0 (tokias t reikšmes gavome, įrašę į lygtį x=a\cos t vietoje x jo reikšmes 0 ir a). Į formulę S=\int_a^b ydx vietoje y įrašykime y=b\sin t, o vietoje dx įrašykime d(a\cos t)=-a\sin t dt, kadangi x=a\cos t. Tuomet

S=-4\int_{\pi/2}^0 b\sin t a\sin t dt=4ab\int_0^{\pi/2}\sin^2 t dt=2ab\int_0^{\pi/2}(1-\cos(2t))dt= =2ab[{\pi\over 2}-\int_0^{\pi/2}{\cos(2t)\over 2}d(2t)]=2ab[{\pi\over 2}-{\sin(2t)\over 2}|_0^{\pi/2}]=\pi ab.

  • Apskaičiuosime kūno, apriboto paraboloido z=x^2+{3\over 2}y^2 ir plokštumos z=4, tūrį.
Jei paraboloidą kirstume plokštuma z=const, tai jo pjūvyje gautume elipsę

x^2+{3\over 2}y^2=z, kurios kanoninė lygtis {x^2\over z}+{y^2\over {2\over 3}z}=1. Tos elipsės pusašės lygios a=\sqrt{z},\;b=\sqrt{{2z\over 3}}. Kadangi Q(z)=\pi ab (iš ankstesnio pavyzdžio), tai Q(z)=\pi\sqrt{z}\cdot\sqrt{{2z\over 3}}=\pi z\sqrt{2\over 3}. Tuomet V=\int_0^4 \pi\sqrt{2\over 3}z dz=\pi\sqrt{2\over 3}\cdot {z^2\over 2}|_0^4={8\pi\sqrt{6}\over 3}.

Plotas apribotas parabolės ir tiesės.
  • Apskaičiuosime plotą figūros, apribotos grafikais funkcijų y=f_1(x)=x ir y=f_2(x)=2-x^2.
Rasime abscises taškų susikirtimo tiesės y=x su prabole y=2-x^2. Išsprendę lygtį

x=2-x^2, -x^2-x+2=0, D=b^2-4ac=(-1)^2-4(-1)2=9, x_{1,2}={-b\pm\sqrt{D}\over 2a}={1\pm 3\over -2}=-2;1, gauname x_1=-2, x_2=1. Tai ir yra integravimo ribos. Ieškomas figūros plotas pagal formulę toks: s=\int_{-2}^1[f_2(x)-f_1(x)]dx=\int_{-2}^1[(2-x^2)-x]dx=(2x-{x^3\over 3}-{x^2\over 2})|_{-2}^1= =(2-{1\over 3}-{1\over 2})-(-4+{8\over 3}-2)=8-3-{1\over 2}={9\over 2}.

  • Tą patį plotą apribota parabole y=2-x^2 ir tiese y=x apskaičiuosime paprastu budu. Surandame su x ašimi susikirtimo tašką parabolės 2-x^2=0, 2=x^2, x=\pm\sqrt{2}. Surandame plotą po parabole kai -\sqrt{2}\le x\le 1:
S_1=\int_{-\sqrt{2}}^1(2-x^2)dx=(2x-{x^3\over 3})|_{-\sqrt{2}}^1=2-{1\over 3}-(-2\sqrt{2}+{2\sqrt{2}\over 3})={5\over 3}+{4\sqrt{2}\over 3};
Dabar surandame plotą po parabole nuo x=-2 iki x=-2^{1/2}:

|S_2|=|\int_{-2}^{-\sqrt{2}}(2-x^2)dx|=|(2x-{x^3\over 3})|_{-2}^{-\sqrt{2}}|=|-2\sqrt{2}+{2\sqrt{2}\over 3}-(-4+{8\over 3})|=|-{4\sqrt{2}\over 3}+{4\over 3}|={4\sqrt{2}\over 3}-{4\over 3};

Dabar iš pirmo ploto po parabole atimame trikampio plotą:
S_V=S_1-S_{\Delta_1}={5\over 3}+{4\sqrt{2}\over 3}-{1\over 2}={7\over 6}+{4\sqrt{2}\over 3};
Apatinį (ieškomą) plotą trečiajame ketvirtyje gauname atėmę |S_2| iš trikampio ploto:
S_A=S_{\Delta_2}-|S_2|={2^2\over 2}-({4\sqrt{2}\over 3}-{4\over 3})={10\over 3}-{4\sqrt{2}\over 3};
Susumavę viršutinį (virš ašies Ox) ieškomą plotą S_V ir apatinį (po ašimi Ox) ieškomą plotą S_A gauname visą ieškomą plotą apribotą parabolės ir tiesės:
S=S_V+S_A=({7\over 6}+{4\sqrt{2}\over 3})+({10\over 3}-{4\sqrt{2}\over 3})={81\over 18}={9\over 2}.

Taikymai[taisyti | redaguoti kodą]

Integralai labai plačiai naudojami praktikoje, ypač tiksliuosiuose moksluose, kaip fizika. Visų apibrėžtinių integralų prasmė yra kažkokia masė, pvz.: plotas, tūris, mechaninis darbas ir t. t.

Bendra integralo taikymo schema[taisyti | redaguoti kodą]

Tarkime, kad turime kažkokį pastovų dydį Q, kuris susietas su kažkokiu intervalu [a; b] taip, kad skaidant intervalą, skaidosi dydis Q: Q([a; b]) = Q([a; c]) + Q([c; b]). Pvz., jei Q laikysime plotu po kreivine trapecija, tai šią savybę aiškiname taip: du nesikertančius plotus galime sudėti ir gausime bendrą plotą. T. y. dydis Q yra adityvus. Taip pat tarkime, kad paėmę gana mažą intervalo gabaliuką [x; x + \Delta x] \in [a; b] galime užrašyti apytikslę lygybę:

Q([x; x + \Delta x]) \approx q(x)\Delta x. \quad

Pavyzdyje su plotu, q(x) = f(x), t. y. jeigu paimsime ganėtinai mažą intervalą, tai plotą po kreive jame galime užrašyti kaip stačiakampio plotą. Dydžio nuokrypis neturėtų būti didesnis, nei pirmos eilės nykstamas dydis, t. y.:

Q([x; x + \Delta x]) = q(x)\Delta x + o(\Delta x). \quad

Pavyzdyje su plotu taip ir yra – nedarome klaidos didesnės už \Delta x.

Kadangi dydis Q yra adityvus, visą jo vertę gausime sumuodami:

Q = \sum_{i=1}^{n} Q(\Delta x_i) = \sum_{i=1}^{n} q(x)\Delta x_i + \sum_{i=1}^{n} o(\Delta x_i),
Q = \sum_{i=1}^{n} q(x)\Delta x_i + o \left( \sum_{i=1}^{n} \Delta x_i \right) =
  = \sum_{i=1}^{n} q(x)\Delta x_i + o(b - a) = \sum_{i=1}^{n} q(x)\Delta x_i + o(1).

Perėje prie ribos, kai maksimalus skaidymo gabaliuko ilgis \Delta nyksta, gauname:

 Q = \lim_{\Delta \rightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} q(x)\Delta x_i + 0.

Kairėje pusėje ribos galime ir nerašyti, nes Q yra pastovus dydis.

Dydis \lim_{\Delta \rightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} q(x)\Delta x_i pagal apibrėžimą yra Rymano integralas.

Taigi gavome universalią formulę adityviems dydžiams skaičiuoti:

 Q = \int_a^b q(x) \mathsf{d}x.

Toliau pateikiama keletas tokių adityvių dydžių pavyzdžių.

Plotai[taisyti | redaguoti kodą]

Plotas po kreivine trapecija yra adityvus dydis, o mažas jo gabaliukas apytikriai užrašomas formule:

\Delta S \approx f(x) \Delta x ,

taigi:

S = \int_a^b f(x) \mathsf{d}x.

Tūriai[taisyti | redaguoti kodą]

Integralo naudojimas tūriui skaičiuoti.

Tarkime turime kažkokį kūną erdvėje. Pjaustome jį plokštumomis statmenomis x ašiai. Gauto pjūvio plotą galime užrašyti kaip koordinatės x funkciją S(x). Tada, pjaustant kūną gana plonais sluoksniais, galime apytikriai užrašyti tokio sluoksnio tūrį:

\Delta V \approx S(x) \Delta x

Taigi visas tūris:

V = \int_a^b S(x) \mathsf{d}x.

Kūną nebūtina pjaustyti statmenai x ašiai – tinka bet kuri. S(x) ne visada būna konkreti analiziniu būdu užrašoma funkcija (pavyzdžiui, S(x)=x^3). Kartais tai būna nereguliari kreivė (kaip parodytas kaulas paveiksliuke - tokio kitimo analiziškai neįmanoma suintegruoti, tačiau visada galima suintegruoti skaitmeniškai).

Mechaninis darbas[taisyti | redaguoti kodą]

Jei kūnas juda išilgai x ašies veikiant jėgai F(x), tai jėgos atliktą darbą gana mažame intervale galime užrašyti lygybe:

\Delta A \approx F(x) \Delta x

Tada visas darbas:

A = \int_a^b F(x) \mathsf{d}x.

Kai jėga yra pastovi, gauname klasikinę formulę A = F\Delta x. Jeigu kūnas juda ne tiese, o kažkokia žinoma kreive, reikia naudoti kreivinį integralą.

Kiti taikymai[taisyti | redaguoti kodą]

Integralas taikomas labai plačiai, juo dar galima suskaičiuoti: masę, inercijos momentus, statinius momentus, kūnų paviršiaus plotus ir t. t. Taikant integralą, svarbiausia nepadaryti klaidos, didesnės nei pirmos eilės nykstamas dydis.

Taip pat skaitykite[taisyti | redaguoti kodą]