Одређени интеграл 2

Одређени интеграл. Основна својства. Метода смене код одређеног интеграла. Сложенији примери.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији:

Пр.3)   Решити   ∫−π4π4(1cos⁡2x−sin⁡x)dx\int\limits_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} {\left( {\frac{1}{{{{\cos }^2}x}} - \sin x} \right)dx}

Пр.4)   ∫−2−1dx(11+5x)3\int\limits_{ - 2}^{ - 1} {\frac{{dx}}{{{{\left( {11 + 5x} \right)}^3}}}}

Пр.5)   ∫2−13dx3−x45\int\limits_2^{ - 13} {\frac{{dx}}{{\sqrt[5]{{3 - {x^4}}}}}}


Пр.3)   ∫−π4π4(1cos⁡2x−sin⁡x)dx=∫−π4π41cos⁡2xdx−∫−π4π4sin⁡xdx=tgx∣−π4π4+cos⁡x∣−π4π4=\int\limits_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} {\left( {\frac{1}{{{{\cos }^2}x}} - \sin x} \right)dx} = \int\limits_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} {\frac{1}{{{{\cos }^2}x}}dx} - \int\limits_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} {\sin xdx} = \left. {tgx} \right|_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} + \left. {\cos x} \right|_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} =

=(tgx+cos⁡x∣)−π4π4=tgπ4+cos⁡π4−(tgπ4+cos⁡π4)== \left( {tgx + \left. {\cos x} \right|} \right)_{ - \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}} = tg\frac{\pi }{4} + \cos \frac{\pi }{4} - \left( {tg\frac{\pi }{4} + \cos \frac{\pi }{4}} \right) =

=1+22−(−1+22)=2= 1 + \frac{{\sqrt 2 }}{2} - \left( { - 1 + \frac{{\sqrt 2 }}{2}} \right) = 2

Пр.4)   ∫−2−1dx(11+5x)3\int\limits_{ - 2}^{ - 1} {\frac{{dx}}{{{{\left( {11 + 5x} \right)}^3}}}}

11+5x=t5dx=dtdx=dt5x=−2x=−1t=11+5(−2)=1t=11+5(−1)=6\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&11 + 5x = t \\ &5dx = dt \\ &dx = \frac{{dt}}{5}\end{aligned} &\begin{aligned}&x = - 2 \\ &x = - 1\end{aligned} &\begin{aligned}&t = 11 + 5\left( { - 2} \right) = 1 \\ &t = 11 + 5\left( { - 1} \right) = 6\end{aligned} \end{array}

=∫16dt5t3=15∫16t−3dt=15⋅t−2−2∣16=−110⋅1t2∣16=−110⋅(162−112)=−110⋅(−3536)=772= \int\limits_1^6 {\frac{{\frac{{dt}}{5}}}{{{t^3}}}} = \frac{1}{5}\int\limits_1^6 {{t^{ - 3}}dt = } \frac{1}{5} \cdot \left. {\frac{{{t^{ - 2}}}}{{ - 2}}} \right|_1^6 = \frac{{ - 1}}{{10}} \cdot \left. {\frac{1}{{{t^2}}}} \right|_1^6 = - \frac{1}{{10}} \cdot \left( {\frac{1}{{{6^2}}} - \frac{1}{{{1^2}}}} \right) = - \frac{1}{{10}} \cdot \left( { - \frac{{35}}{{36}}} \right) = \frac{7}{{72}}

Пр.5)   ∫2−13dx3−x45\int\limits_2^{ - 13} {\frac{{dx}}{{\sqrt[5]{{3 - {x^4}}}}}}

3−x=t−dx=dtdx=−dtx=2x=−13t=1t=16\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&3 - x = t \\ &- dx = dt \\ &dx = - dt\end{aligned} &\begin{aligned}&x = 2 \\ &x = - 13\end{aligned} &\begin{aligned}&t = 1 \\ &t = 16\end{aligned} \end{array}

=∫116−dtt54=−∫116t−43dt=−t1515∣116=−5t5∣116=−5165−(−515)=−5(165−1)= \int\limits_1^{16} {\frac{{ - dt}}{{{{\sqrt[5]{t}}^4}}}} = - \int\limits_1^{16} {{t^{ - \frac{4}{3}}}} dt = - \left. {\frac{{{t^{\frac{1}{5}}}}}{{\frac{1}{5}}}} \right|_1^{16} = - 5\left. {\sqrt[5]{t}} \right|_1^{16} = - 5\sqrt[5]{{16}} - \left( { - 5\sqrt[5]{1}} \right) = - 5\left( {\sqrt[5]{{16}} - 1} \right)

Код смене у одређеном интегралу мењају се и границе: ако је t=g(x)t = g(x), нове границе су g(a)g(a) и g(b)g(b), па се на крају не морате враћати на xx. На пример, у ∫02xx2+5 dx\int_0^2 x\sqrt{x^2 + 5}\,dx смена t=x2+5t = x^2 + 5 даје x dx=dt2x\,dx = \frac{dt}{2} и нове границе 5 и 9. Нове границе могу испасти у обрнутом редоследу; тада их оставите тако или их замените уз промену знака. Тригонометријске интеграле решавате табличним интегралима, а на симетричном интервалу [−a,a][-a, a] интеграл непарне функције, као sin⁡x\sin x, једнак је нули, што штеди рачун.

Најчешћа грешка је да се после смене задрже старе границе, или да се променљива врати на xx, а границе остану нове.

0,40,81,21,62123450h (хиљ. km)F (kN)mgF(h)
0,4 хиљ. km
Рад W (површина)
1,847 · 10⁹ J
mgRH/(R + H)
1,847 · 10⁹ J
mgH, да сила не слаби
1,962 · 10⁹ J
Рад је површина испод криве силе од 0 до HH. Испрекидана права је сила mgmg на површини Земље: што је орбита виша, то је разлика између WW и mgHmgH већа.

Смена са променом граница стоји иза рачунања рада у пољу силе која се мења са растојањем, на пример рада потребног да се сателит подигне у орбиту, где сила теже слаби са висином.

Сателит у орбиту

Сателит масе 500 kg треба подићи са површине Земље на висину H=400H = 400 km. На висини hh сила теже је F(h)=mgR2(R+h)2F(h) = \frac{mgR^2}{(R + h)^2}, где је g=9,81g = 9{,}81 m/s², а R=6400R = 6400 km полупречник Земље. Колики рад треба извршити против силе теже?

Решење

  1. Рад је W=∫0HF(h) dh=mgR2∫0Hdh(R+h)2W = \int_0^{H} F(h)\,dh = mgR^2\int_0^{H}\frac{dh}{(R + h)^2}, са H=4⋅105H = 4 \cdot 10^5 m и R=6,4⋅106R = 6{,}4 \cdot 10^6 m.
  2. Смена t=R+ht = R + h, dt=dhdt = dh; границе: h=0h = 0 даје t=Rt = R, а h=Hh = H даје t=R+H=6,8⋅106t = R + H = 6{,}8 \cdot 10^6 m.
  3. W=mgR2∫RR+Hdtt2=mgR2(1R−1R+H)=mgRHR+HW = mgR^2\int_R^{R + H}\frac{dt}{t^2} = mgR^2\left(\frac{1}{R} - \frac{1}{R + H}\right) = \frac{mgRH}{R + H}.
  4. Бројно: W=500⋅9,81⋅6,4⋅106⋅4⋅1056,8⋅106≈1,85⋅109W = \frac{500 \cdot 9{,}81 \cdot 6{,}4 \cdot 10^6 \cdot 4 \cdot 10^5}{6{,}8 \cdot 10^6} \approx 1{,}85 \cdot 10^9 J.
  5. Да је сила стално mgmg, рад би био mgH≈1,96⋅109mgH \approx 1{,}96 \cdot 10^9 J, око 6% више.

Одговор: Потребан рад је око 1,85⋅1091{,}85 \cdot 10^9 J, око 6% мање од mgHmgH, јер сила теже слаби са висином.

Задатак за вежбу

Израчунајте ∫01dx(2x+1)2\int_0^1 \frac{dx}{(2x + 1)^2} сменом, са променом граница.

Прикажи решење

t=2x+1t = 2x + 1, dx=dt2dx = \frac{dt}{2}, границе 1 и 3: 12∫13t−2 dt=12(1−13)=13\frac{1}{2}\int_1^3 t^{-2}\,dt = \frac{1}{2}\left(1 - \frac{1}{3}\right) = \frac{1}{3}.