AlegsaOnline.com

Integrál: definícia, plocha pod krivkou a Riemannova suma

Jasné vysvetlenie integrálu: definícia, plocha pod krivkou, Riemannova suma a Základná veta kalkulu — praktické príklady a intuitívne grafy pre študentov.

Autor: Leandro Alegsa Dátum vytvorenia: 17. mája 2021 Posledná aktualizácia: 6. marca 2026

simple.wikipedia.org · CC BY-SA 4.0

V matematike je integrál (často nazývaný "plocha pod krivkou") spôsob, ako určiť obsah oblasti pod grafom funkcie rovnice na danom intervale. Integrácia je úzko spätá s diferenciálnym počtom a je operáciou inverznou k derivácii. Derivát vyjadruje okamžitú rýchlosť zmeny (sklon) funkcie; integrál zase umožňuje "sčítať" tieto malé zmeny, aby sme získali celkovú veľkosť, napríklad dráhu prejdenú pri známej rýchlosti. Slovo "integrál" sa môže používať aj v iných kontextoch (napríklad ako prídavné meno s významom "súvisiaci s celými číslami"), ale v kalkule sa používa najmä v zmysle operácie sčítania nekonečne mnohých drobných príspevkov.

Symbolika a historický kontext

Symbol pre integráciu v kalkule je: ∫ {\displaystyle \int _{\,}^{\,}} $\int _{\,}^{\,}$ , tvarom pripomínajúci vysoké písmeno "S". Tento symbol prvýkrát použil Gottfried Wilhelm Leibniz, ktorý ho vysvetľoval ako štylizované písmeno "ſ" od latinského slova summa (súčet), aby označil súčet plôch pod krivkou, napríklad pri funkcii y = f(x).

Základný rozdiel medzi určitým a neurčitým integrálom

Neurčitý integrál (antiderivácia) je funkcia F, ktorej derivácia je pôvodná funkcia f, t. j. F'(x) = f(x). Neurčitý integrál zapisujeme ako ∫ f(x) dx a výsledok je rodina funkcií F(x) + C, kde C je konštanta.

Určitý integrál ∫_a^b f(x) dx vyjadruje hodnotu (tzv. signovaný obsah) oblasti pod grafom f(x) nad intervalom [a, b]. Tento integrál dáva reálne číslo (ak integrál existuje), ktoré zodpovedá limitnému súčtu plôch, pričom časti pod osou x sa počítajú so záporným znamienkom.

Riemannova suma a definícia určitého integrálu

Určitý integrál sa formálne definuje ako limit Riemannovej sumy. Rozdelíme interval [a, b] na n čiastkových intervalov (partition), v každom vyberieme bod x_i* a spočítame súčet f(x_i*) Δx_i, kde Δx_i je šírka i-teho podintervala. Ak limit týchto súčtov existuje pri jemnení delenia (maximálna Δx_i → 0), nazývame ho Riemannov integrál funkcie f na [a, b]. Tento proces je intuitívne myslený ako sčítanie veľmi úzkych obdĺžnikov pod krivkou; šírka týchto "plátkov" sa blíži k nule a nekonečným sčítaním vznikne celok. Toto zobrazuje aj pôvodný príklad s rýchlosťou:

Ak máme rýchlosť v čase v(t) (vyjadrenú napr. ako ( vzdialenosť čas ) {\displaystyle \left({\frac {\text{vzdialenosť}}{\text{čas}}}\right)} $\left({\frac {\text{distance}}{\text{time}}}\right)$ )), potom celková prejdená vzdialenosť na intervale [a, b] je ∫_a^b v(t) dt, lebo súčet (v(t) × dt) odstráni jednotku času a zostane vzdialenosť. V praxi sa to vypočítava sčítaním veľmi úzkych časových úsekov rýchlosti; šírka týchto plátkov sa blíži k nule, pričom nekonečným súčtom získame celú prejdenú dráhu. ( vzdialenosť čas ) × čas {\displaystyle \left({\frac {\text{distance}}{\text{time}}}\right)\times {\text{time}}} $\left({\frac {\text{distance}}{\text{time}}}\right)\times {\text{time}}$

Základná veta kalkulu

Integrály a derivácie sú základnými operáciami v odvetví matematiky nazývanom kalkulus. Spojenie medzi nimi formuluje Základná veta kalkulu, ktorá má dve časti:

Ak F je antiderivácia (F' = f) funkcie f na intervale [a, b], potom ∫_a^b f(x) dx = F(b) − F(a). To uľahčuje výpočet určitých integrálov z antiderivácií.
Ak definujeme funkciu G(x) = ∫_a^x f(t) dt, potom G je diferencovateľná a G'(x) = f(x) za predpokladu, že f je spojitá. Teda derivácia integrálovej funkcie obnoví pôvodnú funkciu.

Vlastnosti integrálov

Lineárnosť: ∫ (αf + βg) = α∫ f + β∫ g.
Additivita podľa intervalov: ∫_a^b f = ∫_a^c f + ∫_c^b f pre a ≤ c ≤ b.
Monotónnosť: Ak f(x) ≤ g(x) pre všetky x v [a,b], potom ∫_a^b f(x) dx ≤ ∫_a^b g(x) dx.
Odhad: min(f)·(b−a) ≤ ∫_a^b f(x) dx ≤ max(f)·(b−a), ak je f spojitá.

Typy integrálov a rozšírenia

Okrem Riemannovho integrálu existujú aj iné pojmy integrálu použiteľné v širších súvislostiach:

Neurčitý integrál (antiderivácia) — množina všetkých funkcií F s F' = f.
Riemannov určitý integrál — založený na Riemannových sumách, vhodný pre širokú triedu funkcií.
Lebesgueov integrál — rozšírenie integrácie, ktoré lepšie zvláda funkcie s komplikovaným súborom nerušeností; dôležitý v teórii mier a v pravdepodobnosti.
Niečo o nespojitostiach a nesprávnych integráloch: Ak interval je nekonečný alebo funkcia má singularity na intervale, hovoríme o nesprávnom integrále, ktorý sa definuje ako limit vhodných určitých integrálov.

Príklady a aplikácie

Plocha pod krivkou: Pre funkciu f(x) ≥ 0 na [a,b] je ∫_a^b f(x) dx priamo obsah oblasti medzi grafom a osou x. Sčítaním "plátkov" dostaneme rovnakú funkciu, ktorej deriváciou je pôvodná funkcia.

Fyzika (dráha z rýchlosti): Ak je v(t) rýchlosť, potom vzdialenosť s medzi časmi a a b je ∫_a^b v(t) dt.

Objem otočením (metóda diskov): Objem telesa vytvoreného otočením oblasti pod krivkou y = f(x) nad osou x od a do b možno vyjadriť ako V = π ∫_a^b [f(x)]² dx (ak f(x) ≥ 0). Integrácia tu sčíta postupne tenké kotúče (dvoch rozmerov) a tak vytvára trojrozmerný objem.

Ďalšie použitia: integrály sa používajú pri výpočte práce, náboja, pravdepodobností, pri výpočte priemernej hodnoty funkcie (mean value), dĺžok krívok, plôch plôch, v ekonomike, inžinierstve a ďalších oblastiach.

Tipy na výpočet

Hľadajte antiderivácie pomocou základných pravidiel (mocniny, exponenciálne, trigonometrické funkcie) a potom aplikujte Základnú vetu kalkulu na určenie určitého integrálu.
Používajte substitúciu a per partes (metóda parciálneho integrovania) pre zložitejšie integrály.
Pri nesprávnych integráloch skúmajte konvergenciu cez limity.

Integrály teda poskytujú univerzálny nástroj na zhromažďovanie nekonečne mnohých malých príspevkov do jedného výsledku a sú jedným z pilierov moderného kalkulu. Pre lepšie porozumenie je užitočné študovať konkrétne príklady výpočtov a grafické znázornenie Riemannových súm pre rôzne funkcie.

Metódy integrácie

Antiderivát

Podľa základnej vety kalkulu je integrál antiderivátom.

Ak vezmeme funkciu 2 x {\displaystyle 2x} $2x$ a antidiferencujeme ju, môžeme povedať, že integrálom funkcie 2 x {\displaystyle 2x} $2x$ je napríklad x 2 {\displaystyle x^{2}} $x^{2}$ . Hovoríme integrál, nie integrál, pretože antiderivát funkcie nie je jedinečný. Napríklad x 2 + 17 {\displaystyle x^{2}+17} $x^{2}+17$ sa tiež diferencuje na 2 x {\displaystyle 2x} $2x$ . Z tohto dôvodu sa pri antiderivácii musí pridať konštanta C. Toto sa nazýva neurčitý integrál. Je to preto, lebo pri hľadaní derivácie funkcie sa konštanty rovnajú 0, ako napríklad vo funkcii

f ( x ) = 5 x 2 + 9 x + 15 {\displaystyle f(x)=5x^{2}+9x+15\,} $f(x)=5x^{2}+9x+15\,$ .

f ′ ( x ) = 10 x + 9 + 0 {\displaystyle f'(x)=10x+9+0\,} $f'(x)=10x+9+0\,$ . Všimnite si 0: nemôžeme ju nájsť, ak máme len deriváciu, takže integrál je

∫ ( 10 x + 9 ) d x = 5 x 2 + 9 x + C {\displaystyle \int (10x+9)\,dx=5x^{2}+9x+C} $\int (10x+9)\,dx=5x^{2}+9x+C$ .

Jednoduché rovnice

Jednoduchú rovnicu, napríklad y = x 2 {\displaystyle y=x^{2}} $y=x^{2}$ , možno integrovať vzhľadom na x pomocou nasledujúcej techniky. Integrácia prebieha tak, že k mocnine, na ktorú je x zvýšené, sa pripočíta 1 a potom sa x vydelí hodnotou tejto novej mocniny. Preto sa integrácia normálnej rovnice riadi týmto pravidlom: ∫ x n d x = x n + 1 n + 1 + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}x^{n}dx={\frac {x^{n+1}}{n+1}}+C} $\int _{\,}^{\,}x^{n}dx={\frac {x^{n+1}}{n+1}}+C$

D x {\displaystyle dx} $dx$ na konci ukazuje, že integrujeme vzhľadom na x, t. j. pri zmene x. To možno považovať za inverznú diferenciáciu. Pri integrovaní sa však pridáva konštanta C. Tá sa nazýva integračná konštanta. Je potrebná preto, lebo výsledkom diferencovania celého čísla je nula, a preto pri integrovaní nuly (ktorú možno položiť na koniec ľubovoľného integrálu) vznikne celé číslo C. Hodnotu tohto celého čísla by sme našli pomocou daných podmienok.

Rovnice s viac ako jedným členom sa jednoducho integrujú integrovaním každého jednotlivého člena:

∫ x 2 + 3 x - 2 d x = ∫ x 2 d x + ∫ 3 x d x - ∫ 2 d x = x 3 3 + 3 x 2 2 - 2 x + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}x^{2}+3x-2dx=\int _{\,}^{\,}x^{2}dx+\int _{\,}^{\,}3xdx-\int _{\,}^{\,}2dx={\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {3x^{2}}{2}}-2x+C} $\int _{\,}^{\,}x^{2}+3x-2dx=\int _{\,}^{\,}x^{2}dx+\int _{\,}^{\,}3xdx-\int _{\,}^{\,}2dx={\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {3x^{2}}{2}}-2x+C$

Integrácia zahŕňajúca e a ln

Existujú určité pravidlá pre integrovanie pomocou e a prirodzeného logaritmu. Najdôležitejšie je, že e x {\displaystyle e^{x}} $e^{x}$ je integrálom samého seba (s pridaním integračnej konštanty): ∫ e x d x = e x + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}e^{x}dx=e^{x}+C} $\int _{\,}^{\,}e^{x}dx=e^{x}+C$

Prirodzený logaritmus, ln, je užitočný pri integrovaní rovníc s 1 / x {\displaystyle 1/x} $1/x$ . Tie sa nedajú integrovať pomocou vyššie uvedeného vzorca (pripočítaj jednotku k mocnine, vydeľ mocninou), pretože pripočítaním jednotky k mocnine vznikne 0 a delenie 0 nie je možné. Namiesto toho je integrál 1 x {\displaystyle 1/x} $1/x$ ln x {\displaystyle \ln x} $\ln x$ : ∫ 1 x d x = ln x + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}{\frac {1}{x}}dx=\ln x+C} $\int _{\,}^{\,}{\frac {1}{x}}dx=\ln x+C$

Vo všeobecnejšej podobe: ∫ f ′ ( x ) f ( x ) d x = ln | f ( x ) | + C {\displaystyle \int _{\,}^{\,}{\frac {f'(x)}{f(x)}}dx=\ln {|f(x)|}+C} $\int _{\,}^{\,}{\frac {f'(x)}{f(x)}}dx=\ln {|f(x)|}+C$

Dve zvislé čiary označujú absolútnu hodnotu; znamienko (kladné alebo záporné) f ( x ) {\displaystyle f(x)} f(x) sa ignoruje. Je to preto, že pre prirodzený logaritmus záporných čísel neexistuje žiadna hodnota.

Vlastnosti

Súčet funkcií

Integrál súčtu funkcií je súčtom integrálov jednotlivých funkcií, t. j,

∫ a b [ f ( x ) + g ( x ) ] d x = ∫ a b f ( x ) d x + ∫ a b g ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx} $\int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx$ .

Dôkaz je jednoduchý: Definícia integrálu je limitou súčtov. Teda

∫ a b [ f ( x ) + g ( x ) ] d x = lim n → ∞ ∑ i = 1 n ( f ( x i ∗ ) + g ( x i ∗ ) ) {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}\left(f(x_{i}^{*})+g(x_{i}^{*})\right)} $\int \limits _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}\left(f(x_{i}^{*})+g(x_{i}^{*})\right)$

= lim n → ∞ ∑ i = 1 n f ( x i ∗ ) + ∑ i = 1 n g ( x i ∗ ) {\displaystyle =\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})} $=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})$

= lim n → ∞ ∑ i = 1 n f ( x i ∗ ) + lim n → ∞ ∑ i = 1 n g ( x i ∗ ) {\displaystyle =\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})} $=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}f(x_{i}^{*})+\lim _{n\to \infty }\sum _{i=1}^{n}g(x_{i}^{*})$

= ∫ a b f ( x ) d x + ∫ a b g ( x ) d x {\displaystyle =\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx} $=\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{a}^{b}g(x)\,dx$

Všimnite si, že oba integrály majú rovnaké limity.

Konštanty pri integrácii

Ak je konštanta v integrále s funkciou, možno ju vyňať. Ďalej, keď konštanta c nie je sprevádzaná funkciou, jej hodnota je c * x. To znamená,

∫ a b c f ( x ) d x = c ∫ a b f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}cf(x)\,dx=c\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx} $\int \limits _{a}^{b}cf(x)\,dx=c\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx$ a

To sa dá vykonať len pomocou konštanty.

∫ a b c d x = c ( b - a ) {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}c\,dx=c(b-a)} $\int \limits _{a}^{b}c\,dx=c(b-a)$

Dôkaz je opäť založený na definícii integrálu.

Iné

Ak sú body a, b a c v poradí (t. j. za sebou na osi x), integrál f(x) z bodu a do bodu b plus integrál f(x) z bodu b do c sa rovná integrálu z bodu a do c. To znamená,

∫ a b f ( x ) d x + ∫ b c f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{b}^{c}f(x)\,dx=\int \limits _{a}^{c}f(x)\,dx} $\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx+\int \limits _{b}^{c}f(x)\,dx=\int \limits _{a}^{c}f(x)\,dx$ ak sú v poradí. (To platí aj vtedy, keď a, b, c nie sú v poradí, ak definujeme ∫ a b f ( x ) d x = - ∫ b a f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx} $\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx$ .)

∫ a a f ( x ) d x = 0 {\displaystyle \int \limits _{a}^{a}f(x)\,dx=0} $\int \limits _{a}^{a}f(x)\,dx=0$ . To vyplýva zo základnej vety kalkulu (FTC): F(a)-F(a)=0

∫ a b f ( x ) d x = - ∫ b a f ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx} $\int \limits _{a}^{b}f(x)\,dx=-\int \limits _{b}^{a}f(x)\,dx$ Opäť podľa FTC: F ( b ) - F ( a ) = - [ F ( a ) - F ( b ) ] {\displaystyle F(b)-F(a)=-[F(a)-F(b)]} $F(b)-F(a)=-[F(a)-F(b)]$

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to integrál?

Odpoveď: Integrál je priestor pod grafom rovnice, známy aj ako "plocha pod krivkou". Je to opak derivácie a súčasť odvetvia matematiky nazývaného kalkulus.

Otázka: Ako vyzerá symbol pre integráciu?

Odpoveď: Symbol pre integráciu v kalkulu vyzerá ako vysoké písmeno "S": ∫ {\displaystyle \textstyle \int _{\,}^{\,}}.

Otázka: Ako súvisia integrály s deriváciami?

Odpoveď: Integrály a derivácie sú spojené základnou vetou kalkulu, ktorá hovorí, že integrál možno obrátiť deriváciou, podobne ako sčítanie možno obrátiť odčítaním.

Otázka: Kedy môžeme použiť integráciu?

Odpoveď: Integráciu možno použiť pri násobení jednotiek v úlohe alebo pri zisťovaní objemu telesa. Pomáha sčítavať dvojrozmerné plátky, až kým nie sú široké, čím sa získajú tri rozmery objektu a jeho objem.

Otázka: V čom je integrácia podobná sčítaniu?

Odpoveď: Integrácia je podobná sčítaniu v tom, že sčítava veľa drobných vecí, ale pri integrácii musíme sčítať aj všetky desatinné čísla a zlomky medzi nimi.

Otázka: Čo znamená Riemannov súčet?

Odpoveď: Riemannov súčet sa vzťahuje na sčítanie malých výsekov grafu miery, až kým sa nesčítajú do jednej celej rovnice.

Autor

AlegsaOnline.com - Integrálny - Leandro Alegsa

Dátum vytvorenia: 17. mája 2021
Posledná aktualizácia: 6. marca 2026

URL: https://sk.alegsaonline.com/art/47531