• Nem Talált Eredményt

Primit´ıv f¨ uggv´ eny

In document Példatár az analízishez (Pldal 115-131)

9.1. Elm´ eleti ¨ osszefoglal´ o

9.1. Defin´ıci´o. Az f val´os f¨uggv´eny primit´ıv f¨uggv´eny´enek nevezz¨uk az I⊂D(f) intervallumon az ott ´ertelmezettF folytonos f¨uggv´enyt, haF dif-ferenci´alhat´oI bels˝o pontjainak intIhalmaz´an, ´esF0(x) =f(x),x∈intI.

Az intervallumon ´ertelmezettf f¨uggv´eny primit´ıv f¨uggv´eny´enek nevezz¨uk azF f¨uggv´enyt, haFazff¨uggv´eny primit´ıv f¨uggv´enye aD(f) intervallumon.

A primit´ıv f¨uggv´enyek halmaz´at R

f vagy R

f(x) dx jel¨oli. Az f f¨uggv´enyt integrandusnak h´ıvjuk.

Megjegyz´es.Nem minden intervallumon ´ertelmezett f¨uggv´enynek l´etezik pri-mit´ıv f¨uggv´enye, valamint nem minden elemi f¨uggv´eny primit´ıv f¨uggv´enyei elemi f¨uggv´enyek. Pl.f(x) :=e−x2,D(f) :=Relemi f¨uggv´eny, de a primit´ıv f¨uggv´enyei nem azok.

9.1. ´All´ıt´as. Minden intervallumon ´ertelmezett folytonos f¨uggv´enynek l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye.

9.2. ´All´ıt´as. Egy intervallumon ´ertelmezett f¨uggv´eny b´armely k´et primit´ıv f¨uggv´eny´enek k¨ul¨onbs´ege ´alland´o.

Megjegyz´es.Ha az f f¨uggv´eny egyik primit´ıv f¨uggv´enyeF, akkor a primit´ıv f¨uggv´enyek R

f = {F+C : C ∈ R} halmaz´at r¨oviden ´ıgy szok´as jel¨olni:

Rf =F+C, C∈R.

9.3. ´All´ıt´as. Ha a k¨oz¨os intervallumon ´ertelmezettf ´esgf¨uggv´enynek l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, valamint c∈R, akkor acf,f+g, f−g f¨uggv´enyeknek is l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, ´es

Z

(cf) =c Z

f, Z

(f+g) = Z

f+ Z

g, Z

(f−g) = Z

f− Z

g.

Megjegyz´es.A szorzat, a h´anyados ´es a kompoz´ıci´o primit´ıv f¨uggv´enyeire nem

´erv´enyes hasonl´o ´all´ıt´as.

9.4. ´All´ıt´as. Ha azIintervallumon ´ertelmezettf f¨uggv´enynek egy primit´ıv f¨uggv´enye F, akkor a, b ∈ R, a6= 0 eset´en az x7→ f(ax+b), ax+b ∈I

107

108 9. Primit´ıv f¨uggv´eny f¨uggv´enynek is l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, ´es

Z

f(ax+b) dx= F(ax+b)

a +C, C ∈R.

9.5. ´All´ıt´as. Legyenf ny´ılt intervallumon ´ertelmezett differenci´alhat´o f¨ ugg-v´eny. Ha f 6= 0, akkor az ff0 f¨uggv´enynek is l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, ´es R f0

f = ln(|f|) +C,C∈R.

Ha α∈ R,α 6=−1 ´es fα ´ertelmezve van, akkor az fαf0 f¨uggv´enynek is l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, ´es R

fαf0= α+11 fα+1+C, C∈R.

9.1. T´etel (parci´alis integr´al´as). Haf ´esg k¨oz¨os intervallumon ´ertelmezett differenci´alhat´o f¨uggv´eny, tov´abb´a az f g0 f¨uggv´enynek l´etezik primit´ıv f¨ ugg-v´enye, akkor azf0g f¨uggv´enynek is l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, ´es

Z

f0g=f g− Z

f g0.

Megjegyz´es.Az egyenl˝os´eg bal oldal´an halmaz, a jobb oldal´an egy f¨uggv´eny

´es egy halmaz k¨ul¨onbs´ege szerepel. Az ut´obbin azt a halmazt ´ertj¨uk, melynek elemeit ´ugy kapjuk, hogy az f g f¨uggv´enyb˝ol kivonjuk f g0 egy-egy primit´ıv f¨uggv´eny´et:

f g− Z

f g0:=

f g−H :H ∈ Z

f g0

.

9.2. T´etel(integr´al´as helyettes´ıt´essel). Ha az f f¨uggv´enynek aJ intervallu-mon l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye,g pedig az I intervallumon ´ertelmezett olyan differenci´alhat´o szigor´uan monoton f¨uggv´eny, melyre R(g) ⊂ J, akkor az y7→f(g(y))g0(y), y∈I f¨uggv´enynek l´etezik primit´ıv f¨uggv´enye, tov´abb´a

Z

f(x) dx= Z

f(g(y))g0(y) dy

y=g−1(x)

. Megjegyz´es.A t´etel m´asodik ´all´ıt´asa t¨om¨orebb jel¨ol´essel

Z f =

Z

(f◦g)g0

◦g−1.

A k¨ovetkez˝o t´abl´azatban ´es k´es˝obb is a r¨ovids´eg kedv´e´ert az R

f(x) dx= F(x) +C egyenl˝os´eget ´ugy ´ertj¨uk, hogy azf integrandust ´es azF primit´ıv f¨uggv´enyt is lesz˝uk´ıtj¨uk az integrandus ´ertelmez´esi tartom´any´anak valamelyik r´eszintervallum´ara, tov´abb´a Ctetsz˝oleges val´os sz´am.

9.2. Kidolgozott feladatok 109 9.6. ´All´ıt´as (nevezetes elemi f¨uggv´enyek primit´ıv f¨uggv´enyei).

Z

xndx= xn+1 n+ 1 +C,

Z 1

xdx= ln(|x|) +C.

n∈R, n6=−1.

Rexdx=ex+C.

Z

axdx= 1

ln(a)ax+C, a∈R+,a6= 1.

Rln(x) dx=xln(x)−x+C. R

loga(x) dx=xloga(x)− 1

ln(a)x+C, a∈R+,a6= 1.

Rsin(x) dx=−cos(x) +C. R

cos(x) dx= sin(x) +C.

Rtg (x) dx=−ln(|cos(x)|) +C. R

ctg (x) dx= ln(|sin(x)|) +C.

Z 1

sin2(x)dx=−ctg (x) +C.

Z 1

cos2(x)dx= tg (x) +C.

Rsh (x) dx= ch (x) +C. R

ch (x) dx= sh (x) +C.

Rth (x) dx= ln(ch (x)) +C. R

cth (x) dx= ln(|sh (x)|) +C.

Z 1

sh2(x)dx=−cth (x) +C.

Z 1

ch2(x)dx= th (x) +C.

Z 1

√1 +x2dx= arsh (x) +C.

Z 1

1 +x2dx= arctg (x) +C.

Z 1

√1−x2dx= arcsin(x) +C a (−1,1) intervallumon.

Z 1

1−x2dx= arth (x) +C a (−1,1) intervallumon.

Z 1

1−x2dx= arcth (x) +C a (−∞,−1) ´es az (1,+∞) intervallumon.

9.2. Kidolgozott feladatok

1. Adja meg a k¨ovetkez˝o primit´ıv f¨uggv´enyeket!

(a)R

xdx. (b)R

x2dx. (c)R√ xdx.

(d)R

e2xdx. (e)R

e1−3xdx. (f)R

sin(5x) dx.

(g)R

cos(4x−1) dx. (h) Z 1

1−2xdx. (i)

Z 1

x2+ 2x+ 5dx.

(j)

Z 1

2x2+ 10dx. (k)

Z 1

x2−4x+ 4dx.

110 9. Primit´ıv f¨uggv´eny

2. Sz´amolja ki az al´abbi primit´ıv f¨uggv´enyeket!

(a)R

9.2. Kidolgozott feladatok 111 3. Hat´arozza meg a k¨ovetkez˝o primit´ıv f¨uggv´enyeket!

(a)R

xcos(x) dx. (b)R

x exdx. (c)R

ln(x) dx.

Megold´as.

(a) Parci´alis integr´al´assal azRhalmazon R xcos(x) dx=xsin(x)−R

1·sin(x) dx=xsin(x) + cos(x) +C.

f g’ f g f ’ g

(b) Parci´alis integr´al´assal azRhalmazon R x exdx=x ex−R

1 ·exdx=xex−ex+C, x∈R.

f g’ f g f ’ g

(c) Parci´alis integr´al´assal azR+ halmazon R 1

A 4.–8.feladatban parci´alis integr´al´assal hat´arozza meg a primit´ıv f¨ ugg-v´enyeket!

112 9. Primit´ıv f¨uggv´eny 5. Parci´alis integr´al´assal a (−1,1) intervallumon

Z p

Adott intervallumon b´armely k´et primit´ıv f¨uggv´eny k¨ul¨onbs´ege ´alland´o, ez´ert

6. Parci´alis integr´al´assal a (−2,+∞) intervallumon Z x

7. Parci´alis integr´al´assal azRhalmazon Z

A jobb oldal m´asodik tagj´at is parci´alisan integr´aljuk, ism´et az exponen-ci´alis f¨uggv´enyt tekintj¨uk deriv´altf¨uggv´enynek:

Z (HaC tetsz˝oleges val´os sz´am lehet, akkor−C is.)

Megjegyz´es.Han∈N+,a∈R\ {0},c∈R+\ {1}, akkor az R pri-mit´ıv f¨uggv´enyeket kisz´amolhatjuknalkalommal parci´alisan integr´alva.

9.2. Kidolgozott feladatok 113 8. K´etszer parci´alisan integr´alunk azRhalmazon, mindk´et alkalommal az

exponenci´alis f¨uggv´enyt v´alasztjuk a deriv´altf¨uggv´enynek.

Z

M´ask´eppen: K´etf´elek´eppen parci´alisan integr´alunk az R halmazon. Ha az exponenci´alis f¨uggv´enyt tekintj¨uk a deriv´altf¨uggv´enynek, akkor

Z

exsin(x) dx=exsin(x)− Z

excos(x) dx, ha pedig a szinuszf¨uggv´enyt, akkor

Z

exsin(x) dx=ex(−cos(x))− Z

ex(−cos(x)) dx.

A k´et egyenl˝os´eget ¨osszeadva, ´es felhaszn´alva, hogy azR intervallumon egy f¨uggv´eny b´armely k´et primit´ıv f¨uggv´eny´enek k¨ul¨onbs´ege ´alland´o, a A9.–13.feladatban helyettes´ıt´essel sz´am´ıtsa ki a primit´ıv f¨uggv´enyeket!

9. szigor´uan monoton, ez´ert a t´etel alapj´an

Z 1

114 9. Primit´ıv f¨uggv´eny

x, x∈[0,+∞) helyettes´ıt´est alkalmazva x=y2, dxdy = 2y, dx= 2ydy alapj´an

9.2. Kidolgozott feladatok 115 Megjegyz´es.M´ask´eppen kaptuk meg ugyanezt az eredm´enyt a 2.(j) fel-adatban.

12. A 9.2. T´etelben legyenf(x) := tgtg22(x)+1(x)+4 ´ertelmezve pl. a −π2,π2 inter-vallumon, valamintg(x) := arctg (x), D(g) :=R.

A klasszikus m´odon, az y= tg (x), x∈ −π2,π2

helyettes´ıt´essel x= arctg (y), dxdy = 1+y12, dx= 1+y12dy alapj´an a primit´ıv f¨uggv´enyek a keress¨uk a primit´ıv f¨uggv´enyeket, akkor azok

F(x) :=12arctgtg (x)

. Az ´ıgy lesz˝uk´ıtett szinuszf¨uggv´eny szigor´uan monoton n¨ovekv˝o.

A klasszikus m´odon,x∈[−1,1], y∈

π2,π2

eset´en azx= sin(y), azaz y= arcsin(x) helyettes´ıt´essel dxdy = cos(y), dx= cos(y) dy,

Z p

A m´asodik ´es az utols´o egyenl˝os´egn´el felhaszn´altuk, hogy a koszinuszf¨ ugg-v´eny a

π2,π2

intervallumon nemnegat´ıv.

Megjegyz´es.E primit´ıv f¨uggv´enyeket az 5. feladatban parci´alis integr´ a-l´assal sz´amoltuk ki, a k´et eredm´eny azonos.

A 14.–19.feladatban hat´arozza meg a racion´alis t¨ortf¨uggv´eny primit´ıv f¨uggv´enyeit!

116 9. Primit´ıv f¨uggv´eny Megold´as.

14. A sz´aml´al´o ´es a nevez˝o is els˝ofok´u polinom. Marad´ekos oszt´assal 4x+2 = 2(2x−1) + 4, x∈R, ez´ert a −∞,12

vagy az 12,+∞

intervallumon Z 4x+ 2

2x−1dx=

Z 2(2x−1) + 4 2x−1 dx=

= Z

2 + 4 2x−1

dx= 2x+ 2 ln(|2x−1|) +C.

15. A sz´aml´al´o els˝ofok´u, a nevez˝o pedig m´asodfok´u polinom, ´es az ut´obbinak nincs val´os gy¨oke. Marad´ekosan osztva a sz´aml´al´ot a nevez˝o deriv´altj´aval a 4x= 2(2x+6)−12, x∈R egyenl˝os´eget kapjuk. Ebb˝ol azRhalmazon

Z 4x

x2+ 6x+ 10dx=

Z 2(2x+ 6)−12 x2+ 6x+ 10 dx=

= 2

Z 2x+ 6

x2+ 6x+ 10dx−12

Z 1

(x+ 3)2+ 1dx=

= 2 ln(x2+ 6x+ 10)−12arctg (x+ 3) +C.

16. Marad´ekos oszt´assal x= 12(2x−1) +12, x∈R alapj´an a −∞,12 vagy az 12,+∞

intervallumon Z x

(2x−1)2dx= Z 1

2(2x−1) +12 (2x−1)2 dx=

= 1 2

Z 1

2x−1dx+1 2

Z

(2x−1)−2dx=

= 1

4ln(|2x−1|)− 1

4(2x−1) +C.

Megjegyz´es. Ezeket a primit´ıv f¨uggv´enyeket parci´alis integr´al´assal sz´ a-moltuk ki a 4. feladatban, az

R x

(2x−1)2dx=−2(2x−1)x +14 ln(|2x−1|) +C eredm´enyt kaptuk. A k´et eredm´eny k¨ul¨onb¨oz˝onek t˝unik, de a

− 1

4(2x−1) =− x

2(2x−1) +1

4, x∈R\ 1

2

azonoss´ag szerint egyenl˝o. Az azonoss´agot pl. ´ugy igazolhatjuk, hogy a jobb oldal´at k¨oz¨os nevez˝ore hozzuk.

17. A nevez˝o m´asodfok´u polinom, melynek k´et val´os gy¨oke van, ez´ert

fel-´ırhatjuk szorzatk´ent: x2−1 = (x−1)(x+ 1), x ∈ R. Bontsuk ´un.

9.2. Kidolgozott feladatok 117 parci´alis t¨ortek ¨osszeg´ere az integrandust, vagyis keress¨unk olyan A ´es B val´os sz´amokat, melyekre

1

Az egyenlet mindk´et oldal´an polinomf¨uggv´eny ´all. Ezek folytonosak, ´ıgy az egyenl˝os´egx=−1 ´esx= 1 eset´en is fenn´all:

1 = 0−2B, vagyis B=−12, 1 = 2A+ 0, vagyis A= 12.

A parci´alis t¨ortek felhaszn´al´as´aval a primit´ıv f¨uggv´enyek a (−∞,−1), a (−1,1) vagy az (1,+∞) intervallumon

Z 1

Megjegyz´es.Areaf¨uggv´enyeket haszn´alva is megoldhatjuk a feladatot. A (−1,1) intervallumon a (−∞,−1) vagy az (1,+∞) intervallumon pedig

Z 1

´ırjuk fel az integrandust, majd k¨oz¨os nevez˝ore hozzuk a jobb oldalt:

3x−5

118 9. Primit´ıv f¨uggv´eny K´et polinom pontosan akkor egyenl˝o, ha az egy¨utthat´oik rendre egyen-l˝ok. Ez egyenletrendszert ad az egy¨utthat´okra:

A+B = 3

A jobb oldal utols´o tagj´at parci´alis t¨ortekre bontjuk:

4x+ 1

sin(x) cos(x) dxprimit´ıv f¨uggv´ enye-ket azRhalmazon, majd hasonl´ıtsa ¨ossze az eredm´enyeket!

Megold´as.

9.2. Kidolgozott feladatok 119 (c) A koszinuszf¨uggv´enyre, mint deriv´altf¨uggv´enyre tekintve parci´alis

in-tegr´al´assal azRhalmazon Z

sin(x) cos(x) dx= sin2(x)− Z

cos(x) sin(x) dx, amit ´atrendezve R

sin(x) cos(x) dx= 12sin2(x) +C3, C3∈R, mert b´armely k´et primit´ıv f¨uggv´eny k¨ul¨onbs´ege ´alland´o.

Mindh´arom megold´as ugyanazt a f¨uggv´enyhalmazt adja, hiszen trigono-metrikus azonoss´agot alkalmazva

−1 primit´ıv f¨uggv´enyeket!

21.

22. Parci´alis integr´al´assal azRhalmazon Z

23. K´etszer parci´alisan integr´alva azRhalmazon Z

Mivel adott intervallumon b´armely k´et primit´ıv f¨uggv´eny k¨ul¨onbs´ege ´ al-land´o,

Z

e−stcos(at) dt= e−st

a2+s2 asin(at)−scos(at) +C

120 9. Primit´ıv f¨uggv´eny

Megjegyz´es.Az el˝oz˝o megold´ashoz hasonl´oan k´et parci´alis integr´al´assal is megkaphatjuk az eredm´enyt.

25. Legyen f az I ny´ılt intervallumon differenci´alhat´o f¨uggv´eny ´es s ∈ R. Mutassa meg, hogy azI intervallumon

Z bizony´ıtand´o ¨osszef¨ugg´est adja.

9.3. Megoldand´ o feladatok

Az1.–27.feladatban hat´arozza meg a primit´ıv f¨uggv´enyeket!

1.

9.4. Megold´asok 121 primit´ıv f¨uggv´enyeket!

28.

122 9. Primit´ıv f¨uggv´eny 15. R ex

e2x+1dx= arctg (ex) +C azRhalmazon.

16. R 1

(1−x2)32

dx= x

√1−x2 +C a (−1,1) intervallumon.

17. R

xsin(4x) dx=−14xcos(4x) +161 sin(4x) +C azRhalmazon.

18. R

xln(x+ 1) dx= x22−1 ln(x+ 1)−14x2+12x+C a (−1,+∞) interval-lumon.

19. R1+tg2(x)

1+2tg (x)dx= 12ln(|1 + 2tg (x)|) +Caz

x∈R: cos(x)6= 0,tg (x)6=−12 halmaz b´armely r´eszintervallum´an.

20. R√

1 +x2dx=12x√

1 +x2+12arsh (x) +C azRhalmazon.

21. R x√3

x−1 dx=34x(x−1)43289 (x−1)73+C= 283(x−1)43(4x+ 3) +C azRhalmazon.

22. R 3x+2

2−x dx=−3x−8 ln(|2−x|) +C a (−∞,2) vagy a (2,+∞) interval-lumon.

23. R 2x−1

(x+1)2dx = 2 ln(|x+ 1|) + x+13 +C a (−∞,−1) vagy a (−1,+∞) intervallumon.

24. R x2

x2−2x+2dx=x+ ln(|x2−2x+ 2|) +C azRhalmazon.

25. R x

x2+3x−4dx= 15ln(|x−1|) +45ln(|x+ 4|) +C a (−∞,−4), a (−4,1) vagy az (1,+∞) intervallumon.

26. R 1−2x

2x2−x−3dx=−25ln(|2x−3|)−35ln(|x+ 1|) +C a (−∞,−1), a −1,32 vagy a 32,+∞

intervallumon.

27. R x3

x2+x−2dx= 12x2−x+83ln(|x+ 2|) +13ln(|x−1|) +C a (−∞,−2), a (−2,1) vagy az (1,+∞) intervallumon.

28. Haa ∈ R, a 6=s, akkor R

e−steatdt = e(a−s)ta−s +C, ha pedig a = s, akkor R

e−steatdt=t+C az Rhalmazon.

29. R

t2e−stdt=−e−st ts2 +s2t2 +s23

+C az Rhalmazon.

30. R

e−stsin(at) dt=−ae2−st+s2 ssin(at) +acos(at)

+C azRhalmazon.

10. fejezet

Riemann-integr´ al,

In document Példatár az analízishez (Pldal 115-131)