Całkowanie przez części i podstawienie
Tablica całek kończy się na wielomianach, sinusie i cosinusie — a już ∫ x·eˣ dx nie ma w niej wiersza. Dwie techniki domykają lukę, bo obie są regułą różniczkowania przeczytaną od tyłu: wzór na pochodną iloczynu daje całkowanie przez części, a reguła łańcuchowa — całkowanie przez podstawienie.
Zanim zaczniesz
Ten temat opiera się na wcześniejszych zagadnieniach. Zanim zaczniesz, warto przerobić poniższe lekcje — dzięki nim wszystko pójdzie gładko:
- CałkaCałkowanie jest odwrotnością różniczkowania: szukamy funkcji, której pochodną jest dana funkcja. Całka nieoznaczona daje wzór z dokładnością do stałej, oznaczona — liczbę, a ta liczba to pole pod krzywą.
- Pochodna funkcjiPochodna mierzy tempo zmiany funkcji w punkcie — jest współczynnikiem kierunkowym stycznej do wykresu. Poznaj definicję przez iloraz różnicowy i sześć reguł, którymi liczy się ją bez granic.
- Złożenie funkcji i funkcja odwrotnaDwie funkcje ustawione jedna za drugą i jedna funkcja puszczona wstecz. Zobacz, dlaczego f(g(x)) to nie to samo co g(f(x)), jak z monotoniczności składowych wynika monotoniczność złożenia, kiedy funkcję da się odwrócić i dlaczego wykres funkcji odwrotnej jest odbiciem względem prostej y = x.
Gdzie się tego używa
Konkretne sytuacje, w których liczysz dokładnie tak, jak uczy ta lekcja:
- Praca przy rozciąganiu ekspanderaSiła potrzebna do rozciągnięcia gumowego ekspandera nie jest stała, tylko narasta i wygasa: F(x) = 150(1 − e^(−4x)) niutonów. Praca to całka siły po drodze, więc rozciągnięcie o 0,5 metra daje 150·(0,5 + 0,25·e^(−2) − 0,25) ≈ 42,6 dżula. Członu z eksponentą nie ma w tablicy całek — bierze go podstawienie liniowe u = −4x.
- Energia zużyta przez rozruch maszynyElektryk mierzy moc chwilową rozruchu jako P(t) = 40·t·e^(−t/2) kilowatów. Energia to pole pod tą krzywą, a iloczyn zmiennej i eksponenty nie ma wiersza w tablicy: całkowanie przez części daje funkcję pierwotną −2t·e^(−t/2) − 4e^(−t/2), więc przez pierwsze 4 godziny maszyna zjada 40·(4 − 12·e^(−2)) ≈ 95 kilowatogodzin.
- Ile wody wypłynie ze zbiornikaWypływ przez otwór słabnie razem z ciśnieniem: q(t) = 30·e^(−t/10) litrów na minutę. Objętość, która wypłynie przez 20 minut, to całka natężenia przepływu, czyli 300·(1 − e^(−2)) ≈ 259 litrów. Podstawienie u = −t/10 zamienia ją w całkę z eksponenty, którą już znasz.
- Ekspozycja pacjenta na lekFarmakolog liczy pole pod krzywą stężenia dla modelu C(t) = 8t·e^(−0,5t) miligramów na litr. Przez pierwsze 6 godzin całkowanie przez części daje 32·(1 − 4·e^(−3)) ≈ 25,6 mg·h/l — liczbę, którą porównuje się z ekspozycją po dawce wzorcowej. Ten sam iloczyn zmiennej i eksponenty, ta sama technika.
Wszystkie wzory
Całkowanie przez części
odwrócenie wzoru na pochodną iloczynu
Przez części, oznaczona
człon uv liczymy w granicach, reszta zostaje całką
Całkowanie przez podstawienie
odwrócenie reguły łańcuchowej
Zmiana granic
granice też przechodzą przez podstawienie
Podstawienie liniowe
najczęstszy przypadek: dzielimy przez a
Całka z eksponenty
potrzebna w przykładach z całkowaniem przez części
Tablica całek z lekcji o całce kończy się na wielomianach, sinusie i cosinusie. Tymczasem i nie mają w niej wiersza — a obie są całkami z funkcji, które umiesz różniczkować. Stąd bierze się pomysł na obie techniki tej lekcji: każda z nich to jedna reguła różniczkowania przeczytana od tyłu.
| reguła różniczkowania | technika całkowania |
|---|---|
| pochodna iloczynu | całkowanie przez części |
| reguła łańcuchowa | całkowanie przez podstawienie |
Po drodze przyda się jeszcze jedna funkcja pierwotna spoza tablicy, wprost z lekcji o funkcji wykładniczej i logarytmicznej: skoro , to
Całkowanie przez podstawienie
Reguła łańcuchowa mówi, że pochodną złożenia jest . Czytamy tę równość od prawej do lewej:
W praktyce nadaje się funkcji wewnętrznej nazwę. Podstawiamy , a wtedy — i cała całka przechodzi na zmienną :
Co podstawiać
Reguła jest jedna: podstawiaj funkcję wewnętrzną złożenia, jeżeli jej pochodna stoi w całce jako czynnik. Wolno przy tym różnić się o stałą — brakujący mnożnik przenosi się przed całkę.
| całka | co podstawić | dlaczego |
|---|---|---|
| , a już jest | ||
| , a już jest | ||
| , a już jest | ||
| , czyli sama stała |
Ostatni wiersz jest tak częsty, że ma własny skrót. Gdy wewnątrz stoi wyrażenie liniowe:
Dzielenie przez jest nieuniknione: reguła łańcuchowa mnoży przez , więc całkowanie musi to cofnąć. Stąd , a nie .
Całka oznaczona: granice też się podstawiają
Przy całce oznaczonej podstawienie zmienia nie tylko funkcję, ale i granice całkowania — bo zmienna, po której liczymy, jest już inna:
Rysunki pokazują, co się właściwie stało: obszar zmienił kształt, ale nie pole.
Całkowanie przez części
Druga technika odwraca wzór na pochodną iloczynu. Zaczynamy od niego i całkujemy obie strony:
Przenosimy jedną całkę na drugą stronę i mamy wzór:
Wzór nie liczy całki — zamienia ją na inną. Cały wysiłek idzie w to, żeby ta druga była łatwiejsza od pierwszej.
Wybór funkcji u
Za bierzemy czynnik, który po zróżniczkowaniu robi się prostszy; za — ten, który umiemy scałkować.
| funkcja podcałkowa | co zyskujemy | ||
|---|---|---|---|
| , iloczyn znika | |||
| jak wyżej | |||
| logarytm przechodzi w | |||
| stopień spada o jeden na krok |
Gdy trzeba dwa razy
Jeśli po pierwszym kroku w całce nadal stoi iloczyn, technikę stosuje się ponownie. Wielomian stopnia przy eksponencie wymaga dokładnie kroków — każdy zbija stopień o jeden.
Wzór na rysunku
Dla funkcji rosnącej, która startuje z zera, wzór na całkowanie przez części daje się narysować. Weźmy na przedziale i jej funkcję odwrotną :
Pole pod parabolą to , a pole nad nią to . Razem dają , czyli pole całego kwadratu — i to jest wzór na całkowanie przez części zapisany bez ani jednej litery:
Którą technikę wybrać
- Widzisz złożenie, a obok pochodną jego wnętrza? Podstawienie.
- Widzisz iloczyn funkcji różnych rodzajów — wielomian razy eksponenta, wielomian razy sinus, sam logarytm? Części.
- Widzisz obie możliwości naraz? Wybierz tę, po której całka po prawej stronie jest krótsza; jeśli po jednym kroku zrobiło się gorzej, wróć i spróbuj drugiej.
- Nie widzisz żadnej? Spróbuj najpierw przekształcić funkcję podcałkową — rozbić ułamek, użyć tożsamości trygonometrycznej, wyciągnąć stałą przed całkę.
Warto pamiętać, po co to wszystko liczymy: praca zmiennej siły to całka , a jej wynik wychodzi w dżulach — jednostce, którą przelicza konwerter energii.
Zadania
Zestaw miesza trzy umiejętności: podstawienie liniowe (wynik piszesz z dokładnością do stałej, więc samo możesz pominąć), całkowanie przez części w trzech rodzinach (, , ) oraz całkę oznaczoną liczoną podstawieniem, gdzie odpowiedzią jest liczba albo ułamek. Wynik całki nieoznaczonej wpisujesz jako wzór, np. (2x+1)^4/8 albo x*e^x-e^x.
Ćwiczenia
Rozwiąż zestaw zadań — trudność rośnie z każdym kolejnym. Na końcu zobaczysz wynik i listę pomyłek do powtórki.
Samego wyboru techniki wraz z uzasadnieniem zestaw nie odpytuje: odpowiedzią na takie pytanie jest zdanie, a nie liczba. Ćwiczysz go, czytając cztery punkty powyżej i sprawdzając na każdej całce, który z nich pasuje.
Częste błędy
- Zapomniana zmiana granic przy całce oznaczonej — po podstawieniu granice muszą być wartościami , a nie ; inaczej liczysz pole nad zupełnie innym przedziałem.
- Podstawienie bez pochodnej wewnątrz — jeśli nie stoi w całce jako czynnik, po podstawieniu w wyrażeniu zostają dwie zmienne naraz i rachunku nie da się dokończyć.
- Brak dzielenia przez przy podstawieniu liniowym — to , a nie .
- Zły wybór przy częściach — jeśli po pierwszym kroku całka urosła, wybór był odwrotny; wróć i zamień role czynników.
- Zgubiony minus we wzorze na części — po członie stoi minus, a przy minusy jeszcze się mnożą, więc to tam błąd znaku zdarza się najczęściej.
- Stała całkowania dopisana w środku rachunku — przy całkowaniu przez części dopisuje się raz, na samym końcu.
Karta wzorów
Temat: Całkowanie przez części i podstawienie
Całkowanie przez części
odwrócenie wzoru na pochodną iloczynu
Przez części, oznaczona
człon uv liczymy w granicach, reszta zostaje całką
Całkowanie przez podstawienie
odwrócenie reguły łańcuchowej
Zmiana granic
granice też przechodzą przez podstawienie
Podstawienie liniowe
najczęstszy przypadek: dzielimy przez a
Całka z eksponenty
potrzebna w przykładach z całkowaniem przez części
