Poziom zaawansowany

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:

Gdzie się tego używa

Konkretne sytuacje, w których liczysz dokładnie tak, jak uczy ta lekcja:

  • Praca przy rozciąganiu ekspandera
    Siła 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 maszyny
    Elektryk 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 zbiornika
    Wypływ 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 lek
    Farmakolog 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

    u(x)v(x)dx=u(x)v(x)u(x)v(x)dx\int u(x)\,v'(x)\,dx = u(x)\,v(x) - \int u'(x)\,v(x)\,dx

    odwrócenie wzoru na pochodną iloczynu

  • Przez części, oznaczona

    abuvdx=[uv]ababuvdx\int_a^b u\,v'\,dx = \Big[u\,v\Big]_a^b - \int_a^b u'\,v\,dx

    człon uv liczymy w granicach, reszta zostaje całką

  • Całkowanie przez podstawienie

    f(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C\int f\big(g(x)\big)\,g'(x)\,dx = F\big(g(x)\big) + C

    odwrócenie reguły łańcuchowej

  • Zmiana granic

    abf(g(x))g(x)dx=g(a)g(b)f(u)du\int_a^b f\big(g(x)\big)\,g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du

    granice też przechodzą przez podstawienie

  • Podstawienie liniowe

    f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax+b)\,dx = \frac{1}{a}\,F(ax+b) + C

    najczęstszy przypadek: dzielimy przez a

  • Całka z eksponenty

    exdx=ex+C\int e^x\,dx = e^x + C

    potrzebna w przykładach z całkowaniem przez części

Tablica całek z lekcji o całce kończy się na wielomianach, sinusie i cosinusie. Tymczasem xexdx\int x e^x\,dx i (2x+1)5dx\int (2x+1)^5\,dx 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 różniczkowaniatechnika całkowania
pochodna iloczynu (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'całkowanie przez części
reguła łańcuchowa (F(g(x)))=f(g(x))g(x)\big(F(g(x))\big)' = f(g(x))\,g'(x)całkowanie przez podstawienie

Po drodze przyda się jeszcze jedna funkcja pierwotna spoza tablicy, wprost z lekcji o funkcji wykładniczej i logarytmicznej: skoro (ex)=ex(e^x)' = e^x, to

exdx=ex+C\int e^x\,dx = e^x + C

Całkowanie przez podstawienie

Reguła łańcuchowa mówi, że pochodną złożenia F(g(x))F(g(x)) jest f(g(x))g(x)f(g(x)) \cdot g'(x). Czytamy tę równość od prawej do lewej:

f(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C\int f\big(g(x)\big)\,g'(x)\,dx = F\big(g(x)\big) + C

W praktyce nadaje się funkcji wewnętrznej nazwę. Podstawiamy u=g(x)u = g(x), a wtedy du=g(x)dxdu = g'(x)\,dx — i cała całka przechodzi na zmienną uu:

f(u)du=F(u)+C\int f(u)\,du = F(u) + C
Policz całkę ∫ 2x·cos(x²) dx.

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.

całkaco podstawićdlaczego
xx2+1dx\int x\sqrt{x^2+1}\,dxu=x2+1u = x^2+1du=2xdxdu = 2x\,dx, a xdxx\,dx już jest
lnxxdx\int \dfrac{\ln x}{x}\,dxu=lnxu = \ln xdu=1xdxdu = \tfrac{1}{x}\,dx, a 1x\tfrac{1}{x} już jest
sin3xcosxdx\int \sin^3 x \cos x\,dxu=sinxu = \sin xdu=cosxdxdu = \cos x\,dx, a cosx\cos x już jest
(2x+1)5dx\int (2x+1)^5\,dxu=2x+1u = 2x+1du=2dxdu = 2\,dx, czyli sama stała

Ostatni wiersz jest tak częsty, że ma własny skrót. Gdy wewnątrz stoi wyrażenie liniowe:

f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax+b)\,dx = \frac{1}{a}\,F(ax+b) + C

Dzielenie przez aa jest nieuniknione: reguła łańcuchowa mnoży przez aa, więc całkowanie musi to cofnąć. Stąd sin3xdx=13cos3x+C\int \sin 3x\,dx = -\tfrac{1}{3}\cos 3x + C, a nie cos3x-\cos 3x.

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:

abf(g(x))g(x)dx=g(a)g(b)f(u)du\int_a^b f\big(g(x)\big)\,g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du
Policz ∫₀¹ (2x + 1)² dx, zmieniając granice całkowania.

Rysunki pokazują, co się właściwie stało: obszar zmienił kształt, ale nie pole.

−0,500,511,520246810xyy = (2x + 1)²
Przed podstawieniem: wąski i wysoki obszar pod krzywą y = (2x + 1)² między x = 0 a x = 1.
01234012345uyy = u²/2
Po podstawieniu: obszar rozciągnął się wszerz i spłaszczył, bo granice przeszły na 1 i 3, a funkcja na u²/2. Pole obu obszarów wynosi 13/3.

Całkowanie przez części

Druga technika odwraca wzór na pochodną iloczynu. Zaczynamy od niego i całkujemy obie strony:

(uv)=uv+uvuv=uvdx+uvdx\big(u\,v\big)' = u'v + u\,v' \quad \Longrightarrow \quad u\,v = \int u'v\,dx + \int u\,v'\,dx

Przenosimy jedną całkę na drugą stronę i mamy wzór:

u(x)v(x)dx=u(x)v(x)u(x)v(x)dx\int u(x)\,v'(x)\,dx = u(x)\,v(x) - \int u'(x)\,v(x)\,dx

Wzór nie liczy całki — zamienia ją na inną. Cały wysiłek idzie w to, żeby ta druga była łatwiejsza od pierwszej.

Wybór funkcji u

Za uu bierzemy czynnik, który po zróżniczkowaniu robi się prostszy; za vv' — ten, który umiemy scałkować.

funkcja podcałkowauuvv'co zyskujemy
xexx\,e^xxxexe^xu=1u' = 1, iloczyn znika
xsinxx\sin xxxsinx\sin xjak wyżej
lnx\ln xlnx\ln x11logarytm przechodzi w 1x\tfrac{1}{x}
x2exx^2 e^xx2x^2exe^xstopień spada o jeden na krok
Policz całkę ∫ x·eˣ dx.
Policz całkę ∫ ln x dx.

Gdy trzeba dwa razy

Jeśli po pierwszym kroku w całce nadal stoi iloczyn, technikę stosuje się ponownie. Wielomian stopnia nn przy eksponencie wymaga dokładnie nn kroków — każdy zbija stopień o jeden.

Policz całkę ∫ x²·eˣ dx.

Wzór na rysunku

Dla funkcji rosnącej, która startuje z zera, wzór na całkowanie przez części daje się narysować. Weźmy y=x2y = x^2 na przedziale 0;1\langle 0;\, 1 \rangle i jej funkcję odwrotną y=xy = \sqrt{x}:

00,511,500,511,5xyy = x²y = √x
Krzywa y = x² rozcina kwadrat jednostkowy na dwie części. Zacieniowana leży pod nią, a druga — nad nią — jest zarazem obszarem pod krzywą odwrotną y = √x.

Pole pod parabolą to 01x2dx=13\int_0^1 x^2\,dx = \tfrac{1}{3}, a pole nad nią to 01xdx=23\int_0^1 \sqrt{x}\,dx = \tfrac{2}{3}. Razem dają 11, czyli pole całego kwadratu — i to jest wzór na całkowanie przez części zapisany bez ani jednej litery:

01x2dx+01xdx=11\int_0^1 x^2\,dx + \int_0^1 \sqrt{x}\,dx = 1 \cdot 1

Którą technikę wybrać

  1. Widzisz złożenie, a obok pochodną jego wnętrza? Podstawienie.
  2. Widzisz iloczyn funkcji różnych rodzajów — wielomian razy eksponenta, wielomian razy sinus, sam logarytm? Części.
  3. 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.
  4. 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 W=F(x)dxW = \int F(x)\,dx, 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 +C+\,C możesz pominąć), całkowanie przez części w trzech rodzinach (xexx e^x, xsinxx\sin x, lnx\ln x) 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.

Zadanie 1 z 8Punkty: 0
∫ (2x + 1)³ dx =

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 uu, a nie xx; inaczej liczysz pole nad zupełnie innym przedziałem.
  • Podstawienie bez pochodnej wewnątrz — jeśli g(x)g'(x) nie stoi w całce jako czynnik, po podstawieniu w wyrażeniu zostają dwie zmienne naraz i rachunku nie da się dokończyć.
  • Brak dzielenia przez aa przy podstawieniu liniowymcos5xdx\int\cos 5x\,dx to 15sin5x+C\tfrac{1}{5}\sin 5x + C, a nie sin5x+C\sin 5x + C.
  • Zły wybór uu przy częściach — jeśli po pierwszym kroku całka urosła, wybór był odwrotny; wróć i zamień role czynników.
  • Zgubiony minus we wzorze na części — po członie uvuv stoi minus, a przy v=cosxv = -\cos x minusy jeszcze się mnożą, więc to tam błąd znaku zdarza się najczęściej.
  • Stała całkowania dopisana w środku rachunku — przy całkowaniu przez części +C+\,C dopisuje się raz, na samym końcu.

Karta wzorów

Temat: Całkowanie przez części i podstawienie

  • Całkowanie przez części

    u(x)v(x)dx=u(x)v(x)u(x)v(x)dx\int u(x)\,v'(x)\,dx = u(x)\,v(x) - \int u'(x)\,v(x)\,dx

    odwrócenie wzoru na pochodną iloczynu

  • Przez części, oznaczona

    abuvdx=[uv]ababuvdx\int_a^b u\,v'\,dx = \Big[u\,v\Big]_a^b - \int_a^b u'\,v\,dx

    człon uv liczymy w granicach, reszta zostaje całką

  • Całkowanie przez podstawienie

    f(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C\int f\big(g(x)\big)\,g'(x)\,dx = F\big(g(x)\big) + C

    odwrócenie reguły łańcuchowej

  • Zmiana granic

    abf(g(x))g(x)dx=g(a)g(b)f(u)du\int_a^b f\big(g(x)\big)\,g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du

    granice też przechodzą przez podstawienie

  • Podstawienie liniowe

    f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax+b)\,dx = \frac{1}{a}\,F(ax+b) + C

    najczęstszy przypadek: dzielimy przez a

  • Całka z eksponenty

    exdx=ex+C\int e^x\,dx = e^x + C

    potrzebna w przykładach z całkowaniem przez części

−0,500,511,520246810xyy = (2x + 1)²
Obszar pod krzywą y = (2x + 1)² na przedziale od 0 do 1. Podstawienie u = 2x + 1 zamienia go na obszar z następnego rysunku — kształt się zmienia, pole nie.
01234012345uyy = u²/2
Ten sam obszar po podstawieniu u = 2x + 1. Granice przeszły z 0 i 1 na 1 i 3, a funkcja podcałkowa spłaszczyła się do u²/2. Oba pola wynoszą 13/3.
00,511,500,511,5xyy = x²y = √x
Kwadrat jednostkowy rozcięty krzywą y = x². Pole pod nią wynosi 1/3, pole nad nią — czyli pod krzywą odwrotną y = √x — wynosi 2/3, a razem dają pole kwadratu. To jest wzór na całkowanie przez części zapisany rysunkiem.

Najczęstsze pytania

Powiązane artykuły