Movatterモバイル変換


[0]ホーム

URL:


Aqbeż għall-kontentut
WikipedijaL-enċiklopedija l-ħielsa
Fittex

L-Integral

Minn Wikipedija, l-enċiklopedija l-ħielsa

Fl-analisi matematika, l-integral ta'funzjoni huoperatur matematiku li fil-każ ta' funzjoni ta' varjabbli waħda jassoċja mal-funzjoni l-arja taħt il-funzjoni sal-axissa.

Ħjiel storiku

[immodifika |immodifika s-sors]

L-idea bażika tal-kunċett tal-integral kienet digà dehret fix-xogħol ta'Arkimedi ta'Siracusa, li għex bejn il-287 u il-212 Q.K, l-ewwel parzjalment, fil-metodu li uża biex jikkalkula l-arja ta'ċirku jew ta' segment ta'parabola magħruf bħala l-metodu ta' l-eżawriment u wara iżjed preċiżament fil-kalkulazzjoni tal-arja tas-superfiċi magħluqa mill-ewwel dawra tal-ispiral (liArkimedi stima minn fuq sa isfel bl-użu ta' każ partikulari ta' dawk li sirna nsejħulhom "sommom ta' Riemann").

Fis-seklu XVII, bosta matematiċi sabu metodi oħra inġenjużi biex jikkalkulaw l-arja taħt il-grafiku ta' funzjonijiet sempliċi, pereżempju:

xα(α>1){\displaystyle x^{\alpha }(\alpha >-1)\;} (Fermat1636),
1/x{\displaystyle \displaystyle {1/x}} (Nikolaus Merkator,1668).

Imma dan kien qabel liNewton uLeibniz skoprew indipendentement it-teorema fundamentali tal-kalkulu integrali li tefgħet id-direzzjoni tal-problema fuq it-tfittix ta' primittiva jew antiderivata tal-funzjoni.

Il-kalkulu kiseb sisien iżjed sodi b'iżvilupp tal-limiti u x-xogħol ta' Cauchy fl-ewwel nofs tas-seklu 19. L-integral kien formalizzat rigorużament għall-ewwel darba, bl-użu tal-limiti minnRiemann f'dak li ngħidulu l-integral ta' Cauchy-Riemann. Għalkemm il-funzjonijiet kollha li huma kontinwi f'biċċiet u limitati fuq intervall limitat huma integrabbli fis-sens ta' Riemann, wara bdew jiġu ikkonsidrati funzjonijiet iżjed ġenerali li għalihom id-definizzjoni ta' Riemann ma tapplikax, u Lebesgue ifformala definizzjoni differenti tal-integral ibbażata fuq it-teorija tal-miżura. Oħrajn ipproponew definizzjonijiet oħra li jestendu l-approċċ ta' Riemann u Lebesgue.

Introduzzjoni ewristika

[immodifika |immodifika s-sors]

Il-problema oriġinali tal-kalkulu integrali hu dik tad-definizzjoni u l-kalkulazzjoni tal-arja (bis-sinjal) tal-figura li għandha bħala truf, intervall I{\displaystyle \ I} fuq l-assi tal-axissi, limitat u magħluq (l-intervall tal-integrazzjoni), il-funzjoni mogħtija f{\displaystyle \ f} (il-funzjoni integrata) definita fuq I{\displaystyle \ I} u limitata, u s-segmenti vertikali mit-truf tal-intervall I{\displaystyle \ I} għall-grafiku tal-funzjoni f{\displaystyle \ f}. In-numru reali li jagħti dik l-arja nsejħulu l-integral tal-funzjoni f{\displaystyle \ f} fuq l-intervall I{\displaystyle \ I}.

Jekk il-grafiku tal-funzjoni f{\displaystyle \ f} hu magħmul minn segmenti, il-problema nistgħu nirriżolvuh faċilment, sakemm il-figura tista' tinqasam f'rettangli jew trapeżi li nafu niddefinixxu u nikkalkulaw l-arji tagħhom: is-somma alġebrija ta' dawk l-arji hi – għad-definizzjoni – l-integral imfittex.

Fil-każ ġenerali, l-idea bażika tikkonsisti f'li naqsmu l-figura fi strixxi vertikali dojoq, li jistgħu jitqiesu bħala rettangli, nikkalkulaw l-arja ta' kull rettanglu ċkejken u ngħoddu flimkien ir-riżultati miksuba, u hekk ikollna approssimazzjoni għan-numru li qegħdin infittxu. Billi nibqgħu nissuddividu fi strixxi dejjem idjaq u idjaq, nistgħu niksbu approssimazioni dejjem aħjar għall-integral imfittex: jekk jiġri hekk, ngħidu li l-funzjoni f{\displaystyle \ f} hi integrabbli fuq l-intervall I{\displaystyle \ I}. Fil-każ tal-kuntrarju, ngħidu li l-funzjoni f{\displaystyle \ f} m'hijiex integrabbli fuq l-intervall I{\displaystyle \ I}.

F'termini iżjed formali, naqsmu l-intervall [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} f' n{\displaystyle \ n} sottointervalli tat-tip [xs1,xs]{\displaystyle \ [x_{s-1},x_{s}]} fejn s=1,2,...,n{\displaystyle \ s=1,2,...,n} u x0=a;xn=b{\displaystyle \ x_{0}=a;x_{n}=b}. Għal kull sottointervall nagħżlu punt ts{\displaystyle \ t_{s}}, li l-immaġni tiegħu hi f(ts){\displaystyle \ f(t_{s})}, u nħażżu r-rettanglu ċkejken li għandu bażi l-intervall [xs1,xs]{\displaystyle \ [x_{s-1},x_{s}]} u għoli f(ts){\displaystyle \ f(t_{s})}; l-arja tal-figura magħmula mir-rettangli ċkejkna kollha mibnija hekk tagħtina s-somma (msejħa ta' Cauchy-Riemann)

s=1nf(ts)δxs:=s=1nf(ts)(xsxs1){\displaystyle \sum _{s=1}^{n}f(t_{s})\delta x_{s}:=\sum _{s=1}^{n}f(t_{s})(x_{s}-x_{s-1})} .

Jekk meta nċekknu l-wisa' tal-intervalli δxs=xsxs1{\displaystyle \ \delta x_{s}=x_{s}-x_{s-1}}, il-valuri miksuba jinġemgħu finħawija dejjem iċken ta' numru i{\displaystyle \ i}, il-funzjoni f{\displaystyle \ f} hi integrabbli fuq l-intervall [a,b]{\displaystyle \ [a,b]}, u i{\displaystyle \ i} hu l-integral tagħha.

L-analisi sħieħa tiddependi mill-fatt li kemm il-mod ta' taqsim f'intervalli, u kemm l-għażla tal-punti ġewwa dawk l-intervalli iridujispiċċaw irrilevanti, inkella jiġri li l-arja taħt il-kurva fuq l-intervall ikollha valur li jvarja mal-għażla ta' taqsim f'intervalli u kif il-punti jintgħażlu fl-intervalli.

Il-quddiem nagħtu kundizzjonijiet suffiċjenti biex jiġri dan.

Integral ta' Riemann

[immodifika |immodifika s-sors]
Rappresentazzjoni grafika tal-integral ta' Riemann

Ejjew naqsmu l-intervall kompatt [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} permezz ta'partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}} f'n{\displaystyle \displaystyle {n}} sottointervalli :

P={a=x0<x1<x2<<xn1<xn=b}{\displaystyle P=\{a=x_{0}<x_{1}<x_{2}<\ldots <x_{n-1}<x_{n}=b\}},

Ħalli jkunu

Niddefinixxu s-somma integrali inferjuri (relattiva għall-partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}}):

s(f,P)=k=1nmk(xkxk1).{\displaystyle s(f,P)=\sum _{k=1}^{n}m_{k}(x_{k}-x_{k-1}).}

Jekk nammettu lif{\displaystyle \displaystyle {f}} tieħu valuri pożittivi fl-intervall,s(f,P){\displaystyle \displaystyle {s(f,P)}} hija s-somma tar-rettangli inskritti fir-reġjun tal-pjanR{\displaystyle \mathbb {R} }, taħt il-grafiku ta'f{\displaystyle \displaystyle {f}}.

Niddefinixxu s-somma integrali superjuri (relattiva għall-partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}}):

S(f,P)=k=1nMk(xkxk1){\displaystyle S(f,P)=\sum _{k=1}^{n}M_{k}(x_{k}-x_{k-1})}

Analogament,S(f,P){\displaystyle \displaystyle {S(f,P)}} hi s-somma tal-arji tar-rettangli ċirkoskritti fir-regjunR{\displaystyle \mathbb {R} }.

Jidher ċar li jekkmf(x)M, x[a,b]{\displaystyle m\leq f(x)\leq M,\ \forall x\in [a,b]} imbagħad għal kull partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}} ta'[a,b] {\displaystyle \displaystyle {[a,b]}\ }:

m(ba)s(f,P)S(f,P)M(ba){\displaystyle m(b-a)\leq s(f,P)\leq S(f,P)\leq M(b-a)}.

Dawn iż-żewġ lemmata wieħed jista' jipprovahom faċilment:

Lemma 1.:


Lemma 2.:

Ħalli jkunu

s(f)=sup{s(f,P):P{\displaystyle s(f)\displaystyle {=}\sup\{s(f,P):P} partizzjoni ta'[a,b]}{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}\}},
S(f)=inf{S(f,P):P{\displaystyle S(f)\displaystyle {=}\inf\{S(f,P):P} partizzjoni ta'[a,b]}{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}\}}.

s(f){\displaystyle \displaystyle {s(f)}} ngħidulu l-integral inferjuri uS(f){\displaystyle \displaystyle {S(f)}} l-integral superjuri. Mill-lemma preċidenti nistgħu niddeduċu li dawn jissodisfaw

s(f)S(f).{\displaystyle s(f)\leq S(f).}
Definizzjoni:Integral skont Riemann

Jekks(f)=S(f){\displaystyle \displaystyle {s(f)=S(f)}} ngħidu li l-funzjonif{\displaystyle \displaystyle {f}} hi integrabbli skont Riemann fuq l-intervall magħluq limitat [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} u l-valur kommuni ngħidulu l-integral ta'f{\displaystyle \displaystyle {f}} fuq [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} u nuruh bis-simbolu:

abf(x)dx.{\displaystyle \int _{a}^{b}\!\!f(x){\rm {d}}x.}


In-numria{\displaystyle \displaystyle {a}},b{\displaystyle \displaystyle {b}} ngħidulhom it-truf tal-integrazzjoni uf {\displaystyle \displaystyle {f}\ } l-integrand (a{\displaystyle \displaystyle {a}} l-ewwel tarf,b{\displaystyle \displaystyle {b}} it-tieni tarf). Il-varjabbli ta' integrazzjoni hivarjabbli muta jiġifierif(x)dx{\displaystyle \int \!\!\!f(x){\rm {d}}x} tfisser l-istess bħalf(t)dt{\displaystyle \int \!\!\!f(t){\rm {d}}t}. Id-dx{\displaystyle \displaystyle {{\rm {d}}x}} insibuha bħala d-differenzjali tal-varjabbli tal-integrazzjoni.

Jekk il-funzjoni integrabblif{\displaystyle \displaystyle {f}} hi posittiva l-integral hu daqs l-arja tar-reġjun:

{(x,y) | 0yf(x), x[a,b]}.{\displaystyle \{(x,y)\ |\ 0\leq y\leq f(x),\ x\in [a,b]\}.}

Jekk il-funzjonif{\displaystyle \displaystyle {f}} tibdel is-sinjal fuq[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} l-integral jirrappreżenta is-somma tal-arji bis-sinjal differenti, posittiv jekk l-arja tkun fuq l-assi tal-axissa, negattiv jekk tkun taħt.


Ħalli tkun il-partizzjoni li taqsam l-intervall [a,b]{\displaystyle \displaystyle {\ [a,b]}} f'sottointervalli ugwali ta' tul(ba)/n{\displaystyle \displaystyle {(b-a)/n}}. Jekk il-limiti ta's(f,Pn){\displaystyle \displaystyle {s(f,P_{n})}}u ta'S(f,Pn){\displaystyle \displaystyle {S(f,P_{n})}} metan{\displaystyle \displaystyle {n}} tersaq lejn l-infinithuma l-istess, imbagħad ikollna

s(f)limns(f,Pn)=limnS(f,Pn)S(f){\displaystyle s(f)\geq \lim _{n\to \infty }s(f,P_{n})=\lim _{n\to \infty }S(f,P_{n})\geq S(f)}

u allura, las(f)S(f){\displaystyle \displaystyle {s(f)\leq S(f)}}, ikollna wkoll

s(f)=S(f).{\displaystyle \displaystyle {s(f)=S(f).}}

Eżempju 1.

Ħallif(x)=x2{\displaystyle \displaystyle {f(x)=x^{2}}} u l-intervall ikun [0,1]{\displaystyle \displaystyle {\ [0,1]}}.Imbagħad

Mk=sup{x2|x[(k1)/n,k/n]}=(k/n)2{\displaystyle \displaystyle {M_{k}=\sup\{x^{2}\,|\,x\in [(k-1)/n,k/n]\}=(k/n)^{2}}}

u

mk=inf{x2|x[(k1)/n,k/n]}=((k1)/n)2.{\displaystyle \displaystyle {m_{k}=\inf\{x^{2}\,|\,x\in [(k-1)/n,k/n]\}=((k-1)/n)^{2}}.}

Mela

S(f,Pn)=1nk=1n(kn)2=1n3k=1nk2=13(n+1n)(2n+12n),{\displaystyle \displaystyle {S(f,P_{n})={\frac {1}{n}}\sum _{k=1}^{n}\left({\frac {k}{n}}\right)^{2}={\frac {1}{n^{3}}}\sum _{k=1}^{n}k^{2}={\frac {1}{3}}\left({\frac {n+1}{n}}\right)\left({\frac {2n+1}{2n}}\right),}}

fejn użajna l-formula12+22++n2=n(n+1)(2n+1)/6{\displaystyle \displaystyle {1^{2}+2^{2}+\ldots +n^{2}=n(n+1)(2n+1)/6}}.

Bl-istess mod

s(f,Pn)=1nk=1n(k1n)2=1n3k=1n1k2=13(n1n)(2n12n).{\displaystyle \displaystyle {s(f,P_{n})={\frac {1}{n}}\sum _{k=1}^{n}\left({\frac {k-1}{n}}\right)^{2}={\frac {1}{n^{3}}}\sum _{k=1}^{n-1}k^{2}={\frac {1}{3}}\left({\frac {n-1}{n}}\right)\left({\frac {2n-1}{2n}}\right).}}

Allura

01x2dx=limns(f,Pn)=limnS(f,Pn)=13.{\displaystyle \int _{0}^{1}x^{2}{\rm {d}}x=\lim _{n\to \infty }s(f,P_{n})=\lim _{n\to \infty }S(f,P_{n})={\frac {1}{3}}.}

Eżempju 2.

B'kuntrast mal-eżempju ta' qabel, ejjew nikkunsidraw il-funzjonig:[0,1]R{\displaystyle \displaystyle {g:[0,1]\mapsto \mathbb {R} }} definita hekk

g(x)={1, jekk x hija razzjonali0, jekk x hija rrazzjonali.{\displaystyle {g(x)={\begin{cases}1,\ \mathrm {jekk} \ x\ \mathrm {hija\ razzjonali} \\0,\ \mathrm {jekk} \ x\ \mathrm {hija\ rrazzjonali} .\end{cases}}}}

Għal kull partizzjoni tal-intervall[0,1]{\displaystyle \displaystyle {[0,1]}}, f'kull sottointervall[xk1,xk]{\displaystyle \displaystyle {[x_{k-1},x_{k}]}} hemm numri razzjonali u irrazzjonali u melaMk=1{\displaystyle \displaystyle {M_{k}=1}} umk=0{\displaystyle \displaystyle {m_{k}=0}}. Għalhekk

s(g,P)=k=1nmk(xkxk1)=0{\displaystyle s(g,P)=\sum _{k=1}^{n}m_{k}(x_{k}-x_{k-1})=0}
s(g,P)=k=1nmk(xkxk1)=k=1n(xkxk1)=1.{\displaystyle s(g,P)=\sum _{k=1}^{n}m_{k}(x_{k}-x_{k-1})=\sum _{k=1}^{n}(x_{k}-x_{k-1})=1.}

Melas(g)=0{\displaystyle \displaystyle {s(g)=0}} uS(g)=1{\displaystyle \displaystyle {S(g)=1}}. La dawn mhux imdaqs nistgħu nikkonkludu li l-funzjonig{\displaystyle \displaystyle {g}} mhux integrabbli.

La mhux kull funzjoni hi integrabbli, hemm bżonn li niddeċiedu meta l-integral ta' funzjonijeżisti jew le. Il-quddiem nagħtu żewġ klassijiet wiesa' ta' funzjonijiet li huma integrabbli. It-teorema li ġejja hi utli ħafna għal din id-deċizzjoni.

Teorema 1:Kundizzjoni meħtieġa u biżżejjed għall-integrabbiltà

Prova :Nissoponu lif{\displaystyle \displaystyle {f}} hi integrabbli u hekkS(f)=s(f){\displaystyle \displaystyle {S(f)=s(f)}}. Għall kullϵ>0{\displaystyle \displaystyle {\epsilon >0}}mogħtija, teżisti partizzjoniP1{\displaystyle \displaystyle {P_{1}}} ta'[a.b]{\displaystyle \displaystyle {[a.b]}} li tissodisfa

s(f,P1)>s(f)ϵ2.{\displaystyle \displaystyle {s(f,P_{1})>s(f)-{\frac {\epsilon }{2}}.}}

(Din issegwi mid-definizzjoni tas-supremum). Bl-istess mod teżisti partizzjoniP2{\displaystyle \displaystyle {P_{2}}} ta'[a.b]{\displaystyle \displaystyle {[a.b]}} li tissodisfa

S(f,P2)<S(f)+ϵ2.{\displaystyle \displaystyle {S(f,P_{2})<S(f)+{\frac {\epsilon }{2}}.}}

ĦalliP=P1P2{\displaystyle \displaystyle {P=P_{1}\cup P_{2}}}. Imbagħad minn Lemma 1, għandna

S(f,P)s(f,P)S(f,P2)s(f,P1)<(S(f)+ϵ2)(s(f)ϵ2)=S(f)s(f)+ϵ=ϵ.{\displaystyle \displaystyle {S(f,P)-s(f,P)\leq S(f,P_{2})-s(f,P_{1})<\left(S(f)+{\frac {\epsilon }{2}}\right)-\left(s(f)-{\frac {\epsilon }{2}}\right)=S(f)-s(f)+\epsilon =\epsilon .}}


Min naħa l-oħra, nissoponu li għall kullϵ>0{\displaystyle \displaystyle {\epsilon >0}}mogħtija, teżisti partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}} ta'[a.b]{\displaystyle \displaystyle {[a.b]}} li tissodisfaS(f,P)<s(f,P)+ϵ{\displaystyle \displaystyle {S(f,P)<s(f,P)+\epsilon }}. Allura

S(f)S(f,P)<s(f,P)+ϵs(f)+ϵ.{\displaystyle \displaystyle {S(f)\leq S(f,P)<s(f,P)+\epsilon \leq s(f)+\epsilon .}}

Laϵ{\displaystyle \displaystyle {\epsilon }} hi arbitrarja, bilfors liS(f)s(f){\displaystyle \displaystyle {S(f)\leq s(f)}} u alluraS(f)=s(f){\displaystyle \displaystyle {S(f)=s(f)}} uf{\displaystyle \displaystyle {f}} hi integrabbli.

Proprjetajiet tal-integral skont Riemann

[immodifika |immodifika s-sors]

Integrabbiltà

[immodifika |immodifika s-sors]
Proprijetà 1:Il-monotonija hi biżżejjed għall-integrabbiltà

Jekk il-funzjoni f:[a,b]R{\displaystyle \ f:[a,b]\to \mathbb {R} } hi monotona, allura hi integrabbli.

Prova:Nissoponu li l-funzjoni f{\displaystyle \ f} tiżdied fuq [a,b]{\displaystyle \ [a,b]}. Il-każ fejn tonqos hu simili. Jekk ningħatawϵ>0{\displaystyle \epsilon >0}, nistgħu nagħzluδ>0{\displaystyle \delta >0} li tissodisfa

δ<ϵf(b)f(a).{\displaystyle \delta <{\frac {\epsilon }{f(b)-f(a)}}.}

ĦalliP{\displaystyle P} tkun partizzjoni tal-intervall [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} f'sottointervalli [xk1,xk]{\displaystyle \ [x_{k-1},x_{k}]} ta' wisa' inqas minnδ{\displaystyle \delta }. Mill-monontonija għandnali Mk=f(xk){\displaystyle \ M_{k}=f(x_{k})} u mk=f(xk1){\displaystyle \ m_{k}=f(x_{k-1})}.Mela

0<S(f,P)s(f,P)=k=1n(f(xk)f(xk1))(xkxk1)<ϵf(b)f(a)k=1n(f(xk)f(xk1))=ϵ.{\displaystyle 0<S(f,P)-s(f,P)=\sum _{k=1}^{n}(f(x_{k})-f(x_{k-1}))(x_{k}-x_{k-1})<{\frac {\epsilon }{f(b)-f(a)}}\sum _{k=1}^{n}(f(x_{k})-f(x_{k-1}))=\epsilon .}

Allura mit-Teorema 1 nistgħu nikkonkludu li l-funzjoni hi integrabbli.

Proprijetà 2:Il-kontinwità hi suffiċjenti għall-integrabbiltà

Jekk il-funzjoni f:[a,b]R{\displaystyle \ f:[a,b]\to \mathbb {R} } hi kontinwa, allura hi integrabbli.

Prova:La l-funzjoni f:[a,b]R{\displaystyle \ f:[a,b]\to \mathbb {R} } hi kontinwa allura hi kontinwa uniformement. Jekk ningħatawϵ>0{\displaystyle \epsilon >0}, teżistiδ>0{\displaystyle \delta >0} li għaliha

|f(x)f(y)|<ϵba{\displaystyle |f(x)-f(y)|<{\frac {\epsilon }{b-a}}}

kull meta|xy|<δ{\displaystyle |x-y|<\delta }. JekkP{\displaystyle P} hi partizzjoni tal-intervall [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} f'sottointervalli [xk1,xk]{\displaystyle \ [x_{k-1},x_{k}]} ta' wisa' inqas minnδ{\displaystyle \delta }, imbagħad ikollna

0<Mkmk<ϵba{\displaystyle 0<M_{k}-m_{k}<{\frac {\epsilon }{b-a}}}

u mela

0<S(f,P)s(f,P)=k=1n(Mkmk)(xkxk1)<ϵbak=1n(xkxk1)=ϵ.{\displaystyle 0<S(f,P)-s(f,P)=\sum _{k=1}^{n}(M_{k}-m_{k})(x_{k}-x_{k-1})<{\frac {\epsilon }{b-a}}\sum _{k=1}^{n}(x_{k}-x_{k-1})=\epsilon .}

Allura mit-Teorema 1 nistgħu nikkonkludu li l-funzjoni hi integrabbli.

Proprijetà 3:Il-proprijetà tal-linjarità
Ħallif{\displaystyle f} ug{\displaystyle g} jkunu żewġ funzjonijiet kontinwi definiti f'intervall[a,b]{\displaystyle [a,b]} u ħalli jkunuα,βR{\displaystyle \alpha ,\beta \in \mathbb {R} }. Imbagħad:

ab(αf(x)+βg(x))dx=αabf(x)dx+βabg(x)dx.{\displaystyle \int _{a}^{b}(\alpha f(x)+\beta g(x))\,dx=\alpha \int _{a}^{b}f(x)dx+\beta \int _{a}^{b}g(x){\rm {d}}x.}

Prova:Jekkα0{\displaystyle \displaystyle {\alpha \geq 0}} jidher ċar liS(αf)=αS(f){\displaystyle \displaystyle {S(\alpha f)=\alpha S(f)}} us(αf)=αs(f){\displaystyle \displaystyle {s(\alpha f)=\alpha s(f)}}. Mela la

S(f)=s(f)=abf(x)dx,{\displaystyle \displaystyle {S(f)=s(f)=\int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x,}}

għandna

abαf(x)dx=S(αf)=s(αf)=αabf(x)dx.{\displaystyle \displaystyle {\int _{a}^{b}\alpha f(x){\rm {d}}x=S(\alpha f)=s(\alpha f)=\alpha \int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x.}}

B'mod simili jekkα<0{\displaystyle \displaystyle {\alpha <0}} għandnaS(αf)=αs(f){\displaystyle \displaystyle {S(\alpha f)=\alpha s(f)}} us(αf)=αS(f){\displaystyle \displaystyle {s(\alpha f)=\alpha S(f)}} u allura

abαf(x)dx=αabf(x)dx.{\displaystyle \displaystyle {\int _{a}^{b}\alpha f(x){\rm {d}}x=\alpha \int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x.}}

Mela issa biżżejjed li nipprovaw li

 ab(f(x)+g(x))dx=abf(x)dx+abg(x)dx.{\displaystyle \ \int _{a}^{b}(f(x)+g(x))\,{\rm {d}}x=\int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x+\int _{a}^{b}g(x){\rm {d}}x.}

Niftakru li

 supxD[f(x)+g(x)]supxDf(x)+supxDg(x)   u   infxD([f(x)+g(x)])infxDf(x)+infxDg(x){\displaystyle \ \sup _{x\in D}[f(x)+g(x)]\leq \sup _{x\in D}f(x)+\sup _{x\in D}g(x)\ \ \ {\rm {u}}\ \ \ \inf _{x\in D}([f(x)+g(x)])\geq \inf _{x\in D}f(x)+\inf _{x\in D}g(x)}

u għalhekk għal kull partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}} ta'[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}}

 S(f+g,P)S(f,P)+S(g,P)   u   s(f+g,P)s(f,P)+s(g,P).{\displaystyle \ S(f+g,P)\leq S(f,P)+S(g,P)\ \ \ {\rm {u}}\ \ \ s(f+g,P)\geq s(f,P)+s(g,P).}

Mit-Teorema 1 nafu li għall kullϵ>0{\displaystyle \displaystyle {\epsilon >0}}mogħtija, jeżistu partizzjonijietP1{\displaystyle \displaystyle {P_{1}}} uP2{\displaystyle \displaystyle {P_{2}}} ta'[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} li jissodisfaw

S(f,P1)<s(f,P1)+ϵ2   u   S(g,P2)<s(g,P2)+ϵ2.{\displaystyle \displaystyle {S(f,P_{1})<s(f,P_{1})+{\frac {\epsilon }{2}}\ \ \ {\rm {u}}\ \ \ S(g,P_{2})<s(g,P_{2})+{\frac {\epsilon }{2}}.}}

ĦalliP=P1P2{\displaystyle \displaystyle {P=P_{1}\cup P_{2}}}. Imbagħad minn Lemma 1, għandna

S(f,P)<s(f,P)+ϵ2   u   S(g,P)<s(g,P)+ϵ2.{\displaystyle \displaystyle {S(f,P)<s(f,P)+{\frac {\epsilon }{2}}\ \ \ {\rm {u}}\ \ \ S(g,P)<s(g,P)+{\frac {\epsilon }{2}}.}}

Jekk nikkumbinaw id-diżugwaljanzi niksbu

S(f+g,P)<S(f,P)+S(g,P)<s(f,P)+s(g,P)+ϵ<s(f+g,P)+ϵ{\displaystyle \displaystyle {S(f+g,P)<S(f,P)+S(g,P)<s(f,P)+s(g,P)+\epsilon <s(f+g,P)+\epsilon }}

u allura l-funzjonif+g{\displaystyle \displaystyle {f+g}} hi integrabbli.

Nin-naħa l-oħra, la

ab(f(x)+g(x))dx=S(f+g)S(f+g,P)<s(f,P)+s(g,P)+ϵs(f)+s(g)+ϵ=abf(x)dx+abg(x)dx+ϵ{\displaystyle {\begin{aligned}\int _{a}^{b}(f(x)+g(x))\,{\rm {d}}x&{}=S(f+g)\leq S(f+g,P)\\&{}<s(f,P)+s(g,P)+\epsilon \\&{}\leq s(f)+s(g)+\epsilon =\int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x+\int _{a}^{b}g(x)\,{\rm {d}}x+\epsilon \end{aligned}}}

u

ab(f(x)+g(x))dx=s(f+g)s(f+g,P)>S(f,P)+S(g,P)ϵS(f)+S(g)ϵ=abf(x)dx+abg(x)dxϵ{\displaystyle {\begin{aligned}\int _{a}^{b}(f(x)+g(x))\,{\rm {d}}x&{}=s(f+g)\geq s(f+g,P)\\&{}>S(f,P)+S(g,P)-\epsilon \\&{}\geq S(f)+S(g)-\epsilon =\int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x+\int _{a}^{b}g(x)\,{\rm {d}}x-\epsilon \end{aligned}}}

nikkonkludu li

ab(f(x)+g(x))dx=abf(x)dx+abg(x)dx.{\displaystyle \int _{a}^{b}(f(x)+g(x))\,{\rm {d}}x=\int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x+\int _{a}^{b}g(x)\,{\rm {d}}x.}
Proprijetà 4:Il-proprijetà tal-additività

Prova:

Mit-Teorema 1 nafu li għall kullϵ>0{\displaystyle \displaystyle {\epsilon >0}}mogħtija, jeżistu partizzjonijietP1{\displaystyle \displaystyle {P_{1}}} ta'[a,c]{\displaystyle \displaystyle {[a,c]}} uP2{\displaystyle \displaystyle {P_{2}}} ta'[c,b]{\displaystyle \displaystyle {[c,b]}} li jissodisfaw

S(f,P1)s(f,P1)<ϵ2   u   S(f,P2)s(f,P2)<ϵ2.{\displaystyle \displaystyle {S(f,P_{1})-s(f,P_{1})<{\frac {\epsilon }{2}}\ \ \ {\rm {u}}\ \ \ S(f,P_{2})-s(f,P_{2})<{\frac {\epsilon }{2}}.}}

ĦalliP=P1P2{\displaystyle \displaystyle {P=P_{1}\cup P_{2}}}. Din partizzjoni ta'[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} u għandna

S(f,P)s(f,P)=S(f,P1)+S(f,P2)s(f,P1)s(f,P2)=(S(f,P1)s(f,P1))+(S(f,P2)s(f,P2))<ϵ2+ϵ2=ϵ.{\displaystyle \displaystyle {S(f,P)-s(f,P)=S(f,P_{1})+S(f,P_{2})-s(f,P_{1})-s(f,P_{2})=(S(f,P_{1})-s(f,P_{1}))+(S(f,P_{2})-s(f,P_{2}))<{\frac {\epsilon }{2}}+{\frac {\epsilon }{2}}=\epsilon .}}

Melaf{\displaystyle \displaystyle {f}} hi integrabbli fuq[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}}.

Nin-naħa l-oħra, la

abf(x)dxS(f,P)=S(f,P1)+S(f,P2)<s(f,P1)+s(f,P2)+ϵacf(x)dx+cbf(x)dx+ϵ{\displaystyle {\begin{aligned}\int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x&{}\leq S(f,P)=S(f,P_{1})+S(f,P_{2})\\&{}<s(f,P_{1})+s(f,P_{2})+\epsilon \\&{}\leq \int _{a}^{c}f(x)\,{\rm {d}}x+\int _{c}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x+\epsilon \end{aligned}}}

u

abf(x)dxs(f,P)=s(f,P1)+s(f,P2)>S(f,P1)+S(f,P2)ϵacf(x)dx+cbf(x)dxϵ{\displaystyle {\begin{aligned}\int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x&{}\geq s(f,P)=s(f,P_{1})+s(f,P_{2})\\&{}>S(f,P_{1})+S(f,P_{2})-\epsilon \\&{}\geq \int _{a}^{c}f(x)\,{\rm {d}}x+\int _{c}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x-\epsilon \end{aligned}}}

nikkonkludu li

abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x=\int _{a}^{c}f(x){\rm {d}}x+\int _{c}^{b}f(x){\rm {d}}x}

kif nixiequ.

Proprijetà 5:Il-propijetà tal-monotonija

Prova :Jekkf(x)g(x){\displaystyle f(x)\leq g(x)} għal kull x[a,b]{\displaystyle \ x\in [a,b]}, għal kull partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}} ta'[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} ikollna

 S(f,P)S(g,P)   u   s(f,P)s(g,P){\displaystyle \ S(f,P)\leq S(g,P)\ \ \ {\rm {u}}\ \ \ s(f,P)\leq s(g,P)}

Minn dawn id-diżugwaljanzi nikkonkludu l-monotonija tal-integral.

Teorema:Teorema tal-valur assolut
Jekkf{\displaystyle f} tkun integrabbli fl-intervall [a,b]{\displaystyle \ [a,b]}, imbagħad|f|{\displaystyle |f|} hi wkoll integrabbli u
|abf(x)dx|ab|f(x)|dx.{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x\right|\leq \int _{a}^{b}\left|f(x)\right|{\rm {d}}x.}


Prova:ĦalliP{\displaystyle \displaystyle {P}} tkun partizzjoni ta'[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} f'n{\displaystyle \displaystyle {n}} sottointervalli

P={a=x0<x1<x2<<xn1<xn=b}{\displaystyle P=\{a=x_{0}<x_{1}<x_{2}<\ldots <x_{n-1}<x_{n}=b\}},

u

m~k=inf{|f(x)|:x[xk1,xk]},  M~k=sup{|f(x)|:x[xk1,xk]}.{\displaystyle {\tilde {m}}_{k}=\inf\{|f(x)|:x\in [x_{k-1},x_{k}]\},\ \ {\tilde {M}}_{k}=\sup\{|f(x)|:x\in [x_{k-1},x_{k}]\}.}

Mid-diżugwaljanza

|f(x)||f(y)||f(x)f(y)|Mkmk{\displaystyle |f(x)|-|f(y)|\leq |f(x)-f(y)|\leq M_{k}-m_{k}}

għal kullx,y[xk1,xk]{\displaystyle \displaystyle {x,y\in [x_{k-1},x_{k}]}},nikkonkludu li

M~km~kMkmk{\displaystyle {\tilde {M}}_{k}-{\tilde {m}}_{k}\leq M_{k}-m_{k}}

u allura

S(|f|,P)s(|f|,P)S(f,P)s(f,P).{\displaystyle S(|f|,P)-s(|f|,P)\leq S(f,P)-s(f,P).}

Mela laf{\displaystyle \displaystyle {f}} hi integrabbli,|f|{\displaystyle \displaystyle {|f|}} hi integrabbli wkoll.

Id-diżugwaljanza bejn l-integrali, niksbuha mir-relazzjoni±f(x)|f(x)|{\displaystyle \pm f(x)\leq |f(x)|} valida għal kullx[a,b]{\displaystyle x\in [a,b]}.

Teorema tal-medja

[immodifika |immodifika s-sors]
Teorema:Teorema integrali tal-medja

Prova:Laf{\displaystyle f\!} hi kontinwa f'[a,b]{\displaystyle [a,b]\!}, bit-teorema ta' Weierstrass għandhamassimuM{\displaystyle M\!} uminimum{\displaystyle m\!} f'[a,b]{\displaystyle [a,b]\!}:

supx[a,b]f(x)=M u infx[a,b]f(x)=m.{\displaystyle \sup _{x\in [a,b]}f(x)=M{\mbox{ u }}\inf _{x\in [a,b]}f(x)=m.\!}

Mela

mf(x)M.{\displaystyle m\leq f(x)\leq M\!.}

Mill-proprijetà tal-monotonija tal-integral jirriżulta li

m(ba)=abmdxabf(x)dxabMdx=M(ba){\displaystyle m(b-a)=\int _{a}^{b}m\,{\rm {d}}x\leq \int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x\leq \int _{a}^{b}M\,{\rm {d}}x=M(b-a)\!}

u allura

m1baabf(x)dxM.{\displaystyle m\leq {{1} \over {b-a}}\int _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x\leq M.\!}

Issa mill-proprijetajiet tal-funzjonijiet kontinwi nafu lif{\displaystyle f\!} f'[a,b]{\displaystyle [a,b]\!} trid tieħu il-valurikollha f'[m,M]{\displaystyle [m,M]\!}.Allura, in partikulari teżistic[a,b]{\displaystyle c\in [a,b]\!} li tissodisfaf(c)=1baabf(x)dx{\displaystyle f(c)={{1} \over {b-a}}\int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x}.

Kalkulu differenzjali u kalkulu integrali

[immodifika |immodifika s-sors]

F'din is-sezzjoni nagħtu ż-żewġ teoremi fundamentali tal-kalkulu integrali li jistabillixxu il-konnessjoni intima li teżisti bejn il-kalkulu differenzjali u l-kalkulu integrali. Dawn it-teoremi huma s-sissien tal-analisi integrali fis-sens li huma l-ħolqa li tgħaqqad il-kalkulu differenzjali mal-kalkulu integrali.

Teorema fundamentali tal-kalkulu integrali I

[immodifika |immodifika s-sors]
Teorema:Teorema fundamentali tal-kalkulu integrali I

Prova: Nieħduc[a,b]{\displaystyle c\in [a,b]}. Imbagħad għal kullϵ>0{\displaystyle \displaystyle {\epsilon >0}}mogħtija, teżistiδ>0{\displaystyle \displaystyle {\delta >0}} li għaliha

|f(t)f(c)|<ϵ,{\displaystyle \displaystyle {|f(t)-f(c)|<\epsilon ,}}

jekk|tc|δ.{\displaystyle |t-c|\leq \delta .} Jidher ċar li

f(c)=1δcc+δf(c)dt{\displaystyle f(c)={\frac {1}{\delta }}\int _{c}^{c+\delta }f(c){\rm {d}}t}

u li

F(c+δ)F(c)δ=1δcc+δf(t)dt.{\displaystyle {\frac {F(c+\delta )-F(c)}{\delta }}={\frac {1}{\delta }}\int _{c}^{c+\delta }f(t){\rm {d}}t.}

Allura għandna

F(c+δ)F(c)δf(c)=1δcc+δ(f(t)f(c))dt{\displaystyle {\frac {F(c+\delta )-F(c)}{\delta }}-f(c)={\frac {1}{\delta }}\int _{c}^{c+\delta }(f(t)-f(c)){\rm {d}}t}

u għalhekk

|F(c+δ)F(c)δf(c)|1δcc+δ|f(t)f(c)|dt.{\displaystyle \left|{\frac {F(c+\delta )-F(c)}{\delta }}-f(c)\right|\leq {\frac {1}{\delta }}\int _{c}^{c+\delta }|f(t)-f(c)|{\rm {d}}t.}

MelaF(c+δ)F(c)δ{\displaystyle {\frac {F(c+\delta )-F(c)}{\delta }}} tikkonverġi lejnf(c){\displaystyle \displaystyle {f(c)}} metaδ{\displaystyle \displaystyle {\delta }} tersaq lejn 0, u allura

F(c):=limδ0F(c+δ)F(c)δ=f(c).{\displaystyle F'(c):=\lim _{\delta \to 0}{\frac {F(c+\delta )-F(c)}{\delta }}=f(c).}


Nota:Fil-kalkulu differenzjali hemm dan il-kunċett tal-primittiva:

Funzjoni F{\displaystyle \ F} derivabbli f'intervall [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} ngħidulha l-primittiva ta' f{\displaystyle \ f} f' [a,b]{\displaystyle \ [a,b]} jekk:

 F(x)=f(x){\displaystyle \ F'(x)=f(x)}

għal kullx[a,b]{\displaystyle x\in [a,b]}.

Mela dan it-teorema jiggarantixxi l-eżistenza ta' primittiva.

Teorema fundamentali tal-kalkulu integrali II

[immodifika |immodifika s-sors]
Teorema:Teorema fundamentali tal-kalkulu integrali II

Prova: ĦalliP{\displaystyle \displaystyle {P}} tkun partizzjoni ta'[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} f'n{\displaystyle \displaystyle {n}} sottointervalli

P={a=x0<x1<x2<<xn1<xn=b},{\displaystyle P=\{a=x_{0}<x_{1}<x_{2}<\ldots <x_{n-1}<x_{n}=b\},}

u

m~k=inf{f(x):x[xk1,xk]},  M~k=sup{f(x):x[xk1,xk]}.{\displaystyle {\tilde {m}}_{k}=\inf\{f'(x):x\in [x_{k-1},x_{k}]\},\ \ {\tilde {M}}_{k}=\sup\{f'(x):x\in [x_{k-1},x_{k}]\}.}

Billi napplikaw it-teorema tal-valur medju għall kull intervall[xk1,xk]{\displaystyle \displaystyle {[x_{k-1},x_{k}]}}, niksbu puntitk(xk1,xk){\displaystyle \displaystyle {t_{k}\in (x_{k-1},x_{k})}}, li għalihom

f(xk)f(xk1=f(tk)(xkxk1).{\displaystyle \displaystyle {f(x_{k})-f(x_{k-1}=f'(t_{k})(x_{k}-x_{k-1}).}}

Mela għandna

f(b)f(a)=k=1n[f(xk)f(xk1)]=k=1nf(tk)(xkxk1).{\displaystyle f(b)-f(a)=\sum _{k=1}^{n}[f(x_{k})-f(x_{k-1})]=\sum _{k=1}^{n}f'(t_{k})(x_{k}-x_{k-1}).}

Lam~kf(tk)M~k{\displaystyle \displaystyle {{\tilde {m}}_{k}}\leq f(t_{k})\leq {\tilde {M}}_{k}} għal kullk{\displaystyle \displaystyle {k}}, isegwi li

s(f,P)f(b)f(a)S(f,P).{\displaystyle s(f',P)\leq f(b)-f(a)\leq S(f',P).}

La din hi valida għal kull partizzjoniP{\displaystyle \displaystyle {P}}, għandna wkoll

s(f)f(b)f(a)S(f).{\displaystyle s(f')\leq f(b)-f(a)\leq S(f').}

Imma qegħdin nassumu lif{\displaystyle \displaystyle {f'}} hi integrabbli fuq[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}}, u għalhekk

s(f)=S(f)=abf(t)dt.{\displaystyle s(f')=S(f')=\int _{a}^{b}f'(t){\rm {d}}t.}

Allura

abf(t)dt=f(b)f(a).{\displaystyle \int _{a}^{b}f'(t){\rm {d}}t=f(b)-f(a).}

Integrali impropri

[immodifika |immodifika s-sors]

Ngħidu li l-funzjonif{\displaystyle f} hi assolutament integrabbli fuq intervall tat-tip[a,){\displaystyle [a,\infty )} jekk u biss jekk fuq dan l-intervall, il-funzjoni |f{\displaystyle f}| hija wkoll integrabbli.

Hemm ukoll teorema li tiggarantixxi li funzjoni li hi assolutament integrabbli hi integrabbli, fuq l-intervall tat-tip[a,]{\displaystyle [a,\infty ]}:

Teorema:Teorema tal-integrabbiltà assoluta

Jekkf{\displaystyle f} tkun assolutament integrabbli, imbagħad tkun ukoll integrabbli.


Prova:Bit-teorema fuq l-eżistenza ta'l-integrali nafu li l-kondizzjoni neċessarja u suffiċjenti biexaf(x)dx{\displaystyle \int _{a}^{\infty }f(x){\rm {d}}x} jeżisti u hu finit hi li

ϵ> 0γ> 0:x1,x2< γ|x1x2f(x)dx|< ϵ.{\displaystyle \forall \epsilon >\ 0\quad \exists \gamma >\ 0:\quad \forall x_{1},x_{2}<\ \gamma \quad \left|\int _{x_{1}}^{x_{2}}f(x){\rm {d}}x\right|<\ \epsilon .}


Mill-integrabbiltà ta' |f|{\displaystyle \ |f|} nafu li l-espressjoni tal-aħħar hi valida jekk inpoġġu |f(x)|{\displaystyle \ |f(x)|} minflok f(x){\displaystyle \ f(x)}:


ϵ> 0γ> 0:x1,x2< γ|x1x2|f(x)|dx|< ϵ.{\displaystyle \forall \epsilon >\ 0\quad \exists \gamma >\ 0:\quad \forall x_{1},x_{2}<\ \gamma \quad \left|\int _{x_{1}}^{x_{2}}\left|f(x)\right|{\rm {d}}x\right|<\ \epsilon .}

Imma mill-proprietà tal-valur assolut għall-integrali għandna

|abf(x)dx|ab|f(x)|dx.{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x){\rm {d}}x\right|\leq \int _{a}^{b}\left|f(x)\right|{\rm {d}}x.}


U mela nistgħu niktbu

ϵ> 0γ> 0:x1,x2< γx1x2|f(x)dx|< ϵ.{\displaystyle \forall \epsilon >\ 0\quad \exists \gamma >\ 0:\quad \forall x_{1},x_{2}<\ \gamma \quad \int _{x_{1}}^{x_{2}}\left|f(x){\rm {d}}x\right|<\ \epsilon .}

Mill-liema niksbu li f{\displaystyle \ f} hi integrabbli.

Hemm bżonn noqgħodu attenti li ma nħalltux dan it-teorema mal-kuntrarju tiegħu, li hu falz għax mhux il-funzjonijiet integrabbli kollha huma assolutament integrabbli. Eżempju ta' dan hi funzjoni ta' dan it-tip

sinxx.{\displaystyle {{\sin x} \over {x}}.}

L-integral skont Lebesgue

[immodifika |immodifika s-sors]

L-integral skont Riemann li tħaditna fuqu hawn fuq, għandu motivazzjoni tajba, hu sempliċi biex tiddeskrivih u hu biżżejjed għal ħtieġijiet tal-kalulu elmentari. Però, dan l-integral ma jissodisfax il-ħtieġijiet kollha tal-analisi avvanzata. L-integral skont Lebesgue jippermetti l-integrazzjoni ta' funzjonijiet iżjed ġenerali, jittratta l-funzjonijiet limitati u mhux limitati fl-istess ħin, u jħallina nbidlu lintervall[a,b]{\displaystyle \displaystyle {[a,b]}} f'settijiet iżjed ġenerali.

Integrali oħra

[immodifika |immodifika s-sors]

Bibljografija

[immodifika |immodifika s-sors]

Ħoloq esterni

[immodifika |immodifika s-sors]
Portal Matematika
Miksub minn "https://mt.wikipedia.org/w/index.php?title=L-Integral&oldid=318797"
Kategoriji:

[8]ページ先頭

©2009-2026 Movatter.jp