انتگرال معین (قضیه بنیادی)

آخرین ویرایش: 05 اسفند 1402
دسته‌بندی: انتگرال
امتیاز:

قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال

اگر x عددی در بازه a,b باشد، آن‌گاه f بر a,x پیوسته است و چون بر a,b پیوسته است، بنابراین:

∫  x  aft  dt

موجود و یکتا است که مقدارش بستگی به x دارد.

بنابراین ∫  x  aft  dt تابعی مانند F را تعریف می‌کند که دامنه اش همه اعداد بازه بسته a,b است.

مقدار تابع در هر عددی مانند x در بازه a,b به‌صورت زیر می‌باشد:  

Fx=∫  x  aft  dt    ;    Ι

نکته

اگر حدود انتگرال معین، متغیر باشند، علائم متفاوتی برای این حدود و برای متغیر مستقل انتگرال به کار برده می‌شود.

از این روی در Ι چون x حد بالای انتگرال است، حرف t را به‌عنوان متغیر مستقل انتگرال به کار می‌بریم. 

 اگر در معادله Fx=∫  x  aft  dt     برای تمام مقادیر t در بازه a,b تابع ft≥0 باشد:

آن‌گاه مقدار تابع Fx را می‌توان از نظر هندسی به‌عنوان اندازه مساحت ناحیه محدود به منحنی با معادله y=ft، محور tها ،  t=a و t=x تعبیر کرد.

توجه به این نکته که Fa=∫ a  aft  dt     مقدارش صفر است.

قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال - پیمان گردلو      

تمرین

نمودار f در زیر رسم شده است:

قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال - پیمان گردلو

مقدار Fx=∫ 0 xft  dt     را به‌دست آورید.

Fx=∫ 0 xft  dt ⇒ F-2=∫ 0-2ft  dt =0 


جمع جبری مساحت ها در بازه -2,0 صفر است.

تمرین

اگر ft=sgnt=1    ;   t>00   ;   t=0−1 ;  t<0 باشد، ضابطه Fx را در انتگرال معین زیر به‌دست آورید:  

Fx=∫  0  xft  dt

قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال - پیمان گردلو

تمرین

اگر Fx=∫  0  xt  dt باشد، آن‌گاه نمودار تابع F را رسم کنید.

نمودار تابع ft=t را در R رسم می‌کنیم:


قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال - پیمان گردلو

برای رسم نمودار Fx داریم:


قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال - پیمان گردلو

اکنون به بیان و اثبات قضیه مهمی می‌پردازیم که به‌وسیله آن می‌توان مشتق تابعی مانند F را که به‌صورت انتگرال معین با یک حد بالای متغییر تعریف شده است، پیدا کنیم: 

اولین قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال

قضیه

اگر تابع f بر بازه بسته a,b پیوسته باشد و x عدد دلخواهی در a,b باشد، اگر تابع F به‌صورت  

Fx=∫  a  xft  dt تعریف شده باشد، آن‌گاه:

F'x=fx

اثبات

دو عدد x1  و x1+∆x را در بازه a,b در نظر می‌گیریم:  

Fx1=∫  a  x1ft dtFx1+Δx=∫  a  x1+Δxft  dt

Fx1+Δx−Fx1=∫  a  x1+Δxft  dt−∫  a  x1ft  dt    ;     Ι

یادآوری می‌کنیم که:

∫  a  x1ft  dt+∫  x1  x1+Δxft  dt=∫  a  x1+Δxft  dt

∫  x1  x1+Δxft dt=∫  a  x1+Δxft  dt−∫  a  x1ft  dt      ;    Ι

∫  x1  x1+Δxft  dt=Fx1+Δx−Fx1                     ;    ΙΙ

بنابر قضیه مقدار میانگین، عددی مانند X در بازه بسته‌ای که محدود به دو عدد x1  و x1+∆x است، وجود دارد به‌قسمی که: 

∫  x1  x1+Δxft  dt=fXx1+Δx−x1

⇒∫  x1  x1+Δxft  dt=fX.Δx     ;    ΙΙ  

⇒Fx1+Δx−Fx1=fX.Δx

⇒Fx1+Δx−Fx1Δx=fX

⇒limΔx→0Fx1+Δx−Fx1Δx=limΔx→0fX    

⇒F'x1=limΔx→0fX           ;         1

برای تعیین limΔx→0fX داریم:

چون X در بازه بسته‌ای قرار دارد که محدود به دو عدد x1  و x1+∆x می‌باشد، داریم:

x1≤X≤x1+Δx

⇒limΔx→0x1≤limΔx→0X≤limΔx→0x1+Δx

⇒limΔx→0x1≤limΔx→0X≤limΔx→0x1

⇒limΔx→0X=limΔx→0x1⇒limΔx→0X=x1

چون f در x1 پیوسته است، داریم:

if   limΔx→0X=x1⇒limΔx→0fX=fx1    ;    2

بنابراین:

1    ;   F'x1=limΔx→0fX 2   ;   F'x1=fx1

F'x1=fx1

قضیه

اگر تابع f بر بازه بسته a,b انتگرال پذیر باشد و F به‌صورت Fx=∫  a  xft  dt تعریف شود، آن‌گاه F روی a,b پیوسته است. 

اثبات

اگر تابع f بر بازه بسته a,b انتگرال پذیر باشد، طبق تعریف کراندار است پس عددی مانند M وجود دارد که به ازای هر x∈ a,b داریم fx≤M.

فرض کنیم c متعلق به a,b باشد. اگر h>0 باشد، آن‌گاه:  

Fc+h−Fc=∫  a  c+hft  dt−∫  a  cft  dt=∫ c  c+hft  dt    ;    Ι

برطبق قضیه مقدار میانگین داریم:

−M≤fx≤M

⇒−M≤1c+h−c∫  c  c+hft  dt≤M

⇒−M≤1h∫  c  c+hft  dt≤M

⇒−Mh≤∫  c  c+hft  dt≤Mh      ;       Ι

⇒−Mh≤Fc+h−Fc≤Mh

⇒limh→0−Mh≤limh→0Fc+h−Fc≤limh→0Mh

⇒limh→0Fc+h−Fc=0⇒limh→0Fc+h=Fc

یعنی f در هر نقطه c پیوسته است. برای h<0 هم به‌همین صورت ثابت می‌شود.

نکته

1- واضح است که اگر f تابعی پیوسته باشد، طبق قضیه اول اساسی F مشتق پذیر است پس پیوسته است.

اما قضیه حالت کلی‌تری را نشان می‌دهد، یعنی می‌توان f ناپیوسته باشد. 

2- تابعی را که به‌صورت Fx=∫  a  xft  dt تعریف کردیم، انتگرال نامعین f می‌نامیم.

یادآوری

به‌طور کلی اگر f پیوسته هم نباشد اما انتگرال پذیر باشد، تعریف فوق به‌قوت خود باقی است.

ممکن است f تابعی انتگرال پذیر اما ناپیوسته باشد، مثلا در نقاطی با تغییر x جهشی در مقدار تابع ایجاد شود، اما انتگرال نامعین نظیرش این رفتار را نشان می‌دهد، بلکه همواره تابعی پیوسته‌ای را نشان ‌دهد.

این خاصیت کلی از انتگرال نامعین است، از نظر شهودی وقتی f انتگرال پذیر است، ∫  a  xft  dtهمواره مساحتی را از نظر جبری نشان می‌دهد. 

مثلا در نقطه c جهشی در تابع حاصل شده است، این جهش مساحت کوچکی را به مساحت قبلی اضافه می‌کند، لذا تغییر کوچکی در مقدار Fx رخ می‌دهد.

قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال - پیمان گردلو

تمرین

با به کارگيری اولین قضيه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال مقادیر زیر را محاسبه کنید:

if  Fx=∫  1  x2+tdx⇒F'x=?

یادآوری)

if   Fx=∫  a  xftdt⇒F'x=fx

if   Fx=∫  1  x2+tdt⇒F'x=fx=2+x

if  Fx=∫  0  xtsinπtdt⇒F'x=?

یادآوری)

if   Fx=∫  a  xftdt⇒F'x=fx

if   Fx=∫  0  xtsinπtdt⇒F'x=fx=xsinπx

دریافت مثال

قضیه

if  Fx=∫  a  gxft  dt⇒F'x=g'x×fgx

اثبات

اگر u=gx باشد، چون F تابعی از u و u تابعی از x است، داریم:

F'x=dFdx⇒F'x=dFdu.dudx⇒F'x=F'u.u'x

⇒F'x=fu×g'x   ;  u=gx

⇒F'x=fgx×g'x

قضیه

if  Fx=∫ gx aft  dt⇒F'x=−g'x×fgx

اثبات

Fx=∫  gx  aft  dt⇒Fx=−∫  a  gxft  dt⇒F'x=−∫  a  gxft  dt'⇒F'x=−g'x×fgx

یادآوری می‌کنیم که:

F'x=−u'x×fu

تمرین

مقادیر زیر را محاسبه کنید.

if  Fx=∫  2  x2+11t2+1dt⇒F'x=?

if   Fx=∫  a  gxft  dt⇒F'x=g'x×fgx

Fx=∫  2  x2+11t2+1dt

⇒F'x=x2+1'.1x2+12+1

⇒F'x=2x×1x2+12+1⇒F'x=2xx2+12+1

if   Fx=∫  ex2  21t+1dt⇒F'0=?

Fx=∫  ex2  21t+1dt⇒Fx=−∫  2  ex21t+1dt⇒F'x=−ex2'1ex2+1

⇒F'x=−2xex21ex2+1    ;   x=0

⇒F'0=0

تمرین

مقادیر زیر را محاسبه کنید.

limx→0∫  0  xet2dtxex

limx→0∫  0  xet2dtxex=00

limx→0∫  0  xet2dt'xex'=limx→01×ex2ex+xex=e0e0=1


برای رفع ابهام حد فوق، از قاعده هوپیتال استفاده کرده‌ایم.

limx→0∫  0  x2sintdtx3

limx→0∫  0  x2sintdtx3=00

limx→0∫  0  x2sintdt'x3'=limx→0x2'sinx23x2=limx→02xsinx3x2


برای رفع ابهام حد فوق، از قاعده هوپیتال استفاده کرده‌ایم.

limx→0+2xsinx3x2=limx→0+2xsinx3x2=23

limx→0−2xsinx3x2=limx→0−−2xsinx3x2=−23


حد چپ و راست با هم برابر نیست، بنابراین تابع در x=0 حد ندارد.

دریافت مثال

قضیه

if  Fx=∫  vx  gxft  dt

⇒F'x=−v'xfvx+g'x.fgx

اثبات

Fx=∫  vx  gxft  dt

⇒Fx=∫  vx  aft  dt+∫  a  gxft  dt

⇒Fx=−∫  a  vxft  dt+∫  a  gxft  dt

⇒F'x=−∫  a  vxft  dt+∫  a  gxft  dt' 

⇒F'x=−∫  a  vxft  dt'+∫  a  gxft  dt'

⇒F'x=−v'xfvx+g'x.fgx

تمرین

مقادیر زیر را محاسبه کنید.

if  Fx=∫  x  2x1+t2dt⇒F'x=?

Fx=∫  vx  gxft  dt

⇒F'x=−v'xfvx+g'x.fgx

Fx=∫  x  2x1+t2dt

⇒F'x=−x'.1+x2+2x'.1+2x2

⇒F'x=−1+x2+21+4x2

fx=∫  1x  tanxdt1+t2⇒f'x=?

fx=∫  1x  tanxdt1+t2⇒f'x=∫  1x  tanxdt1+t2'

⇒f'x=−1x'11+1x2+tanx'.11+tanx2

⇒f'x=−−1x211+1x2+1+tan2x11+tan2x

⇒f'x=1x2+1+1⇒f'x=x2+2x2+1

limx→0∫  x  tanxt  dt∫  0  x2t3  dt=?

limx→0∫  x  tanxt∫  0  x3t3dtdt=00limx→0∫  x  tanxtdt'∫  0  x3t3dt'

=limx→01+tan2xtanx−1x3x2x33

=limx→0tanx−x+tan3x3x3=limx→013x3+x33x3= 433=49


برای رفع ابهام حد فوق، از قاعده هوپیتال استفاده کرده‌ایم.

دریافت مثال

دومین قضیه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال

قضیه

فرض کنید تابع f بر بازه بسته a,b پیوسته و g تابعی باشد که به ازای هر x در a,b داشته باشیم g'x=fx باشد، در این‌صورت داریم:  

∫  a  bft  dt=gb−ga

اثبات

اگر تابع f بر بازه بسته a,b پیوسته باشد، ∫  a  xft  dt با حد بالای متغیر x تابعی مانند F را تعریف می‌کند که مشتق آن بر a,b تابع f است، زیرا با فرض g'x=fx داریم:  

if   g'x=fx

⇒gx=∫  a  xft  dt+k

⇒ga=∫  a  aft  dt+k gb=∫  a  bft+k 

طرفین تساوی های زیر را از هم کم می‌کنیم:

gb−ga=∫  abft  dt−∫  aaft  dt⏟0⇒∫  a  bft  dt=gb−ga

تذکر

باید بر تفاوت بین انتگرال نامعین و انتگرال معین تاکید کرد:

انتگرال نامعین ∫fx  dxبه‌عنوان تابعی چون g تعریف می‌شود، به‌طوری‌که:

Dxgx=fx

انتگرال معین ∫  a  bfx  dx عددی است که مقدارش بستگی به تابع f و اعداد a و b دارد و به‌صورت حد یک مجموعه ریمانی تعریف می‌شود.  

تمرین

مقادیر زیر را محاسبه کنید.

if  fx=Ln∫  0  x22t1+t2dt⇒f'1=?

یادآوری)

if   y=Lnu⇒y'=uu'



f'x=∫  0  x22t1+t2  dt'∫  0  x22t1+t2  dt⇒f'x=2x×2x21+x4Ln1+t2x20

⇒f'x= 4x31+x4Ln1+x2−Ln1+0

⇒f'x=  4x31+x4Ln1+x2

⇒f'x=4x31+x4Ln1+x2

⇒f'1=42Ln2⇒f'1=2Ln2

if  fx=e∫0sinxet  dt⇒f'π=?

یادآوری)

if   fx=eu⇒f'x=u'eu



fx=e∫0sinxet  dt

⇒f'x=∫  0  sinxet  dt'×e∫0sinxet  dt

⇒f'x=cosx×esinx×e∫0sinxet  dt

⇒f'x=cosx×esinx×eesinx−1     ;   1

⇒f'π=cosπ×esinπ×eesinπ−1

⇒f'π=−1×e0×ee0−1⇒f'π=−1

1    :   ∫  0  sinxetdt=etsinx0=esinx−e0=esinx−1

if  fx=sinπ∫  0  xsintdt⇒f'π24=?

fx=sinπ∫  0  xsintdt

⇒f'x=π∫  0  xsint  dt'.cosπ∫  0  xsint  dt

⇒f'x=π×12xsinx.cosπ∫  0  xsint  dt     ;    x=π24

⇒f'π24=π×12π24.sinπ24.cosπ∫  0  π24sintdt

⇒f'π24=π2×π2.sinπ2.cosπ∫  0  π2sint  dt 

⇒f'π24=cosπ∫  0  π2sint  dt⏟Ι 

⇒f'π24=cosπ×1⇒f'π24=−1

I=∫  0  π2sint  dt=−costπ20=−cosπ2−cos0=−0−1=1

دریافت مثال

خرید پاسخ‌ها

انتگرال معین (قضیه بنیادی)

12,000تومان
خرید فایل PDF مثال ها و جواب ها

برای ارسال نظر وارد سایت شوید