انتگرال معین (ویژگی‌ها)

آخرین ویرایش: 05 اسفند 1402
دسته‌بندی: انتگرال
امتیاز:

ویژگی انتقال در انتگرال معین

قضیه

اگر تابع f بر بازه بسته a,b انتگرال پذیر و c هر عدد حقیقی باشد، آنگاه:

∫  a+c  b+cfx  dx=∫  a  bfx+c  dx

اثبات

فرض می‌کنیم x=t+c باشد:

if  x=a+c→x=t+ct+c=a+c⇒t=a

if   x=b+c→x=t+ct+c=b+c⇒t=b

∫  a+c  b+cfx  dx=∫  a  bft+c  dt=∫  a  bfx+c  dx

تمرین

if  ∫  4  12fx−2dx=∫  1  9fx+cdx⇒c=?

∫  4  12fx−2dx=∫  1  9fx+cdx

⇒∫  1+3  9+3fx−2dx=∫  1  9fx+cdx

⇒∫  1  9fx−2+3dx=∫  1  9fx+cdx

⇒∫  1  9fx+1dx=∫  1  9fx+cdx

⇒x+1=x+c⇒c=1

if  ∫  3  7fx−3dx=12⇒∫  0  4fxdx=?

∫  3  7fx−3dx=12⇒∫  0+3  4+3fx−3dx=12

⇒∫  0  4fx−3+3dx=12

⇒∫  0  4fxdx=12

دریافت مثال

ویژگی فشردگی و کشیدگی در انتگرال معین

قضیه

فرض کنیم a و b و c اعداد حقیقی باشند به‌طوری‌که ac<bc و تابع f بر بازه بسته ac,bc انتگرال پذیر باشد، آن‌گاه:  

∫  ac  bcfx  dx=c∫  a  bfcx  dx

اثبات

if  x=ct⇒dx=cdt

if   x=bc⇒bc=ct⇒t=b

if   x=ac⇒ac=ct⇒t=a

∫  ac  bcfx  dx=∫  a  bfct.c dt=c∫  a  bfcx  dx

تمرین

if  ∫  2  8fxdx=4⇒∫  1  4f2xdx

∫  ac  bcfxdx=c∫  a  bfcxdx∫  2  8fxdx=4

⇒∫  1×24×2fxdx=4⇒2∫  1  4f2xdx=4⇒∫  1  4f2xdx=2

if  ∫  3  12f2x+5dx=∫  1  4cfax+bdx⇒a,b,c=?

∫  ac  bcfx  dx=c∫  a  bfcx  dx

∫  3  12f2x+5dx=∫  1  4cfax+bdx

⇒∫  1×34×3f2x+5dx=c∫  1  4fax+bdx

⇒3∫  14f32x+5dx=c∫  1  4fax+bdx

⇒3∫  14f6x+15dx=c∫  1  4fax+bdx

⇒b=15a=6c=3

دریافت مثال

نکته

با استفاده از قضیه فوق یک خاصیت مهم Lnx ثابت می‌شود:

Lnx=∫  1  x1t  dt⇒Lnab=∫  1  ab1t  dt

⇒Lnab=∫  1  a1t  dt+∫  1  b1t  dt

⇒Lnab=Lna+Lnb

انتگرال گیری از تابع متناوب

قضیه

اگر تابع f روی R متناوب باشد، یعنی عدد حقیقی مانند T≠0 وجود دارد که به ازای هر x داریم:

fx+T=fx

در این‌صورت داریم:

∫  0  nTfx  dx=n∫  0  Tfx  d    ;    n∈N

اثبات

∫  0  nTfx  dx=∫  0  Tfx  dx+∫  T  2Tfx  dx+∫  2T  3Tfx  dx+....+∫  n−1T  nTfx  dx

با استقرای ریاضی ثابت می‌کنیم:

به‌ازای n=1 تساوی برقرار است:

p1  :  n=1  ;   ∫  0  1Tfx  dx=1∫0  Tfx  dx

فرض استقرای ریاضی:

pk  :  n=k    ;  ∫  0  kTfx  dx=∫  0  Tfx  dx+∫  T  2Tfx  dx+∫  2T  3Tfx  dx+....+∫  k−1T  kTfx  dx

حکم استقرای ریاضی:

pk+1  :  n=k    ;  ∫  0  k+1Tfx  dx=∫  0  Tfx  dx+∫  T  2Tfx  dx+∫  2T  3Tfx  dx+....+∫  kT   k+1Tfx  dx

به ازای هر عدد طبیعی k داریم:

∫  kT  k+1Tfx  dx=∫  0+kT  T+kTfx  dx    ;     ∫  a+c  b+cfx  dx=∫  a  bfx+c  dx

⇒∫  kT  k+1Tfx  dx=∫  0  Tfx+kT  dx    ;    fx±kT=fx

⇒∫  kT  k+1Tfx  dx=∫  0  Tfx  dx

چون تابع f روی R متناوب با دوره تناوب T است و k≠0:

fx±kT=fx

∫  0  Tfx  dx+∫  T  2Tfx  dx+∫  2T  3Tfx  dx+....+∫  kT   k+1Tfx  dx

=∫  0  Tfx  dx+∫  0+T  T+Tfx  dx+∫  0+2T  T+2Tfx  dx+....+∫  kT   k+1Tfx  dx

=∫  0  Tfx  dx+∫  0  Tfx+T  dx+∫  0  Tfx+2T  dx+....+∫0   Tfx  dx    ;    fx±kT=fx

=∫0   Tfx  dx  +   ∫0   Tfx  dx    +∫0   Tfx  dx +....+∫0   Tfx  dx  

=n∫0   Tfx  dx 

تمرین

انتگرال ‌های زیر را محاسبه کنید.

∫  0  200x−2x2dx

یادآوری)

if  fx=x−nxn⇒Tfx=n

if  fx=x−2x2⇒T=2

∫  0  nTfxdx=n∫  0  Tfxdx    ;    n∈N


∫  0  200x−2x2dx=∫  02×100x−2x2dx

=100∫  0  2x−2x2dx    ;    if  0≤x≤2⇒0≤x2≤1⇒x2=0

=100∫  0  2xdx=10012x220=200

∫  0  4πsin2xdx

if   y=sin2naxy=cos2naxTfx=πa

if   fx=sin2x⇒T=π

∫  0  nTfxdx=n∫  0  Tfxdx    ;    n∈N



   ∫  0  4πsin2xdx=4∫  0  πsin2xdx=4∫  0  π121−cos2xdx=2∫  0  π1−cos2xdx=2x−12sin2xπ0=2π

دریافت مثال

قضیه

اگر تابعی متناوب با دوره تناوب T باشد و تابع f بر بازه بسته 0.T انتگرال پذیر باشد، ، آن‌گاه به ازای هر a حقیقی:  

∫  0  Tfx  dx=∫  a  a+Tfx  dx

اثبات

∫  a  a+Tfx  dx=∫  a  0fx  dx+∫  0  Tfx  dx+∫  T  a+Tfx  dx    ;    ∫b+c  a+cfx  dx=∫b  afx+c  dx

⇒∫  a  a+Tfx  dx=−∫0afx  dx+∫0Tfx  dx+∫  0  afx+T  dx    ;    fx+T=fx

⇒∫  a  a+Tfx  dx=∫  0  Tfx  dx−∫  0  afx  dx+∫  0  afx  dx

⇒∫  a  a+Tfx  dx=∫  0  Tfx  dx

قضیه

اگر تابع f متناوب و مشتق پذیر باشد، مشتق آن هم متناوب است:

fx+T=fx⇒f'x+T=f'x

اثبات

fx+T=fx⇒fx+T'=fx'⇒f'x+T=f'x

تمرین

تابع متناوب fx=sinx را در نظر بگیرید، آیا مشتق این تابع متناوب است؟

تابع f'x=cosx متناوب است.

تذکر

عکس قضیه فوق همواره صحیح نیست.

تمرین

تابع متناوب f'x=1+sinx را در نظر بگیرید، آیا تابع اولیه تابع مشتق، متناوب است؟

تابع fx=x−cosx متناوب نمی‌باشد. 

قضیه

اگر f' تابعی متناوب با دوره تناوب T باشد، آن‌گاه f هم متناوب با دوره تناوب T است اگر و فقط اگر: 

fT=f0

اثبات

f' متناوب است:

f'x+T=f'x

f'x+T=f'x⇒∫ f'x+Tdx=∫ f'x  dx⇒fx+T=fx+c    ;    if x=0⇒fT=f0+c              ;    fT=f0⇒c=0

fx+T=fx+c⇒fx+T=fx

f متناوب است.

انتگرال گیری از توابع زوج و فرد

قضیه

اگر تابع f انتگرال پذیر باشد، ، آن‌گاه:

∫  −a  afx  dx=∫  0  afx  dx+∫  0  af−x  dx

اثبات

 if  x=−t⇒dx=−dtx=0⇒t=0x=−a⇒t=a

∫  −a  afx  dx=∫  −a  0fx  dx+∫  0  afx  dx

⇒∫−aafx  dx=∫  x=−a  x=0fx  dx+∫  0  afx  dx

⇒∫−aafx  dx=∫  t=a  t=0f−t−dt+∫  0  afx  dx

⇒∫−aafx  dx=−∫  0  af−t−dt+∫  0  afx  dx

⇒∫−aafx  dx=∫  0  af−t  dt+∫  0  afx  dx

⇒∫−aafx  dx=∫  0  af−x  dx+∫  0  afx  dx

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

f-x قرینه fx نسبت به محور yها است. از روی شکل واضح است که: 

∫  −a  0fx  dx=∫  0  af−x  dx

قضیه

اگر تابع انتگرال پذیر f روی بازه -a,a تابعی فرد باشد، آن‌گاه:  

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

∫  −a  afx  dx=0

اثبات

می‌دانیم که توابع فرد نسبت به مبدا متقارنند.

∫  −a  afx  dx=∫  −a  0fx  dx+∫  0  afx  dx    ;    Ι

⇒∫  −a  afx  dx=∫  −a  0fx  dx+− ∫  0  af−x  dx    ;    c∫  a  bfcx  dx=∫  ac  bcfx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=∫  −a  0fx  dx+ ∫   −10  −1afx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=−∫  0  −afx  dx+∫  0  −afx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=0

 Ι  :f−x=−fx

⇒∫  0  af−x  dx=−∫  0  afx  dx

⇒− ∫  0  af−x  dx=∫  0  afx  dx

قضیه

اگر تابع انتگرال پذیر f روی بازه -a,a تابعی زوج باشد، آن‌گاه:  

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

∫  −a  afx  dx=2∫  0  afx  dx

اثبات

می‌دانیم که توابع زوج نسبت به محور yها متقارنند. 

∫  −a  afx  dx=∫  −a  0fx  dx+∫  0  afx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=−∫0−afx  dx+∫  0  afx  dx    ;    f−x  =fx

⇒∫  −a  afx  dx=−∫0−af−x  dx+∫  0  afx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=∫  0 −1−a −1fx  dx+∫  0  afx  dx    ;    c∫  a  bfcx  dx=∫  ac  bcfx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=∫0afx  dx+∫  0  afx  dx

⇒∫  −a  afx  dx=2∫0afx  dx

تمرین

انتگرال های زیر را محاسبه کنید.

I=∫  −a  acosx.logba−xa+x

if   fx=cosx⇒f−x=cos−x⇒f−x=cosx⇒f−x=fx


fx تابعی زوج است.

 if   gx=logba−xa+x

⇒gx=logba−x−logba+x

⇒g−x=logba+x−logba−x

⇒g−x=−logba−x−logba+x

⇒g−x=−logba−xa+x⇒g−x=−gx


gx تابعی فرد است.

حاصل ضرب يک تابع فرد در يک تابع زوج، يک تابع فرد است، پس:

I=∫  −a  acosx.logba−xa+x=0

I=∫  −2  2x3+x2+1x2+4dx

I=∫  −2  2x3+x2+1x2+4dx

⇒I=∫  −2  2x3x2+4dx+∫  −2  2x2+1x2+4dx

⇒I=I1+I2


در انتگرال I1 تابع f فرد است، بنابراین داریم:

I1=∫  −2  2x3x2+4  dx=0


در انتگرال I2 تابع f زوج است، بنابراین داریم:

I2=∫  −2  2x2+1x2+4dx⇒I2=2∫  0  2x2+1x2+4dx⇒I2=2∫  0  2x2+4−3x2+4dx

⇒I2=2∫  0  2x2+4x2+4  dx+2∫  0  2−3x2+4dx

⇒I2=2∫  0  2dx−6∫  0  21x2+4dx

⇒I2=2x20−612Arctanx220

⇒I2=4−3π4


I=I1+I2=0+4−3π4=4−3π4

دریافت مثال

انتگرال گیری از تابع متقارن

قضیه

اگر تابع f انتگرال پذیر باشد، ، آن‌گاه:

∫  0  afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  0  a2fa−x  dx

اثبات

if   a−x=t⇒−dx=dt⇒dx=−dt

if   x=0⇒t=aif   x=a2⇒t=a2

∫  0  afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  a2  afx  dx

⇒∫0afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  a2  aft.dt 

⇒∫0afx  dx=∫  0  a2fx  dx−∫  a2  aft.−dt

⇒∫0afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  t=a  t=a2ft.−dt

⇒∫0afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  0  a2fa−x  dx

این خاصیت به طور شهودی در نمودار زیر نشان داده می‌شود:

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫  0  πxsinx1+sinxdx

یادآوری)

∫  o  afx=∫  0  afa−xdxI=∫  0  πxsinx1+sinxdx

⇒I=∫  0  ππ−xsinπ−x1+sinπ−xdx⇒I=∫  0  ππ−xsinx1+sinxdx

⇒I=π∫  0  πsinx1+sinxdx−∫  0  πxsinx1+sinxdx


⇒I=π∫  0  πsinx1+sinxdx−I⇒2I=π∫  0  πsinx1+sinxdx⇒I=π2∫  0  πsinx1+sinxdx

⇒I=π2∫  0  πsinx1+sinx.1−sinx1−sinxdx

⇒I=π2∫  0  πsinx1−sinxcos2xdx

⇒I=π2∫  0  πsinx.cos−2x−tan2xdx

⇒I=π21cosx−tanx+xπ0⇒I=π2π−2

دریافت مثال

قضیه

تقارن نسبت به x=a2

اگر fa−x=fx باشد، آن‌گاه:

∫  0  afx  dx=2∫  0  a2fx  dx

اثبات

∫  0  afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  0  a2fa−x  dxfa−x=fx∫  0  afx  dx=∫  0  a2fx  dx+∫  0  a2fx  dx=2∫  0  a2fx  dx

نکته

اگر در تابعی fa−x=fx باشد، آن‌گاه خط x=a2 محور تقارن شکل است.  

f-x قرینه f نسبت به محور yها است که با انتقال f-x به اندازه a واحد به‌سمت راست، نمودار fa−x به‌دست می‌آید که به دلیل تقارن نسبت به خط x=a2 روی خود fx قرار می‌گیرد.   

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫  0  axn2a−xndx∫  0  axna−xndx

I=∫  0  axn2a−xndx∫  0  axna−xndx=BC

⇒B=∫  0  axn2a−x2. dxC=∫  0  axna−xn  dx

∫  ac  bcfxdx=c∫  a  bfcxdx

B=∫  0  axn2a−x2.dx=2∫  0  a22xn2a−2xn. dx=2.2n.2n∫  0  a2xna−xndx

if  fa−x=fx⇒∫  0  afxdx=2∫  0  a2fxdx

fa−x=a−xna−a−xn=a−xnxn=fx

C=∫  0  axna−xndx=2∫  0  a2xna−xndx

I=BC=2.2n.2n∫  0  a2xna−xndx2∫  0  a2xna−xndx=22n

دریافت مثال

قضیه

ویژگی تقارن نسبت به نقطه a2,0

اگر تابع f انتگرال پذیر و fa−x=−fx باشد، آن‌گاه:

∫  0  afx  dx=0

اثبات

هرگاه در تابعی fa−x=−fx ، آن‌گاه نمودار تابع نسبت به نقطه a2,0 متقارن است، یعنی این نقطه مرکز تقارن شکل است.   

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

پس در بازه 0,a نمودار f نسبت به نقطه a2,0 متقارن، در نتیجه:  

∫  0  afx  dx=0

دریافت مثال

قضیه

اگر تابع f انتگرال پذیر باشد، آن‌گاه:

∫  a  bfx  dx=∫  a  ba+b−x  dx

اثبات

I=∫  a  bfa+b−x  dx

t=a+b−x⇒dt=−dx⇒dx=−dtif   x=a⇒t=bif   x=b⇒t=a

I=∫  a  ba+b−x  dx⇒I=∫  x=a  x=bfa+b−x  dx ⇒I=∫  t=b  t=aft.−dt  ⇒I=−∫  a  bft−dt ⇒I=∫  a  bft  dt⇒I=∫  a  bfx  dx

شکل زیر حالتی از قضیه را به‌طور شهودی نشان می‌دهد:

ویژگی‌های انتگرال معین - پیمان گردلو

نکته

در شکل فوق f-x قرینه f نسبت به محور yها در بازه -b,-a است.

fb+a−x انتقال یافته افقی f-x به اندازه a+b به‌سمت راست است که در این‌صورت نمودار fx و fb+a−x نسبت به خط x=a+b2 متقارن است و مساحت های بین دو نمودار با محور xها از a تا b برابرند.    

دریافت مثال

تذکر

تساوی‌های زیر در حل بعضی انتگرال ها بسیار مفید است:

∫  0  π2fsinx  dx=∫  0  π2fcosx  dx

∫  0  π2ftanx  dx=∫  0  π2fcotgx  dx

∫  0  πxfsinx  dx=π2∫  0  πfsinx  dx

دریافت مثال

قضیه

اگر تابع f انتگرال پذیر باشد و fa−x=fx آن‌گاه:

I=∫  0  ax fx  dx=a2∫  0  afx  dx

اثبات

if  fx =fa−x⇒∫  0  ax fx  dx=∫  0  aa−xfa−x  dx=∫  0  aa−xfx  dx

I=∫  0  ax fx  dx⇒I=∫  0  aa−xfx  dx  

⇒I=∫  0  aa fx  dx−∫  0  ax fx  dx 

⇒I=a∫  0  afx  dx−I⇒2I=a∫  0  afx  dx⇒I=a2∫  0  afx  dx

دریافت مثال

خرید پاسخ‌ها

انتگرال معین (ویژگی‌ها)

14,000تومان
خرید فایل PDF مثال ها و جواب ها

برای ارسال نظر وارد سایت شوید