\( \newcommand{\Ds}{\displaystyle} \newcommand{\PP}{{\mathbb P}} \newcommand{\RR}{{\mathbb R}} \newcommand{\KK}{{\mathbb K}} \newcommand{\CC}{{\mathbb C}} \newcommand{\ZZ}{{\mathbb Z}} \newcommand{\NN}{{\mathbb N}} \newcommand{\TT}{{\mathbb T}} \newcommand{\QQ}{{\mathbb Q}} \newcommand{\Abs}[1]{{\left|{#1}\right|}} \newcommand{\Floor}[1]{{\left\lfloor{#1}\right\rfloor}} \newcommand{\Ceil}[1]{{\left\lceil{#1}\right\rceil}} \newcommand{\sgn}{{\rm sgn\,}} \newcommand{\Set}[1]{{\left\{{#1}\right\}}} \newcommand{\Norm}[1]{{\left\|{#1}\right\|}} \newcommand{\Prob}[1]{{{{\mathbb P}}\left[{#1}\right]}} \newcommand{\Mean}[1]{{{{\mathbb E}}\left[{#1}\right]}} \newcommand{\cis}{{\rm cis}\,} \newcommand{\one}{{\mathbf 1}} \newcommand{\One}[1]{{\bf 1}\left(#1\right)} \renewcommand{\Re}{{\rm Re\,}} \renewcommand{\Im}{{\rm Im\,}} \renewcommand{\arg}{{\rm arg\,}} \renewcommand{\Arg}{{\rm Arg\,}} \renewcommand{\deg}{{\rm deg\,}} \renewcommand{\vol}{{\rm vol\,}} \renewcommand{\span}{{\rm span\,}} \newcommand{\ft}[1]{\widehat{#1}} \newcommand{\wt}[1]{\widetilde{#1}} \newcommand{\FT}[1]{\left(#1\right)^\wedge} \newcommand{\Lone}[1]{{\left\|{#1}\right\|_{1}}} \newcommand{\Linf}[1]{{\left\|{#1}\right\|_\infty}} \newcommand{\inner}[2]{{\langle #1, #2 \rangle}} \)

Απειροστικός Λογισμός Μιας Μεταβλητής

Μιχάλης Κολουντζάκης

Τμήμα Μαθηματικών και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών, Πανεπιστήμιο Κρήτης

 

Ολοκλήρωμα

Ολο-1.

Ο ορισμός του ολοκληρώματος Riemann

 

YouTube video preview
 

Ολο-2.

Μια συνάρτηση που δεν είναι Riemann ολοκληρώσιμη, σε κανένα διάστημα, είναι η γνωστή μας συνάρτηση του Dirichlet
\[D(x) = \begin{cases} 1 & \text{ αν \(x\) ρητός} \\ 0 & \text{ αν \(x\) άρρητος.}\end{cases}.\]
Για να είναι μια συνάρτηση Riemann ολοκληρώσιμη σε ένα διάστημα \([a, b]\) θα πρέπει η τιμή κάθε αθροίσματος Riemann
\[(x_1-x_0) D(\xi_1) + (x_2-x_1)D(\xi_2) + \cdots + (x_n - x_{n-1}) D(\xi_n)\]
να είναι κοντά στον ίδιο αριθμό \(I\) (το ολοκλήρωμα Riemann της συνάρτησης) για κάθε διαμέριση
\[(*)\ \ \ \ a = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_{n-1} < x_n = b\]
του διαστήματος \([a, b]\) αρκεί το πλάτος της διαμέρισης
\[\Delta = \max_{i=1, 2, \ldots, n} (x_i-x_{i-1})\]
να είναι αρκετά μικρό, όποια και να είναι η επιλογή των ενδιάμεσων σημείων \(\xi_i \in [x_{i-1}, x_i]\).

Ας δούμε γιατί αυτό δε συμβαίνει για τη συνάρτηση του Dirichlet για κάθε διάστημα \([a, b]\). Ο λόγος είναι ότι κάθε διάστημα στο \(\RR\) περιέχει και ρητούς και αρρήτους αριθμούς, περιέχει δηλ. και σημεία όπου η \(D(x)\) παίρνει τιμή 1 και σημεία όπου παίρνει τιμή 0.

Ποια είναι η τιμή που παίρνει οποιοδήποτε Riemann άθροισμα με ρητά ενδιάμεσα σημεία \(\xi_i\); Προεπισκόπηση τύπουΓράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.
Η απάντηση είναι συνάρτηση των \(a, b\).

Και ποια είναι η τιμή  που παίρνει οποιοδήποτε Riemann άθροισμα με άρρητα ενδιάμεσα σημεία \(\xi_i\); Προεπισκόπηση τύπουΓράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.
Η απάντηση είναι συνάρτηση των \(a, b\).


Αφού οι δύο αυτοί αριθμοί είναι διαφορετικοί έπεται ότι δεν μπορούν και οι δύο να είναι κοντά (όσο κοντά θελήσουμε) στον ίδιο αριθμό \(I\), άρα η συνάρτηση δεν είναι ολοκληρώσιμη.

Ολο-3.

w8 Κάποια ολοκληρώματα απλών συναρτήσεων

 

YouTube video preview
 

Ολο-4.

Υπολογίστε το ολοκλήρωμα
\[\int_0^5 \Floor{x} \,dx. \]

Απάντηση

Ολο-5.

Κάποιες βασικές ιδιότητες του ολοκληρώματος

 

YouTube video preview
 

Ολο-6.

Ποιο είναι το ολοκλήρωμα
\[\int_a^b 3x^2 + 2x +1 \,dx ;\]

Η απάντηση είναι συνάρτηση των \(a, b\).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-7.

Το ολοκληρωτικό θεώρημα μέσης τιμής

 

YouTube video preview
 

Ολο-8.

Υποθέτουμε ότι οι συναρτήσεις \(f, g:[0, 1] \to \RR\) είναι συνεχείς και ότι
\[ \int_0^1 f(x) \,dx > \int_0^1 g(x)\,dx.\]
Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι αναγκαστικά σωστές υπό αυτές τις υποθέσεις;

Επιλέξτε όλες τις σωστές επιλογές:

Ολο-9.

Παράγουσα ή αντιπαράγωγος μιας συνάρτησης

 

YouTube video preview
 

Ολο-10.

Ποια είναι η παράγουσα  της \(f(x) = e^x\) που ισούται με 0 στο 1;

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-11.

Ποια είναι η παράγουσα της \(\cos(x)\) που στο 0 έχει την τιμή 1;

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-12.

Αόριστο ολοκλήρωμα μιας συνάρτησης

 

YouTube video preview
 

Ολο-13.

Ποια συνάρτηση είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης \(f(x) = x^3\) που ισούται με 1 στο 1;


Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-14.

Ποια συνάρτηση είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης \(f(x) = \sin x\) που ισούται με 1 στο 0;


Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-15.

Συνέχεια του αορίστου ολοκληρώματος

 

YouTube video preview
 

Ολο-16.

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Επιλέξτε όλες τις σωστές επιλογές:

Ολο-17.

Το θεμελιώδες θεώρημα του Απειροστικού Λογισμού

 

YouTube video preview
 

Ολο-18.

Σωστό ή λάθος;

Αν
\[f(x) = \Abs{x}\]
και \(F(x) = \int_a^x f(t)\,dt\) είναι ένα αόριστο ολοκλήρωμα της \(f(x)\) τότε η \(F(x)\) είναι παραγωγίσιμη παντού.

Απάντηση:

Ολο-19.

Σωστό ή λάθος;

Αν
\[f(x) = \begin{cases} x & \text{ αν } x \neq 0 \\ 1 & \text{ αν } x = 0 \end{cases}\]
και \(F(x) = \int_a^x f(t)\,dt\) είναι ένα αόριστο ολοκλήρωμα της \(f(x)\) τότε η \(F(x)\) είναι παραγωγίσιμη παντού.

Απάντηση:

Ολο-20.

Πώς χρησιμοποιούμε το θεμελιώδες θεώρημα του Απ. Λογισμού

 

YouTube video preview
 

Ολο-21.

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Επιλέξτε όλες τις σωστές επιλογές:

Ολο-22.

Μερικά απλά παραδείγματα αορίστων ολοκληρωμάτων

 

YouTube video preview
 

Ολο-23.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) = x \sin(x^2)\]
που στο 0 κάνει 1;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).


Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-24.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) =\sin(2x) + \sin(3x)\]
που στο 0 κάνει 0;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).


Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-25.

Αλλαγή μεταβλητής στον υπολογισμό αορίστων ολοκληρωμάτων

 

YouTube video preview
 

Παρατήρηση: Στο δεύτερο παράδειγμα αυτού του video το αποτέλεσμα είναι
\[\frac{\sin^{n+1}{x}}{n+1}\]
και όχι
\[\frac{\sin^{n+1}{x}}{n}\]
όπως γράφω.

Ολο-26.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) =\left(1-\frac{1}{x}\right) \cos(x-\ln x)\]
που στο 1 κάνει 0;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Για τη συνάρτηση \(\ln(x)\) (λογάριθμος με βάση το e) γράψτε log(x), όχι ln(x).


Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-27.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) =3(8x-1)e^{4x^2-x}\]
που στο 0 κάνει 3;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-28.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) = \frac{x}{\sqrt{1-4x^2}}\]
που στο 0 κάνει 0;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-29.

Ολοκλήρωση κατά μέρη

 

YouTube video preview
 

Ολο-30.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) = (3x+5) \cos(x/4)\]
που στο 0 κάνει 1;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-31.

Παραδείγματα ολοκλήρωσης ρητών συναρτήσεων

 

YouTube video preview
 

Ολο-32.

Ανάλυση σε απλά κλάσματα - σύνοψη


Συνοψίζουμε εδώ το πώς βρίσκουμε την ανάλυση σε απλά κλάσματα ενός κλάσματος
\[\frac{1}{ F_1(x) F_2(x) \cdots F_r(x)}\]
στο οποίο ο παρανομαστής έχει ήδη αναλυθεί σε πρωτοβάθμιους ή δευτεροβάθμιους παράγοντες (τα \(F_j(x)\)).

Κάθε τέτοιος παράγοντας δημιουργεί κάποιους όρους στην ανάλυση σε απλά κλάσματα με απροσδιόριστους συντελεστές (τα \(A, B, A_j, B_j\)) οι οποίοι για να βρεθούν πρέπει συνήθως να λυθεί ένα γραμμικό σύστημα. Στο σύστημα αυτό η κάθε εξίσωση προκύπτει επιλέγοντας μια τιμή για το \(x\). Σε πολλές περιπτώσεις η φύση των εξισώσεων είναι τέτοια που αν κανείς επιλέξει έξυπνα τις τιμές αυτές του \(x\) τότε βρίσκει τους αγνώστους έναν προς έναν χωρίς να χρειαστεί να λύσει ένα γραμμικό σύστημα. Τέτοια είναι η περίπτωση π.χ. όπου όλοι οι παράγοντες \(F_j(x)\) είναι της μορφής \((x-\rho_j)\) με τις ρίζες \(\rho_j\) να είναι όλες διαφορετικές. Τότε αρκεί να πάρουμε διαδοχικά τις τιμές \(x=\rho_1, \rho_2, \ldots\) για να βρούμε τους συντελεστές.

Παράγοντας στον
παρανομαστή
Αντίστοιχοι όροι στην
ανάλυση σε απλά κλάσματα
\( \displaystyle ax + b\) \( \displaystyle \frac{A}{{ax + b}}\)
\( \displaystyle {\left( {ax + b} \right)^k}\) \( \displaystyle \frac{{{A_1}}}{{ax + b}} + \frac{{{A_2}}}{{{{\left( {ax + b} \right)}^2}}} + \cdots + \frac{{{A_k}}}{{{{\left( {ax + b} \right)}^k}}}\), \(k = 1,2,3, \ldots \)

\( \displaystyle a{x^2} + bx + c\) \( \displaystyle \frac{{Ax + B}}{{a{x^2} + bx + c}}\)
\( \displaystyle {\left( {a{x^2} + bx + c} \right)^k}\) \( \displaystyle \frac{{{A_1}x + {B_1}}}{{a{x^2} + bx + c}} + \frac{{{A_2}x + {B_2}}}{{{{\left( {a{x^2} + bx + c} \right)}^2}}} + \cdots + \frac{{{A_k}x + {B_k}}}{{{{\left( {a{x^2} + bx + c} \right)}^k}}}\), \(k = 1,2,3, \ldots \)

Πηγή: https://tutorial.math.lamar.edu/

Ολο-33.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης (υποθέστε \(x \ge 10\))
\[f(x) =\frac{x+2}{x-1}\]
που στο 2 κάνει 0;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Για το λογάριθμο με βάση το \(e\), \(\ln x\), αντί για ln(x) γράφετε log(x).


Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-34.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης (υποθέστε \(x >3\))
\[f(x) =\frac{2x+3}{x^2-9}\]
που στο 4 κάνει 0;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Για το λογάριθμο με βάση το \(e\), \(\ln x\), αντί για ln(x) γράφετε log(x).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-35.

Κάποια τριγωνομετρικά ολοκληρώματα

 

YouTube video preview
 

Ολο-36.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) =\sin^5 x\]
που στο \(\frac{\pi}{2}\) κάνει 0;

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.

Ολο-37.

Μερικά ακόμη αόριστα ολοκληρώματα

 

YouTube video preview
 

Παρατήρηση 1: Στο πρώτο παράδειγμα έχω γράψει κατά λάθος \(x-1\) αντί για \(1-x\).

Παρατήρηση 2: Στο πέμπτο (τελευταίο) παράδειγμα, στο τελικό αποτέλεσμα, ο συντελεστής του \(\sin 4x\) είναι \(\frac{1}{32}\) και όχι \(\frac14\).

Ολο-38.

Ποιο είναι το αόριστο ολοκλήρωμα της συνάρτησης
\[f(x) =\frac{1}{1+\sin x}\]
που μηδενίζεται στο 0.

Η απάντηση είναι συνάρτηση του \(x\).

Απάντηση
Προεπισκόπηση τύπου
Γράψτε έναν τύπο για να εμφανιστεί εδώ.