background image

 

 

Józef Szymczak 

 

CAŁKI OZNACZONE (notatki z wykładu) 

 

 

 

Niech 

)

(x

f

 będzie określona na przedziale 

 b

a;

 

. Rozbijemy przedział 

 b

a;

 

 na 

 dowolnych części punktami 

b

x

 

x

x

x

 a

n

n

1

1

1

0

...

Wybierzemy  w  każdym  elementarnym  odcinku 

k

k

x

x

 

;

1

  dowolny  punkt 

k

  i  określimy 

długość tego odcinka 

1

 

k

k

k

x

x

x

 oraz obliczymy wartość funkcji w punkcie 

)

(

k

f

Sumą całkową dla funkcji 

)

(x

f

 na przedziale 

 b

a;

 

 nazywamy sumę postaci 

n

k

k

k

x

f

1

)

(

 = 

n

n

x

f

x

f

x

f

)

(

)

(

)

(

...

2

2

1

1

 

Przez 

k

x

max

  oznaczmy  długość  najdłuższego  przedziału  cząstkowego  przy  danym 

podziale przedziału 

 b

a;

 

Definicja całki oznaczonej

Całką  oznaczoną  funkcji 

)

(x

f

  na  przedziale 

 b

a;

 

  nazywamy  granicę  (jeśli 

istnieje)  ciągu  sum  całkowych,  pod  warunkiem,  że  granica  ta  nie  zależy  od  sposobu 
podziału  przedziału 

 b

a;

 

,  podział  ten  jest  normalny,  tzn. 

0

max

lim

k

x

n

  oraz 

granica  ta  nie  zależy  od  wyboru  punktów  pośrednich 

k

.  Zapisujemy  ten  fakt 

symbolicznie: 

(*)     

n

k

k

k

b

a

x

f

dx

x

f

k

x

n

1

)

(

lim

  

)

(

0

max

 

 

Całka oznaczona jest więc pewną liczbą rzeczywistą. 

 

Jeśli funkcja 

)

(x

f

 jest ciągła w przedziale 

 b

a;

 

, to spełnia wymienione w definicji 

warunki, a więc istnieje dla niej całka (*). 

Jeśli dla funkcji 

)

(x

f

 istnieje całka (*), to mówimy, że funkcja ta jest całkowalna w 

przedziale 

 b

a;

 

 (w sensie Riemanna). 

Można wykazać, że funkcja ograniczona w przedziale 

 b

a;

 

, mająca skończony zbiór 

punktów nieciągłości, jest całkowalna. 

background image

 

 

 

 

Interpretacja geometryczna całki oznaczonej 

Jeżeli 

0

)

(

x

f

 na przedziale 

 b

a;

 

, to 

b

a

dx

x

f

)

(

 

geometrycznie 

oznacza 

pole 

obszaru  ograniczonego  liniami: 

)

(x

f

y

a

x

b

x

0

y

 

Podstawowe własności całki oznaczonej. 

 

1. 

b

a

a

b

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

2. 

0

)

(

a

a

dx

x

f

3. 

b

c

c

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

b

a

c

)

(

)

(

)

(

  

:

)

;

(

4. 

b

a

b

a

b

a

dx

x

g

dx

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

)]

(

)

(

[

5. 

b

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

,   

R

6.  Jeśli 

M

m

x

f

)

(

 na przedziale 

 b

a;

 

, to  

)

(

)

(

)

(

a

b

M

a

b

m

b

a

dx

x

f

 

(oszacowanie wartości całki oznaczonej). 
 

Zadanie. Oszacować wartość całki 

2

/

0

2

cos

5

x

dx

     (odp.: 

10

cos

5

12

2

/

0

2

x

dx

 

Sposoby obliczania całki oznaczonej. 

 

(1) Twierdzenie (Newtona-Leibniza) 

Jeżeli funkcja 

)

(x

f

 jest ciągła w przedziale 

 b

a;

 

,  a 

)

(x

F

 jest jakąkolwiek jej 

funkcją pierwotną, to 

)

(

)

(

)

(

a

F

b

F

dx

x

f

b

a

 
Uwaga. Stosujemy zwykle zapis pośredni: 

)

(

)

(

)

(

)

(

a

F

b

F

x

F

dx

x

f

b
a

b

a

 

background image

 

 

Przykład 1.  

.

2

)

4

(

4

)

1

(

1

1

1

1

1

2

1

1

arctg

arctg

arctgx

x

dx

 

Obliczyliśmy w ten sposób pole figury 
przedstawionej na rysunku obok. 

 

 
 

(2) Całkowanie przez części. 

 

b

a

b
a

b

a

udv

uv

udv

 

 

Przykład 2.  

dx

x

xe

1

0

dx

e

dv

x

u

x

x

e

v

dx

du

 = 

1

0

x

xe

 +

dx

x

e

1

0

 = 

1

e

+

 

1

0

x

e

 =  

e

e

e

e

e

2

2

1

1

1

1

Całkując przez części całkę oznaczoną wygodnie jest wyznaczyć najpierw całkę nieoznaczoną. 

 

(3) Całkowanie przez podstawianie  

)

(

)

(

)

(

)

(

))

(

(

b

g

a

g

b

a

dt

t

f

dx

x

g

x

g

f

 

 

Przykład 3.  

dx

x

x

e

1

2

ln





1

0

1

1

ln

e

t

x

dt

dx

x

t

x

 = 

dt

t

1

0

2

 = 

 

1

0

3

3

t

 = 

0

3

1

 = 

3

1

 

Przykład 4.  

dx

x

0

3

sin

 = 

dx

x

sin

sin

0

2

 = 

dx

x

sin

)

cos

1

(

0

2

1

1

0

sin

cos

t

x

dt

xdx

t

x

 = 

dt

)

1

(

1

1

2

  = 

dt

)

1

(

1

1

2

 = 

1

1

3

3

1

t

t

 = 1 – 

3

1

– (–1 

+

3

1

) = 

3

4

 

Z przeprowadzonego rachunku 

wynika, że całki  

dx

x

0

3

sin

  oraz  

dt

)

1

(

1

1

2

 

są równe. Ich wartości przedsta-
wiają pola pewnych figur. Figury 
te mają zatem jednakowe pola. 

 

 

 
 

background image

 

 

Uwaga. 

 

(a)  Jeżeli 

)

(x

f

 jest funkcją parzystą  (tzn. 

)

(

)

(

x

f

x

f

), wtedy  

a

a

dx

x

f

)

(

 = 

a

dx

x

f

0

)

(

2

 

(b)  Jeżeli 

)

(x

f

 jest funkcją nieparzystą  (tzn. 

)

(

)

(

x

f

x

f

), wtedy  

a

a

dx

x

f

)

(

 = 0. 

 

Na przykład      a) 

 

18

3

0

3

0

3

3

3

2

2

3

1

2

2

x

dx

x

dx

x

;           b) 

0

sin

3

3

2

xdx

x

 
 

 
Pole  S  figury płaskiej ograniczonej liniami  

)

(

1

x

f

y

,  

)

(

2

x

f

y

  

))

(

)

(

(

2

1

x

f

x

f

,  

a

x

,  

b

x

 

obliczamy wg wzoru 

b

a

dx

x

f

x

f

S

))

(

)

(

(

1

2

 

 

 

 
 

 
Przykład  5.    Obliczyć  pole  figury  płaskiej  ograniczonej 
liniami:  

2

x

y

,  

x

y

1

0

)

(

2

dx

x

x

 = 

1

0

3

3

1

3

2

2

3





x

x

 = 

3

1

3

2

 = 

3

1

 

 

 
 

 
Przykład  6.  Obliczyć  pole  figury  płaskiej  ograniczonej 
liniami:  

x

e

y

,  

1

x

,  

e

y

1

1

)

(

dx

e

e

x

 = 

1

1

x

e

ex

 = 

)

(

1

e

e

e

e

 =

1

e

e

 = 

e

e

1

2

 

 

 

Zadanie.  

a)  Obliczyć  pole  figury  płaskiej  ograniczonej  liniami: 

x

y

sin

x

y

cos

  dla 



4

4

5

 

;

x

background image

 

 

b)  Obliczyć pole figury płaskiej ograniczonej liniami:  

2

4

x

y

  i  

x

y

3

c)  Obliczyć pole figury płaskiej ograniczonej liniami:  

2

y

x

  i  

x

y

2

 
 

Jeśli linia krzywa opisana jest równaniami parametrycznymi  

)

(

)

(

t

y

y

t

x

x

, to pole obszaru 

ograniczonego tą krzywą, prostymi  

a

x

,  

b

x

  i odcinkiem  

b

 

;

 osi Ox obliczamy 

według wzoru: 

2

1

)

(

)

(

t

t

dt

t

x

t

y

S

gdzie  

1

 i 

2

 wyznaczamy z równań:  

)

(

1

t

x

a

,  

)

(

2

t

x

b

,  pod warunkiem, że 

0

)

(

t

y

 

dla  

2

1

t

t

t

,  a  

)

(t

x

  jest funkcją rosnącą na tym przedziale. 

 
 

Przykład 7. Obliczyć pole figury ograniczonej jedną pętlą cykloidy  

)

cos

1

(

2

)

sin

(

2

t

y

t

t

x

 i osią 

odciętych Ox

 

 
Mamy w tym przypadku, że  

2

0

t

 oraz 

)

cos

1

(

2

)

(

t

t

x

.  Zatem 

2

0

)

cos

1

(

2

)

cos

1

(

2

dt

t

t

S

 = 

2

0

2

)

cos

1

(

4

dt

t

 = 

2

0

)

cos

cos

2

1

(

4

2

dt

t

t

 =  

2

0

2

sin

4

1

2

sin

2

4

t

t

t

t

 = 

)

0

0

2

(

4

 = 

12

 
 

W wielu sytuacjach dotyczących opisu linii i figur na 

płaszczyźnie 

wygodnie 

jest 

posługiwać 

się 

współrzędnymi biegunowymi

Związek  pomiędzy  współrzędnymi  kartezjańskimi  i 

współrzędnymi  biegunowymi  (jeśli  biegun  pokrywa  się 
ze  środkiem  układu  współrzędnych  kartezjańskich,  a  oś 
biegunowa pokrywa się z półosią Ox): 

sin

cos

r

y

r

x

 

 

 
 
 

background image

 

 

Pole  krzywoliniowego  sektora  ograniczonego  krzywą 

opisaną  w  układzie  biegunowym  związkiem   

)

(

r

r

  i 

dwoma  biegunowymi  promieniami 

  i 

 

)

(

 obliczamy według wzoru 

d

r

S

2

2

1

 

 

 
 

 

Przykład  8.  Znaleźć  pole  figury  ograniczonej 

lemniskatą  

)

2

cos(

2

2

r

Zauważmy, że

4

1

 pola odpowiada zakresowi parametru  

 od 0 do 

4

, dlatego  

4

/

0

)

2

cos(

2

4

2

1

d

S

 = 

4

0

)

2

sin(

4

2

1

 = 

2

1

4

 = 2. 

 

 

Zadanie.  
Wyznaczyć  pole  figury  ograniczone  kardioidą  opisaną  związkiem   

)

cos

1

(

a

r



2

 

;

0

 
 

Obliczanie długości łuków płaskich. 

 

1.  Jeżeli krzywa 

)

(x

f

y

 jest na przedziale 

 b

a;

 

 gładka (tzn. ma ciągłą pochodną), 

to długość l odpowiedniego łuku tej krzywej obliczamy według wzoru 

b

a

dx

y

l

2

)

(

1

 

(wyrażenie  

dx

y

dl

2

)

(

1

  nazywamy różniczką łuku;  piszemy też  

b

a

dl

l

). 

2.  Jeżeli krzywa dana jest równaniami parametrycznymi  

)

(

 

),

(

t

y

y

 

t

x

x

, przy czym 

obie  te  funkcje  mają  ciągłe  pochodne  w  przedziale   

2

1

t

t

t

,    to  długość  odpowiedniego 

łuku wyraża się wzorem 

2

1

2

2

))

(

(

))

(

(

t

t

dt

t

y

t

x

l

 

(wtedy 

dt

y

x

dl

2

2

)

(

)

(

). 

3.  Jeżeli krzywa dana jest równaniem  

)

(

r

r

  we współrzędnych biegunowych, przy 

czym 

)

(

r

 ma w przedziale 

  ciągłą pochodną i łuk nie ma części wielokrotnych, 

to długość odpowiedniego łuku tej krzywej dana jest wzorem 

d

r

l

d

dr

2

2

)

(

background image

 

 

Przykład 9.  

Znaleźć długość łuku krzywej  

3

2

x

y

  w zakresie od 

0

x

 do 

1

x

 

0)

(

y

Mamy tutaj 

3

x

y

, skąd 

x

y

2

3

  i  

x

y

4

9

2

)

(

1

0

 

1

4

9

dx

l

x





4

13

1

1

0

9

4

4

9

1

t

x

dt

dx

t

x

4

/

13

1

 

9

4

dt

t

 = 

4

13

2

3

1

3

2

9

4





t

 = 

)

(

1

2

13

4

13

27

8

 = 

27

8

13

13

 
 

Obliczanie objętości brył obrotowych i pola ich powierzchni bocznej  

 

 

 

Jeżeli  trapez  krzywoliniowy  ograniczony  krzywą 

)

(x

f

y

  i  prostymi   

0

y

a

x

b

x

  obraca się wokół osi 

Ox

, to objętość powstałej w ten sposób bryły obrotowej wyraża 

się wzorem: 

b

a

dx

y

V

2

a pole powierzchni bocznej tej bryły wzorem: 

b

a

b

a

dx

y

y

ydl

S

2

)

(

1

2

2

 

 
(w przypadku krzywej danej równaniami parametrycznymi  

)

(

 

),

(

t

y

y

 

t

x

x

  dla 

2

1

t

t

t

 

mamy odpowiednio:  

2

1

)

(

2

t

t

dt

t

x

y

V

,   

2

1

2

2

)

(

)

(

2

t

t

dt

y

x

y

S

). 

 

Przykład  10.    Obliczyć  objętość  bryły  obrotowej  otrzymanej  przez 
obrót  wokół  osi  Ox  obszaru  ograniczonego  fragmentem  sinusoidy 
oraz odcinkiem osi Ox w zakresie od 0 do 

.

 

dx

x

V

0

2

)

(sin

0

]

2

sin

[

4

1

2

1

x

x

 = 

2

1

 = 

2

2

1

 

 

 
 

background image

 

 

 

Całki niewłaściwe 

 
Całkami niewłaściwymi nazywamy: 

1) całki w przedziałach nieskończonych, 
2) całki z funkcji nieograniczonych. 

 
Ad 1.  Całką niewłaściwą z funkcji 

)

(x

f

 w przedziale 

)

 

;

a

 określamy równością 

b

a

a

dx

x

f

dx

x

f

b

)

(

lim

)

(

Jeśli określona granica istnieje, to mówimy, że dana całka jest zbieżna,  jeśli nie istnieje lub 
jest niewłaściwa, to mówimy, że dana całka jest rozbieżna. 
Analogicznie określamy: 



b

a

b

dx

x

f

dx

x

f

a

)

(

lim

)

(

 

Przykład 11.   

1

2

1

dx

x

 = 

b

dx

x

b

1

2

1

lim

 = 

b

b

x

1

]

[

lim

1

 = 

)

(

lim

1

1

1

b

b

 = 0+1 = 1. 

 

 

 

Przykład 12.   

dx

x

1

1

2

 = 

0

2

1

1

2

dx

x

 = 2

b

dx

x

b

0

2

1

1

lim

 = 

b

b

x

0

]

[arctan

lim

2

 = 

b

b

arctan

lim

2



 = 

2

2

 

 
 
Ad 2.  Jeżeli funkcja 

)

(x

f

 ma w punkcie  

)

 

;

(

b

a

c

 punkt nieciągłości drugiego rodzaju i jest 

ciągła dla 



b

c

c

a

x

 

;

(

)

 

;

 oraz jeśli istnieją granice: 

b

c

c

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

      

i

       

)

(

lim

0

0

to  sumę  tych  granic  nazywamy  całką  niewłaściwą  funkcji 

)

(x

f

  przedziale 

b

 

;

.  Jeśli 

któraś z tych granic jest niewłaściwa, to mówimy, że całka 

b

a

dx

x

f

)

(

 jest rozbieżna (chodzi tu 

o funkcje, które w dowolnym otoczeniu 

)

 

;

(

c

c

 punktu  c  są nieograniczone). 

 

Przykład 13.   

1

1

2

1

dx

x

 = 

1

2

0

1

lim

2

c

dx

x

c

 = 

1

0

]

[

lim

2

1

c

c

x

 = 

)

(

lim

1

1

0

c

c

 = 

 

Całka ta jest rozbieżna. Interpretując ją geometrycznie, powiemy, że 
zaznaczony nieograniczony obszar ma nieskończone pole. 

 

 
 

background image

 

 

 

Przykład 14. 

4

0

1

dx

x

 = 

1

1

0

lim

a

a

dx

x

 = 

4

0

]

[

lim

2

a

a

x

 = 

)

2

4

2

(

0

lim

a

a

 = 4 

Ta całka niewłaściwa jest zbieżna. Interpretując ją geometrycznie, 
powiemy, że zaznaczony nieograniczony obszar ma skończone pole 
równe 4 [j

2

]. 

 

 
 
Zadanie. Wyznaczyć objętość nieograniczonej bryły obrotowej otrzymanej przez obrót wokół 

osi Ox nieograniczonego obszaru zawartego między liniami 

x

y

1

1

x

0

y

 (dla 

1

x

).