background image

 

52 

 

MATEMATYKA 

 

ROZDZIAŁ IV 

 

RACHUNEK CAŁKOWY FUNKCJI JEDNEJ 

ZMIENNEJ 

 
I . Całka nieoznaczona

 

 
Definicja 1. 
Funkcję F określoną i różniczkowalną w przedziale  

( )

;

a b

 nazywamy funkcją pierwotną 

danej funkcji  f  w tym przedziale, jeżeli 
                                                    

( )

;

( )

( )

x

a b

F x

f x

=

    . 

Twierdzenie 1 
Jeżeli  F  oraz  są dowolnymi funkcjami pierwotnymi funkcji  f  w przedziale  

( )

;

a b

 tj.   

                              

( )

;

( )

( )

( )

( )

x

a b

F x

f x

G x

f x

=

=

    . 

to 
                                              

( )

( )

( )

,

;

F x

G x

C

x

a b

=

(dwie dowolne funkcje pierwotne danej funkcji  f  różnią się o stałą). 
       
          Całkowanie nie jest więc działaniem jednoznacznym (przeciwnie niż różniczkowanie). 
Znając jednak jedną całkę F  otrzymamy wszystkie inne  przez dodanie do niej dowolnej 
stałej (zwanej stałą całkowania). 
 
Definicja 2. 
Zbiór wszystkich funkcji pierwotnych danej funkcji   w przedziale 

( )

;

a b

 nazywamy 

całką 

nieoznaczoną funkcji   i oznaczamy symbolem   

                                                  

( )

( )

f x dx

F x

C

=

+

gdzie  C  jest dowolną stałą. 
 
Uwaga. 
Krzywą o równaniu  

( )

y

F x

=

, gdzie    jest jedną z całek funkcji  , nazywamy 

krzywą 

całkową funkcji  . Znając jedną  krzywą całkową otrzymamy wszystkie inne krzywe  

( )

y

F x

C

=

+

 przez przesunięcie tej krzywej w kierunku równoległym do osi  Oy 

      Spośród rodziny krzywych całkowych  

( )

y

F x

C

=

+

 można zawsze wybrać jedną, która 

przechodzi przez z góry ustalony punkt  

(

)

0

0

0

,

P x y

Funkcję 

( )

y

F x

C

=

+

 nazywamy 

całką ogólną funkcji  . 

 

background image

 

53 

 

Podstawowe wzory. 
 

1. 

1

,

1

1

x

x dx

C

α+

α

=

+

α ≠ −

α +

  ;       2.  

1

ln

dx

x

C

x

=

+

  ;        3.   

sin

cos

xdx

x C

= −

+

 ; 

 

4. 

cos

sin

xdx

x C

=

+

  ;                  5.   

2

1

cos

dx

tgx C

x

=

+

  ;  6. 

2

1

sin

dx

ctgx C

x

= −

+

  ; 

7. 

ln

x

x

a

a dx

C

a

=

+

 ,   

( ) ( )

0;1

1;

a

∪ ∞

 ;  8.    

x

x

e dx

e

C

= +

,    

9.  

2

arcsin

arccos

1

dx

x C

x C

x

=

+ = −

+

  ,  10.  

2

1

dx

x

=

+

 arctg x C

+

=

arcctg x C

+

.

   

 
 
Własności całki nieoznaczonej
 

1.  

( )

( )

f x dx

f x

C

=

+

 .  

2. 

(

)

( )

( )

f x dx

f x

′ =

3.

(

)

( )

( )

( )

( )

f x

g x dx

f x dx

g x dx

+

=

+

4. 

( )

( )

,

0

k f x dx

k f x dx

k

=

.   

 
Przykład 1. 
Korzystając z podstawowych wzorów rachunku całkowego obliczyć całki: 

 a)   

(

)

4

3

2

5

3

2

7

x

x

x

x

dx

+

+

+

     ;    b)   

4

3

3

2

1

x

dx

x

+

  ;     c)   

3

2

1

x

x

dx

x

+

+

 , 

d)   

2

ctg xdx

   ;  e)   

cos 2

cos

sin

x

dx

x

x

 ;    f)    

4

2

1

1

x

dx

x


  . 

Rozwiązanie. 
a) 

(

)

4

3

2

4

3

2

5

4

3

2

5

4

3

2

5

1
5

4

5

3

2

7

5

3

2

7

5

3

2

7

7

5

4

3

2

x

x

x

x

dx

x dx

x dx

x dx

xdx

dx

x

x

x

x

x C

x

x

x

x

x C

+

+

+

=

+

+

+

=

=

+ ⋅

− ⋅

+ ⋅

+

+ =

+

− + +

+

   

b)  

2

3

1

1

2

3

3

4

4

4

3

7

3

3

4

3

2

1

4

3

3

2

7

1

1

4

3

x

x

x

dx

x dx

x

dx

C

x

x

C

x

− +

+

+

=

+

=

+

+ =

+

+

+

− +

 .  

c)  

(

)

2

3

2

2

2

1

2

1

1

x x

x

x

x

dx

dx

xdx

C

x

x

+

+

=

=

=

+

+

+

 . 

d) 

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

1 sin

1

sin

.

sin

sin

sin

sin

x

x

x

ctg x dx

dx

dx

dx

dx

ctgx

dx

ctgx

x C

x

x

x

x

=

=

=

= −

= −

− +

 

background image

 

54 

 

e) 

(

)(

)

(

)

2

2

cos

sin

cos

sin

cos 2

cos

sin

cos

sin

cos

sin

cos

sin

cos

sin

sin

cos

.

x

x

x

x

x

x

x

dx

dx

dx

x

x dx

x

x

x

x

x

x

x

x C

+

=

=

=

+

=

=

+

f)   

(

)(

)

(

)

2

2

4

3

2

2

2

1

1

1

1

.

3

1

1

x

x

x

x

dx

dx

x

dx

x C

x

x

+

=

=

+

=

+ +

 

 
Zadanie 1
.  
Korzystając z podstawowych wzorów rachunku całkowego obliczyć całki: 

a)   

(

)

5

2

6

5

1

x

x

x

dx

+

+

 ;    b)   

5

3

2

4

(

)

x

x dx

+

;        c)   

2

tg xdx

;       d)   

3

1

1

x

dx

x

  . 

Odpowiedzi. 

a)  

6

3

2

5

2

6

2

x

x

x

x C

+

+ +

  ;   b)    

5

3

7

7

5

3

7

7

x

x

C

+

+

 ;   c)   tgx x C

− +

; d) 

3

2

3

2

x

x

x C

+

+ +

 

Wybrane metody całkowania 
 

1.   Całkowanie przez podstawienie: 

      Jeżeli funkcja  

f jest ciągła dla  

( )

;

t

a b

 a funkcja  

ma ciągłą pochodną dla 

( )

;

x

∈ α β

spełniającą nierówność  

( )

a

g x

b

<

<

, to

 

                              

(

)

(

)

( )

( )

( )

( )

f t dt

f g x g x dx

F g x

C

=

=

+

gdzie  

F jest dowolną funkcją pierwotną funkcji  f . 

Uwaga.  Funkcję  

( )

t

g x

=

 nazywamy 

podstawieniem. 

       
Przykład 2. 
Obliczyć całki stosując odpowiednie podstawienie: 
 

a)   

sin 3

xdx

 ,    b)   

2

2

1

x

dx

x

+

 ,    c)   

2

4

x x

dx

+

  , d)   ,  

(

)

3

2

2

5

xdx

x

+

e) 

1

x

x

e dx

e

+

   ,  f)   

2

x

xe dx

    ,   g)    

sin

(cos )

x

x e

dx

 ,   h)   

tgxdx

 ,   i)  

2

4 9

dx

x

j)   

2

2

9

dx

x

+

  ,    k)   

2

1 ln

dx

x

x

  ,   l)   

(

)

2

2

1

arctgx

dx

x

+

 
Rozwiązanie. 
a) 

Stosujemy podstawienie:   

3

t

x

=

. Wówczas  

( )

3

3

dt

x dx

dx

=

=

 a stąd  

1

3

dx

dt

=

. Mamy: 

(

)

1

1

1

sin 3

sin

cos

cos 3

3

3

3

xdx

t dt

t

C

x C

=

=

+ = −

+

 

background image

 

55 

 

b) 

Stosujemy podstawienie:   

2

1

t

x

=

+

. Wówczas  

(

)

2

1

2

dt

x

dx

xdx

=

+

=

. Zatem: 

(

)

2

2

2

2

ln

ln

1

ln

1

.

1

x

dt

dx

t

C

x

C

x

C

x

t

=

=

+ =

+ + =

+ +

+

  

c)   

Stosujemy podstawienie:   

2

4

t

x

=

+

. Wówczas  

(

)

2

4

2

dt

x

dx

xdx

=

+

=

. Stąd  

1

2

xdx

dt

=

  

(

)

1

1

1

3

2

3

2

3

2

2

2

1
2

1

1

1

1

1

1

4

4

.

2

2

2

1

3

3

3

t

x x

dx

t dt

t dt

C

t

C

t

C

x

C

+

+

=

=

= ⋅

+ =

+ =

+ =

+

+

+

 

d) 

Stosujemy podstawienie:   

2

5

t

x

=

+

. Wówczas  

(

)

2

5

2

dt

x

dx

xdx

=

+

=

. Zatem: 

(

)

(

)

3 1

3

3

2

3

2

2

2

2

1

1

.

3 1

2

5

2

5

xdx

dt

t

t dt

C

C

C

t

t

x

x

− +

=

=

=

+ = −

+ = −

+

− +

+

+

∫ ∫

 

e)  

Stosujemy podstawienie:   

1

x

t

e

= +

. Wówczas  

(

)

1

x

x

dt

e

dx

e dx

=

+

=

, oraz 

(

)

ln

ln

1

.

1

x

x

x

e dx

dt

t

C

e

C

e

t

=

=

+ =

+ +

+

 

f) 

Podstawiamy:  

2

t

x

=

. Wówczas  

( )

2

2

dt

x

dx

xdx

=

=

. Stąd   

1

2

xdx

dt

=

  i 

2

2

1

1

1

.

2

2

2

x

t

t

x

xe dx

e dt

e

C

e

C

=

=

+ =

+

        

g) 

Podstawiamy:  

sin

t

x

=

. Wówczas  

(

)

sin

cos

dt

x dx

x dx

=

=

. Stąd    

s i n

si n

(cos )

.

x

t

t

x

x e

dx

e dt

e

C

e

C

=

= + =

+

 

h)   

sin

cos

x

tgxdx

dx

x

=

 . Podstawiamy:   

cos

t

x

=

 .Wówczas  

(

)

cos

sin

dt

x dx

xdx

=

= −

  i 

sin

ln

ln cos

.

cos

x

dt

tgxdx

dx

t

C

x

C

x

t

=

= −

= −

+ = −

+

  

i) 

  

( )

2

2

3
2

1

2

4 9

1

dx

dx

x

x

=

.    Podstawiamy   

3

2

t

x

=

. Stąd  

3

2

dt

dx

=

  czyli  

2

3

dx

dt

=

Po podstawieniu otrzymujemy całkę 

2

1 2

1

arcsin

2 3

3

1

dt

t

C

t

=

+

.   Ostatecznie  

( )

3
2

2

1

arcsin

3

4 9

dx

x

C

x

=

+

 
 
 

background image

 

56 

 

j) 

 

( )

2

2

2

3

1

2

9

9

1

dx

dx

x

x

=

+

+

  . Podstawiamy   

2

3

t

x

=

. Stąd  

2

3

dt

dx

=

  czyli  

3

2

dx

dt

=

Po podstawieniu otrzymujemy całkę 

2

1

3

1

arc

9

1

2

3 2

dt

tgt

C

t

=

+

+

. Tak więc 

( )

2

3

2

1

arc

2

9

3 2

dx

tg

x

C

x

=

+

+

k)    

W całce 

2

1 ln

dx

x

x

  podstawiamy   

ln

t

x

=

, skąd  

dx

dt

x

=

.  

 Po podstawieniu otrzymujemy :   

2

arcsin

1

dt

t

C

t

=

+

Tak więc   

( )

2

arcsin ln

1 ln

dx

x

C

x

x

=

+

 . 

l) 

 W całce 

(

)

2

2

1

arctgx

dx

x

+

  podstawiamy  

arc

t

tgx

=

 , skąd  

2

1

dx

dt

x

=

+

.  

Otrzymujemy:    

2

3

1

3

t dt

t

C

=

+

. Ostatecznie   

(

)

(

)

2

3

2

1

1

3

arctgx

dx

arctgx

C

x

=

+

+

Zadanie 2
Obliczyć całki stosując odpowiednie podstawienie: 
 

a)   

sin 5xdx

 ;    b)   

2

4

9

x

dx

x

+

 ;    c)   

2

1

x

x dx

+

  ;  d)     

(

)

6

2

3

xdx

x

+

;  e) 

2

1

x

x

e dx

e

+

 ;  

f)   

3

2

x

x e dx

 ;     g) 

cos

(sin )

x

x e

dx

 ;  h)  

ctgxdx

 ; i)  

2

9 16

dx

x

;  j)   

2

4

dx

x

+

k)  

2

1

x

x

e dx

e

; l)  

2

arcsin

1

x

dx

x

 
Odpowiedzi. 

a)   

1

cos 5

5

x C

+

  ;    b)   

(

)

2

1

ln 4

9

8

x

C

+ +

 ;   c)  

(

)

3

2

1

1

3

x

C

+

+

;  d)   

(

)

5

2

1

10

3

C

x

+

+

e)   

(

)

1

ln 2

1

2

x

e

C

+ +

 ;  f)  

3

1

3

x

e

C

+

   ; g)   

cos x

e

C

+

 ;   h)

ln sin x

C

+

;  i) 

( )

4
3

1

arcsin

4

x

C

+

 ; 

j)   

( )

1
2

1

arc

2

tg

x

C

+

;  k)  

( )

arcsin

x

e

C

+

;   l)  

(

)

2

1

arcsin

2

x

C

+

 . 

 

 
 
 
 
 

background image

 

57 

 

2.  Całkowanie przez części 
    

Jeżeli funkcje  f  i  g  mają ciągłe pochodne, to 

                          

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

f x g x dx

f x g x

f x g x dx

=

 
Przykład 3.
 
Stosując wzór na całkowanie przez części obliczyć całki: 
 

a)  

sin

x

xdx

  ;      b)   

ln xdx

  ;   c)  

x

xe dx

   ; d)   

2

x

x e dx

  ;    e)   

ln

x

xdx

   ;        

f)   

cos

x

x e dx

 ;   g)  

arctgx dx

Rozwiązanie: 

Stosujemy wzór:         

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

f x g x dx

f x g x

f x g x dx

=

. 

a)  

W całce 

sin

x

xdx

   przyjmujemy:  

( )

sin

,

( )

f x

x

g x

x

=

=

. Wówczas  

( )

cos

,

( )

1

f x

x

g x

= −

=

  i   

(

)

sin

cos

cos

1

cos

cos

x

xdx

x

x

x

dx

x

x

x dx

= −

= −

+

 =   

=

cos

sin

x

x

x C

+

+

b) 

W całce   

ln xdx

      przyjmujemy:  

( )

1 ,

( )

ln

f x

g x

x

=

=

. Wówczas  

1

( )

,

( )

f x

x

g x

x

=

=

  i   

1

ln

ln

ln

ln

xdx

x

x

x

dx

x

x

dx

x

x

x C

x

=

=

=

− +

.   

c) 

W całce   

x

xe dx

      przyjmujemy:  

( )

,

( )

x

f x

e

g x

x

=

=

. Wówczas  

( )

,

( ) 1

x

f x

e

g x

=

=

  i   

1

x

x

x

x

x

x

x

xe dx

xe

e

dx

xe

e dx

xe

e

C

=

=

=

− +

.  

d) 

W całce   

2

x

x e dx

      przyjmujemy:  

2

( )

,

( )

x

f x

e

g x

x

=

=

. Wówczas  

( )

,

( )

2

x

f x

e

g x

x

=

=

  i   

2

2

2

2

2

.

x

x

x

x

x

x e dx

x e

e

x dx

x e

xe dx

=

=

 

Ale  

x

xe dx

  została obliczona w punkcie    c) . Wstawiając otrzymany tam wynik 

otrzymujemy ostatecznie:   

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

.

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x e dx

x e

e

x dx

x e

xe dx

x e

xe

e

C

e

x

x

C

=

=

=

+ =

+ +

 

e) 

W całce   

ln

x

xdx

      przyjmujemy:  

( )

,

( )

ln

f x

x

g x

x

=

=

.  

background image

 

58 

 

Wówczas  

3

2

2

1

( )

,

( )

3

f x

x

g x

x

=

=

  i    

 

3

3

3

1

3

3

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

2

4

ln

ln

ln

ln

3

3

3

3

3

9

x

xdx

x

x

x

dx

x

x

x dx

x

x

x

C

x

=

=

=

+ =

 

3

3

2

4

ln

3

9

x

x

x

C

=

+

.   

f) 

Oznaczmy przez  

(cos )

x

Y

x e dx

=

.   W całce 

(cos )

x

x e dx

   przyjmujemy:  

( )

,

( )

cos

x

f x

e

g x

x

=

=

.   Wówczas   ( )

,

( )

sin

x

f x

e

g x

x

=

= −

     i   

(

)

(cos )

(cos )

sin

(cos )

(sin )

x

x

x

x

x

x e dx

x e

x e dx

x e

x e dx

=

=

+

 . 

Całkę  

(sin )

x

x e dx

  obliczamy przez części przyjmując  

( )

,

( )

sin

x

f x

e

g x

x

=

=

Wówczas   ( )

,

( )

cos

x

f x

e

g x

x

=

=

     i    

(

)

(sin )

(sin )

cos

x

x

x

x e dx

x e

x e dx

=

 . 

Otrzymujemy równanie:   

(

)

(

)

cos

sin

x

x

Y

x e

x e

Y

=

+

Stąd       

(

)

2

sin

cos

x

Y

x

x e

=

+

 czyli   

(

)

1

(cos )

sin

cos

2

x

x

Y

x e dx

x

x e

C

=

=

+

+

g) 

Całkę  

arctgx dx

  obliczamy przez części przyjmując  

( )

1 ,

( )

f x

g x

arctgx

=

=

.  

Wówczas  

2

1

( )

,

( )

1

f x

x

g x

x

=

=

+

     i    

2

1

xdx

arctgxdx

x arctgx

dx

x

=

+

.  

Całkę  

2

1

xdx

dx

x

+

 obliczamy przez podstawienia   

2

1

t

x

= +

. Mamy 

2

dt

xdx

=

     i 

                    

2

2

1

1

1

ln

ln 1

1

2

2

2

xdx

dt

dx

t

C

x

C

x

t

=

=

+ =

+

+

+

Ostatecznie   

2

1

ln 1

2

arctgxdx

xarctgx

x

C

=

+

+

.  

 
Zadanie 3. 
Stosując wzór na całkowanie przez części obliczyć całki:  
 

a)  

cos

x

x dx

  ;      b)   

ln

x

x dx

  ;   c)   

2

sin

x

x dx

  ;  d)  

2

x

xe dx

  e) 

x arctgx dx

 .  

 
 
 

background image

 

59 

 

Odpowiedzi. 

a)   sin

cos

x

x

x C

+

+

  ;    b)   

2

2

ln

2

4

x

x

x

C

+

;    c)   

2

cos

2 sin

2 cos

x

x

x

x

x C

+

+

+

d)  

2

2

1

1

2

4

x

x

xe

e

C

+

;   e)   

1

1

1

2

2

2

xarctgx

x

arctgx C

+

+

 

3.  Całkowanie funkcji wymiernych 
 

Funkcją wymierną nazywamy funkcję, która jest ilorazem dwóch wielomianów tj. 

                                                      

( )

( )

( )

L x

f x

M x

=

gdzie

( )

L x

oraz

( )

M x

są wielomianami. 

Ułamkami prostymi   nazywamy funkcje wymierne postaci                              

                          

(

)

(

)

(

)

2

,

,

1, 2,...

n

n

A

Ax

B

n

x a

x

px

q

+

=

+

+

 

gdzie   ,

, ,

,

A B a p q  są stałe, przy czym  

2

4

0

p

q

<

 
Twierdzenie 
Każdą funkcję wymierną można zawsze rozłożyć na sumę wielomianu i pewnej liczby 
ułamków prostych. 
 
Wystarczy zatem umieć całkować ułamki proste by scałkować każdą funkcję wymierną. 
 
1. Całkowanie ułamków prostych 

a)  Całkę    

(

)

n

Adx

x

a

obliczamy podstawiając   t

x a

= −

. Wówczas   dt

dx

=

   i 

                        

(

)

1

ln

1,

1.

1

n

n

n

A

t

dla n

Adx

dt

A

At

t

x a

dla n

n

− +

=

=

=

− +

 

 
Zatem   

                        

(

)

(

)

1

ln

1,

1

1.

1

n

n

A

x a

dla n

Adx

A

dla n

x a

n

x

a

=

=

 

b) Całkowanie ułamka prostego

(

)

2

n

Ax

B

x

px

q

+

+

+

 , (

2

4

0

p

q

<

), pokażemy na przykładzie 

(tylko dla 

1

n

=

). 

Aby obliczyć całkę 

(

)

2

3

5

2

10

x

dx

x

x

+

+

+

 funkcję podcałkową rozkładamy w następujący sposób: 

                            

(

)

2

2

2

3

5

3

2

2

2

2

10

2

2

10

2

10

x

x

x

x

x

x

x

x

+

+

= ⋅

+

+

+

+

+

+

+

Pierwszy składnik ma tę własność, że licznik ułamka jest pochodną jego mianownika. 

background image

 

60 

 

Całkę 

(

)

2

2

2

2

10

x

dx

x

x

+

+

+

 obliczamy podstawiając  

2

2

10

t

x

x

=

+

+

, skąd  

(

)

2

2

dt

x

dx

=

+

 

Zatem  

(

)

2

2

2

2

ln

ln

2

10

2

10

x

dx

dt

t

x

x

x

x

t

+

=

=

=

+

+

+

+

 . 

Całkę 

2

2

10

dx

x

x

+

+

przekształcamy do postaci  

(

)

2

1

9

dx

x

+

+

 i podstawiamy  3

1

t

x

= +

.   

Stąd   3dt

dx

=

 i   

(

)

(

)

1
3

2

2

2

3

1

1

1

(

1)

9

9

3

1

3

3

1

9

dx

dt

dt

arctgt

arctg

x

t

t

x

=

=

=

=

+

+

+

+

+

Ostatecznie 

                        

(

)

(

)

2

1
3

2

3

5

3

2

ln

2

10

(

1)

2

10

2

3

x

dx

x

x

arctg

x

C

x

x

+

=

+

+

+

+

+

+

+

Podobne rozumowanie można przeprowadzić  dla obliczenia całki ułamka prostego w ogólnej 

postaci 

2

Ax

B

x

px

q

+

+

+

Dla obliczenia całki ułamka prostego w postaci 

2

(

)

n

Ax

B

x

px

q

+

+

+

, dla 

1

n

>

 stosujemy wory 

rekurencyjne, których nie będziemy w tym miejscu podawać. Zainteresowanych czytelników 
odsyłamy np. do pozycji  

[ ]

(F.Leja , Rachunek różniczkowy i całkowy str.260 oraz 264 ) 

 

2. Rozkład funkcji wymiernej  

( )

( )

( )

L x

f x

M x

=

Jeżeli stopień licznika 

( )

L x

 jest nie mniejszy niż stopień mianownika 

( )

M x

, dzielimy 

( )

L x

 

przez  

( )

M x

, by otrzymać rozkład 

                                                

( )

( )

( )

( )

( )

L x

P x

W x

M x

M x

=

+

          

na sumę wielomianu 

( )

W x

 i funkcji wymiernej  

( )

( )

P x

M x

, w której licznik jest stopnia 

niższego niż mianownik. Następnie rozkładamy ułamek  

( )

( )

P x

M x

 na ułamki proste w 

następujący sposób. 
   Niech mianownik 

( )

M x

 ma postać 

                                          

( )

1

2

1

2

...

.

n

n

n

n

M x

x

c x

c x

c

+

+

+ +

  

Wielomian ten rozkładamy na czynniki liniowe postaci  

x a

 lub kwadratowe postaci 

2

x

px

q

+

+

, gdzie  

2

4

0

p

q

<

. Rozpatrzymy trzy przypadki zależnie od tego, jakie są 

czynniki wielomianu 

( )

M x

a)   Niech 

( ) (

)(

) (

)

1

2

...

n

M x

x

a

x a

x a

= −

⋅ ⋅ −

 , gdzie wszystkie  

,

1, 2,...,

i

a

i

n

=

, są różne. 

Wówczas rozkład na ułamki proste ma postać: 

background image

 

61 

 

                                         

( )

( )

1

2

1

2

...

n

n

P x

A

A

A

M x

x a

x a

x

a

=

+

+ +

gdzie  

1

2

,

,...,

n

A

A

 są pewnymi stałymi. Stałe te obliczamy mnożąc obie strony tej równości 

przez wspólny mianownik i porównując po obu stronach współczynniki wielomianów  przy 
tych samych potęgach zmiennej 

x

 
 
Przykład 4. 

Obliczyć całkę   

2

2

7

12

x

dx

x

x

+

Rozwiązanie. 
Ponieważ   

(

)(

)

2

7

12

3

4

x

x

x

x

+ = −

, więc funkcja podcałkowa daje rozłożyć się  na 

ułamki proste: 

                                    

2

2

7

12

3

4

x

A

B

x

x

x

x

=

+

+

Mnożąc obie strony równania przez wspólny mianownik otrzymujemy: 
                                          

(

) (

)

2

4

3

x

A x

B x

− ≡

− +

 . 

Po uporządkowaniu mamy: 
                                         

(

)

2

4

3

x

x A

B

A

B

− ≡

+

Porównując współczynniki tych wielomianów otrzymujemy układ równań: 

                                                  

1

4

3

2.

A

B

A

B

+

=

= −

 

Stąd  

1 ,

2

A

B

= −

=

  i 

                                    

2

2

1

2

7

12

3

4

x

x

x

x

x

=

+

+

.       

Zatem 

            

2

2

2

ln

3

2 ln

4

7

12

3

4

x

dx

dx

dx

x

x

C

x

x

x

x

= −

+

= −

− +

− +

+

b)  Miech 

( ) (

)

( )

1

k

M x

x

a

M

x

= −

, gdzie    jest liczbą naturalną a  

( )

1

M

x

 wielomianem 

niepodzielnym przez 

x a

. Wówczas rozkład ułamka  

( )

( )

P x

M x

 ma postać: 

                         

( )

( )

P x

M x

=

(

)

(

)

( )

( )

1

1

2

2

1

...

k

k

P x

A

A

A

x

a

M

x

x

a

x

a

+

+ +

+

gdzie  

( )

1

P x

 jest wielomianem stopnia niższego niż wielomian 

( )

1

M

x

. Wystarczy następnie 

rozłożyć ułamek 

( )

( )

1

1

P x

M

x

Przykład 5. 

Obliczyć całkę  

2

3

2

6

9

x

dx

x

x

+

+

 
 
 

background image

 

62 

 

Rozwiązanie. 

Ponieważ   

(

)

2

2

6

9

3

x

x

x

+

+ = +

, więc funkcja podcałkowa daje rozłożyć się  na ułamki 

proste: 

                                    

(

)

2

2

3

2

6

9

3

3

x

A

B

x

x

x

x

=

+

+

+

+

+

Mnożąc obie strony równania przez wspólny mianownik otrzymujemy: 
                                          

(

)

3

2

3

x

A x

B

− ≡

+ +

 . 

Po uporządkowaniu mamy: 
                                          3

2

3

x

Ax

A

B

− ≡

+

+

Porównując współczynniki tych wielomianów otrzymujemy układ równań: 

                                                  

3

3

2.

A

A

B

=

+ = −

 

Stąd  

3 ,

11

A

B

=

= −

  i 

                                    

(

)

2

2

3

2

3

11

6

9

3

3

x

x

x

x

x

=

+

+

+

.       

Zatem 
            

(

)

2

2

3

2

1

11

3

11

3ln

3 11

3ln

3

6

9

3

3

3

3

x

dx

dx

dx

x

C

x

C

x

x

x

x

x

x

=

+ −

=

− − ⋅

+ =

− +

+

+

+

+

+

+

+

c)  Niech  

( )

(

)

( )

2

1

,

k

M x

x

px

q

M

x

=

+

+

 gdzie  

2

4

0

p

q

<

,    jest liczbą naturalną, a 

( )

1

M

x

 wielomianem niepodzielnym przez 

2

x

px

q

+

+

. Wówczas rozkład ułamka  

( )

( )

P x

M x

 

ma postać: 

     

( )

( )

P x

M x

=

(

)

(

)

( )

( )

2

1

1

2

2

2

2

2

2

2

...

k

k

k

P x

B x C

B x C

B x C

x

px

q

M

x

x

px

q

x

px

q

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

gdzie 

( )

2

P x

 jest wielomianem stopnia niższego niż wielomian 

( )

2

M

x

Stałe  

,

i

i

B C  obliczamy podobnie jak poprzednio. 

Przykład 6. 

 Obliczyć całkę  

2

3

5

5

6

8

x

x

dx

x

+

+

Rozwiązanie. 

Ponieważ   

(

)

(

)

3

2

8

2

2

4

x

x

x

x

− = −

+

+

, więc funkcja podcałkowa daje rozłożyć się  na 

ułamki proste: 

                                    

2

3

2

5

5

6

8

2

2

4

x

x

A

Bx C

x

x

x

x

+

+

+

=

+

+

+

Mnożąc obie strony równania przez wspólny mianownik otrzymujemy: 

                                          

(

)

(

)(

)

2

2

5

5

6

2

4

2

x

x

A x

x

Bx C

x

+

+ ≡

+

+ +

+

 . 

Po uporządkowaniu mamy: 
                                 

(

)

(

)

2

2

5

5

6

2

2

4

2

x

x

A

B x

A

B C x

A

C

+

+ ≡

+

+

+

+

Porównując współczynniki tych wielomianów otrzymujemy układ równań: 

background image

 

63 

 

                                                  

5,

2

2

5,

4

2

6.

A B

A

B C

A

C

+ =

+ =

=

 

Stąd  

3 ,

2 ,

3

A

B

C

=

=

=

  i 

                                     

2

3

2

5

5

6

3

2

3

8

2

2

4

x

x

x

x

x

x

x

+

+

+

=

+

+

+

.         .       

 
Zatem 

            

(

)

2

3

2

2

3

5

5

6

3

8

2

2

4

x

dx

x

x

dx

dx

x

x

x

x

+

+

+

=

+

+

+

Mamy: 

 

ln

2

2

dx

x

x

=

     oraz  

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

3

2

2

ln

2

4

2

4

2

4

2

4

1

3

x

dx

x

dx

dx

dx

x

x

x

x

x

x

x

x

x

+

+

=

+

=

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

Całkę  

(

)

2

1

3

dx

x

+

+

 obliczamy przez podstawienie   3

1

t

x

⋅ = +

. Stąd  

3

dx

dt

=

Otrzymujemy więc  

 

(

)

(

)

1

2

2

3

3

3

3

1

3

1

3

3

1

3

dx

dt

arctgt

arctg

x

t

x

=

=

=

+

+

+

+

Ostatecznie 

(

)

2

2

1

3

3

5

5

6

3

3ln

2

4

1

8

3

x

x

dx

x

x

arctg

x

C

x

+

+

=

+

+ +

+

+

 
Zadanie 4 
Obliczyć całki: 

a)  

2

3

4

6

x

dx

x

x

− −

;   b)

2

2

3

4

5

x

dx

x

x

+

;  c)   

2

3

3

2

8

x

x

dx

x

+ +

+

 

Odpowiedzi. 

a)  

ln

3

2 ln

2

x

x

C

− +

+ +

;  b)  

(

)

2

ln

4

5

2

x

x

arctg x

C

+ +

− +

;   

c)  

2

ln

2

ln

2

4

x

x

x

+ +

+ +

(

)

1

3

3

1

3

arctg

x

C

+

 
Uwaga. 
 
Istnieje wiele funkcji elementarnych, których całki nie wyrażają się przez funkcje, które 
zaliczamy do elementarnych. Całki takie definiują zatem nowe funkcje (nieelementarne). 
Należą do nich, między innymi: 

               

2

sin

cos

1

1

,

,

,

,

,

ln

sin

x

x

e

x

dx

dx

dx

dx

e

dx

dx

x

x

x

x

x

 

 

background image

 

64 

 

II. Całka oznaczona  

 
Całka Riemanna 
Przedstawimy teraz definicję całki oznaczonej podaną przez  B.Riemanna (1826-1864). 
Załóżmy, że funkcja  f jest określona i ograniczona ( niekoniecznie ciągła) w przedziale 
domkniętym 

;

a b

,   a

b

<

Dzielimy przedział  

;

a b

  na  

n

 dowolnych części punktami:  

                         

0

1

2

1

...

n

n

a

x

x

x

x

x

b

=

< <

< <

<

=

i oznaczamy przez  

i

x

 długość przedziału  

1

;

i

i

x

x

 tj.  

1

i

i

i

x

x

x

∆ = −

Tak określony podział oznaczamy przez  

.

n

P

 Zauważmy, że  

                               

1

2

...

n

x

x

x

b a

∆ + ∆ + + ∆ = −

Ś

rednicą podziału

 nazywamy liczbę   

{

}

1,2,...,

(

)

max

n

n

i

i

n

P

x

δ

=

 (najdłuższy z przedziałów 

1

;

i

i

x

x

). 

Niech    będzie kresem górnym funkcji   w przedziale 

;

a b

  tzn.  

;

sup

( )

x

a b

M

f x

=

 , 

a  

m

 będzie kresem dolnym funkcji   w przedziale 

;

a b

  tzn.  

;

inf

( )

x

a b

m

f x

=

 
Oznaczmy jeszcze odpowiednio przez  

,

i

i

M

m

  kres górny i kres dolny funkcji  f  w 

przedziale 

1

;

i

i

x

x

 tj.  

1

;

sup

( )

i

i

i

x

x

x

M

f x

=

 ,     

1

;

inf

( )

i

i

i

x

x

x

m

f x

=

, oraz   przez  

1

;

i

i

i

c

x

x

 

 

dowolny punkt tego przedziału (punkt pośredni). 
     
Tworzymy trzy następujące sumy : 
                                

1

1

2

2

...

n

n

n

s

m x

m

x

m

x

= ∆ + ∆ + + ∆

  , 

                                

1

1

2

2

( )

( )

...

( )

n

n

n

f c

x

f c

x

f c

x

σ =

∆ +

∆ + +

                                

1

1

2

2

...

n

n

n

S

M

x

M

x

M

x

=

∆ +

∆ + +

Nazywamy je odpowiednio  sumą dolną , sumą pośrednią i sumą górną. 
Zachodzą następujące nierówności: 
                                

(

)

(

)

n

n

n

m b a

s

S

M b a

≤ σ ≤

 
Interpretację geometryczną sum

n

s

 oraz  

n

S

 dla 

4

n

=

 przedstawia rysunek: 

                   
 
 
 
 
 
 
                                 
 
  Utwórzmy ciąg  

( )

n

P

 podziałów przedziału  

;

a b

 dla  

1, 2,...

n

=

. Odpowiadają mu trzy 

ciągi sum:   

( ) ( ) ( )

,

,

n

n

n

s

S

σ

 

background image

 

65 

 

Definicja 3. 
Ciąg  

{ }

n

P

 podziałów przedziału  

;

a b

 nazywamy normalnym ciągiem podziałów, 

jeżeli  lim

(

)

0

n

n

n

P

→∞

δ

=

Definicja 4.  
Jeżeli dla każdego normalnego ciągu podziałów przedziału 

;

a b

 ciąg  sum pośrednich jest 

zbieżny zawsze do tej samej granicy niezależnie od doboru ciągów podziałów i punktów 
pośrednich, to granicę tę nazywamy 

całką oznaczona Riemanna  funkcji  f  w przedziale 

;

a b

 i oznaczamy symbolem: 

                                                        

( )

b

a

f x dx

Uwaga.    
      
O funkcji  f  mówimy, że jest całkowalna w sensie Riemanna lub całkowalna.      
 
Całka oznaczona spełnia następującą nierówność: 

                                           

(

)

(

)

( )

b

a

m b a

f x dx

M b a

− ≤

 
 Granice ciągów  

( )

n

s

  i   

( )

n

S

  odpowiadających normalnym ciągom podziałów przedziału 

;

a b

 nazywamy odpowiednio całką dolną i całką górną funkcji   w przedziale 

;

a b

 i oznaczamy:                lim

( )

,

lim

( )

b

b

n

n

n

n

a

a

s

f x dx

S

f x dx

→∞

→∞

=

=

Nazywamy je też całkami Darboux
                         
Twierdzenie 2. 
Całka oznaczona istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy całka dolna równa się całce górnej. 
 
Twierdzenie 3. 
Funkcja ciągła w przedziale domkniętym jest całkowalna. 
 
Twierdzenie 4. (Newtona i Leibniza
Jeżeli   jest funkcją pierwotną funkcji    określonej i ciągłej w przedziale 

;

a b

, to 

                                          

[

]

( )

( )

( )

( )

b

b

a

a

f x dx

F x

F b

F a

=

=

Interpretacja geometryczna całki oznaczonej 
Jeżeli funkcja  ( )

f x

 jest ciągła w przedziale 

;

a b

 przyjmuje wartości nieujemne w tym 

przedziale, to całka oznaczona 

( )

b

a

f x dx

 jest równa polu ograniczonego wykresem funkcji 

( )

y

f x

=

, prostymi

,

x

a

x

b

=

=

 oraz osią Ox

 
 
 
 

background image

 

66 

 

Własności całek oznaczonych 

 
Twierdzenie 5. 
Jeżeli funkcje  f  i   g   są całkowalne w przedziale 

;

a b

, to funkcje  

,

,

f

g

f

g

c f

+

(  c

dowolna stała) są też całkowalne  w 

;

a b

 i zachodzą równości: 

 

                                      

(

)

( )

( )

( )

( )

b

b

b

a

a

a

f x

g x dx

f x dx

g x dx

+

=

+

                                      

(

)

( )

( )

( )

( )

b

b

b

a

a

a

f x

g x dx

f x dx

g x dx

=

                                      

( )

( )

b

b

a

a

c f x dx

c

f x dx

= ⋅

.  

                                      

( )

( )

b

a

a

b

f x dx

f x dx

= −

                                      

( )

0

a

a

f x dx

=

 
Twierdzenie 6.  
(addytywność całki
Jeżeli  f  jest całkowalna w przedziale  

;

a b

 oraz  

( )

;

a b

α∈

, to f  jest całkowalna w 

przedziałach  

;

a

α

  oraz  

;b

α

  i zachodzi wzór: 

                                        

( )

( )

( )

b

b

a

a

f x dx

f x dx

f x dx

α

α

=

+

Interpretację geometryczną przedstawia rysunek: 
                                            
 
 
 
 
 
 
 
Twierdzenie 7.  
(o wartości średniej dla całki oznaczonej
Jeżeli  f  jest ciągła w przedziale  

;

a b

 to istnieje  

( )

;

c

a b

 takie, że 

                                        

(

)

( )

( )

b

a

f x dx

f c b

a

=

Uwaga. 
Równość z tw. 7 można zapisać w równoważnej postaci: 

                                             

1

( )

( )

b

a

f c

f x dx

b a

=

.  

Liczbę   

1

( )

b

a

f x dx

b a

  nazywamy  

wartością średnią funkcji  f  w przedziale  

;

a b

 

background image

 

67 

 

Interpretacja geometryczna:  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Załóżmy, że   ( )

0

f x

  dla   

;

x

a b

. Pole trapezu krzywoliniowego (pole ograniczone 

wykresem funkcji 

( )

y

f x

=

, prostymi 

,

x

a

x

b

=

=

  oraz osią   

0x)  jest równe polu 

prostokąta o długości podstawy   b a

 i drugim boku o długości   ( )

f c

 
Całkowanie przez części dla całek oznaczonych 
 
   
Niech funkcje  f  i   g    mają ciągłe pochodne w przedziale  

;

a b

. Wówczas: 

                          

[

]

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

b

b

b

a

a

a

f x g x dx

f x g x

f x g x dx

=

 
Całkowanie przez podstawienie  dla całek oznaczonych 
 
     
Jeżeli funkcja  f  jest ciągła w zbiorze wartości  

( )

t

x

= ϕ

 funkcji  

ϕ

, ciągłej i mającej 

ciągłą pochodną w przedziale  

;

α β

 i jeżeli  

( )

a

= ϕ α

,  

( )

b

= ϕ β

, to 

                                 

(

)

( )

( )

( )

b

a

f t dt

f

x

x dx

β

α

=

ϕ

⋅ϕ

 
     Powyższe twierdzenie nosi nazwę 

twierdzenia o zamianie zmiennej w całce oznaczonej

 
Przykład 7.
 
Obliczyć następujące całki oznaczone:    

a)    

1

3

0

(

)

x

x

e dx

+

  ;   b)  

3

0

sin 5xdx

π

  ;    c)  

1

ln

e

x

dx

x

 ;    d)  

4

2

0

cos

sin

x

xdx

π

e)   

3

2

0

sin 2

1 sin

x

dx

x

π

+

   ;   f)   

1

0

x

xe dx

    ;   g)   

5

2

3

4

xdx

x

 ;  h)  

1
2

1

2

2

dx

x

x

 . 

 
Rozwiązanie: 
a) 

Funkcja podcałkowa:  

3

( )

x

f x

x

e

= +

  ,  funkcja pierwotna   

(

)

3

4

1

( )

4

x

x

F x

x

e

dx

x

e

=

+

=

+

background image

 

68 

 

Zatem   

1

1

3

4

4

1

4

0

0

0

1

1

1

3

(

)

1

0

4

4

4

4

x

x

x

e dx

x

e

e

e

e

 

+

=

+

=

⋅ +

⋅ +

= −

 

 

  ; 

b)  Funkcja podcałkowa:   ( )

sin 5

f x

x

=

  ,  funkcja pierwotna   

1

( )

sin 5

cos 5

5

F x

x dx

x

=

= −

 

A więc    

3

3

5
3

0

0

1

1

1

1

1

1

sin 5

cos 5

cos

cos 0

5

5

5

10

5

10

xdx

x

π

π

 

= −

= −

π − −

= −

+ =

 

 

 
    Przykład ten można również rozwiązać, stosując wzór na zamianę zmiennej w całce 

oznaczonej.   W całce   

3

0

sin 5xdx

π

   podstawiamy   

5

t

x

=

. Wówczas  

5

dt

dx

=

 czyli 

1

5

dx

dt

=

. Jeżeli  

x

 zmienia się od  0  do  

1
3

π

 to zmienna 

t zmienia się od  0  do  

5
3

π

 

i    

5

5

3

3

3

5
3

0

0

0

1

1

1

1

1

sin 5

sin

cos

cos

cos 0

5

5

5

5

10

xdx

tdt

t

π

π

π

 

=

= −

= −

π − −

=

 

 

c) 

Funkcja podcałkowa:  

ln

( )

x

f x

x

=

  .  Funkcję pierwotną   

ln

( )

x

F x

dx

x

=

 obliczamy 

podstawiając  

ln

t

x

=

.Wówczas  

dx

dt

x

=

. Mamy:   

( )

2

2

1

ln

2

2

t

t dt

x

=

=

. Zatem 

( )

2

1

( )

ln

2

F x

x

=

  i    

( )

( )

( )

2

2

2

1

1

ln

1

1

1

1

ln

ln

ln1

2

2

2

2

e

e

x

dx

x

e

x

 

=

=

=

 

 

 .    

      Przykład ten można również rozwiązać, stosując wzór na zamianę zmiennej w całce 

oznaczonej.   W całce 

1

ln

e

x

dx

x

   podstawiamy   

ln

t

x

=

. Wówczas  

dx

dt

x

=

 . 

 Jeżeli  

x

 zmienia się od  1  do  

e

 to zmienna t zmienia się od   ln1

0

=

  do   ln

1

e

=

 

i      

1

1

2

2

2

0

1

0

ln

1

1

1

1

1

0

2

2

2

2

e

x

dx

tdt

t

x

 

=

=

=

=

 

 

d)     

W całce  

4

2

0

cos

sin

x

xdx

π

   podstawiamy   

cos

t

x

=

. Wówczas  

sin

dt

xdx

= −

. Jeżeli 

x

 

zmienia się od  0  do  

1
4

π

  to zmienna     zmieni się od   cos 0

1

=

  do   

( )

1

1

4

2

cos

2

π =

background image

 

69 

 

Zatem    

( )

2

1

4

2

1

3

2

2

2

2

0

1

2

2

2

1

2

cos

sin

3

3

12

t

x

xdx

t

dt

t dt

π

=

=

=

= −

 . 

e) 

Stosujemy wzór:   sin 2

2 sin cos

x

x

x

=

. Wówczas  

3

3

2

2

0

0

sin 2

2sin cos

1 sin

1 sin

x

x

x

dx

dx

x

x

π

π

=

+

+

Podstawiamy teraz  

2

1 sin

t

x

= +

. Mamy  

2 sin cos

dt

x

xdx

=

. Jeżeli 

x

 zmienia się od 0 do

1
3

π

 

to  zmienna 

 zmienia się od   

2

1 sin 0 1

+

=

  do   

( )

2

1
3

5

1 sin

4

+

π =

  i 

5

3

3

4

5

4

2

2

1

0

0

1

sin 2

2sin cos

5

2

2

2

5

2

4

1 sin

1 sin

x

x

x

dt

dx

dx

t

t

x

x

π

π

=

=

=

=

− =

+

+

f) 

Do całki

1

0

x

xe dx

   zastosujemy wzór na całkowanie przez części dla całek oznaczonych. 

Przyjmujemy   

( )

,

( )

x

f x

e

g x

x

=

=

. Stąd   ( )

,

( )

1

x

f x

e

g x

=

=

 . 

(

)

(

)

1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

x

x

x

x

xe dx

xe

e

dx

e

e

e

e e

 

=

= − −

= − −

=

 

g) 

W całce  

5

2

3

4

xdx

x

 podstawiamy: 

2

4

t

x

=

.Stąd  

2

dt

xdx

=

 czyli  

1

2

xdx

dt

=

. Jeżeli  

x

 

zmienia się  od  3  do  5 , to zmienna   zmienia się od  

2

3

4

5

− =

  do  

2

5

4

21

− =

. Zatem 

5

21

21

2

5

3

5

1

1

1

1

1

21

ln

ln 21

ln 5

ln

4

2

2

2

2

2

5

xdx

dt

t

x

t

=

=

=

=

 . 

h)  

 Zauważmy, że   

(

)

2

2

2

1

1

x

x

x

= − −

.  Zatem 

(

)

1

1

2

2

1

1

2

2

2

1

1

dx

dx

x

x

x

=

− −

 . 

Stosujemy następnie podstawienie  

1

t

x

= −

. Stąd   dt

dx

=

 .Wówczas jeżeli x zmienia się od 

1
2

 do  1  to zmienna   zmienia się od 

1

1

2

2

1

− = −

  do    1 1

0

− =

 . 

 
Mamy więc   

 

(

)

[

]

(

)

( )

(

)

1
2

1

1

2

2

1

0

0

1

1

1

2

6

6

2

2

arcsin

arcsin 0

arcsin

0

1

1

1

dx

dt

t

t

x

=

=

=

− = − − π = π

− −

 
 
 

background image

 

70 

 

Zadanie 5. 
Obliczyć następujące całki oznaczone: 

a) 

3

0

sin 3xdx

π

  ; b) 

1

2

0

2

1

x

dx

x

+

  ; c) 

5

2

0

1

x x

dx

+

  ; d) 

1

ln

e

x

x dx

;   e) 

3

2

2

4

dx

x

x

 .  

 
Wskazówka.   
Skorzystać z obliczonych całek nieoznaczonych dla tych funkcji w przykładzie

 2, zadania a) , 

b) ,  c)  oraz  w przykładzie 3  zadanie e) . 
Odpowiedzi. 

a)   

2

3

   ;     b)     ln 2   ;    c)   

19

3

 ;   d)  

3

2

4

9

9

e

+

 ;   e)   

1
6

π

 . 

 

III. Zastosowania geometryczne całki oznaczonej 
 

1. Pole obszaru płaskiego 

 

Załóżmy, że funkcje  

f  i   g  są funkcjami ciągłymi w przedziale  

;

a b

 takimi, że 

( )

( )

f x

g x

  dla 

;

x

a b

, (rysunek) . Wówczas pole  

S

 obszaru ograniczonego 

wykresami tych funkcji oraz prostymi 

,

x

a

x

b

=

=

  wyraża się wzorem: 

                                                

(

)

( )

( )

b

S

a

P

g x

f x dx

=

.      

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Przykład 8. 
Znaleźć pole P  figury ograniczonej: 

a)

 

wykresem funkcji  

2

1

y

x

= −

  i  osią   Ox   ; 

b)

 

prostą  

1

y

=

  i parabolą  

2

y

x

=

 ; 

c)

 

prostą  

1

y

=

  i parabolą  

2

y

x

=

 . 

 
Rozwiązanie. 
a)   Wykres funkcji  

2

1

y

x

= −

 przecina  oś  Ox  w punktach  

1 ,

1

x

x

= −

=

 (rysunek). 

       Stąd  

(

)

1

1

3

2

1

1

1

1

4

1

1

1

3

3

3

3

x

P

x

dx

x

 

=

=

= −

− − −

=

 

 

 

background image

 

71 

 

b)   Rozwiązaniami układu równań  

      

2

1

y

x

y

=

=

   

są pary liczb:  

1 ,

1

x

y

=

=

  lub  

1,

1

x

y

= −

=

      W przedziale  

(

)

1;1

 prosta  

1

y

=

 leży nad parabolą  

2

y

x

=

.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Stąd 

                      

(

)

1

1

3

2

1

1

4

1

3

3

x

P

x

dx

x

=

=

=

 ,  (patrz:  punkt a) )        

c)   Rozwiązaniami układu równań                     

            

2

y

x

y

x

=

=

   

są pary liczb:  

0 ,

0

x

y

=

=

  lub  

1,

1

x

y

=

=

Rozważaną figurą jest 

            

( )

{

}

2

,

: 0

1

S

x y

x

x

y

x

=

≤ ≤ ∧

≤ ≤

Pole   

S

P

=

(

)

1

1

2

3

2

0

0

1

1

1

2

3

2

3

6

x

x

x

x

dx

=

= − =

.     

 
 
Zadanie 6. 
Obliczyć pola figur ograniczonych : 
a)   osią  Ox  i wykresem funkcji    ( )

sin

f x

x

=

  ,  

0;

x

π

 ; 

b)   parabolami  

2

4

y

x

= −

  i   

2

4

y

x

=

 ,   

2; 2

x

∈ −

 ; 

c)   parabolą  

2

y

x

=

 , prostą  pionową  

2

x

=

, osia  Ox  i leżącą w pierwszej ćwiartce gałęzi 

      hiperboli  

1

y

x

=

 

Odpowiedzi.      a)   

2

P

=

   ;   b)   

64

3

P

=

  ;   c)   

1

ln 2

3

P

= +

 .

 

 
 
 
 

background image

 

72 

 

2. Długość krzywej 
 

Niech funkcja  f  ma ciągłą pochodną w przedziale 

;

a b

. Wtedy długość krzywej 

(

)

{

}

, ( ) :

;

x f x

x

a b

Γ =

 wyraża się wzorem 

                                               

( )

2

1

b

a

L

f

x

dx

=

+

 
 
 
 
 
 
 

                                                                         Krzywa  

Γ

 

 
 

Przykład 9. 
Obliczyć długości podanych krzywych: 
a)   

2

2

2

x

y

r

+

=

 , (długość okręgu o promieniu  )

r

 ; 

b)   

3

2

, 0

11

y

x

x

=

≤ ≤

 . 

 
Rozwiązanie. 
a) Ze względu  na symetrię w/m osi  Ox  weźmiemy pod uwagę tylko półokrąg o równaniu 

2

2

y

r

x

=

,    r

x

r

− ≤ ≤

.  

Dla funkcji  

( )

2

2

y x

r

x

=

 mamy   

( )

2

2

x

y x

r

x

=

 Zatem długość półokręgu jest równa 

   

( )

2

2

2

2

2

2

1

1

r

r

r

r

r

x

r

r

r

r

L

y x

dx

dx

dx

r

x

=

+

=

+

=

Całkę 

2

2

r

r

r

dx

r

x

 obliczymy przez podstawienie  

r t

x

⋅ =

, czyli  

x

t

r

=

. Stąd  

rdt

dx

=

Jeżeli 

x

 zmienia się od  r

 do   to zmienna   zmienia się od   1

 do  1 .Mamy wiec 

[

]

(

)

(

)

1

1

2

1

1

2

2

2

2 2

2

1

1

1

1

2

2

arcsin

arcsin1 arcsin( 1)

1

(

.

r

r

r

r dt

rdt

L

dx

r

t

r

r

x

r

r t

t

r

r

=

=

=

=

=

=

=

π − − π = π

 

 
Zatem długość okręgu wynosi  2

2

L

r

= π

 

background image

 

73 

 

b)  Dla funkcji  

( )

3

2

y x

x

=

 mamy   

( )

3

1

2

2

3

2

2

3

2

y x

x

x

x

=

= ⋅

=

 Zatem długość krzywej jest równa 

   

( )

( )

11

11

11

2

2

0

0

0

1

1

3

1 9

L

y x

dx

x

dx

x dx

=

+

=

+

=

+

Całkę  

11

0

1 9x dx

+

 obliczymy przez podstawienie  

1 9

t

x

= +

. Stąd  

9

dt

dx

=

Jeżeli 

x

 zmienia się od 0 do 11  to zmienna 

 zmienia się od  1 do  100   .Mamy więc 

11

0

1 9

L

x dx

=

+

=

100

1

1

9

t dt

(

)

100

3

3

3

1

1 2

2

2

100

1

999

74

9 3

27

27

t

=

=

=

.

 

 
3. Objętość i pole powierzchni bryły obrotowej 
 

1. Niech funkcja nieujemna  f  będzie ciągła w przedziale 

;

a b

. Ponadto niech 

T  oznacza 

trapez krzywoliniowy ograniczony wykresem funkcji 

f  , osią  Ox  oraz prostymi  

,

x

a x

b

=

=

Wtedy objętość  bryły powstałej z obrotu trapezu krzywoliniowego T  wokół osi  Ox  
wyraża się wzorem: 

                                                     

( )

2

b

a

V

f

x dx

= π

 

                                              
 

   
 
 
 
 
 

                          

Bryła powstała z obrotu trapezu krzywoliniowego wokół osi Ox 

 

 
 
2. 
Niech funkcja  f  ma ciągłą pochodną w przedziale 

;

a b

. Wtedy pole powierzchni bryły 

powstałej z obrotu trapezu krzywoliniowego T  wokół osi  Ox  wyraża się wzorem: 

                                             

( )

( )

2

2

1

b

a

P

f x

f

x

dx

= π

+

 
 
 
 

background image

 

74 

 

Przykład 10. 
Obliczyć objętość i pole powierzchni kuli o promieniu długości   
 
Rozwiązanie. 

Możemy kulę traktować jako bryłę obrotową powstałą przez obrót  półokręgu 

2

2

y

r

x

=

 ,  

r

x

r

− ≤ ≤

, dookoła osi  Ox 

Jej objętość  

( )

(

)

(

) (

)

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

1

1

1

3

3

3

4

(

)

(

)

.

3

r

r

r

r

r

r

V

y

x dx

r

x dx

r x

x

r

r

r

r

r

= π

= π

= π

= π

− −

− −

= π

Mamy  

( )

2

2

x

y x

r

x

=

.  

 Zatem pole powierzchni  

( )

( )

[ ]

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

4

.

r

r

r

r

r

x

r

r

r

r

r

r

r

r r

x

P

y x

y x

dx

r

x

dx

dx

r

x

r

dx

r x

r r

r

r

= π

+

= π

− ⋅ +

= π

=

= π

= π

= π

− −

= π

 
III. Całki niewłaściwe 

 
Całki niewłaściwe 1-go rodzaju 

1.  Załóżmy, że funkcja  f jest określona  w przedziale  

)

;

a

+∞

i  całkowalna w każdym 

przedziale  

;

a M

,   M

a

>

.

 

Definicja 5.  

Jeżeli istnieje skończona granica  

lim

( )

M

M

a

f x dx

→+∞

to nazywamy ją całką niewłaściwą funkcji f  

w przedziale  

;

a

+∞

 i zapisujemy: 

                                                

( )

lim

( )

M

M

a

a

f x dx

f x dx

→∞

=

Mówimy wtedy, że całka  

( )

a

f x dx

+∞

 jest 

zbieżna. 

Jeżeli granica  lim

( )

M

M

a

f x dx

→+∞

  jest niewłaściwa ( 

±∞

) , to mówimy, że całka 

 

( )

a

f x dx

+∞

 jest 

rozbieżna. 
 
 
 

background image

 

75 

 

 
 
 
 
 
                               
 
 
                       

Ilustracja do definicji całki niewłaściwej w przedziale  

)

;

a

+∞

 

 

 2. Załóżmy, że funkcja  f jest określona  w przedziale  

(

;b

−∞

i  całkowalna w każdym 

przedziale  

;

m b

,   m

b

<

Definicja 6.  

Jeżeli istnieje skończona granica  

lim

( )

b

m

m

f x dx

→−∞

to nazywamy ją całką niewłaściwą funkcji f  

w przedziale  

(

;b

−∞

 i zapisujemy: 

                                                 

( )

lim

( )

b

b

m

m

f x dx

f x dx

→−∞

−∞

=

 . 

Mówimy wtedy, że całka  

( )

b

f x dx

−∞

 jest 

zbieżna. Jeżeli granica  lim

( )

b

m

m

f x dx

→−∞

  jest 

niewłaściwa lub nie istnieje, to mówimy, że całka 

 

( )

b

f x dx

−∞

 jest 

rozbieżna.    

 
 
 
 
 
 
 
 
 
                               

Ilustracja do definicji całki niewłaściwej w przedziale  

(

;b

−∞

 

 
 
3.  Definicja 7.   
Jeżeli funkcja jest określona w przedziale 

(

)

;

−∞ +∞

 i jest całkowalna w każdym skończonym 

przedziale, to 

                                      

( )

( )

( )

a

a

f x dx

f x dx

f x dx

−∞

−∞

=

+

gdzie  a

R

 jest dowolnie ustaloną liczbą. 

background image

 

76 

 

Przykład 11. 
Obliczyć następujące całki niewłaściwe: 
 

a)  

2

1

1

dx

x

+∞

    ;   b)    

2

0

x

xe

dx

+∞

  ;   c) 

0

x

e dx

−∞

  ;    d)  

1

1

dx

x

+∞

 ;   e) 

2

1

dx

x

+∞

−∞

+

Rozwiązanie. 
a) 

2

2

1

1

1

1

lim

M

M

dx

dx

x

x

+∞

→+∞

=

 .  Funkcja pierwotna  

2 1

2

2

1

1

( )

2 1

x

F x

dx

x dx

x

x

− +

=

=

=

= −

− +

 , oraz 

( )

2

1

1

1

1

1

1

1

1

M

M

dx

x

x

M

M

= −

= −

− − = −

+

.   Zatem  

2

1

1

1

lim

1

1

M

dx

x

M

+∞

→+∞

=

+ =

Całka ta jest więc zbieżna. 
b) 

2

2

0

lim

M

x

x

M

o

xe

dx

xe

dx

+∞

→+∞

=

.Funkcję pierwotną 

2

( )

x

F x

xe

dx

=

 obliczymy, podstawiając 

2

t

x

= −

. Mamy  

2

dt

xdx

= −

, skąd  

1

2

xdx

dt

= −

.   

Zatem            

2

2

2

1

1

1

1

( )

2

2

2

2

x

t

t

x

x

F x

xe

dx

e dt

e

e

e

=

= −

= −

= −

= −

.

2

2

2

2

2

0

0

0

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

M

M

x

x

M

M

xe

dx

e

e

e

e

 

= −

= −

− −

= −

+

 

 

 

2

2

2

0

0

1

1

1

lim

lim

2

2

2

M

x

x

M

M

M

xe

dx

xe

dx

e

+∞

→+∞

→+∞

=

=

+

=

, gdyż  

2

1

lim

0

2

M

M

e

→+∞

=

  Całka ta jest zbieżna. 
c) 

0

0

2

2

lim

x

x

m

m

e dx

e dx

→−∞

−∞

=

  .  Funkcja pierwotna  

2

2

1

( )

2

x

x

F x

e dx

e

=

=

0

0

2

2

0

2

2

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

x

x

m

m

m

m

e dx

e

e

e

e

=

=

= −

.  Tak więc   

0

2

2

1

1

1

lim

2

2

2

x

m

m

e dx

e

→−∞

−∞

=

=

  , 

gdyż   

2

lim

0

m

m

e

→−∞

=

.  Całka zbieżna. 

d)   

1

1

1

1

lim

M

M

dx

dx

x

x

+∞

→+∞

=

 .  .  Funkcja pierwotna  

1

( )

ln

F x

dx

x

x

=

=

 , oraz 

background image

 

77 

 

(

) ( )

1

1

1

ln

ln

ln1

ln

M

M

dx

x

M

M

x

=

=

=

.   Zatem  

1

1

lim (ln

)

M

dx

M

x

+∞

→+∞

=

= +∞

Całka ta jest więc rozbieżna. 
e)   

[

]

[

]

[

]

[

]

(

) ( )

0

0

2

2

2

2

2

0

0

0

0

1

1

2

2

lim

lim

1

1

1

1

1

lim

lim

lim (

0) (

)

lim (

) (

0)

0

0

.

M

m

M

m

M

m

m

M

m

M

dx

dx

dx

dx

dx

x

x

x

x

x

arctgx

arctgx

arctg

arctgm

arctgM

arctg

+∞

+∞

→−∞

→+∞

−∞

−∞

→−∞

→+∞

→−∞

→+∞

=

+

=

+

=

+

+

+

+

+

=

+

=

+

=

= − − π + π − = π

 

 
Zadanie 5. 
Obliczyć następujące całki niewłaściwe: 
 

a)  

3

1

1

dx

x

+∞

    ;   b)    

0

x

e dx

+∞

  ;   c) 

0

3x

e dx

−∞

  ;    d)  

1

1

2

dx

x

+∞

;  e)  

2

3

9

dx

x

+∞

+

 
Odpowiedzi. 

a)   

1

2

  ;    b)    1   ;     c)  

1

3

  ;   d) 

+∞

 , (całka rozbieżna); e)  

1

1

1

1

1

3

2

3

6

9

⋅ π − ⋅ π = π

 

 
Całki niewłaściwe 2-go rodzaju 
 

1.  Załóżmy, że  

a) funkcja  

f jest określona  w przedziale  

(

;

a b

,   a

b

<

b)  całkowalna w każdym przedziale  

;

, 0

a

b

b a

+ ε

< ε ≤ −

,  

c) 

( )

( )

lim

x

a

f x

+

= +∞ −∞

, (funkcja jest nieograniczona w prawostronnym sąsiedztwie  

     punktu 

a

).

 

 
Definicja 8. 
 

Jeżeli istnieje skończona granica  

0

lim

( )

b

a

f x dx

+

ε→

to nazywamy ją całką niewłaściwą drugiego  

rodzaju funkcji f   w przedziale  

(

;

a b  i zapisujemy: 

                                                

0

( )

lim

( )

b

b

a

a

f x dx

f x dx

ε→ +

=

Mówimy wtedy, że całka  

( )

b

a

f x dx

 jest 

zbieżna. 

background image

 

78 

 

Jeżeli granica 

0

lim

( )

b

a

f x dx

+

ε→

  jest niewłaściwa ( 

±∞

) , to mówimy, że całka 

 

( )

b

a

f x dx

 jest 

rozbieżna. 
 

 
 

 
 
 
 
 
 
 

                             Ilustracja do definicji całki niewłaściwej drugiego rodzaju  w przedziale 

(

;

a b 

 
 
2.
  Załóżmy, że  

a) funkcja  

f jest określona  w przedziale  

)

;

a b

,   a

b

<

b)  całkowalna w każdym przedziale  

;

, 0

a b

b a

− ε

< ε ≤ −

,  

c) 

( )

( )

lim

x

b

f x

= +∞ −∞

, (funkcja jest nieograniczona w lewostronnym sąsiedztwie  

     punktu ).

 

 
Definicja 9. 
 

Jeżeli istnieje skończona granica  

0

lim

( )

b

a

f x dx

+

−ε

ε→

to nazywamy ją całką niewłaściwą drugiego  

rodzaju funkcji

 f   w przedziale  

)

;

a b

 i zapisujemy: 

                                                

0

( )

lim

( )

b

b

a

a

f x dx

f x dx

−ε

ε→ +

=

Mówimy wtedy, że całka  

( )

b

a

f x dx

 jest 

zbieżna. 

Jeżeli granica 

0

lim

( )

b

a

f x dx

+

−ε

ε→

  jest niewłaściwa ( 

±∞

) , to mówimy, że całka 

 

( )

b

a

f x dx

 jest 

rozbieżna. 
 
 
 
 
 
 

background image

 

79 

 

 
 
 
 
 
           
 
 
 
 

                        Ilustracja do definicji całki niewłaściwej drugiego rodzaju  w przedziale 

)

;

a b 

 
 

3.  Załóżmy, że  

a) funkcja  f jest określona  na zbiorze  

)

(

;

;

a c

c b

,  

b)  jest nieograniczona na obu jednostronnych sąsiedztwach punktu  

c

 
Definicja 10. 
 
Całkę niewłaściwą drugiego  rodzaju funkcji f   w przedziale  

;

a b

określamy wzorem: 

                                          

( )

( )

( )

b

c

b

a

a

c

f x dx

f x dx

f x dx

=

+

Jeżeli obie całki po prawej stronie znaku równości są zbieżne, to mówimy, że całka  

( )

b

a

f x dx

 jest 

zbieżna. 

Jeżeli  co najmniej jedna z całek po prawej stronie jest rozbieżna, to  

( )

b

a

f x dx

 jest 

rozbieżna. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                        Ilustracja do definicji całki niewłaściwej drugiego rodzaju  z funkcji nieograniczonej  
                         na obu jednostronnych sąsiedztwach punktu c
 

 
 
 
 

background image

 

80 

 

 
Przykład 12. 
Obliczyć całki niewłaściwe drugiego rodzaju: 

a)  

4

0

2

dx

x

  ;    b)   

1

2

3

2

1

dx

x

 ;  c) 

1

0

dx

x

Rozwiązanie. 

a)   Funkcja podcałkowa  

( )

1

2

f x

x

=

 jest nieograniczona w prawostronnym otoczeniu 

punktu 0, gdyż   

0

1

lim

2

x

x

+

= +∞

. Funkcja pierwotna  

( )

2

dx

F x

x

x

=

=

. Zatem 

(

)

4

4

4

0

0

0

0

0

lim

lim

lim

4

2

2

2

dx

dx

x

x

x

+

+

+

ε

ε→

ε→

ε→

=

=

=

− ε =

 . 

b)  Funkcja podcałkowa  

( )

2

1

1

f x

x

=

 jest nieograniczona w lewostronnym otoczeniu 

punktu 1, gdyż   

2

1

1

lim

1

x

x

= +∞

. Funkcja pierwotna  

( )

2

arcsin

1

dx

F x

x

x

=

=

. Zatem 

[

]

1

1

1

3

2

3 / 2

2

2

0

0

0

3

3

2

2

3

2

lim

lim arcsin

lim arcsin(1

) arcsin

1

1

arcsin1 arcsin

.

2

3

6

dx

dx

x

x

x

+

+

+

−ε

−ε

ε→

ε→

ε→

=

=

=

− ε −

=

π π π

=

= − =

 

c) Funkcja podcałkowa  

( )

1

f x

x

=

 jest nieograniczona w prawostronnym otoczeniu punktu 0, 

gdyż   

0

1

lim

x

x

+

= +∞

. Funkcja pierwotna  

( )

ln

dx

F x

x

x

=

=

.  Mamy więc 

(

)

( )

1

1

1

0

0

0

0

0

lim

lim ln

lim ln1 ln

0

dx

dx

x

x

x

+

+

+

ε

ε→

ε→

ε→

=

=

=

− ε = − −∞ = +∞

.  

Całka jest więc rozbieżna. 
 
Zadanie 6. 
Obliczyć całki niewłaściwe drugiego rodzaju: 

a)  

1

3

0

dx

x

  ;    b)   

1

2

1

2

1

dx

x

 ;  c) 

2

1

1

dx

x

Odpowiedzi. 

 a)  

3

2

  ;    b)  

3

π

  ;   c)  

+∞

 (całka rozbieżna). 

   

 

background image

 

81 

 

IV. Przykłady zastosowania rachunku całkowego funkcji jednej 
                                  zmiennej w ekonomii 
 

Jedno z podstawowych zastosowań rachunku całkowego w ekonomii wynika z faktu, że 
całkowanie jest operacją odwrotną do różniczkowania z dokładnością do stałej. Znając 
funkcje kosztu, utargu czy zysku krańcowego jesteśmy w stanie wyznaczyć odpowiednio 
funkcje kosztu, utargu i zysku całkowitego: 

                                              

( )

( )

( )

( )

( )

( )

,

,

.

K x

K x dx

U x

U

x dx

Z x

Z x dx

=

=

=

 

 
 
Szerokie zastosowanie w ekonomii ma całka oznaczona, jak również związana z nią wartość 

ś

rednia funkcji. Przypomnijmy, że 

wartością średnią  funkcji   ( )

f x

 w przedziale   

;

a b

 

nazywamy wyrażenie:     

1

( )

b

a

f x dx

b a

.  

Poniżej podane  są przykłady tych zastosowań. 
 
Przykład 1. 

Niech  

x

x

x

K

+

=

2

)

(

,  gdzie  

0

x

>

  będzie funkcją kosztów całkowitych. Wyznaczyć 

ś

rednią wartość kosztów przeciętnych, jeżeli wielkość produkcji wzrośnie od 9 do 16. 


Rozwiązanie. 

Koszt przeciętny:  

2

( )

1

( )

p

K x

x

x

k

x

x

x

x

x

+

=

=

= +

 
Ś

rednia wartość kosztów przeciętnych: 

           

(

)

16

16

2

9

9

1

1

1

1

1 81

2

128 8

6

12,8

16 9

7

2

7

7

2

sred
p

x

k

x

dx

x

x

=

+

=

+

=

+ −

+

 
 
Przykład 2. 
Dana jest funkcja kosztów krańcowych produkcji: 

11

2

,

0

)

(

+

=

x

x

K

,  gdzie 

0

x

>

  oznacza wielkość produkcji, zaś 

)

(x

K

 - funkcję kosztu całkowitego. Cena 

zbytu jest ustalona i wynosi 20 zł za sztukę. Wyznaczyć: 
a) funkcję kosztów  całkowitych, jeżeli koszt całkowity wyprodukowania 10 sztuk wyrobu 
     wynosi 260 zł, 
b) optimum produkcyjne ,  
c)  przedział opłacalności produkcji  . 
Rozwiązanie. 

a)  Koszt całkowity   

(

)

2

( )

( )

0, 2

11

0,1

11

K x

K x dx

x

dx

x

x C

=

=

+

=

+

+

background image

 

82 

 

     Stałą     wyznaczmy w warunku:  

(10)

260

K

=

.  

2

(10)

0,1 10

11 10

120

K

C

C

=

+ ⋅ + =

+

    120

260

140

C

C

+ =

=

.   

    Funkcja kosztów całkowitych  

2

( )

0,1

11

140

K x

x

x

=

+

+

b)  

Optimum produkcyjne jest to taka wielkość produkcji, dla której zysk osiąga wartość 

      maksymalną .  Utarg ze sprzedaży  

x

 jednostek towaru (po 20zł za sztukę) wynosi: 

      

( )

20

U x

x

=

. Funkcja zysku:  

                      

(

)

2

2

( )

( )

( )

20

0,1

11

140

0,1

9

140

Z x

U x

K x

x

x

x

x

x

=

=

+

+

= −

+

      

( )

0

45

Z x

x

=

=

.  Zatem funkcja zysku osiąga największą wartość dla wielkości 

      produkcji  

45

x

=

. Jest to optimum produkcyjne. 

c)   Przedział 

(

)

1

2

;

x

x

 produkcji dającej zyski dodatnie nazywamy 

przedziałem  

      opłacalności  produkcji.  W naszym przypadku  

(

)

( )

0

20; 70

Z x

x

> ⇔

      Jest to przedział opłacalności produkcji.

     

 
Przykład 3. 
  Jeżeli w przedziale czasu 

1

2

;

t t

 w magazynie znajduje się wielkość zapasów opisana 

równaniem  

( )

I

I t

=

, to stan zapasów utworzony w tym przedziale czasowym wyraża całka 

                                                

( )

2

1

t

t

Z

I t dt

=

natomiast średni poziom zapasów możemy wyznaczyć ze wzoru: 

                                              

( )

2

1

2

1

1

t

t

t

Z

I t dt

t

t

=

,    

2

1

t

t

t

∆ = −

Zadanie 1. 
Zapasy pewnego dobra w ilości 20 ton są wykorzystywane w sposób równomierny i 
wystarczają na okres jednego roku. Wyznaczyć i zinterpretować graficznie średni poziom 
zapasów w ciągu roku. 
 
Rozwiązanie. 
Z treści zadania wynika, że w chwili początkowej 

1

0

t

=

 wartość zapasów wynosi 20 ton, 

natomiast w chwili 

2

1

t

=

 wartość ta wynosi  0 ton. Skoro zapasy są wykorzystywane w 

sposób równomierny, to ich poziom opisuje funkcja liniowa  

( )

I t

at

b

= +

Współczynniki  ,

a b  wyznaczamy z układu równań: 

                             

( )

( )

0

20

20

20

0

20

1

0

I

b

b

a b

a

I

=

=

=

+ =

= −

=



Zatem  

( )

20

20

I t

t

= −

+

Ś

redni poziom zapasów jest równy wartości średniej całki z funkcji opisującej kształtowanie 

się poziomu zapasów w analizowanym okresie na przedziale 

0;1

 i wynosi 

                     

( )

(

)

1

1

1

2

1

0

0

0

1

1

20

20

10

20

10

1 0

1 0

Z

I t dt

t

dt

t

t

=

=

+

= −

+

=

Zatem średni poziom zapasów jest równy 10 ton. 
 
 

background image

 

83 

 

 
Zadanie 2.                                                                              
Zapasy pewnego dobra w ilości 16 ton są  wykorzystywane w przeciągu dwóch lat, zaś 

funkcja opisująca poziom zapasów w chwili wyraża się wzorem  

( ) (

)

4

2

I t

t

= −

Wyznaczyć średni poziom zapasów w ciągu tego okresu. 
 
Odpowiedź. 
Ś

redni poziom zapasów wynosi 3,2 tony.

 

 
Przykład 4. 
Pojecie całki oznaczonej wykorzystujemy również w matematycznej analizie rynku jednego 
dobra. Znajomość funkcji popytu i podaży, (przy znajomości granicznych cen niskiej oraz

 

wysokiej jak również ceny równowagi)

  pozwala na zdefiniowanie nadwyżki producenta 

oraz 

nadwyżki konsumenta. 

         Nadwyżka producenta występuje, gdy cena dobra jest wyższa od granicznej ceny niskiej 
oraz niższa od ceny równowagi, zaś jej wielkość równa 

                                                     

( )

*

N

p

p

NP

S p dp

=

 

określa , jaką kwotę może zarobić dodatkowo producent, gdyby sprzedawał dobro po cenie 
równowagi. 
         Nadwyżka konsumenta występuje, gdy cena dobra jest wyższa od ceny równowagi  oraz 
niższa od granicznej ceny wysokiej, zaś jej wielkość równa 

                                                     

( )

*

N

p

p

NK

D p dp

=

 

określa , jaką kwotę może zaoszczędzić dodatkowo konsument, gdyby kupował dobro po 
cenie równowagi. 
 
Interpretacja graficzna obydwu nadwyżek przedstawiona jest na poniższym rysunku. 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

84 

 

Zadanie 3. 
Dla funkcji popytu i podaży określonych równaniami: 

                               

( )

( )

2

4

6 ,

3

1

D p

p

S p

p

= − +

=

 

wyznaczyć  i zinterpretować nadwyżkę producenta oraz nadwyżkę konsumenta. 
 
Rozwiązanie. 
Graniczna cen niska, graniczna cena wysoka oraz cena równowagi dla tych funkcji zostały 
wyznaczone w przykładzie 19 w części poświęconej zastosowaniom ekonomicznym rachunku 
różniczkowego funkcji jednej zmiennej. Wynoszą one: 

 graniczna cena niska  

3

3

N

p

=

 graniczna cena wysoka  

1, 5

W

p

=

 cena równowagi   * 1

p

=

 
Nadwyżka producenta 

( )

(

)

( )

(

)

*

1

1

2

3

1

1

2

3

9

3

9

3

3

3

3

1

1 1

3

3

3

N

p

p

NP

S p dp

p

dp

p

p

=

=

=

= − −

=

,  

oraz nadwyżka konsumenta 

( )

(

)

(

) (

)

*

1,5

1,5

2

1

1

4

6

2

6

4, 5 9

2 6

0, 5

N

p

p

NK

D p dp

p

dp

p

p

=

=

+

= −

+

= −

+ − − + =

Zatem kwotę jaką może zaoszczędzić dodatkowo konsument, gdyby kupował dobro po cenie 
równowagi wynosi  0,5, zaś kwotę jaką może zarobić dodatkowo producent, gdyby 

sprzedawał dobro po cenie równowagi wynosi  

2
9

3

 
Zadanie 4. 
Dla funkcji popytu i podaży określonych równaniami: 

                               

( )

( )

2

3

,

6

4

D p

p

S p

p

= −

=

 

wyznaczyć  i zinterpretować nadwyżkę producenta oraz nadwyżkę konsumenta. 
 
Odpowiedź. 

Graniczna cena niska  

2

3

N

p

=

,  graniczna cena wysoka  

3

W

p

=

, cena równowagi   * 1

p

=

Nadwyżka producenta wynosi 

1

3

, natomiast nadwyżka konsumenta wynosi 

2
3

2 3

2

.  

Kwotę jaką może zaoszczędzić dodatkowo konsument, gdyby kupował dobro po cenie 

równowagi wynosi 

2
3

2 3

2

.  , zaś kwotę jaką może zarobić dodatkowo producent, gdyby 

sprzedawał dobro po cenie równowagi wynosi  

1
3

 
 
                                                                         
 
 
 
 

background image

 

85 

 

BIBLOGRAFIA 
 

1.

  

Banaś  J. , Podstawy matematyki dka ekonomistów,  

        Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2005. 
 
2.  
Dziedzic I., Sozański B., Algebra i analiza w zagadnieniach ekonomicznych, 
       
Wydawnictwo Bila, Rzeszów, 2007. 
 
3.   Gawinecki J. , Matematyka dla ekonomistów, Wyższa Szkoła Handlu i Prawa 
      w Warszawie, 2000. 
 
4.   Gewert M. , Skoczylas Z.,  Analiza matematyczna 1. Definicje, twierdzenia, wzory, 
      
Oficyna Wydawnicza Gis, Wrocław ,2006. 

 

5.   Gewert M. , Skoczylas Z.,  Analiza matematyczna 1. Przykłady i zadania, 
      
Oficyna Wydawnicza Gis, Wrocław ,2006. 
 
6

.  

Gurgul H. , Suder M.  Matematyka dla kierunków ekonomicznych ,  

      Oficyna a Wolter Kluwer business , Kraków .2009. 
 
7.    Leja F. , Rachunek różniczkowy i całkowy,  PWN, Warszawa, 1977 ( lub wydania 
       późniejsze). 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                      Opracował: dr Franciszek Bogowski