Uge 7: Riemann-Integralet i 1-D og 2-D#
Nøglebegreber#
Riemann-integralt: det bestemte integral
Inddeling og Middelsummer
Infinitesimalregningens hovedsætning
Stamfunktion: det ubestemte integral
Partial integration og substitutionsmetoden
Riemann-integration af funktioner af to variable
Koordinatskifte i 2D
Polære koordinater
Forberedelse og pensum#
Læsepensum: Afsnit 6.1 til 6.3
Python demo
Opgaver – Store Dag#
1: Stamfunktioner til udenadslære#
For hvilke af de følgende funktioner kan du straks angive en stamfunktion?
\(x^n, n \in \mathbb{N}\)
\(\frac{1}{x}\)
\(\ln(x)\)
\(\frac{1}{1+x^2}\)
\(\cos(x)\)
\(\sin(x)\)
\(\exp(x)\)
Hvor du måtte melde pas: Find en stamfunktion med Sympys integrate
og indskriv venligst resultatet i din langtidshukommelse.
2: Otte stamfunktioner du bør beherske#
Angiv en stamfunktion til hver af de følgende funktioner:
\(x^n\), hvor \(n\) er en vilkårlig konstant i \(\mathbb Z\)
\(x^k\), hvor \(k\) er en vilkårlig konstant i \(\mathbb Q\)
\(\frac{1}{a x+b}\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\), og \(x\) i passende interval.
\(\cos(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\).
\(f'(x)\), hvor \(f\) er differentiabel
\(\sin(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\).
\(\exp(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\).
\(\exp(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{C}\).
Svar
Punkt 1: Antag \(n>0:\) Som i punkt 1 i Opgave 1: Stamfunktioner til udenadslære. Antag \(n=0:\) Så drejer det sig om at finde en stamfunktion til 1. Antag \(n=-1:\) Idet \(x^{-1}=\frac 1x,\) er det som i punkt 2 i Opgave 1: Stamfunktioner til udenadslære. Antag \(n=<-1:\) Eksempel: \(\int u^{-3} \mathrm{d}u=\frac{1}{-3+1}u^{-3+1}=-\frac{1}{2}u^{-2}\) som viser at \(-\frac{1}{2u^2}\) er en stamfunktion til \(\frac{1}{u^3}\).
Punkt 2: Antag at \(k\neq -1:\) \(\int x^{\frac pq}\mathrm{d}x=\frac{1}{\frac pq+1}x^{\frac pq+1}\)
Punkt 3: \(\frac 1a \ln(a x+b)\)
Punkt 4: \(\frac 1a \sin(a x+b)\)
Punkt 5: \(f(x)\)
På samme måde med punkt 6, 7 og 8.
3: Regneregler for stamfunktioner#
Udregn find det ubestemte integral \(\int \left( 5\cos(x+1)-\sin(5x)+\frac{2}{x-3}-7\right)\mathrm{d}x\) for \(x>3\) og gør rede for de regneregler du har brugt undervejs.
Svar
hvor \(C \in \mathbb{R}\) er en arbitrær konstant.
4: Fundamentalsætningen. Håndregning#
Spørgsmål a#
Angiv en stamfunktion til \(\frac{1}{1+x^2}\). Bestem derefter integralet \(\int_0^1\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x\).
Svar
Stamfunktionen er \(\arctan\). Integralet er \(\displaystyle{\frac{\pi}{4}}\).
Spørgsmål b#
Bestem dobbeltintegralerne
og
Hint
Beregn først det inderste integral, mens du betragter \(y\) som en konstant. Derefter det yderste integral med \(y\) som variabel.
Svar
Spørgsmål c#
Lad \(f: [-5,5] \to \mathbb{R}\) være givet ved
Udregn:
hvor \(x_{0}\in [-5,5]\) er fast, men vilkårlig. Vælg fx \(x_0=0\). Er \(F\) kontinuert? Er \(F\) differentiabel i alle punkter? Har \(f\) en stamfunktion?
Hint
Brug SymPy til hjælp, hvis du sidder fast.
5: Parametriseringer i planen#
Betragt mængderne \(V, U \subset \mathbb{R}^2\) givet ved
og \(U = B((0,0),2) \setminus \overline{B((0,0),1)}\), hvor \(B((0,0),r)\) er den åbne cirkelskive (open ball) med radius \(r\) og centrum \((0,0)\) og \(\overline{B((0,0),r)}\) er den afsluttede/lukkede cirkelskive (hvor randen er med).
Spørgsmål a#
Angiv en parametrisering \(\pmb{r}_1: [0,1]^2 \to V\) af \(V\). Vektorfunktionen \(\pmb{r}_1\) skal være en funktion af to variable, fx \((u,v) \in [0,1]^2\), og billedmængden af \(\pmb{r}_1\) skal være \(V\).
Note
Funktionen \(\pmb{r}_1\) bør være injektiv på den åbne mængde \(]0,1[^2\), men det er ikke et krav.
Spørgsmål b#
Angiv en parametrisering \(\pmb{r}_2: ]1,2[ \times [0,2\pi[ \to U\) af \(U\). Vektorfunktionen \(\pmb{r}_2\) skal være en funktion af to variable, i.e. \((r,\theta) \in ]1,2[ \times [0,2\pi[\), og billedmængden af \(\pmb{r}_2\) skal være \(U\).
Hint
Brug polære koordinater som kendt fra Matematik 1a.
6: Trapez-metoden og Riemann-summer#
Det findes mange integraler som det ikke er muligt at udregne “eksakt”, ofte fordi stamfunktionen ikke kan udtrykkes ved en “kendt” funktion. Vi ønsker i denne opgave at udregne en tilnærmet værdi til:
SciPy
-pakken i Python kan udregne (approksimationer til) integraler ved såkaldt numerisk integration. Vi vil her sammenligne SciPys quad
-metode med både Riemann-summen som vi kender fra bogen og den såkaldte trapez-metode.
Ved trapez-metoden menes approksimationen til integralet over et lille interval \([x_{j-1},x_j]\) givet ved
mens vi ved middelsummer for Riemann integralt med valget \(\xi_j := \frac{x_{j}+x_{j-1}}{2}\) har
Hvis man gerne vil approksimere et integral over et større interval \([a,b]\), kan man indele det i flere små intervaller \(Q_j=[x_{j-1},x_j]\), \(j=1,\dots, J\), og approkismere dem hver for sig, hvorefter man kan lægge dem alle sammen igen - præcis som ved Riemann-summer.
Spørgsmål a#
Argumenter for at \(\sin(x^2) \exp(3x)\) har en stamfunktion og at integralet \(\int_0^3 \sin(x^2) \exp(3x) \mathrm{d}x\) er veldefineret. Prøv (i SymPy) at finde den eksakte værdi for
Brug .evalf()
til at få en tilnærmet værdi af integralet.
Hint
integrate(f(x),(x,0,3)).evalf()
Svar
Løsning ved hjælp af Sympy:
Man kan (sikkert) godt få SymPy og Maple til at angive en stamfunktion, men den bliver udtrykt ved en funktion \(\mathrm{erf}\) som hverken kan sige at være “kendt” (for os) eller have en “eksplicit” definition, og det giver os derfor ikke mere information end udtrykket \(\int \sin(x^2)\exp(3x)\mathrm{d}x\).
Spørgsmål b#
Udregn integralet med quad
fra scipy.integrate
. Du skal importere from scipy.integrate import quad
og definere:
def f(x):
return sin(x**2)*exp(3*x)
Hint
from scipy.integrate import quad
def f(x):
return sin(x**2)*exp(3*x)
quad(f,0,3)
Svar
Spørgsmål c#
Vi vil gerne sammenligne det med det Riemann integral, vi har arbejdet med tidligere. Vi bruger Riemann-summer, hvor \([a,b]\) inddeles i \(J\) lige store delintervaller. Kan du selv implementere en funktion i Python, som regner det ud for dig? Det skal have formen
def riemann_sum(f,a,b,J):
hvor \(f\) er en kontinuert funktion, \(a\) og \(b\) er interval-endepunkterne og \(J\) antal inddelinger af integralet. Når du har skrevet den kan du teste den på samme integral som ovenfor med \(J=20\).
Hint
Det kan se ud som det her:
def riemann(f,a,b,J):
w = (b - a)/J
x_v = a
result = 0
for i in range(J):
x_h = x_v + w
result += ???
x_v = x_h
result *= w
return result
Du bestemmer selv hvordan du vil vælge \(\xi_j\). Overfor har vi foreslået at du vælger \(\xi_j\) som midtpunktet af hvert del-interval.
Svar
Det kan se ud som det her:
def riemann(f,a,b,J):
w = (b - a)/J
x_v = a
result = 0
for i in range(J):
x_h = x_v + w
result += f((x_h+x_v)/2)
x_v = x_h
result *= w
return result
Svar
Spørgsmål d#
Ved trapez-metoden approksimerer vi ikke længere arealet under en graf med et rektangel. Kan du komme frem til hvordan formen ser ud baseret på formlen ovenfor?
Hint
Se figurerne på https://en.wikipedia.org/wiki/Trapezoidal_rule
Spørgsmål e#
Implementer nu trapez-metoden
def trapez_sum(f,a,b,J):
hvor \(f\) er en kontinuert funktion, \(a\) og \(b\) er interval-endepunkterne og \(J\) antal inddelinger af integralet. Når du har skrevet den kan du teste den på samme integral som ovenfor med \(J=20\).
Spørgsmål f#
Det ser ikke umiddelbart ud til vi får det samme værdi af integralet. Sammenlign dine resultater fra Spørgsmål a, b, c og e. Hvilken metode er bedst? Hvorfor mon? Prøv også både med flere og færre indelinger af intervallet.
7: Et uegentligt integral. Håndregning.#
Spørgsmål a#
Følgende er ikke et Riemann integral \(\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\). Hvorfor ikke?
Svar
Integralet er ikke (umiddelbart) veldefineret da \(\frac{1}{\sqrt{x}}\) ikke er defineret på \([0,1]\) (og derfor slet ikke kontinuert på \([0,1]\)). Integranden \(\frac{1}{\sqrt{x}}\) er dog veldefineret og kontinuert på \([a,1]\) for alle værdier af \(0<a<1\), hvilket vi bruger i næste spørgsmål.
Spørgsmål b#
Udregn \(\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\) som \(\lim_{a \to 0} \int_a^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\)
Hint
Find integralet \(\int_a^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\) og betragt grænseovergangen \(a \to 0\).
Svar
\(\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x = \lim_{a \to 0} [2 \sqrt{x}]_a^1 = \lim_{a \to 0} ( 2-2\sqrt{a}) = 2\)
Spørgsmål c#
Find på lignende måde integralet \(\int_1^\infty \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\) (hvis muligt).
Hint
Find integralet \(\int_1^b \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\) og betragt grænseovergangen \(b \to \infty\).
Svar
Integralet konvergerer ikke: \(\int_1^b \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x = [2 \sqrt{x}]_1^b = = 2\sqrt{b} - 2 \to \infty\) når \(b \to \infty\).
8: Variabelskift for et integral i 2D#
Bestem integralet
ved hjælp af variabelskift.
Hint
Faktoriser \(1/x\) ud af brøken.
Svar
Hint
Skift eventuelt variabel: \(z=y+1\).
Hint
Efter variabelskift kan det ubestemte integral skrives som
Svar
Opgaver – Lille Dag#
1: Ubestemte og bestemte integraler#
Spørgsmål a#
Bestem en stamfunktion til hver af funktionerne
Hint
Bemærk at det første eksempel blev taget op i Opgave 1: Stamfunktioner til udenadslære, og de to næste er dækket i Opgave 2: Otte stamfunktioner du bør beherske på Store Dag.
Hint
Vedr. andet eksempel: Brug omskrivningen \(\displaystyle{\frac{1}{x^3}=x^{-3}}\)
Svar
Spørgsmål b#
Udregn de følgende Riemann integraler
Svar
\(\frac{1}{4}, \frac{3}{8}\) og \(\frac{1}{3}\).
2: Partiel integration. Håndregning#
Spørgsmål a#
Vi skal først bevise formlen for partiel integration. Start med at differentiere udtrykket på højresiden af
Hint
Husk hvordan man differentierer produktet af to funktioner.
Hint
Husk at hvis man differentierer \(\int h(x) \mathrm{d} x\) så får man per definition \(h(x)\).
Færdiggør nu beviset.
Spørgsmål b#
Bestem en stamfuntion til funktionen \(x\cos(x)\), og tjek at den er korrekt.
Hint
Brug partiel integration, hvor du sætter \(f(x)=\cos(x)\) og \(g(x)=x\)
Hint
Se eksemplerne i bogen.
Svar
\(\cos(x)+x\sin(x)\). Idet \((\cos(x)+x\sin(x))'=-\sin(x)+\sin(x)+x\cos(x)=x\cos(x)\) har vi tjekket at stamfunktionen virkelig er en stamfunktion.
Spørgsmål c#
Find en stamfunktion til \(\ln(x)\) ved hjælp af partiel integration.
Hint
Man kan altid gange \(\ln(x)\) med \(1\) uden at ændre på integranden.
Hint
Omskriv \(\ln(x)\) som \(f(x)\, \ln(x)\), hvor \(f(x)=1\).
3: Integration ved substitution#
Til spørgsmålene i denne opgave, benyt substitutionsformlen
Spørgsmål a#
Bestem en stamfunktion til \(\displaystyle{x\mathrm{e}^{x^2}}\).
Hint
Kan du identificere en indre funktion \(g(x)\) og en ydre funktion \(f(x)\)?
Hint
Hvis vi sætter \(g(x)=x^2\) og \(f(x)=\mathrm{e}^x,\) har vi \(f(g(x)) g'(x)=\mathrm{e}^{x^2} 2x=2(x\mathrm{e}^{x^2})\).
Svar
\(\displaystyle{\int{x\mathrm{e}^{x^2}\mathrm{d}x}=\frac 12\int{f(t)\mathrm{d}t}=\frac 12\mathrm{e}^t=\frac 12\mathrm{e}^{x^2}}\).
Spørgsmål b#
Find det ubestemte integral \(\displaystyle{\int \frac{x}{x^2+1} \mathrm{d}x}\).
Hint
Kan du identificere en indre funktion \(g(x)\) og en ydre funktion \(f(x)\)?
Hint
Hvis vi sætter \(g(x)=x^2+1\) og \(f(x)=\displaystyle{\frac{1}{x}},\) har vi \(f(g(x))g'(x)=2\frac{x}{x^2+1}\).
Svar
Spørgsmål c#
Find en stamfunktion til \(\displaystyle{\frac{\sin (x)}{3 -\cos(x)}}\) og bestem derefter \(\displaystyle{\int_0^{\pi} \frac{\sin (x)}{3 -\cos(x)} \mathrm{d}x}\).
Hint
Sæt \(g(x)\) lig med nævneren, osv.
Svar
\(\displaystyle{\int_0^{\pi} \frac{\sin (x)}{3 -\cos(x)} dx = \ln(4)-\ln(2)=\ln(2)}\).
4: Talfølger#
I denne og den følgende opgave gives der smagsprøver på en vigtig byggesten for integralregning: Talfølger og deres eventuelle konvergens. Fra Den Store Danske (Gyldendal):
konvergens, begreb af fundamental betydning i matematisk analyse, specielt i teorien for uendelige rækker. En følge af reelle tal \(x_1,x_2,\ldots\) kaldes konvergent, hvis der findes et tal \(x\), så tallet \(x_n\) er vilkårligt tæt på \(x\), blot \(n\) er tilstrækkelig stor \((\ldots)\). Tallet \(x\) kaldes grænseværdien for følgen, som siges at konvergere mod \(x\) Hvis følgen ikke er konvergent, kaldes den divergent.
Mere præcist siges en talfølge \(x_1,x_2,\ldots\) at være konvergent hvis der findes et tal \(x\) med følgende egenskab:
Fire talfølger \((a_n)_{n=1}^\infty\), \((b_n)_{n=1}^\infty\), \((c_n)_{n=1}^\infty\) og \((d_n)_{n=1}^\infty\) er givet ved
for \(n \in \mathbb{N}\). En følge skrives kort \((a_n)\) for \((a_1, a_2, \dots)\) og kan opfattes som en uendelig liste (eng: infinite ordered list).
Afgør hvilke af de fire talfølger der er konvergente, og angiv grænseværdien for dem som er konvergente.
Note
Konvergens begrabet er ikke kun vigtigt i den matematiske analyse. Det er også den præcise bekskrivelse af “ingeniør-udsagn” som:
Vores algoritme/metode/osv. konvergerer hvis vi blot medtager nok målepunkter/datapunkter/samplinger/osv.
Hint
Hvis du ikke kan bevise det ud fra definitionen, så prøv at bruge Python til at eksperimere med. Du kan hurtigt udregne de første 100 eller 1000 tal i følgen.
Svar
\((a_n)\) er konvergent med grænseværdien 0. \((b_n)\) er konvergent med grænseværdien \(\frac 12\). \((c_n)\) er divergent. \((d_n)\) er konvergent med grænseværdien \(-\frac 43\).
5: Integraler via venstresummer#
Vi skal udregne Riemann integralet \(\displaystyle{\int_0^1 f(x) \mathrm{d}x}\) af funktionen
direkte fra definitionen (du må altså ikke finde en stamfunktion \(F(x)=x^2/2\) og så udregne \(F(1)-F(0)=1/2-0=1/2\)).
Vi opdeler intervallet \([0,1]\) i \(n\) lige store stykker, dvs \(x_j=j/n\) for \(j=0,1,2,\dots, n\). Riemann summen \(S_n\) kaldes for en ventresum \(V_n\), hvis vi altid evaluerer \(f\) i venstre endepunkt i hvert del-interval, altså \(\xi_j = x_{j-1}\) for \(\xi_j \in [x_{j-1},x_j]\) for \(j=1,2,\dots, n\).
Bestem ved hjælp heraf \(\displaystyle{\int_0^1 x\mathrm{d}x} = \lim_{n \to \infty} V_n\).
Hint
Vi skal først finde \(V_n\) udtrykt kun ved \(n\).
Hint
Rektanglerne har arealerne \(\displaystyle{0,\frac{1}{n^2},\frac{2}{n^2},\frac{3}{n^2}\ldots\frac{n-1}{n^2}}\). Hvad er summen af disse \(n\) led?
Hint
Antag \(n\) er ulige: Ignorer det første nul. Læg derefter anden led og sidste led sammen, læg 3. og næstsidste led sammen, og fortsæt sådan. Det er i alt \((n-1)/2\) gange du skal lægge to led sammen.
Hint
Hver sum af de to led har værdien \(n/n^2\) og du har \((n-1)/2\) af disse. Hvad er den samlede sum så?
Svar
Vi har altså