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?

  1. \(x^n, n \in \mathbb{N}\)

  2. \(\frac{1}{x}\)

  3. \(\ln(x)\)

  4. \(\frac{1}{1+x^2}\)

  5. \(\cos(x)\)

  6. \(\sin(x)\)

  7. \(\exp(x)\)

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:

  1. \(x^n\), hvor \(n\) er en vilkårlig konstant i \(\mathbb Z\)

  2. \(x^k\), hvor \(k\) er en vilkårlig konstant i \(\mathbb Q\)

  3. \(\frac{1}{a x+b}\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\), og \(x\) i passende interval.

  4. \(\cos(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\).

  5. \(f'(x)\), hvor \(f\) er differentiabel

  6. \(\sin(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\).

  7. \(\exp(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{R}\).

  8. \(\exp(a x+b)\), hvor \(a\neq 0\) og \(b\) er vilkårlige konstanter i \(\mathbb{C}\).

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.

4: Fundamentalsætningen. Håndregning#

Spørgsmål a#

Angiv en stamfunktion til \(\frac{1}{1+x^2}\). Bestem derefter integralet \(\int_0^1\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x\).

Spørgsmål b#

Bestem dobbeltintegralerne

\[\begin{equation*} \int_1^2\Big (\int_0^1\frac{\mathrm{e}^{2x}}{y}\mathrm{d}x\Big)\mathrm{d}y \end{equation*}\]

og

\[\begin{equation*} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\Big (\int_0^1y\cos(xy)\mathrm{d}x\Big)\mathrm{d}y \end{equation*}\]

Spørgsmål c#

Lad \(f: [-5,5] \to \mathbb{R}\) være givet ved

\[\begin{equation*} f(x) = \begin{cases} 1 & \text{for } x \in [0,1] \\ 0 & \text{for } x \in [-5,5] \setminus [0,1]. \end{cases} \end{equation*}\]

Udregn:

\[\begin{equation*} F(x) = \int_{x_{0}}^{x} f(y) \mathrm{d} y \quad \text{for $x \in [-5,5]$}, \end{equation*}\]

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?

5: Parametriseringer i planen#

Betragt mængderne \(V, U \subset \mathbb{R}^2\) givet ved

\[\begin{equation*} V = \bigl\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 \big| x \ge 1 \wedge y \ge 0 \wedge x + y \le 3 \bigr\} \end{equation*}\]

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 \(U\).

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:

\[\begin{equation*} \int_0^3 \sin(x^2) \exp(3x) \mathrm{d}x \end{equation*}\]

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

\[\begin{equation*} \int_{x_{j-1}}^{x_{j}}f(x)\mathrm{d}x=\frac{1}{2}(x_{j}-x_{j-1})(f(x_{j-1})+f(x_{j})) \end{equation*}\]

mens vi ved middelsummer for Riemann integralt med valget \(\xi_j := \frac{x_{j}+x_{j-1}}{2}\) har

\[\begin{equation*} \int_{x_{j-1}}^{x_{j}} f(x)dx\approx f(\xi_j) (x_{j}-x_{j-1}), \end{equation*}\]

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

\[\begin{equation*} \int_0^3 \sin(x^2) \exp(3x) \mathrm{d}x \end{equation*}\]

Brug .evalf() til at få en tilnærmet værdi af integralet.

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)

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 \(J=20\).

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?

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?

Spørgsmål b#

Udregn \(\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\) som \(\lim_{a \to 0} \int_a^1 \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\)

Spørgsmål c#

Find på lignende måde integralet \(\int_1^\infty \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\) (hvis muligt).

8: Variabelskift for et integral i 2D#

Bestem integralet

\[\begin{equation*} \int_{0}^1\int_1^8\frac{y}{x+xy}\mathrm{d} x\mathrm{d}y \end{equation*}\]

ved hjælp af variabelskift.

Opgaver – Lille Dag#

1: Ubestemte og bestemte integraler#

Spørgsmål a#

Bestem en stamfunktion til hver af funktionerne

\[\begin{equation*} x^3, \quad \frac{1}{x^3} \quad \text{og} \quad \sin(3x-\frac{\pi}{2}) \end{equation*}\]

Spørgsmål b#

Udregn de følgende Riemann integraler

\[\begin{equation*} \int_0^{1}x^3\mathrm{d}x, \quad \int_1^{2}\frac{1}{x^3}\mathrm{d}x \quad \text{og} \quad \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0}\sin(3x-\frac{\pi}{2})\mathrm{d}x. \end{equation*}\]

2: Partiel integration. Håndregning#

Spørgsmål a#

Vi skal først bevise formlen for partiel integration. Start med at differentiere udtrykket på højresiden af

\[\begin{equation*} \int f(x)g(x)\mathrm{d}x = F(x)g(x)- \int F(x)g^\prime(x) \mathrm{d} x. \end{equation*}\]

Færdiggør nu beviset.

Spørgsmål b#

Bestem en stamfuntion til funktionen \(x\cos(x)\), og tjek at den er korrekt.

Spørgsmål c#

Find en stamfunktion til \(\ln(x)\) ved hjælp af partiel integration.

3: Integration ved substitution#

Til spørgsmålene i denne opgave, benyt substitutionsformlen

\[\begin{equation*} \int{f(g(x))g'(x)\mathrm{d}x}=\int{f(t)\mathrm{d}t}\quad \text{hvor } t=g(x) \end{equation*}\]

Spørgsmål a#

Bestem en stamfunktion til \(\displaystyle{x\mathrm{e}^{x^2}}\).

Spørgsmål b#

Find det ubestemte integral \(\displaystyle{\int \frac{x}{x^2+1} \mathrm{d}x}\).

Spørgsmål c#

Find en stamfunktion til \(\displaystyle{\frac{\sin (x)}{3 -\cos(x)}}\) og bestem derefter \(\displaystyle{\int_0^{\pi} \frac{\sin (x)}{3 -\cos(x)} \mathrm{d}x}\).

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:

\[\begin{equation*} \forall \epsilon >0 \exists N \in \mathbb{N}: n \ge N \Rightarrow |x_n -x| < \epsilon. \end{equation*}\]

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

\[\begin{equation*} a_n=\frac 1n, \: b_n=\frac{n-1}{2n}, \: c_n=\frac{n}{1000} \:\text{og}\; d_n=\frac{4n^2+16}{8-3n^2} \end{equation*}\]

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.

5: Integraler via venstresummer#

Vi skal udregne Riemann integralet \(\displaystyle{\int_0^1 f(x) \mathrm{d}x}\) af funktionen

\[\begin{equation*} f(x)=x, \quad x\in \left[0,1\right] \end{equation*}\]

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 \(\displaystyle{\int_0^1 x\mathrm{d}x} = \lim_{n \to \infty} V_n\).