Loading [MathJax]/jax/output/CommonHTML/jax.js
This course has already ended.

Integroimistekniikkaa

Yksinkertaisimmissa tapauksissa paras keino integraalifunktion selvittämiseksi on ”arvata” tai selvittää kokeilemalla, minkä funktion derivaatta integroitava funktio on. Lähtökohdaksi voidaan ottaa muutama peruskaava, jotka johdetaan suoraan derivointikaavoista. Liitetaulukossa on esitetty laajempi kokoelma samaan tapaan perusteltavia kaavoja.

Integraalifunktiota määritettäessä on syytä selvittää väli I, jolla tulos on voimassa (vertaa aiempaan esimerkkiin). Välejä voi olla useampiakin, jolloin tulos on voimassa kullakin välillä erikseen.

Yleensä funktiosta ei kuitenkaan näe suoraan, kuinka se olisi integroitava. Tällöin seuraavat integroimismenetelmät saattavat auttaa. Menetelmästä riippumatta integroinnin tulos kannattaa aina tarkastaa derivoimalla!

Osittaisintegrointi

Tulon derivoimissäännnön mukaan

D(f(x)g(x))=f(x)g(x)+f(x)g(x),

joten

f(x)g(x)=D(f(x)g(x))f(x)g(x).

Integroimalla puolittain saadaan osittaisintegrointikaava (integration by parts), jota voi yrittää käyttää, kun integroitavana on tulo, jonka tekijöistä toinen osataan integroida ja toinen derivoida

f(x)g(x)dx=f(x)g(x)f(x)g(x)dx.

Huomautus.

Integraalifunktioita koskevissa yhtälöissä, kuten osittaisintegroinnin yhtälössä on muistettava, että laskettaessa puolittain jotkin integraalifunktiot yhtälö pätee vain vakiota vaille. Esimerkiksi yhtälöstä 1=1 ei seuraa puolittain integroimalla, että x=x+7, vaikka sekä F(x)=x että G(x)=x+7 ovat funktion 1 integraalifunktioita.

Esimerkki.

Laske xexdx.

Ratkaisu.

Valitaan f(x)=ex ja g(x)=x, jolloin f(x)=exdx=ex. Integroimisvakio voidaan valita nollaksi, sillä osittaisintegroinnin kaava on voimassa kaikille funktion f(x) integraalifunktioille f(x). Lisäksi g(x)=1 ja nyt

xexdx=xex+exdx=(x+1)ex+C.

Esimerkki.

Laske x2exdx.

Ratkaisu.

Sovelletaan osittaisintegrointia kahdesti niin, että päästään ensin eroon tekijästä x2 ja sitten tekijästä x. Nyt

x2exdx{f(x)=ex,f(x)=exg(x)=x2,g(x)=2x=x2ex2xexdx{f(x)=ex,f(x)=exg(x)=x,g(x)=1=x2ex2(xexexdx)=(x22x+2)ex+C.

Esimerkki.

Laske exsinxdx.

Ratkaisu.

Sovelletaan taas ensin osittaisintegrointia kahdesti. Tällä kertaa

exsinxdx{f(x)=ex,f(x)=exg(x)=sinx,g(x)=cosx=exsinxexcosxdx{f(x)=ex,f(x)=exg(x)=cosx,g(x)=sinx=exsinx(excosx+exsinxdx)

On saatu yhtälö, jonka molemmilla puolilla esiintyy kysytty integraali, ja täten se voidaan ratkaista tavallisin menetelmin.

exsinxdx=12ex(sinxcosx)+C

Osittaisintegroinnin onnistuminen on suuresti kiinni siitä, kuinka funktiot f ja g valitaan. Väärä järjestys voi johtaa ojasta allikkoon ja monesti oikea tapa selviääkin vasta kokeilujen jälkeen.

Integrointi sijoituksen avulla

Olkoon F funktion f integraalifunktio. Yhdistetyn funktion derivointisäännöstä

DF(g(x))=f(g(x))g(x)

saadaan integrointikaava

f(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C.

Erityisesti

g(x)eg(x)dx=eg(x)+C,g(x)(g(x))adx=1a+1(g(x))a+1+C(a1),g(x)g(x)dx=ln|g(x)|+C(g(x)0).

Esimerkki.

Edellisen taulukon

  1. ylimmän rivin mukaan

    x2e4x3dx=11212x2e4x3dx=112e4x3+C,
  2. keskimmäisen rivin mukaan

    (9x7)4dx=199(9x7)4dx=1915(9x7)5+C=145(9x7)5+C,
  3. alimman rivin mukaan

    tanxdx=sinxcosxdx=sinxcosxdx=ln|cosx|+C.

Näissä tulkitaan hankalan integraalin olevan muotoa f(g(x))g(x)dx. Tällainen yhdistetyn funktion derivointiin perustuva integroimismenettely on onnistuessaan nopea ja tehokas, mutta vaatii kekseliäisyyttä tai kokeiluja integroitavan funktion saattamiseksi muotoon f(g(x))g(x). Menetelmä voidaan tehdä hieman mekaanisemmaksi kirjoittamalla aiempi kaava uuteen muotoon. Olkoon u(x) sisäfunktio. Nyt

f(u(x))u(x)dx=[f(u)du]u=u(x),

missä merkintä []u=u(x) tarkoittaa, että sulkujen sisällä olevaan lausekkeeseen sijoitetaan muuttujan u paikalle funktio u=u(x). Tässä alkuperäisestä muuttujasta x siirrytään muuttujanvaihdon (change of variables) eli sijoituksen (substitution) avulla uuteen muuttujaan u=u(x). Tässä laskettavana on vasemman puolen integraali, josta tunnistetaan sopiva sisäfunktio u(x) ja sen derivaatta u(x). Tällöin kyseessä on suora sijoitus. Muistisääntönä muuttujanvaihdossa differentiaalisymboleja du ja dx käytetään ikään kuin ne olisivat lukuja. Siis tulkitaan, että

dudx=u(x)u(x)dx=du.

Jos vaihdetaan sijoituksessa kirjainten x ja u roolit, saadaan

[f(x)dx]x=x(u)=f(x(u))x(u)du.

Oletetaan, että x(u) on bijektio, jolloin tähän yhtälöön voidaan sijoittaa puolittain käänteisfunktio u=u(x). Vasemmalle puolelle jää sijoitusten jälkeen x=x(u(x)), joten saadaan

f(x)dx=[f(x(u))x(u)du]u=u(x).

Tässä kaavassa ajatellaan, että vasemmalle puolelle muuttujan x paikalle sijoitetaan uusi funktio x=x(u). Sopivalla sijoituksella oikean puolen integraali muuttujan u suhteen voi tulla helpommin laskettavaksi kuin alkuperäinen integraali muuttujan x suhteen. Tällaisesta sijoituksesta käytetään joskus nimitystä käänteinen sijoitus (inverse substitution). Tässä voidaan käyttää muistisääntöä

dxdu=x(u)x(u)du=dx.

Bijektiivistä sijoitusta x=x(u)u=u(x) käytettäessä toisinaan keksitään ensin käänteisfunktio. Käänteisfunktion derivoimissääntöä käyttämällä voi käydä niin, että itse funktion lauseketta ei tarvitse selvittää. Nyt

dxdu=x(u)=1u(x)=1 dudx ,

josta voidaan laskea sijoituksen jälkeen syntyvä integraali operoimalla muuttujien x ja u lisäksi myös symboleilla dx ja du ikään kuin ne olisivat lukuja.

Esimerkki.

Laske e2x+3dx.

Ratkaisu.

Sijoitetaan u=2x+3. Tällöin

dudx=2dx=12du.

Niinpä

e2x+3dx=12eudu=12eu+C=12e2x+3+C.

Esimerkki.

Laske t4335t5dt.

Ratkaisu.

Sijoitetaan u=35t5, jolloin

dudt=25t4t4dt=125du.

Siten

t4335t5dt=125u1/3du=12534u4/3+C=3100(35t5)4/3+C.

Kaksi edellistä esimerkkiä oltaisiin voitu integroida myös suoraan kaavoja käyttäen. Aina sopiva sijoitus ei ole yhtä ilmeinen.

Esimerkki.

Laske xx4+1dx.

Ratkaisu.

Sijoitetaan u=x2. Nyt

dudx=2xxdx=du2,

joten

xx4+1dx=12duu2+1=12arctanu+C=12arctan(x2)+C.

Kolmessa edeltävässä esimerkissä tehtiin suora sijoitus, jossa löydettiin sopiva sisäfunktio ja sen derivaatta. Seuraavissa käytetään käänteistä sijoitusta.

Esimerkki.

Laske x2x1dx.

Ratkaisu.

Ratkaistaan tehtävä kahdella tapaa.

Tapa 1. Kokeillaan sijoitusta u=x1, jolloin dx=du ja x=u+1. Nyt

x2x1dx=(u+1)2udu=(u2+2u+1)u1/2du=(u5/2+2u3/2+u1/2)du=27u7/2+45u5/2+23u3/2+C=27(x1)7/2+45(x1)5/2+23(x1)3/2+C

Tapa 2. Kokeillaan sijoitusta u=x1, jolloin

dudx=12x1=12udx=2udu

ja x=u2+1. Nyt

x2x1dx=(u2+1)2u2udu=2(u4+2u2+1)u2du=2(u6+2u4+u2)du=27u7+45u5+23u3+C=27(x1)7/2+45(x1)5/2+23(x1)3/2+C.

Esimerkki.

Laske dx(5x2)3/2.

Ratkaisu.

Jotta integroitava funktio on määritelty, on oltava |x|<5. Tehdään sijoitus x=5sinu, joka on bijektio välillä π/2<u<π/2.

../_images/integrointisijoitustrig.svg

Kuvan suorakulmaisesta kolmiosta havaitaan, että

cosu=5x25jatanu=x5x2.

Lisäksi dx=5cosudu, joten

dx(5x2)3/2=5cosu53/2cos3udu=15ducos2u=15tanu+C=15x5x2+C.

Vastaavalla tavoin monien muidenkin lausekkeen x2+a2, a2x2 tai x2a2 sisältävien funktioiden integroimiseksi löydetään sopiva trigonometrinen sijoitus suorakulmaisen kolmion avulla.

Tietokoneohjelmat, kuten Matlab, Maxima, Maple ja WolframAlpha suoriutuvat integraalifunktion hakemisesta varsin hyvin, joten soveltajalle riittää ymmärtää sijoituskeinon pääperiaatteet.

Esimerkki.

Lasketaan edellisen esimerkin integraalifunktio kahdella eri sovelluksella.

Matlab ja sen Symbolic Math Toolbox:

syms x
int((5-x^2)^(-3/2),x)
ans = x/(5*(5 - x^2)^(1/2))

WolframAlpha

int(1/(5-x^2)^(3/2),x)
x(5x2)3/2dx=x55x2+constant

Rationaalifunktion integrointi

Rationaalifunktio on muotoa

p(x)q(x),

missä p ja q ovat reaalikertoimisia polynomifunktioita. Jokainen rationaalifunktio voidaan integroida alkeisfunktioita käyttäen. Tarkastellaan seuraavassa integrointimenetelmän vaiheita.

Jos polynomin p aste on suurempi tai yhtä suuri kuin polynomin q aste, niin jakolaskulla saadaan

p(x)q(x)=r(x)+s(x)q(x),

missä r ja s ovat polynomeja ja polynomin s aste on pienempi kuin polynomin q aste. Polynomi r osataan helposti integroida, joten riittää osata integroida p(x)/q(x) tapauksessa, jossa polynomin p aste on pienempi kuin polynomin q aste. Oletetaan seuraavassa, että näin on (tee ensin tarvittaessa jakolasku). Polynomi q voidaan jakaa mahdollisimman alhaista astetta oleviin 1. ja 2. asteen reaalikertoimisiin tekijöihin. Nyt

q(x)=a(xa1)m1(xaj)mj(x2+b1x+c1)n1(x2+bkx+ck)nk,

missä aR, polynomin q reaaliset erilliset nollakohdat ovat a1,,aj, mi on nollakohdan ai kertaluku ja polynomeilla x2+bix+ci ei ole reaalisia nollakohtia. Tällöin rationaalifunktiolle p(x)/q(x) voidaan muodostaa osamurtokehitelmä (partial fraction)

p(x)q(x)=F1(x)+F2(x)++Fn(x),

missä rationaalifunktiot F (niin sanotut osamurtoluvut) muodostuvat seuraavasti. Jokaista polynomin q muotoa (axb)m olevaa tekijää vastaa osamurtoluvut

A1(axb)+A2(axb)2++Am(axb)m

ja jokaista polynomin q muotoa (ax2+bx+c)n olevaa tekijää vastaa osamurtoluvut

B1x+C1ax2+bx+c+B2x+C2(ax2+bx+c)2++Bnx+Cn(ax2+bx+c)n.

Nämä osamurtoluvut ovat sellaista muotoa, jotka osataan integroida ja siten

p(x)q(x)dx

saadaan laskettua osamurtolukujen integraalien summana.

Esimerkki.

Laske 4x9x28x+15dx.

Ratkaisu.

Nimittäjäpolynomilla x28x+15 on kaksi nollakohtaa x=3 ja x=5, joten x28x+15=(x3)(x5). Niinpä

4x9x28x+15=Ax3+Bx5

joillakin vakioilla A ja B. Niiden selvittämiseksi lavennetaan oikean puolen termit samannimisiksi, jolloin

4x9x28x+15=A(x5)+B(x3)x28x+15,

eli on oltava

{4=A+B,9=5A3B,

josta A=32 ja B=112. Siis

4x9x28x+15dx=32dxx3+112dxx5=32ln|x3|+112ln|x5|+C.

Esimerkki.

Laske 1x(x1)2dx.

Ratkaisu.

Nimittäjäpolynomi on suoraan tekijämuodossa, joten voidaan muodostaa osamurtokehitelmä

1x(x1)2=Ax+Bx1+C(x1)2=A(x22x+1)+B(x2x)+Cxx(x1)2,

josta vastinpotenssien kertoimia tutkimalla saadaan A=1, B=1 ja C=1. Niinpä

1x(x1)2dx=1xdx1x1dx+1(x1)2dx=ln|x|ln|x1|1x1+C=ln|xx1|1x1+C.

Esimerkki.

Laske 1x(x2+1)2dx.

Ratkaisu.

Toisen asteen tekijällä x2+1 ei ole reaalisia nollakohtia, joten nimittäjäpolynomi on suoraan tekijämuodossa ja voidaan muodostaa osamurtokehitelmä

1x(x2+1)2=Ax+Bx+Cx2+1+Dx+E(x2+1)2.

Laventamalla saadaan A=1, B=1, C=0, D=1 ja E=0, joten

1x(x2+1)2dx=1xdxxx2+1dxx(x2+1)2dx=ln|x|12ln(x2+1)+121x2+1+C=ln|x|x2+1+12(x2+1)+C.

Muotoa

Bx+Cx2+bx+cdx

oleva osamurtoluvun integraali palautuu helpommin käsiteltävään muotoon täydentämällä jakaja neliöksi ja tekemällä sopiva sijoitus.

Esimerkki.

Laske 6x11x28x+25dx.

Ratkaisu.

Nimittäjällä ei ole nollakohtia, joten integroitava funktio on valmiiksi osamurtomuodossa. Neliöimällä nimittäjä saadaan

x28x+25=x28x+16+9=(x4)2+9.

Sijoitetaan u=x4, jolloin (x4)2+9=u2+9, x=u+4 ja dx=du. Siis

6x11x28x+25dx=6uu2+9du+13duu2+9=3ln(u2+9)+133arctanu3+C=3ln(x28x+25)+133arctanx43+C.
Posting submission...