İNTEGRAL -1 RİEMANN TOPLAMI ÜST TOPLAM H ı z – za m a n g r a f i ğ i n i n a l t ı n d a k a l a n a l a n a l ı n a n yo l u v e r m e k t e d i r, Ş ek i l l e r i i n c e l e yi n i z . D o ğ r u s a l b i r yo l d a h a r e k e t e d e n k iş i l e r i n i l k 2 s a a t t e a l d ık l a r ı yo l u , g r a f ik l e r i i l e x - ek s e n i a r a s ı n d a k al a n a l a n ya r d ı m ı yl a b u l a l ı m . Hız km/s P a r ç a l a n ı ş ı n ı n s ın ı r n ok t a l a r ı n d a , yü k s e k l i ğ i eğrinin üstünde b u l u n a c ak ş e k i l d e belirlenen d ik d ö r t g e n l e r i n a l a n l a r ı t o p l am ı R i e m a n n ü s t t o p l a m ı o l a r ak t a n ım l a nm ış t ı r. ( Ü T ) ( B a ş k a b i r d e yi ş l e y= f ( x ) f o nk s i yo n u n u n ü s t k ıs m ın d a oluşan n tane dikdörtgenin alanları t o p l am ın a ü s t t o p l a m d e n i r. ) Hız km/s 4 4 2 Zaman (s) 2 Zaman (s) B i r i n c i k i ş i 4 . 2 = 8 k m yo l a lm ı ş t ı r. İ k i n c i k i ş i n i n a l d ı ğ ı yo l u b u l m ak i ç i n e ğ r i n i n a l t ın d a k a l a n a l a n ı k üç ü k d i k d ö r t g e n l e r ya r d ı m ı yl a ya k l a ş ı k o l a r ak h e s a p l a ya l ı m . İ n c e l e yi n i z . RİEMANN TOPLAMININ ADIMLARI f : [ a , b ] →R sürekli bir fonksiyon olsun. Ş im d i b u a l a n h e s a b ı n ı g e n e l l e ye l im . y = f ( x ) s ü r ek l i b i r f on k s i yo n o l m ak ü ze r e , f ( x ) f o nk s i yo n u n u n g r a f i ğ i i l e x ekseni arasında kalan ve x = a ile x = b doğrularının sınırladığı bölgenin alanı a ) y= f ( x ) g r af i ğ i d o ğ r u s a l b i r g r af ik o l d u ğ u za m a n ü ç g e n , ya m u k g i b i ç o k g e n s e l a l a n l a r ı n ya r d ı m ı yl a b ) y= f ( x ) g r af i ğ i d o ğ r u s a l b i r g r af ik o l m a d ı ğ ı za m a n i s e R i em a n n t o p l a m ı i l e b u l u n u r. ( R i em a n n t o p l a m ı a l a n ı b u lm ak i ç i n g e n e l b i r yö n t em o l u p h e r t ü r l ü g r a f i ğ e s a h i p f o n k s i yo n l a r d a k ul l a n ı l a b i l i r ) R i e m a n n t o p l am ı a l t t o p l am v e ü s t t o p l a m o l m a k ü ze r e 2 ç e ş i t t i r. ALT TOPLAM A l a n b u l u n a c a k a l t a r a l ık olan [a,b] için parçalanışının sınır n o k t a l a r ı n d a , yü k s ek l i ğ i e ğ r i n i n a l t ı n d a b u l u n a c ak şekilde belirlenen d i k d ö r t g e n l e r i n a l a n l a r ı t o p l a m ı R i em a n n a l t t o p l a m ı o l a r ak t a n ı m l a n m ı ş t ı r. ( A T ) ( B a ş k a b i r d e yi ş l e y= f ( x ) f o nk s i yo n u n u n alt kısmında oluşan n tane dikdörtgenin a l a n l a r ı t o p l am ı n a R i e m a n n a l t t o p l a m d e n i r. ) 12. Sınıf Matematik Konu Anlatımı www.matbaz.com RİEMANN TOPLAMI OLARAK BELİRLİ İNTEGRALİ 1 . a d ı m : Ta b a n l a r ı n o l u ş t u r u l m a s ı O l u ş t u r u l a c ak d i k d ö r t g e n l e r i n t a b a n u zu n l uk l a r ın ı b u l m ak i ç i n [ a , b ] a r a l ı ğ ı n d a n a= x0 <x1 <x2 ...<x n=b o lm ak ü ze r e n + 1 n ok t a a l ın ı r. B u n + 1 n o k t a n ın o l u ş t u r d u ğ u k üm e ye , P= {a =x 0<x 1<x 2 ...<xn=b } k üm e s i n e [ a , b ] k a p a l ı a r a l ığ ı n ı n b ö l ü n t ü s ü ( p a r ç a l a n ı ş ı ) d e n i r. 2 . a d ım : Ta b a n u zu n l uk l a r ın ı n b u l u n u ş u B i r [ a , b ] k a p a l ı a r a l ığ ı n ın h e r h a n g i b i r P p a r ç a l a n ı ş ı n d a [ x 0 , x 1 ] ya b i r i n c i a l t a r a l ık [ x 1 , x 2 ] ye i k i n c i a l t a r a l ık [ x k - 1 , x k ] ya k . a l t a r a l ık d e n i r . B u a r a l ık l a r ın u zu n l u k l a r ı x k = x k - x k - 1 o l u r v e b u a r a l ık l a r d a n e n b ü yü ğ ü n e P p a r ç a l a n ı ş ı n ı n n o r m u d e n i r v e ‖P‖ i l e g ö s t e r i l i r. E ğ e r a r a l ık b o yl a r ı n ı n h e p s i e ş i t i s e p a r ç a l a n ı ş a d ü zg ü n p a r ç a l a n ı ş d e n i r. D ü zg ü n p a r ç a l a n ış t a h e r b i r t a b a n e ş i t u zu n l uk t a o l u p b u s a yı Δ x i l e g ö s t e r i l i r e b−a o l a c a ğ ı a ç ık t ır. Δ x= n Örnek...1 : [ 0 , 6 ] a r a l ığ ı i ç i n P= { 0 , 2 , 5 , 6 } b ö l ü n t ü s ü i l e b u a r a l ık [ 0 , 2 ] , [ 2 , 5 ] , [ 5 , 6 ] ş ek l i n d e a l t a r a l ık l a r a a yr ıl ır. B u r a d a Δ x 1=2, Δ x 2=3, Δ x 3=1 v e P b ö l ü n t ü s ü n ü n n o r m u 3 t ü r. ( ‖P‖=3) [ 0 , 6 ] i ç i n , a r a l ığ ı 3 e ş i t a l t a r a l ığ a b ö l ü n e r e k d ü zg ü n b ö l ü n t ü s ü n ü o l u ş t u r m ak i s t e r s ek P ’ = { 0 , 2 , 4 , 6 } o l a c a k t ır. B e n ze r ş ek i l d e u zu n l u ğ u e ş i t n a r a l ığ a b ö l m ek i s t e r s ek , b ö l ü n t ü n ü n n o r m u 6−0 6 Δ x= = o l a c a k t ır. n n 1/6 İNTEGRAL -1 RİEMANN TOPLAMI Örnek...2 : 3 . a d ı m : Al a n ı n h e s a p l a n m a s ı Ş i m d i h e r a r a l ı k t a n b i r r e e l s a yı a l a l ım v e k . a r a l ık t a n a l d ı ğ ı m ı z b u s a yı yı x k i l e gösterelim. İşte her alt aralıktan alınan b u x k s a yı l a r ı i ç i n f ( x k ) Δ xk s a yı l a r ı n ı n f : ℝ→ℝ , f ( x )=x+2 f on k s i yo n u i l e x= 0 d o ğ r u s u x = 4 d o ğ r u s u v e x e k s e n i yl e s ın ır l ı b ö l g e n i n a l a n ın ı R i em a n n t o p l am ı yl a t a h m i n e d i n i z ( b u l u n u z) Ç ö züm [ 0 , 4 ] a r a l ığ ın ın e ş i t b ö l ü nm e s i yl e h e r b i r 4−0 4 a r a l ık = o l a r a k e l d e e d i l i r. Y ük s e k l i k n n o l a r a k , a l t a r a l ık l a r ın n t o p l a m ı n a , ya n i ∑f (xk)Δ xk t o p l am ı n a , k=1 R i e m a n n t o p l am ı ( R T ) d e n i r. y Al t t o p l a m y=f(x) f(xk) Alan=f(xk).∆xk y=x+2 x a b xk y ∆x k R i e m a n n t o p l am ı n ı n Δ x k s a yı l a r ı v e P p a r ç a l a n ı ş ı n a b a ğ l ı o l d u ğ u a ç ı k t ı r. Ş e k i l l e r i i n c e l e yi n i z. x y y=f(x) y=f(x) a b x a b x [[a,b] aralığının P parçalanışındaki a r a l ık l a r k ü ç ü l d ük ç e , e ğ r i a l t ı n d a k a l a n dikdörtgenlerin alanlarının toplamının f f on k s i yo n u n g r af i ğ i i l e x e k s e n i a r a s ı n d a k i a l a n a ya k l a ş t ı ğ ı n ı g ö r ü r ü z. B u n e d e n l e p a r ç a l a n ı ş ı n n o r m u o l a n ∥P∥ k üç ü l d ü k ç e ( b a şk a b i r d e yi ş l e s ıf ı r a ya k l a ş t ık ç a ) b u p a r ç a l a n ı ş a a i t R i e m a n n t o p l a m ı n ı n ya k l a ş t ı ğ ı b i r r e e l s a yı d e ğ e r i n i n , l im i t i n i n , o lm a s ı n ı b e k l e r i z. ( F o n k s i yo n s ı n ı r l ı o lm a l ı ) ( A T ⩽RT⩽ÜT ) A l t a r a l ı k l a r i ç i n , a l t t o p l a m d a f (x k ) e n k ü ç ük , ü s t t o p l am d a f (x k ) e n b ü yü k d e ğ e r ) www.matbaz.com y 4 0 4 8 4 n−4 . f +f +f +...+f n n n n n (( ) ( ) ( ) 4 . n ( )) +2)) (( 0n +2)+( 4n +2)+( 8n +2)+...+( 4n−4 n 4 2n−2 4 4 16n−8 . 2n+ . n = . ( 2n+2n−2 )= . ( 4n−2) = n n n n n 16n−8 lim =16 n n→∞ ( ( ) ) Üst toplam y=x+2 y x N o t : P a r ç a l a n ı ş ı n o r t a n ok t a l a r ı n a g ö r e yü k s e k l i k l e r a l ı n ı p d ik d ö r t g e n l e r i n a l a n l a r ı t o p l am ı b u l u n u r s a R i e m a n n O r t a t o p l a m ı h e s a p l a nm ı ş o l u r. H a t ı r l a t m a l a r : To p l am S e m b o l ü n n (n+1) * ∑ k= 2 k=1 n * * ∑ k 2= k=1 n n (n+1) ( 2 n+1 ) 6 k=1 2 [ n (n2+1 ) ] * * * ∑ k= 12. Sınıf Matematik Konu Anlatımı 4 . f n 4 . n 4n +f ( ( 4n )+f ( 8n )+...+f ( 4n−4 n ) ( n )) (( 4n +2)+(8n +2)+...+( 4nn +2)) 4 2n+4 4 4 16n+32 . 2n+ .n = . ( 2n+2n+8 )= . (4n+8 )= n n n n n ( lim n→∞ ) ( 16n+32 )=16 n Ve bu sonuçla birlikte A T ⩽RT⩽ÜT olduğu için Riemann yöntemiyle alan 16 tahmin edilir. 2/6 İNTEGRAL -1 RİEMANN TOPLAMI Örnek...3 : GÖSTERİMLER f : ℝ→ℝ , f ( x )=x f on k s i yo n u i l e x= 2 d o ğ r u s u x = 4 d o ğ r u s u v e x e k s e n i yl e s ın ır l ı b ö l g e n i n a l a n ın ı R i em a n n t o p l am ı yl a b u l u n u z f : [ a , b ] →R b i r f o n k s i yo n o l s u n . P [ a , b ] a r a l ı ğ ı n ı n h e r h a n g i b i r p a r ç a l a n ı ş ı v e x 'k bu parçalanışa ait [xk-1,xk] aralığından s e ç i l e n h e r h a n g i b i r r e e l s a yı o l s u n . 6 n E ğ e r ∥P∥→0 i ç i n ∑ f ( x'k ) Δ x k = L o l a c ak k=1 ş e k i l d e b i r L ∈ R s a yı s ı v a r s a P p a r ç a l a n ı ş ı v e x 'k s a yı l a r ı n ı n s e ç im i n d e n b a ğ ı m s ı z o l a r ak f f o nk s i yo n u [ a , b ] a r a s ı n d a i n t e g r a l l e n e b i l i r v e L ∈ R ye [ a , b ] d e f n i n b e l i r l i i n t e g r a l i d e n i r. ( b u a r a l ı k t a y= f ( x ) f on k s i yo n u e ğ e r n e g a t i f o lm u yo r s a b u l i m i t d e ğ e r i e ğ r i i l e x ekseni arasında kalan alanı verir) ∥P∥→0 ye r i n e n→∞ a yn ı ş e y o l a r ak d ü ş ü n ü l e b i l i r. Δ x=dx , ( Δ x→ 0) lim Δ xk → 0 (∑ ( ) f x'k ) Δ xk =L ∈ℝ o l u yo r s a b u k=1 l i m i t d e ğ e r i n e y= f ( x ) f o nk s i yo n u n u n a ’ d a n b b ye b e l i r l i i n t e g r a l i d e r v e b u n u ∫ f (x )dx a o l a r a k ya za r ı z. B u r a d a a v e b s a yı l a r ı n a i n t e g r a l i n a l t v e üst limitleri denir n Kısaca lim Δ xk →0 (∑ ( k=1 ) b f x 'k ) Δ x k =L=∫ f ( x ) dx a b u i f a d e d ü zg ü n p a r ç a l a n ı ş t a ( n→∞ için ) n n b k =1 k= 1 a ( Δ x ) . ∑ f ( a +k . Δ x ) =( Δ x ) . ∑ f ( a + ( k−1 ) .Δ x ) =L=∫ f ( x ) dx www.matbaz.com n Ö ze t l e Örnek...4 : f : ℝ→ℝ , f ( x )=x 2 f o nk s i yo n u i l e x = 0 d o ğ r u s u x = 2 d o ğ r u s u v e x e k s e n i yl e s ın ır l ı b ö l g e n i n a l a n ın ı R i em a n n t o p l am ı yl a b u l u n u z 8/3 b i ç i m l e r i n d e d e if a d e e d i l e b i l i r. ( S a ğ v e s o l u ç n o k t a ya k l a ş ı m yö n t em l e r i ) 4 Önceki örnek için 16⩽RT =∫ ( x+2) dx⩽16 0 4 ∫ ( x+2) dx=16 elde edilir 0 (Not İntegral hesabın temel teoremi ile belirli integralleri Riemann toplamlarının limiti yerine başka ve daha kısa bir yöntemle hesaplayacağız) 12. Sınıf Matematik Konu Anlatımı 3/6 İNTEGRAL -1 RİEMANN TOPLAMI Örnek...5 : Örnek...8 : 4 ∫ xdx 0 Ç ö zü m f ( x )= x f o nk s i yo n u [ 0 , 4 ] a r a l ı ğ ı n d a s ü r e k l i v e s ı n ı r l ı o l d u ğ u n d a n b e l i r l i i n t e g r a l i v a r d ı r. [ 0 , 4 ] a r a l ı ğ ı n ı n ı n d ü zg ü n b ö l ü n t ü s ü n ü n b o yu 4 ve alt aralıklar n 4 4 4 4 4 [ 0 , ] , [ , 2 . ] , . . . , [ ( n - 1 ) , .n] o l u r. n n n n n 4 R i em a n n ü s t t o p l a m i ç i n f ( x k ) d e ğ e r l e r i f ( ) ,f ( n 8 ) , . . . , f ( 4 ) o l a c a ğ ı n d a n R i em a n n ü s t t o p l am ı n 4 4 4 8 4 4 . f ( )+ . f ( )+ . . . + . f ( . n ) o l a c ak t ı r. B u i s e n n n n n n 4 4 8 4 n 4 4+8+...+4n 4 4 (1+2+...+n ) ( + +...+ )= . = . n n n n n n n n 4 2 (n 2 +2 n ) 8 n2 +16 n . = ve n sınırsız olarak artarken (n n n n2 sonsuza giderken limit alırsak) belirli integral 8 olarak elde edilir. Aynı ifade bu aralıkta verilen (x) fonksiyon negatif olmadığından alana dönüştürülerek de yapabiliriz ( ) ( 1 0 ) ) Örnek...6 : n ) ∫ x5 dx () 1. k 2 n değeri sonsuza giderken topladığımızda ∑ n k =1 n hangi belirli integrali elde ederiz? Çözüm b=1 ve a=0 alınırsa ifade n b b−a . ∑ ( f ( a +k . Δ x ) )=∫ f ( x ) dx olarak düşünüldüğünde n k=1 a Örnek...9 : www.matbaz.com ( ( 15+25+35 +...+n5 if a d e s i h a n g i b e l i r l i n→∞ n6 i n t e g r a l i t em s i l e d e r ? lim b e l i r l i i n t e g r a l i n i b u l u n u z. lim ( sin ( 1n )+sin( 2n )+sin( 3n )+...+sin( nn ) ) n hangi belirli integrali temsil eder? n→∞ ifadesi 1 ∫ sinx dx 0 ( ) 1 ∫ x2 dx elde edilir. 0 Örnek...7 : n ( ) 3. ∑ 2+ 3nk i f a d e s i n d e ğ e r i s o n s u z a n k=1 g i d e rk e n t o p l a d ı ğ ı m ı zd a h a n g i b e l i r l i i n t e g r a l i e l d e e d e r i z? 5 ∫ xdx 2 12. Sınıf Matematik Konu Anlatımı Örnek...10 : İ n t e g r a l l e r i a l a n a d ö n ü ş t ü r e r e k h e s a p l a yın ı z 4 6 2 0 −3 −2 a ) ∫ xdx b ) ∫ 7 dx c ) ∫|x|dx a)8 b)63 c)4 4/6 İNTEGRAL -1 RİEMANN TOPLAMI Örnek...11 : Örnek...13 : f : ℝ→ℝ , f ( x )=x f o nk s i yo n u n u n g r a f i ğ i y v e r i l i yo r. B u n a g ö r e x > 0 y=f(x)=x i ç i n ş ek i l d ek i t a r a l ı bölgenin alanını veren f o nk s i yo n u b u l a l ım v e b u x b x f o nk s i yo n u n t ü r e v i n i ş ek i l d ek i d o ğ r u yu t e m s i l e d e n y = f ( x )= x f on k s i yo n u i l e k a r ş ı l a ş t ır a l ım . y Ya n d a k i g r af i k t e Ya n d ak i grafikte taralı bölgenin a l a n ın ı v e r e n F ( x ) f on k s i yo n u F(x) = x3+2x +1 olarak t a n ım l a n m ış t ır. y=f(x) 2 4 6 x 6 Buna göre ∫ f (x )dx =F ( 6)−F ( 4 )=156 br2, o l a r ak 4 e l d e e d i l i r. BELİRLİ İNTEGRAL KURALLARI İNTEGRAL HESABIN TEMEL TEOREMLERİ: İNTEGRAL HESABIN TEMEL TEOREMİ I b 1. a ∫ f (x )dx =−∫ f ( x ) dx a b f : [ a , b ] →R s ü r ek l i b i r f on k s i yo n v e x a F ( x )=∫ f (t ) dt i s e 2. a Örnek...12 : a ) y Ya n d ak i g r a f ik t e Ya n d a k i y=F(x) g r af ik t e t a r a l ı b ö l g e n i n y=f(x) alanını veren F(x) f o nk s i yo n u a xb x F(x) = 2x4+5x3 +1 olarak t a n ı m l a nm ı ş t ı r. İntegralin I. t em e l t e o r em i n d e n ya r a r l a n a r ak f (x ) f o nk s i yo n u n u b u l m ak i s t e r s ek F ’ ( x )= f ( x ) o l a c a ğ ı n d a n f (x ) = 8 x 3 + 1 5 x 2 o l u r. b 3. www.matbaz.com ( x d ( F( x )) d F ( x )= = f ( t ) dt =f ( x ) ya n i s ü r ek l i dx dx ∫ a h e r f o nk s i yo n b a şk a b i r f on k s i yo n u n t ü r e v i d i r. B a şk a b i r d e yi ş l e t ü r e v v e i n t e g r a l i ş l em l e r i b i r b i r l e r i n i n t e r s i i ş l e m l e r d i r. ( F (x )+c )ı=f ( x ) o l d u ğ u n u n d a f ar k ı n a v a r ı n ı z ' ∫ f (x )dx =0 b ∫ k. f ( x ) dx=k. ∫ f (x ) dx a a b 4. b a a b 5. b ∫ ( f ( x )±g ( x )) dx=∫ f ( x ) dx±∫ g( x ) dx c a b ∫ f (x )dx =∫ f (x ) dx +∫ f (x ) dx , a a c<b c b 6. (b-a).min(f(x))< ∫ f (x )dx =0 < ( b - a ) . m a x ( f ( x ) ) a Örnek...14 : İNTEGRAL HESABIN TEMEL TEOREMİ II f : [ a , b ] →R s ü r ek l i b i r f on k s i yo n v e b d ( ( )) ( ) F x =f x i s e ∫ f ( x ) dx =F ( b )−F ( a ) o l u r. dx a 15 15 ∫ f ( x ) dx=10, −1 15 (∫ −1 ve ∫ g (x )dx =8 −1 15 ) (∫ f (x ) +g ( x ) dx . f ( x )−g( x ) dx −1 ise ) b Ya n i ∫ f (x )dx if a d e s i n i h e s a p l a m ak i ç i n 36 a R i e m a n n t o p l am ı i l e s o n u c a g i t m e k ye r i n e f ( x ) f o nk s i yo n u n u n i l k e l i o l a n F ( x ) g i b i b i r f o nk s i yo n d a i n t e g r a l i n s ı n ı r l a r ı n ı ya za r o l u ş a n f ar k ı ( F ' d e ü s t sınır değerinden alt sınır değerini ç ık a r a r a k ) c e v a p o l a r ak h e s a p l a r ı z v e r i r. Örnek...15 : 3 7 ∫ f (x )dx =−3 v e ∫ f (x )dx =5 2 3 2 ise ∫ f (x )dx =? 7 -2 12. Sınıf Matematik Konu Anlatımı 5/6 İNTEGRAL -1 RİEMANN TOPLAMI DEĞERLENDİRME 1) f : ℝ→ℝ , f ( x )=x 3 fonksiyonu ile x=0 doğrusu x=2 doğrusu ve x ekseniyle sınırlı bölgenin alanını Riemann toplamıyla bulunuz n ( ) 1 . ∑ 1+ √12 + √13 +...+ √1n n değeri sonsuza √ n k=1 giderken topladığımızda hangi belirli integrali elde ederiz? 4) 4 1 1 ∫ √ x dx 0 2) İntegralleri alana dönüştürerek hesaplayınız 3 6 3 4 1 −3 −4 −2 a) ∫ xdx b) ∫ dx c) ∫ |x+3|dx d) ∫ ( 8−x ) dx a)4 b)54 c)18,5 d)42 E ğ r i a l t ın d a k a l a n a l a n a ya k l a ş ım y= f ( x )= x 2 f on k s i yo n u i l e x= 0 d o ğ r u s u x = 1 d o ğ r u s u v e x ek s e n i yl e s ın ı r l ı b ö l g e n i n a l a n ın ın ya k l a ş ık d e ğ e r i n i , n = 1 0 p a r ç a ya a yı r a r a k a l t t o p l am l a b u l a l ım . 3) n ( ) 6. ,n değeri sonsuza ∑ 6 + 12 + 18 ...+ 6n n k=1 n n n n giderken topladığımızda hangi belirli integrali elde ederiz? 6 ∫ xdx 0 Ya k l a ş ıl a n d e ğ e r 10 1 . k−1 2= 1 . ( 0+1+4 +...81 ) =0,285 ∑ 10 k=1 10 1000 g e r ç e k d e ğ e r i s e R i em a n n t o p l a m ı i l e 1 1 1 2 1 ∫ x2 dx = n f ( 0)+f n +f n +... f 1− n 0 ( ) ( ( ) ( ) ( )) ( ( ) ( ) ( )) 1 1 2 2 2 n−1 2 0+ + +...+ n n n n 1( 2 2 2 2 = 3 1 +2 +3 +... ( n−1) ) n 1 ( n−1) n. (2n−1) 1 = =0,333=0, ̄3 n3 6 3 h a t a ya k l a ş ık % 1 5 c i v a r ı n d a d ı r. = ( 12. Sınıf Matematik Konu Anlatımı ) 6/6