Matematika pro Kybernetiku Lecture Notes
Matematika pro Kybernetiku Lecture Notes
Matematika pro Kybernetiku Lecture Notes
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
KAPITOLA 7: Primitivní funkce<br />
7.1 Úvod<br />
Definice:<br />
Funkce F je primitivní funkcí k funkci f na intervalu I, jestliže <strong>pro</strong><br />
každé x ∈ I existuje F ′ (x) a platí<br />
Poznámky:<br />
F ′ (x) = f (x) .<br />
1) Obsahuje-li I některý z krajních bod˚u, rozumíme pod F ′ (x)<br />
v krajním bodě pˇríslušnou jednostrannou derivaci.<br />
2) F je spojitá na I, <strong>pro</strong>tože má v každém bodě intervalu I vlastní<br />
derivaci.
Věta 7.1:<br />
a) Je-li F primitivní funkcí k funkci f na intervalu I, potom <strong>pro</strong><br />
každé c ∈ R je F + c také primitivní funkcí k funkci f na<br />
intervalu I.<br />
b) Jsou-li F a G primitivní funkce k funkci f na intervalu I, pak<br />
existuje c ∈ R takové, že<br />
G = F + c<br />
tj. G(x) = F (x) + c ∀x ∈ I .<br />
Pˇríklad 7.1: Ve Větě 7.1, b) je podstatné, že I je interval.<br />
neurčitý integrál funkce f na intervalu I . . .<br />
<br />
f (x) dx<br />
<br />
f dx<br />
. . . množina všech primitivních funkcí k funkci f na intervalu I<br />
<br />
. . . integrační znak; f (x) . . . integrand; x . . . integrační <strong>pro</strong>měnná
Pˇríklad 7.2: a) Je-li 0 ∈ (a, b), pak funkce f (x) = sgn x nemá<br />
primitivní funkci na (a, b).<br />
b) Funkce f (x) = 2x cos 1<br />
x<br />
1 + sin x <strong>pro</strong> x = 0, f (0) = 0, má primitivní<br />
funkci na R, i když není na R spojitá - má nespojitost v nule.<br />
( Primitivní funkce: F (x) = x 2 · cos 1<br />
x , x = 0, F (0) = 0, viz Pˇr. 4.8 )<br />
Věta 7.2:<br />
Je-li funkce f spojitá na intervalu I, pak existuje k funkci f primitivní<br />
funkce na intervalu I.<br />
Poznámka:<br />
Lze ukázat, že pokud funkce f je derivací funkce F na intervalu I,<br />
pak f má Darbouxovu vlastnost (viz D˚usledek 5.2). Tedy primitivní<br />
funkce existují jen k funkcím s Darbouxovou vlastností.
f (x) F (x) ∗ I<br />
A (A ∈ R) Ax R<br />
x α<br />
1<br />
x<br />
x α+1<br />
α + 1<br />
e x e x R<br />
x a (a > 0<br />
a = 1)<br />
R <strong>pro</strong> α ∈ N0<br />
(−∞, 0), (0, ∞) <strong>pro</strong> α ∈ Z, α < −1<br />
(0, ∞) <strong>pro</strong> α ∈ Z ⋆)<br />
ln |x| (−∞, 0), (0, ∞)<br />
a x<br />
ln a<br />
R<br />
⋆) . . . <strong>pro</strong> některé racionální exponenty lze brát též I = (−∞, 0)
f (x) F (x) nap v<br />
r. I<br />
sin x − cos x R<br />
cos x sin x R<br />
1<br />
cos 2 x<br />
− 1<br />
sin 2 x<br />
1<br />
√ 1 − x 2<br />
1<br />
1 + x 2<br />
tg x<br />
cotg x<br />
arcsin x<br />
− arccos x<br />
arctg x<br />
−arccotg x<br />
<br />
− π π<br />
<br />
+ kπ, + kπ ; k ∈ Z<br />
2 2<br />
<br />
kπ, (k + 1)π ; k ∈ Z<br />
(−1, 1)<br />
R
f (x) F(x) nap v<br />
r. I<br />
sinh x cosh x R<br />
cosh x sinh x R<br />
1<br />
cosh 2 x<br />
1<br />
sinh 2 x<br />
1<br />
√ 1 + x 2<br />
1<br />
√ x 2 − 1<br />
tgh x R<br />
−cotgh x (−∞, 0), (0, ∞)<br />
argsinh x R<br />
argcosh x<br />
−argcosh (−x)<br />
(1, ∞)<br />
(−∞, −1)
7.2 Základní metody hledání primitivní funkce<br />
Značení: Je-li A, B ⊂ M, c ∈ M, pak píšeme<br />
Věta 7.3 (o linearitě):<br />
A ± B = { a ± b | a ∈ A, b ∈ B },<br />
c ± A = { c ± a | a ∈ A },<br />
c · A = { c · a | a ∈ A }.<br />
Necht’ F je primitivní funkce k funkci f na intervalu I, G primitivní<br />
funkce ke funkci g na intervalu I a α ∈ R. Pak<br />
a) F + G je primitivní funkcí k f + g na I, tj.<br />
<br />
<br />
(f + g) dx = f dx + g dx,<br />
b) α · F je primitivní funkcí k α · f na I, tj.<br />
<br />
<br />
α · f dx = α · f dx.
Integrace per partes<br />
Věta 7.4 (integrace per partes):<br />
Necht’ F , G a H jsou postupně primitivní funkce k funkcím f , g a<br />
f · G na I. Pak F · G − H je na I primitivní funkcí k funkci F · g, tj.<br />
<br />
<br />
F · g dx = F · G − f · G dx.<br />
Poznámka:<br />
Pokud funkce u, v mají vlastní derivace na intervalu I a existuje<br />
primitivní funkce k funkci u ′ · v na intervalu I, pak lze symbolicky<br />
psát: <br />
Pˇríklad 7.3: Nalezení<br />
u · v ′ <br />
= u · v −<br />
u ′ · v.<br />
<br />
ln x dx na intervalu (0, ∞).
ln x<br />
Pˇríklad 7.4: Najděte I =<br />
x dx.<br />
ˇRešení: Na (0, ∞) máme<br />
I =<br />
ln x<br />
x<br />
<br />
dx =<br />
ln x · 1<br />
x<br />
<br />
<br />
<br />
dx = <br />
<br />
u = ln x v ′ = 1<br />
x<br />
u ′ = 1<br />
x<br />
<br />
PP 2 1<br />
= ln x −<br />
x · ln x dx = ln2 x − I.<br />
v = ln x<br />
Tím jsme dostali <strong>pro</strong> I rovnici I = ln 2 x − I, odkud na (0, ∞) je<br />
<br />
ln x<br />
x dx = I = ln2 x<br />
2<br />
+ c<br />
(Podobně se hledají napˇr. cos ax · e bx dx, sin ax · e bx dx –<br />
v těchto pˇrípadech se jen integrace per partes použije dvakrát.)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
PP =
Metoda substituce<br />
Věta 7.5 (o substituci):<br />
a) Necht’ I, J jsou otevˇrené intervaly, ϕ má vlastní derivaci na I<br />
(je tam tedy spojitá), ϕ(I) ⊂ J a F je primitivní funkce k funkci<br />
f na J. Potom<br />
<br />
f (ϕ(t)) · ϕ ′ (t) dt = F (ϕ(t)) + c na I.<br />
b) Pokud je ϕ navíc <strong>pro</strong>stá na I, ϕ(I) = J a existuje primitivní<br />
funkce G k f (ϕ(t)) · ϕ ′ (t) na I , pak<br />
<br />
f (x) dx = G(ϕ−1(x)) + c na J.<br />
Tvrzení Věty 7.5 lze zapsat také takto:<br />
f (ϕ(t)) · ϕ ′ <br />
(t) dt = f (x) dx; x = ϕ(t); t ∈ I .
Poznámka:<br />
Ve Větě 7.5 je z pˇredpoklad˚u části a) funkce ϕ spojitá, tedy v části<br />
b) lze nahradit pˇredpoklad <strong>pro</strong>stoty funkce ϕ pˇredpokladem ryzí<br />
monotonie funkce ϕ.<br />
Pˇríklad 7.6: Nalezení<br />
x = ϕ(t) = cos t.<br />
Pˇríklad 7.7: Vyjádˇrení a)<br />
<br />
sin t<br />
1 + cos 2 t<br />
<br />
dt na R pomocí substituce<br />
f (x + B) dx, b)<br />
(A, B ∈ R, A = 0) pomocí primitivní funkce F k funkci f .<br />
Pˇríklad 7.8: Nalezení<br />
<br />
1<br />
x 2 + 5<br />
dx na R.<br />
<br />
f (Ax + B) dx
Pˇríklad 7.9: Najděte<br />
1<br />
√ 1 − x 2 dx.<br />
ˇRešení: 1. možnost: Na (−1, 1) máme<br />
<br />
1<br />
√ 1 − x 2<br />
<br />
= −<br />
<br />
=<br />
dx =<br />
<br />
<br />
<br />
x = cos t . . . t ∈ (0, π)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
( arccos x = t )<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
dx = − sin t dt <br />
<br />
1<br />
− sin t<br />
√ (− sin t) dt = dt =<br />
1 − cos2 t sin t<br />
1 dt = −t + c = − arccos x + c na (−1, 1).<br />
V substituci jsme využili toho, že funkce cos t je <strong>pro</strong>stá na (0, π)<br />
a na začátku druhého ˇrádku úprav toho, že sin t > 0 na (0, π).<br />
=
2. možnost: Na (−1, 1) máme<br />
<br />
1<br />
√ 1 − x 2<br />
dx =<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
x = sin z . . . z ∈ (− π π<br />
2 , 2 )<br />
( arcsin x = z )<br />
dx = cos z dz<br />
<br />
=<br />
1<br />
<br />
1 − sin 2 <br />
z<br />
<br />
cos z<br />
cos z dz = dz =<br />
cos z<br />
= 1 dz = z + c = arcsin x + c na (−1, 1).<br />
V substituci jsme využili toho, že funkce sin z je <strong>pro</strong>stá na (− π π<br />
, ) a na<br />
2 2<br />
začátku druhého ˇrádku úprav toho, že cos z > 0 na (− π π<br />
, 2 2 ).<br />
Pˇrestože v první a druhé možnosti vyšly na první pohled r˚uzné výsledky, jsou<br />
oba tyto výsledky správné. Funkce − arccos x a arcsin x se totiž liší jen<br />
o konstantu ( arcsin x = π<br />
2<br />
− arccos x ).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
=
Pˇríklad 7.10: Nalezení<br />
kde I ⊂ D(f )\ { x | f (x) = 0 }.<br />
f ′ (x)<br />
dx (k ∈ N) na intervalu I ,<br />
(f (x)) k<br />
<br />
1<br />
Pˇríklad 7.5: Nalezení In =<br />
(1 + x 2 dx na R, <strong>pro</strong> n = 1, 2.<br />
) n<br />
<br />
Pro n > 1 lze odvodit rekurentní vzorec<br />
In =<br />
1<br />
2(n x<br />
− 1) − 1 In−1 −<br />
2(n − 1)<br />
(1 + x 2 ) n−1<br />
<br />
.
7.3 Integrace racionální funkce<br />
7.3.1 Racionální funkce<br />
P, Q . . . polynomy s reálnými koeficienty, Q nenulový<br />
R = P<br />
Q<br />
. . . racionální funkce<br />
Z věty o dělení polynom˚u existují polynomy Y a Z , st Z < st Q,<br />
takové, že<br />
tj.<br />
R(x) =<br />
P(x) = Y (x) · Q(x) + Z (x) ∀x ∈ R,<br />
Y (x) · Q(x) + Z (x)<br />
Q(x)<br />
( Pro st P < st Q je Y nulový polynom a Z = P. )<br />
=<br />
polynom<br />
<br />
Y (x) +<br />
st Z < st Q<br />
<br />
Z (x)<br />
Q(x)<br />
.
Dále uvažujeme jen funkce ryze lomené, tj. racionální funkce typu<br />
R(x) = P(x)<br />
, kde st P < st Q.<br />
Q(x)<br />
Nejjednodušší typy funkcí ryze lomených . . .<br />
. . . jednoduché (též parciální) zlomky:<br />
A<br />
, A ∈ R; α ∈ R; k ∈ N,<br />
(x − α) k<br />
Bx + C<br />
(x 2 + p x + q) ℓ , B, C ∈ R; p, q ∈ R, p2 − 4q < 0; ℓ ∈ N.
Věta 7.6:<br />
1) Každou ryze lomenou funkci lze zapsat právě jedním zp˚usobem<br />
jako součet jednoduchých zlomk ˚u.<br />
2) Každou racionální funkci lze zapsat právě jedním zp˚usobem<br />
jako součet polynomu a jednoduchých zlomk ˚u.<br />
( Pˇresněji: „ ... právě jedním zp˚usobem až na poˇradí sčítanc˚u ...” )<br />
Jaké máme očekávat v rozkladu jednoduché zlomky?<br />
Obecně všech typ˚u, kde jmenovatel je dělitelem polynomu Q<br />
(někde ovšem m˚uže vyjít nulový čitatel).
Pˇríklad 7.12: Rozložte na součet polynomu a jednoduchých<br />
zlomk˚u funkci R(x) = x 6 + 2x 4 + 3x 2 + x − 1<br />
x 5 − x 2<br />
Pˇríklady: Určete tvar, v kterém je tˇreba hledat rozklad na<br />
jednoduché zlomky racionální funkce<br />
a)<br />
b)<br />
<br />
x 3 + 2x − 4<br />
(x 2 + 4) 2 (x − 1) 3<br />
<br />
= Ax + B<br />
(x 2 Cx + D<br />
+<br />
+ 4) 2 x 2 + 4 +<br />
x 4<br />
(x 2 + 4x + 5) 2 (x 2 + 1)(x + 4) 2<br />
=<br />
Ax + B<br />
(x 2 Cx + D<br />
+<br />
+ 4x + 5) 2 x 2 + 4x + 5<br />
E<br />
+<br />
(x − 1) 3<br />
F G<br />
<br />
+ ,<br />
(x − 1) 2 x − 1<br />
Ex + F<br />
+<br />
x 2 + 1 +<br />
G H<br />
<br />
+ .<br />
(x + 4) 2 x + 4
7.3.2 Integrace racionální funkce<br />
= integrace polynomu<br />
+ integrace jednoduchých zlomk˚u<br />
6 4 2 x + 2x + 3x + x − 1<br />
Pˇríklad 7.13: Vypočtěte<br />
x 5 − x 2 dx.
(1) TYP<br />
Integrace jednoduchých zlomk ˚u<br />
A<br />
;<br />
(x − α) n n ∈ N (x = α)<br />
a) n > 1<br />
A<br />
(x − α) n<br />
−n<br />
dx = A (x − α) dx<br />
(Pˇr. 7.7a)<br />
=<br />
(x − α)−n+1<br />
A<br />
−n + 1<br />
= −A<br />
n − 1 ·<br />
1<br />
+ c na (−∞, α) a na (α, ∞)<br />
(x − α) n−1<br />
+ c =<br />
b) n = 1 A<br />
dx = A ln |x − α| + c na (−∞, α) a na (α, ∞)<br />
x − α
(2) TYP<br />
Bx + C<br />
(x 2 + px + q) n ; n ∈ N, p2 − 4q < 0 (x ∈ R)<br />
pˇrepíšeme<br />
(jmenovatel nemá reálné koˇreny)<br />
Bx + C<br />
(x 2 + px + q) n<br />
=<br />
= B (2x + p)<br />
2 (x 2 + px + q) n<br />
<br />
viz (2A)<br />
B<br />
2 ·<br />
(x 2 + px + q) ′<br />
<br />
(2x + p)<br />
(x 2 + px + q) n<br />
+<br />
+<br />
C − Bp<br />
2<br />
(x 2 + px + q) n<br />
<br />
C − Bp<br />
<br />
1<br />
2 (x 2 + px + q) n<br />
<br />
viz (2B)<br />
=
(2A)<br />
<br />
(2x + p)<br />
(x 2 dx =<br />
+ px + q) n<br />
<strong>pro</strong> n > 1 (viz (1a)):<br />
(⋆) = − 1<br />
n − 1<br />
<strong>pro</strong> n = 1 (viz (1b)):<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
x 2 <br />
+ px + q = t<br />
<br />
<br />
<br />
(2x + p) dx = dt =<br />
<br />
dt<br />
= (⋆)<br />
t n<br />
1<br />
1<br />
· + c = −<br />
t n−1 n − 1 ·<br />
1<br />
(x 2 + c<br />
+ px + q) n−1<br />
na R<br />
(⋆) = ln |t| + c = ln( x 2 + px + q ) + c na R<br />
<br />
> 0 !
(2B) 1<br />
(x 2 dx =<br />
+ px + q) n<br />
=<br />
<br />
=<br />
1 p<br />
q − 2n<br />
4 <br />
x + p<br />
2<br />
p<br />
q − 2<br />
1<br />
p<br />
q − 2<br />
4<br />
q− p2<br />
4¡n− 1 <br />
2 p<br />
· q− 2<br />
4<br />
4<br />
= t<br />
dx = dt<br />
<br />
=<br />
1<br />
·<br />
2 p<br />
x +<br />
2<br />
<br />
<br />
1<br />
p<br />
x + 2 p<br />
q − 2<br />
4<br />
+ q − p2n<br />
4<br />
2<br />
<br />
1 p<br />
q − 2(n−<br />
1 2 )<br />
4<br />
+ 1<br />
<br />
<br />
n<br />
dx =<br />
dx =<br />
1<br />
(t 2 dt = (⋆⋆)<br />
+ 1) n
• <strong>pro</strong> n = 1:<br />
=<br />
<br />
1<br />
q − p2<br />
4<br />
(⋆⋆) =<br />
1<br />
2<br />
<br />
1<br />
q − p2<br />
4<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
p<br />
x +<br />
arctg ⎝ 2 <br />
q − p2<br />
4<br />
• <strong>pro</strong> n > 1 se použije Pˇríklad 7.5<br />
arctg t + c =<br />
⎞<br />
⎠ + c na R<br />
(primitivní funkci dostaneme opět na celém R)
7.4 Některé d ˚uležité substituce<br />
polynom P(x, y) dvou <strong>pro</strong>měnných x, y . . .<br />
. . . součet konečného počtu funkcí typu cm,n · x m · y n ,<br />
kde m, n ∈ N0, cm,n ∈ R<br />
racionální funkce R(x, y) dvou <strong>pro</strong>měnných x, y . . .<br />
. . . podíl dvou polynom˚u dvou <strong>pro</strong>měnných x, y;<br />
R(x, y) =<br />
analogicky <strong>pro</strong> tˇri a více <strong>pro</strong>měnných<br />
P(x, y)<br />
, Q(x, y) = 0<br />
Q(x, y)
C) Integrály typu<br />
Výběr substituce<br />
<br />
R ( sin x, cos x ) dx<br />
(A) Zkusíme, zda funkce R(u, v) nemá některou z dále uvedených<br />
vlastností:<br />
a) R(−u, v) = −R(u, v) ( R je lichá v první <strong>pro</strong>měnné – sinech ),<br />
b) R(u, −v) = −R(u, v) ( R je lichá v druhé <strong>pro</strong>měnné – kosinech ),<br />
c) R(−u, −v) = R(u, v).
a) R(−u, v) = −R(u, v) ( tj. R je lichá "v sinech" )<br />
Volíme substituci:<br />
t = cos x, dt = − sin x dx (sin 2 x = 1 − t 2 ).<br />
b) R(u, −v) = −R(u, v) ( tj. R je lichá "v kosinech" )<br />
Volíme substituci:<br />
t = sin x, dt = cos x dx (cos 2 x = 1 − t 2 ).
c) R(−u, −v) = R(u, v)<br />
Volíme substituci:<br />
t = tg x, dt = 1<br />
cos 2 x dx<br />
Využijeme pˇritom toho, že<br />
cos 2 x =<br />
sin 2 x =<br />
cos 2 x<br />
cos 2 x + sin 2 x =<br />
1<br />
1 + tg 2 x<br />
sin 2 x<br />
cos2 x + sin 2 x = tg 2 x<br />
1 + tg 2 x<br />
sin x · cos x = tg x · cos 2 x =<br />
1<br />
= ,<br />
1 + t 2<br />
2 t<br />
= ,<br />
1 + t 2<br />
tg x<br />
1 + tg 2 x =<br />
t<br />
1 + t 2
Poznámka: Jak se vypoˇrádat s faktem, že definiční obor funkce<br />
tg x je někdy menší než definiční obor p˚uvodní integrované funkce,<br />
najdete u pˇríkladu 7.19 b).<br />
Poznámka: Je-li x ∈ (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ), m˚užeme v praxi psát<br />
stejně jako v pˇríkladu 7.19 b)<br />
x = arctg t + kπ, dx = 1<br />
dt.<br />
1 + t 2<br />
Není tedy nutné upravovat funkci R tak, aby bylo možné ve<br />
jmenovateli vytknout cos 2 x.<br />
Poznámka: Někdy je zde vhodnější substituce t = cotg x.
(1B) Pokud funkce R nemá ani jednu z vlastností popsaných v (1A)<br />
použijeme substituci<br />
tg x<br />
2 = t ( <strong>pro</strong>stá funkce na (2k − 1) π, (2k + 1) π¡ , k ∈ Z )<br />
a dostaneme<br />
cos x =<br />
sin x =<br />
2 x<br />
x<br />
cos − sin2 2 2<br />
2 x<br />
x<br />
cos + sin2 2 2<br />
2 sin x x<br />
cos 2 2<br />
2 x<br />
x<br />
cos + sin2 2 2<br />
=<br />
=<br />
2 x<br />
1 − tg 2<br />
2 x<br />
1 + tg 2<br />
2 tg x<br />
2<br />
2 x<br />
1 + tg 2<br />
=<br />
=<br />
1 − t 2<br />
1 + t 2<br />
2 t<br />
1 + t 2
Pˇríklady<br />
1.<br />
<br />
2 sin x<br />
sin 2 dx<br />
x + 1<br />
( viz pˇríklad 7.17 )<br />
R(u, v) = 2u<br />
u 2 + 1 ,<br />
R(−u, v) =<br />
−2u<br />
(−u) 2 = −R(u, v),<br />
+ 1<br />
R(u, −v) = 2u<br />
u2 = −R(u, v),<br />
+ 1<br />
R(−u, −v) =<br />
−2u<br />
(−u) 2 = R(u, v),<br />
+ 1<br />
z jednodušších substitucí lze použít jen substituci t = cos x
2 sin x<br />
sin 2 x + 1<br />
= 1<br />
<br />
√<br />
2<br />
<br />
dx = 2<br />
sin x<br />
2 − cos2 dx =<br />
x<br />
<br />
− dt 1 1<br />
= 2 = √<br />
2 − t 2<br />
2 t − √ 2 −<br />
ln |t − √ 2|<br />
<br />
√ 2−t<br />
− ln |t + √ <br />
2|<br />
<br />
√<br />
2+t<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
t = cos x ∈ 〈−1, 1〉<br />
dt = − sin x dx<br />
1<br />
t + √ <br />
dt =<br />
2<br />
+ c = 1<br />
√<br />
2 − cos x<br />
√ ln √ + c<br />
2 2 + cos x<br />
na R<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
=
2.<br />
<br />
1<br />
cos 3 x<br />
R(u, v) = 1<br />
,<br />
v 3<br />
dx ( viz pˇríklad 7.18 )<br />
R(−u, v) = 1<br />
= −R(u, v),<br />
v 3<br />
R(u, −v) = 1<br />
= −R(u, v),<br />
(−v) 3<br />
R(−u, −v) = 1<br />
= R(u, v)<br />
(−v) 3<br />
z jednodušších substitucí lze použít jen substituci t = sin x
Musí platit cos x = 0, tj. x ∈ (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ) , k ∈ Z.<br />
<br />
=<br />
dx<br />
cos 3 x =<br />
<br />
<br />
dt<br />
(1 − t 2 <br />
1<br />
=<br />
) 2 4<br />
cos x<br />
(1 − sin 2 <br />
<br />
<br />
dx = <br />
x) 2 <br />
= 1<br />
<br />
−<br />
4<br />
1 1<br />
−<br />
t − 1 t + 1<br />
= 1<br />
<br />
2t t + 1<br />
+ ln<br />
4 1 − t 2 1 − t<br />
1<br />
+<br />
(t − 1) 2<br />
+ ln |t + 1|<br />
t = sin x ∈ (−1, 1)<br />
dt = cos x dx<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
=<br />
<br />
1 1 1<br />
+ − dt =<br />
(t + 1) 2 t + 1 t − 1<br />
<br />
t+1<br />
<br />
− ln |t − 1|<br />
<br />
1−t<br />
+ c =<br />
+ c = 1<br />
<br />
2 sin x<br />
4 cos2 <br />
1 + sin x<br />
+ ln<br />
x 1 − sin x<br />
na (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ); k ∈ Z<br />
+ c
3.<br />
<br />
1<br />
cos 4 x<br />
R(u, v) = 1<br />
,<br />
v 4<br />
dx ( viz pˇríklad 7.19 a) )<br />
R(−u, v) = 1<br />
= −R(u, v),<br />
v 4<br />
R(u, −v) = 1<br />
= −R(u, v),<br />
(−v) 4<br />
R(−u, −v) = 1<br />
= R(u, v)<br />
(−v) 4<br />
z jednodušších substitucí lze použít jen substituci t = tg x
Musí platit cos x = 0, tj. x ∈ (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ) = Ik , k ∈ Z.<br />
<br />
1<br />
cos4 dx =<br />
x<br />
<br />
<br />
=<br />
1<br />
cos2 x ·<br />
1<br />
cos2 dx =<br />
x<br />
= t +<br />
1<br />
1<br />
1 + t 2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
tg x<br />
1<br />
cos<br />
= t<br />
2 dx<br />
x<br />
= dt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
=<br />
<br />
dt = (1 + t 2 ) dt =<br />
3 t<br />
3 + c = tg x + tg 3 x<br />
+ c<br />
3<br />
na (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ); k ∈ Z
Musí platit cos x = 0, tj. x ∈ (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ) = Ik , k ∈ Z.<br />
<br />
1<br />
cos4 dx =<br />
x<br />
<br />
=<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
1+t 2<br />
tg x = t<br />
x = arctg t + kπ − <strong>pro</strong>stá<br />
dx = 1<br />
t 2 +1 dt<br />
1 1<br />
· 2 t 2 <br />
dt = (1 + t<br />
+ 1 2 ) dt =<br />
= t +<br />
3 t<br />
3 + c = tg x + tg 3 x<br />
+ c<br />
3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
=<br />
<br />
<br />
na (− π π<br />
2 + kπ, 2 + kπ); k ∈ Z
4.<br />
<br />
1<br />
dx<br />
(3 sin x − 2 cos x) 2<br />
R(u, v) =<br />
R(−u, v) =<br />
R(u, −v) =<br />
R(−u, −v) =<br />
1<br />
,<br />
(3u − 2v) 2<br />
1<br />
= −R(u, v),<br />
(3(−u) − 2v) 2<br />
1<br />
= −R(u, v),<br />
(3u − 2(−v)) 2<br />
1<br />
= R(u, v),<br />
(3(−u) − 2(−v)) 2<br />
z jednodušších substitucí lze použít jen substituci t = tg x
5.<br />
<br />
cos x<br />
sin x − cos x<br />
R(u, v) = v<br />
u − v ,<br />
R(−u, v) =<br />
R(u, −v) =<br />
R(−u, −v) =<br />
v<br />
−u − v<br />
dx ( viz pˇríklad 7.19 b) )<br />
= −R(u, v),<br />
−v<br />
= −R(u, v),<br />
u − (−v)<br />
−v<br />
= R(u, v),<br />
−u − (−v)<br />
z jednodušších substitucí lze použít jen substituci t = tg x
6.<br />
<br />
sin x cos x<br />
sin x + cos x dx<br />
R(u, v) = uv<br />
u + v ,<br />
R(−u, v) = (−u)v<br />
−u + v<br />
= −R(u, v),<br />
R(u, −v) = u(−v)<br />
= −R(u, v),<br />
u + (−v)<br />
R(−u, −v) = (−u)(−v)<br />
= R(u, v),<br />
−u + (−v)<br />
lze tedy použít pouze substituci t = tg x<br />
2
Pˇríklad 7.19: b) Najděte primitivní funkce k funkci<br />
ˇRešení: Máme x ∈ (− 3π<br />
4<br />
f (x) =<br />
cos x<br />
sin x − cos x .<br />
π<br />
+ kπ, + kπ); k ∈ Z . Protože však použijeme<br />
4<br />
substituci t = tg x, musíme nejdˇríve vyloučit x = − π<br />
2<br />
mít x ∈ (− 3π<br />
4<br />
=<br />
<br />
cos x<br />
sin x − cos x<br />
π<br />
+ kπ, − 2 + kπ) = Ik nebo x ∈ (− π<br />
2<br />
dx =<br />
1<br />
dx =<br />
tg x − 1<br />
+ kπ, tedy budeme<br />
+ kπ, π<br />
4 + kπ) = Jk :<br />
tg x<br />
x<br />
x ∈ Ik, t ∈ (1, ∞) nebo<br />
= t arctg t + kπ − π<br />
=<br />
arctg t + kπ<br />
x ∈ Jk, t ∈ (−∞, 1)<br />
<strong>pro</strong> x ∈ Ik<br />
− <strong>pro</strong>stá<br />
<strong>pro</strong> x ∈ Jk<br />
dx =<br />
1<br />
t 2 + 1 dt<br />
1<br />
=<br />
t − 1 ·<br />
1<br />
t 2 + 1 dt<br />
=
= . . . =<br />
cos x<br />
sin x − cos x<br />
1<br />
2<br />
dx =<br />
1 1<br />
−<br />
t − 1 4<br />
<br />
1<br />
t − 1 ·<br />
1<br />
t 2 + 1<br />
2t<br />
t 2 1<br />
−<br />
+ 1 2<br />
dt =<br />
1<br />
t 2 <br />
dt =<br />
+ 1<br />
= . . . = 1<br />
1<br />
ln |tg x − 1| −<br />
2 4 ln(tg 2 x + 1) − 1 kπ<br />
x +<br />
2 2<br />
= 1 (tg x − 1)2<br />
ln<br />
4 tg 2 x + 1<br />
Funkce F (x) = 1<br />
4<br />
1 1<br />
− x + c =<br />
2 4<br />
+ c =1)<br />
1<br />
ln(1 − sin 2x) − x + c<br />
2<br />
1<br />
3π π<br />
ln(1 − sin 2x) − 2x je spojitá na (− 4 + kπ, 4 + kπ)<br />
a na Ik a Jk je její derivací funkce f , která je spojitá v − π<br />
2 + kπ.<br />
Tedy z Věty 4.5 je F ′ (− π<br />
π<br />
2 + kπ) = f (− 2 + kπ) a F je primitivní<br />
funkcí k f na celém intervalu (− 3π<br />
4<br />
π + kπ, 4 + kπ).
Pˇríklad 7.20: Najděte primitivní funkce k funkci f (x) =<br />
ˇRešení: Na intervalech (2k − 1)π, (2k + 1)π = Ik máme<br />
<br />
x<br />
tg = t − <strong>pro</strong>sta na Ik<br />
2<br />
x = 2 arctg t + 2kπ =<br />
<br />
√<br />
2<br />
dx =<br />
cos x + 3<br />
= √ <br />
2<br />
dx =<br />
2<br />
1+t 2 dt<br />
1<br />
t<br />
dt = arctg √ + c = arctg<br />
2 + t 2<br />
2<br />
√ 2<br />
1−t 2<br />
1+t 2 + 3 ·<br />
√ 2<br />
cos x + 3 .<br />
2<br />
dt =<br />
1 + t 2<br />
tg x<br />
2<br />
√ 2 + c = G(x) + c.<br />
Pˇrestože byla integrovaná funkce definovaná a spojitá na R, je díky<br />
použité substituci funkce G primitivní funkcí k funkci f jen na<br />
intervalech (2k − 1) π, (2k + 1) π , k ∈ Z. Primitivní funkci k f na<br />
celém R nem˚užeme dostat dodefinováním funkce G v lichých<br />
násobcích π , <strong>pro</strong>tože v nich G nemá limity.
Pro G = arctg<br />
tg x<br />
2<br />
√ 2<br />
totiž máme<br />
lim x→(2k+1) π − G(x) = + π<br />
2<br />
( lim x→(2k−1) π + G(x) = ) lim x→(2k+1) π + G(x) = − π<br />
2<br />
<br />
skok : −π.<br />
Na r˚uzných intervalech lze ale ke G pˇričítat r˚uzné konstanty. Tím<br />
dostaneme funkci, která bude opět na každém z výše uvedených<br />
interval˚u primitivní funkcí k funkci f a která navíc pˇri vhodné volbě<br />
konstant bude mít v bodech (2k + 1) π limity. Těmito limitami ji pak<br />
dodefinujeme a dostaneme tak primitivní funkci k f na celém R.<br />
Primitivní funkcí k funkci f na R je tedy napˇríklad funkce<br />
F (x) =<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
⎪⎩<br />
arctg<br />
− π<br />
2<br />
tg x<br />
2<br />
√ 2 + k π, x ∈ (2k − 1) π, (2k + 1) π , k ∈ Z<br />
+ k π, x = (2k − 1) π.
Pˇríklad 7.16: Najděte primitivní funkce k funkci<br />
ˇRešení: Máme<br />
<br />
f (x) =<br />
1<br />
<br />
x 1 − ln 2 <br />
<br />
<br />
dx = <br />
x <br />
1<br />
<br />
x 1 − ln 2 .<br />
x<br />
ln x = t<br />
1<br />
x dx = dt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
=<br />
<br />
= arcsin t + c = arcsin(ln x) + c na<br />
1<br />
√ dt =<br />
1 − t 2<br />
<br />
1<br />
<br />
, e .<br />
e<br />
( zˇrejmě x ∈ D(f ), jestliže ln x ∈ (−1, 1), tedy D(f ) = 1<br />
e , e )