20.07.2013 Views

Matematika pro Kybernetiku Lecture Notes

Matematika pro Kybernetiku Lecture Notes

Matematika pro Kybernetiku Lecture Notes

SHOW MORE
SHOW LESS

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 )

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!