EN TH
ตัวอย่างโจทย์

01006030 | สัปดาห์ที่ 7 | เอกสารประกอบการสอน

ปริพันธ์จำกัดเขต

หัวข้อสุดท้ายก่อนสอบกลางภาค และแนวคิดหลักที่สองของแคลคูลัส: การรวมชิ้นส่วนบางเฉียบ จำนวนอนันต์เข้าด้วยกันเพื่อหาพื้นที่ที่แน่นอน — คำถามที่เปิดครึ่งหลังของวิชาทั้งหมด

สัปดาห์นี้ปิดเนื้อหาก่อนสอบกลางภาค (บทที่ 1–5.3) ปริพันธ์จำกัดเขตตอบคำถามที่ดู ไม่เหมือนปัญหาเส้นสัมผัสของอนุพันธ์เลย แต่สัปดาห์ที่ 9 จะแสดงให้เห็นว่าทั้งสองเป็นกระบวนการลิมิต เดียวกันที่มองจากทิศทางตรงข้ามกันอย่างลับ ๆ

7.1 ปัญหาพื้นที่

จะหาพื้นที่ที่แน่นอนใต้เส้นโค้ง y=f(x) ≥ 0 เหนือแกน x ระหว่าง x=a และ x=b ได้อย่างไร สำหรับสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือ สามเหลี่ยม เรขาคณิตพื้นฐานตอบได้ทันที แต่สำหรับขอบเขตที่เป็นเส้นโค้ง ไม่มีสูตรพื้นฐานใดตอบได้ — อุปสรรคเดียวกับที่ปัญหาเส้นสัมผัสเจอในสัปดาห์ที่ 2 และวิธีแก้ก็เหมือนกัน: ประมาณด้วยสิ่งที่ง่าย (สี่เหลี่ยมผืนผ้า) แล้วหาลิมิต

7.2 การประมาณพื้นที่ด้วยผลรวมจำกัด

แบ่ง [a,b] ออกเป็น n ช่วงย่อยที่มีความกว้างเท่ากัน Δx = (b−a)/n บนแต่ละช่วงย่อย สร้าง สี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีความสูงเท่ากับ f ที่จุดใดจุดหนึ่งในช่วงย่อยนั้น แล้วรวมพื้นที่ของ สี่เหลี่ยมผืนผ้าทั้งหมดเข้าด้วยกัน การเลือกจุดนั้นสามแบบทั่วไปให้ผลรวมมาตรฐานสามแบบ:

ผลรวมความสูงที่ใช้บนแต่ละช่วงย่อย
ผลรวมจุดปลายซ้ายf ที่จุดปลายซ้ายของช่วงย่อย
ผลรวมจุดปลายขวาf ที่จุดปลายขวาของช่วงย่อย
ผลรวมจุดกึ่งกลางf ที่จุดกึ่งกลางของช่วงย่อย

ทั้งสามแบบลู่เข้าพื้นที่ที่แน่นอนเดียวกันเมื่อ n → ∞ (สำหรับ f ต่อเนื่อง) แต่อาจประมาณค่าสูงหรือต่ำกว่าพื้นที่จริงต่างกันสำหรับ n จำกัดค่าใดค่าหนึ่ง — เช่น สำหรับฟังก์ชันเพิ่ม ผลรวมซ้ายจะประมาณค่าต่ำไป และผลรวมขวาจะประมาณค่าสูงไป

7.3 สัญกรณ์ซิกมา

สัญกรณ์ซิกมาเขียนผลรวมของพจน์ที่คล้ายกันจำนวนมากให้กระชับ:

∑k=1n ak = a1 + a2 + … + an (7.1)

มีสูตรผลรวมสามสูตรที่ปรากฏบ่อยเมื่อต้องหาค่าผลรวมจำกัดอย่างแน่นอน (เช่นใน §7.2 ด้วย n เฉพาะเจาะจง ก่อนหาลิมิต):

∑k=1n k = n(n+1)2 (7.2a)
∑k=1n k2 = n(n+1)(2n+1)6 (7.2b)
∑k=1n k3 = [n(n+1)]24 (7.2c)
ที่มาของสมการ 7.2a

นี่คือผลรวมที่พิสูจน์ด้วยอุปนัยในสัปดาห์ที่ 1 ตัวอย่าง 1.8 พอดี (ไม่ออกสอบ แต่ผลลัพธ์นี้เองถูกใช้ อยู่เสมอตั้งแต่นี้เป็นต้นไป)

7.4 ผลรวมรีมันน์

รูปแบบทั่วไปของ §7.2 ที่อนุญาตให้ช่วงย่อยมีความกว้างไม่เท่ากันและจุดประเมินค่า xk* ในแต่ละช่วงเป็นค่าใดก็ได้ เรียกว่า ผลรวมรีมันน์ (Riemann sum):

Sn = ∑k=1n f(xk*) Δxk (7.3)

ผลรวมซ้าย ขวา และกึ่งกลาง (§7.2) ล้วนเป็นกรณีพิเศษของสมการ 7.3 ที่ได้จากการเลือก xk* ต่างกัน นอร์ม ‖P‖ ของ พาร์ทิชันคือความกว้างของช่วงย่อยที่กว้างที่สุด การให้ ‖P‖ → 0 บังคับให้ ทุกช่วงย่อยหดเล็กลง ซึ่งเป็นรูปแบบที่แม่นยำของ “เมื่อ n → ∞”

7.5 ปริพันธ์จำกัดเขตในฐานะลิมิต

ถ้าผลรวมรีมันน์ในสมการ 7.3 เข้าใกล้ลิมิตเดียวกันไม่ว่าจะเลือกพาร์ทิชันหรือจุด xk* อย่างไร เมื่อ ‖P‖ → 0 ลิมิตนั้นคือ ปริพันธ์จำกัดเขต ของ f จาก a ถึง b:

∫ab f(x) dx = lim‖P‖→0 ∑k=1n f(xk*) Δxk (7.4)

เมื่อ f(x) ≥ 0 บน [a,b] ลิมิตนี้คือพื้นที่ใต้เส้นโค้ง พอดี — รูปแบบที่แม่นยำของภาพไม่เป็นทางการใน §7.1 เมื่อ f(x) เป็นลบ ได้ ปริพันธ์จะคำนวณพื้นที่แบบมีเครื่องหมาย: พื้นที่ใต้แกน x นับเป็นลบ

7.6 การหาปริพันธ์ได้และสัญกรณ์

ฟังก์ชันทุกตัวที่ต่อเนื่องบน [a,b] จะ หาปริพันธ์ได้ ที่นั่น (ลิมิตใน สมการ 7.4 มีอยู่จริง) — ข้อเท็จจริงที่วิชานี้ใช้โดยไม่พิสูจน์ ใน ∫ab f(x) dx, a กับ b คือ ขอบเขตการหาปริพันธ์, f(x) คือ ปริพันธ์ตั้ง (integrand) และ x คือ ตัวแปรของการหาปริพันธ์ — ตัวแปร สมมติที่เปลี่ยนชื่อได้อย่างอิสระ (∫f(x)dx = ∫f(t)dt) โดยไม่เปลี่ยนค่าของปริพันธ์ เหมือนกับดัชนีของผลรวมในสมการ 7.1 ที่เปลี่ยนชื่อได้เช่นกัน

7.7 สมบัติพื้นฐานของปริพันธ์จำกัดเขต

สมบัติข้อความ
การกลับลำดับ∫ba fdx = −∫ab fdx
ความกว้างเป็นศูนย์∫aa fdx = 0
ตัวคูณคงที่∫ab kfdx = k∫ab fdx
ผลบวก/ผลต่าง∫ab (f±g)dx = ∫ab fdx ± ∫ab gdx
การรวมกันได้ของช่วง∫ac fdx + ∫cb fdx = ∫ab fdx
การครอบงำถ้า f(x) ≥ g(x) บน [a,b] แล้ว ∫ab fdx ≥ ∫ab gdx

สมบัติผลบวก ตัวคูณคงที่ และการครอบงำ ล้วนเป็นเพียงกฎของลิมิต (สัปดาห์ที่ 2 §2.6) ที่ส่งต่อจาก ผลรวมรีมันน์ในสมการ 7.3 ไปยังลิมิตของมัน

7.8 ตัวอย่างโจทย์

ตัวอย่าง 7.1 — ผลรวมรีมันน์แบบจุดปลายขวา

จงประมาณ ∫02 x2 dx โดยใช้ผลรวมรีมันน์แบบจุดปลายขวาด้วย n=4 ช่วงย่อยเท่ากัน

ขั้นที่ 1 — หา Δx และจุดปลายขวา

Δx = 2/4 = 0.5 จุดปลายขวา: 0.5, 1, 1.5, 2

ขั้นที่ 2 — หาค่า f ที่แต่ละจุดแล้วรวม

f(0.5)=0.25, f(1)=1, f(1.5)=2.25, f(2)=4 ผลรวม = 7.5

ขั้นที่ 3 — คูณด้วย Δx

7.5 × 0.5 = 3.75 (ค่าที่แน่นอน ซึ่งจะพบในสัปดาห์ที่ 9 ผ่านทฤษฎีบทหลักมูล คือ 8/3 ≈ 2.667 — ผลรวมขวาประมาณค่าสูงไปในที่นี้เพราะ x2 เป็น ฟังก์ชันเพิ่มบน [0,2])

ตัวอย่าง 7.2 — พื้นที่ที่แน่นอนโดยใช้บทนิยามลิมิต

จงหา ∫02 x2 dx อย่างแน่นอนโดยใช้ลิมิตของผลรวมรีมันน์แบบจุดปลายขวา

ขั้นที่ 1 — ตั้งผลรวมทั่วไปด้วย n ช่วงย่อย

Δx = 2/n; จุดปลายขวา xk = 2k/n

Sn = ∑k=1n (2k/n)2·(2/n) = 8n3 ∑k=1n k2

ขั้นที่ 2 — ใช้สมการ 7.2b

Sn = 8n3 · n(n+1)(2n+1)6 = 4(n+1)(2n+1)3n2

ขั้นที่ 3 — หาลิมิตเมื่อ n → ∞ (เทคนิคจากสัปดาห์ที่ 3 §3.9)

กระจายแล้วหารทุกพจน์ด้วย n2 พฤติกรรมหลักให้ 4(2)/3 = 8/3

∫02 x2 dx = 8/3 ยืนยันค่าที่แน่นอนที่กล่าวถึงในตัวอย่าง 7.1

7.9 สัญลักษณ์ที่ใช้

สัญลักษณ์ความหมาย
∑ซิกมา สัญกรณ์ผลรวม
ผลรวมรีมันน์ผลรวม ∑ f(xk*)Δxk ที่ประมาณปริพันธ์
‖P‖นอร์มของพาร์ทิชัน: ความกว้างของช่วงย่อยที่กว้างที่สุด
∫ab f(x)dxปริพันธ์จำกัดเขตของ f จาก a ถึง b
ปริพันธ์ตั้ง (integrand)ฟังก์ชัน f(x) ที่ถูกหาปริพันธ์
ขอบเขตการหาปริพันธ์ขอบเขต a และ b

7.10 แบบฝึกหัด

  1. ผลรวมซ้ายกับขวา. สำหรับ f(x)=x+1 บน [0,4] ด้วย n=4 จงคำนวณผลรวมรีมันน์แบบจุดปลายซ้ายและขวา แล้วอธิบายว่าทำไมจึงต่างกัน
  2. ผลรวมจุดกึ่งกลาง. จงประมาณ ∫13 x2 dx โดยใช้ผลรวมรีมันน์แบบจุดกึ่งกลางด้วย n=2
  3. สัญกรณ์ซิกมา. จงเขียน ∑k=15 (2k−1) เป็นผลรวมที่ชัดเจนแล้วหาค่า
  4. สูตรผลรวม. ใช้สมการ 7.2a หาค่า ∑k=1100 k
  5. การตั้งผลรวมรีมันน์. จงเขียนผลรวมรีมันน์แบบจุดปลายขวาทั่วไป Sn สำหรับ ∫14 x dx แล้ว ทำให้ง่ายที่สุดก่อนหาลิมิต
  6. พื้นที่ที่แน่นอนโดยบทนิยามลิมิต. ใช้วิธีในตัวอย่าง 7.2 หา ∫03 x dx อย่างแน่นอน แล้วตรวจสอบคำตอบกับสูตรพื้นฐานของพื้นที่สามเหลี่ยม
  7. สมบัติ. กำหนดให้ ∫05 f(x)dx = 8 และ ∫03 f(x)dx = 3 จงหา ∫35 f(x)dx
  8. สมบัติ รวม. กำหนดให้ ∫14 f(x)dx = 6 และ ∫14 g(x)dx = 2 จงหา ∫14 [3f(x)−2g(x)]dx
  9. เครื่องหมายของปริพันธ์. โดยไม่ต้องคำนวณอย่างแน่นอน จงอธิบายว่าทำไม ∫−22 (x3−x) dx ต้องเท่ากับ 0 พอดี โดยใช้สมมาตร (สัปดาห์ที่ 1 §1.4)
  10. สมบัติการครอบงำ. โดยไม่ต้องหาค่าปริพันธ์ทั้งสองข้าง จงอธิบายว่าทำไม ∫01 x2 dx ≤ ∫01 x dx

7.11 เอกสารอ้างอิง