Eğrinin altındaki alana dikdörtgenlerle yaklaşıp Riemann toplamından belirli integrale geçiyoruz; temel teoremle integrali ters türevden hesaplamayı, belirli integralin özelliklerini, parçalı fonksiyonların integralini ve türev grafiğinden net değişimi öğreniyoruz.
12. sınıf
AYT sıklığı9 sınavın 7’inde
60 dk
LevhaBelirli İntegralBelirli İntegral
Bir drone yerden havalanıyor. Hızı sabit 2 m/sn olsaydı 3 saniyede 2⋅3=6 metre yükselirdi; hız–zaman grafiğinde bu, bir dikdörtgenin alanıdır. Ama drone hızlanıyor: t. saniyedeki hızı v(t)=t2+1 m/sn. İlk 3 saniyede kaç metre yükseldi? Yanıt yine grafiğin altındaki alan, fakat bu bölgenin üst kenarı eğri ve elimizde onun için bir alan formülü yok.
Isınma
Başlamadan: ters türev ve alan
Puansız. Takıldığın yer olursa ön koşul konuya göz at.
F(4)=16−12=4 ve F(1)=1−3=−2. Fark: 4−(−2)=6. Bu sayfada bu tür farkları çok hesaplayacaksın; çıkarılan değeri hep parantez içinde yaz.
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
y=2x doğrusu, x ekseni ve x=3 doğrusu arasında kalan üçgenin alanı kaç birimkaredir?
Taban ile yüksekliği çarptın ama ikiye bölmedin.Yüksekliği 3 aldın; x = 3 için y = 6 olur.Yalnızca yüksekliği yazdın.
Açıklama
Taban 3, yükseklik 2⋅3=6. Alan 23⋅6=9.
Temel
Dikdörtgenlerden belirli integrale
Eğrinin altındaki alana dikdörtgenlerle yaklaşmak
Eğri kenarlı bölgenin alanını bilmiyoruz ama dikdörtgenin alanını biliyoruz. Öyleyse [0,3] aralığını eşit parçalara bölelim ve her parçanın üstüne bir dikdörtgen koyalım. Dronun diliyle: her kısa zaman diliminde hızı sabit sayıp “hız çarpı süre” yapıyoruz.
123t246810v0Δtv(1,5)alan≈dikdo¨rtgenlerin toplamı
Her dikdörtgenin alanı yükseklik çarpı genişlik: v(tk)⋅Δt. Altı dikdörtgenin toplamı 9,875.
Sahnede v(t)=t2+1 eğrisinin altı dikdörtgenlerle doluyor. n sürgüsünü 3‘ten başlatıp artır; düğmelerle yüksekliğin sol uçtan, sağ uçtan ya da orta noktadan alınmasını seç. Dikdörtgenler inceldikçe eğriyle aralarındaki boşluk küçülüyor ve toplam göstergesi tek bir sayıya yerleşiyor.
Örnek
kolay
Sol uçlarla Riemann toplamı
f(x)=x2+1 fonksiyonunun grafiği ile x ekseni arasında, [0,3] aralığında kalan bölgenin alanını üç eşit parça ve sol uç noktalarını kullanarak yaklaşık hesapla.
Önce genişliği bul, çünkü bütün dikdörtgenlerin tabanı aynıdır: Δx=33−0=1. Alt aralıklar [0,1], [1,2] ve [2,3] olur.
Yükseklikler sol uçlardaki fonksiyon değerleridir: f(0)=1, f(1)=2, f(2)=5. Sağ uç olan 3 bu toplamda kullanılmaz.
Her yüksekliği genişlikle çarpıp topla:
1⋅1+2⋅1+5⋅1=8
Sonuç
Alan yaklaşık 8 birimkaredir. Dikdörtgenler eğrinin altında kaldığı için gerçek alan bundan büyüktür.
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
Aynı fonksiyon ve aynı üç parça için yükseklikler sağ uçlardan alınırsa Riemann toplamı kaç olur?
Bu sol uç toplamıdır; sağ uçlar 1, 2 ve 3 noktalarıdır.Dört değeri birden topladın; üç parça için üç yükseklik gerekir.Yalnızca karelerini topladın; fonksiyondaki +1 terimini unuttun.
Açıklama
Sağ uçlar 1, 2, 3: f(1)+f(2)+f(3)=2+5+10=17. Genişlik 1 olduğundan toplam 17‘dir.
Alt toplam ve üst toplam
Aynı bölge için 8 ve 17 bulduk. Hangisi doğru? İkisi de değil; gerçek alan ikisinin arasında. Fonksiyon artan olduğu için her parçada en küçük değerini sol uçta, en büyük değerini sağ uçta alır.
Artan fonksiyonda sol uç dikdörtgenleri eğrinin altında, sağ uç dikdörtgenleri eğrinin üstünde kalır.
Sahnede iki toplam üst üste çizili: içte alt toplam, dışta üst toplam. Aradaki fark, sağdaki sütunda üst üste dizilmiş küçük dikdörtgenler olarak da görünüyor. n sürgüsünü artır: fark n27 kadar, yani n büyüdükçe sıfıra gidiyor. İki toplam da aynı sayıya, 12‘ye sıkışıyor.
Farkın neden n27 olduğunu görmek kolay: üst toplamdaki her dikdörtgen, alt toplamda bir sağdaki dikdörtgenle aynıdır. Geriye yalnızca ilk ve son yükseklik kalır: (f(3)−f(0))⋅Δx=9⋅n3.
Örnek
kolay
Tablodan alt ve üst toplam
[0,6] aralığında sürekli ve artan bir f fonksiyonu için f(0)=1, f(2)=4, f(4)=5 ve f(6)=9 değerleri biliniyor. f grafiği ile x ekseni arasında kalan bölgenin alanı hangi iki sayının arasındadır?
Verilen noktalar aralığı genişliği 2 olan üç parçaya ayırıyor: [0,2], [2,4], [4,6]. Fonksiyonun kuralını bilmiyoruz ama artan olduğunu biliyoruz; bu, sınır koymaya yeter.
f artan olduğundan her parçada en küçük değer sol uçtadır. Alt toplam: 2⋅f(0)+2⋅f(2)+2⋅f(4)=2⋅(1+4+5)=20.
En büyük değer sağ uçtadır. Üst toplam: 2⋅f(2)+2⋅f(4)+2⋅f(6)=2⋅(4+5+9)=36.
Sonuç
Alan 20 ile 36 arasındadır.
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
[0,4] aralığında sürekli ve azalan bir f için f(0)=6, f(2)=3, f(4)=1 veriliyor. İki eşit parçayla kurulan üst toplam kaçtır?
Sağ uçları kullandın; azalan fonksiyonda sağ uç en küçük değeri, yani alt toplamı verir.Yükseklikleri topladın ama genişlik olan 2 ile çarpmadın.Üç değeri de kullandın; iki parça için iki yükseklik gerekir.
Açıklama
Azalan fonksiyonda en büyük değer sol uçtadır. Üst toplam: 2⋅f(0)+2⋅f(2)=2⋅(6+3)=18.
Belirli integral
Parça sayısı arttıkça alt ve üst toplam aynı sayıya yaklaştı. Formül bulunmayan alanları işte böyle, toplamların limiti olarak tanımlarız. Bu limitin adı belirli integraldir.
Gösterim toplamı hatırlatır: ∫ uzatılmış bir S harfidir (toplam), f(x)dx ise yüksekliği f(x), genişliği çok küçük olan bir dikdörtgenin alanı. Belirli integral bir sayıdır; belirsiz integral ise bir fonksiyon ailesiydi. Değişkenin adı sonucu değiştirmez: ∫abf(x)dx=∫abf(t)dt.
Bölge bildiğin bir şekilse integrali limit almadan, alan formülüyle bulursun.
y=2x+1 bir doğrudur ve [0,4] aralığında x ekseninin üstündedir. O hâlde integral, doğrunun altında kalan bölgenin alanına eşittir.
Bölgenin kenarlarını belirle: x=0 için y=1, x=4 için y=3. Bölge, paralel kenarları 1 ve 3, yüksekliği 4 olan bir dik yamuktur.
Yamuğun alanı: 2(1+3)⋅4=8.
Sonuç
∫04(2x+1)dx=8
Eksenin altı eksi sayılır
Riemann toplamında yükseklik f(xk) değeridir. Fonksiyon negatifse bu değer de negatiftir ve o dikdörtgen toplama eksi işaretle girer. Bu yüzden belirli integral, eksenin altında kalan bölgeleri kendiliğinden eksi sayar.
xyacb+A1−A2∫abf(x)dx=A1−A2
Belirli integral işaretli alandır: eksenin üstündeki alan eksi eksenin altındaki alan.
Sahnede f(x)=x2−4x+3 var; alt sınır 0‘da sabit, üst sınırı sen sürüklüyorsun. 1‘e kadar integral büyüyor. 1‘i geçince eğri eksenin altına iniyor ve integral azalmaya başlıyor. Üst sınır 3‘e geldiğinde iki bölgenin alanı eşit: integral tam 0.
Örnek
kolay
İki üçgenle işaretli alan
∫06(2−x)dx integralinin değerini grafikten bul.
246x−4−22y028y=2−x
Doğrunun ekseni kestiği yeri bul, çünkü işaret orada değişir: 2−x=0 için x=2. Doğru [0,2] aralığında eksenin üstünde, [2,6] aralığında altındadır.
Üstteki üçgenin tabanı 2, yüksekliği 2‘dir: alanı 22⋅2=2. Bu parça integrale +2 olarak girer.
Alttaki üçgenin tabanı 6−2=4, yüksekliği ∣2−6∣=4‘tür: alanı 24⋅4=8. Eksenin altında olduğu için integrale −8 olarak girer.
Sonuç
∫06(2−x)dx=2−8=−6
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
Bir f fonksiyonunun grafiği [0,2] aralığında x ekseninin üstündedir ve eksenle arasındaki alan 5 birimkaredir; [2,5] aralığında eksenin altındadır ve alan 3 birimkaredir. ∫05f(x)dx kaçtır?
İki alanı topladın; eksenin altındaki bölge integrale eksi işaretle girer.İşaretleri ters verdin: üstteki bölge artı, alttaki eksi sayılır.İki bölgeyi de eksi saydın.
Açıklama
Üstteki alan artı, alttaki alan eksi: 5−3=2.
Temel bölümü tamamlandı.
Orta
Temel teorem ve integralin özellikleri
Alan birikirken: integral ile türevin bağı
Her integral için limit hesaplamak ya da hazır bir şekil bulmak mümkün değil. Kısa yol şu soruyla açılır: üst sınırı ilerlettikçe alan ne hızla büyür? Alt sınırı a‘da sabit tutup üst sınıra x diyelim; biriken alan x‘e bağlı bir fonksiyon olur: A(x)=∫axf(t)dt.
axtyA(x)x+h≈f(x)⋅hA(x+h)−A(x)≈f(x)⋅hy=f(t)
Üst sınır h kadar ilerleyince alana eklenen şerit, yüksekliği f(x) olan ince bir dikdörtgene çok yakındır.
Üst sınır x‘ten x+h‘ye ilerlerse alana ince bir şerit eklenir. Şeridin genişliği h, yüksekliği yaklaşık f(x) olduğundan A(x+h)−A(x)≈f(x)⋅h. İki tarafı h‘ye bölüp h→0 için limit alınca sol taraf türevin tanımıdır:
A′(x)=f(x)
Sahnenin üst yarısında f(t)=t2+1 ve 0‘dan x‘e kadar boyalı alan, alt yarısında bu alanın değeri olan A(x) noktası var. x sürgüsünü ilerlet: alttaki nokta bir eğri çiziyor. Şerit düğmesini aç; eğrinin o noktadaki eğimi ile üstteki f(x) yüksekliği aynı sayıyı gösteriyor.
Demek ki alan fonksiyonu, f‘nin bir ters türevidir. f‘nin herhangi bir ters türevi F ise A(x)=F(x)+C olmalı. A(a)=0 olduğundan C=−F(a) bulunur ve A(b)=F(b)−F(a) çıkar.
Kancadaki soru artık tek satır: t2+1 ifadesinin bir ters türevi 3t3+t‘dir. Dronun 3 saniyede yükseldiği yol ∫03(t2+1)dt=(327+3)−0=12 metre. Alt ve üst toplamların sıkıştığı sayı buydu.
Sahnede üstte f(t)=t2+1 ve a ile b arasındaki alan, altta ters türev F(t)=3t3+t+C çizili. a ve b sürgülerini oynat: üstteki alan ile alttaki F(b)−F(a) yükseklik farkı hep aynı sayı. Şimdi C sürgüsüyle alttaki eğriyi yukarı aşağı kaydır; fark değişmiyor.
Örnek
orta
Polinomun belirli integrali
∫13(3x2−4x+1)dx integralinin değeri kaçtır?
Önce ters türevi bul; her terime kuvvet kuralını ayrı uygula: F(x)=x3−2x2+x. Türevini alıp denetle: 3x2−4x+1, doğru.
Üst sınırı yaz: F(3)=27−18+3=12. Alt sınırı yaz: F(1)=1−2+1=0.
Sıra önemlidir: üst sınırdaki değerden alt sınırdaki değer çıkarılır.
F(3)−F(1)=12−0
Sonuç
∫13(3x2−4x+1)dx=12
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
∫−122xdx integralinin değeri kaçtır?
(−1)² = 1 değerini çıkarmak yerine topladın.Ters türev almadan 2x ifadesinde sınırları yerine koydun: 4 − (−2).Farkı ters sırada aldın: F(−1) − F(2).
Açıklama
Ters türev x2‘dir. 22−(−1)2=4−1=3. Grafikte de görülür: sağdaki üçgenin alanı 4, soldaki (eksenin altındaki) üçgenin alanı 1.
Örnek
orta
Köklü ve kesirli terimler
∫14(3x−x22)dx integralinin değeri kaçtır?
Kuvvet kuralı a⋅xn biçimi ister; o yüzden terimleri üslü yaz: 3x21−2x−2.
Üssü bir artır, yeni üsse böl. 21+1=23 ve −2+1=−1 olduğundan
F(x)=3⋅23x23−2⋅−1x−1=2x23+x2
Sınırları yerine koy. 423=(4)3=8 olduğundan F(4)=16+21 ve F(1)=2+2=4.
Sonuç
F(4)−F(1)=233−4=225
Değişim hızının integrali: net değişim
Temel teoremi tersinden oku: F′=f olduğuna göre ∫abF′(x)dx=F(b)−F(a). Yani bir büyüklüğün değişim hızını integrallersen o büyüklükteki net değişimi bulursun. Hızın integrali alınan yol, akış hızının integrali biriken hacimdir.
Örnek
orta
Depoya akan su
Boş bir depoya su, musluk açıldıktan t dakika sonra dakikada r(t)=6t−t2 litre hızla akıyor (0≤t≤6). İlk 3 dakikada depoda kaç litre su birikir?
Akış hızı sabit olsaydı “hız çarpı süre” yeterdi. Hız değiştiği için biriken su, hızın 0‘dan 3‘e belirli integralidir: ∫03(6t−t2)dt.
Ters türevi bul: 3t2−3t3. Denetle: türevi 6t−t2.
Sınırları yerine koy: (3⋅9−327)−0=27−9.
Sonuç
İlk 3 dakikada 18 litre su birikir.
Belirli integralin özellikleri
Belirli integral bir toplamın limitidir; toplamın bildiğin özelliklerini taşır. Bu özellikler, fonksiyonun kuralı verilmeyen sorularda tek aracındır.
İlk ikisi temel teoremden hemen görülür: F(a)−F(a)=0 ve F(b)−F(a)=−(F(a)−F(b)). Sonuncusu bölgeyi c noktasından ikiye ayırmaktır.
acbxy∫acf∫cbfy=f(x)
Aralık c noktasından bölünür: iki parçanın integralleri toplanınca bütünün integrali çıkar.
Sahnede f(x)=x2−4x+5 ve 1 ile 4 arasındaki alan var; toplamı 6. c sürgüsünü 1 ile 4 arasında gezdir: iki parçanın değerleri değişiyor, toplamları hep 6. Şimdi c‘yi 4‘ün sağına çıkar: ikinci parça ters yönde gidildiği için eksi oluyor ve fazlalığı geri alıyor; toplam yine 6.
Örnek
orta
Kuralı bilinmeyen fonksiyonlarla işlem
Sürekli f ve g fonksiyonları için ∫15f(x)dx=7, ∫35f(x)dx=4 ve ∫13g(x)dx=2 veriliyor. ∫13(2f(x)−3g(x)+1)dx kaçtır?
İstenen integralin sınırları 1 ve 3; önce f‘nin bu aralıktaki integralini bul. Aralığı 3 noktasından böl: ∫15f=∫13f+∫35f, yani 7=∫13f+4. Buradan ∫13f(x)dx=3.
Toplamın integralini terimlere ayır ve sabit çarpanları dışarı al:
2∫13fdx−3∫13gdx+∫131dx
Son terimi atlama: sabit 1 fonksiyonunun integrali, yüksekliği 1 ve genişliği 3−1=2 olan dikdörtgenin alanıdır, yani 2.
Sonuç
2⋅3−3⋅2+2=2
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
∫27f(x)dx=10 ve ∫57f(x)dx=4 olduğuna göre ∫52f(x)dx kaçtır?
2'den 5'e integrali buldun ama soruda sınırlar ters: 5'ten 2'ye.İki integrali topladın; aralık bölünürken parçalar bütünden çıkarılır.Hem topladın hem işaret çevirdin; önce 10 − 4 farkını bulmalısın.
Açıklama
∫25f=10−4=6. Sınırlar yer değiştirince işaret değişir: ∫52f(x)dx=−6.
Parçalı fonksiyonların integrali
Parçalı fonksiyonda tek bir ters türev yazamazsın; kural değişiyor. Çözüm aralık bölme özelliğidir: integrali kuralın değiştiği noktadan ayır, her parçada o parçanın kuralını kullan. Mutlak değerli ifadeler de parçalı fonksiyondur; içini sıfır yapan nokta bölme noktasıdır.
Sahnede x=1 noktasında kural değiştiren bir fonksiyon var: solda 2x+1, sağda 4−x2. Üst sınırı 0‘dan 2‘ye sürükle; 1‘i geçtiğin anda yeni bir renk başlıyor ve gösterge iki ayrı integralin toplamını yazıyor. Düğmeyle ∣x−1∣ fonksiyonuna geç: köşe noktası bölme noktasıdır.
Örnek
orta
Kural değişen noktadan böl
x<1 için f(x)=2x+1, x≥1 için f(x)=4−x2 biçiminde tanımlanan f fonksiyonu için ∫02f(x)dx kaçtır?
12x1234y0235x<1:2x+1x≥1:4−x2
[0,2] aralığı kuralın değiştiği x=1 noktasını içeriyor. İntegrali oradan böl, çünkü her parçada farklı bir ters türev gerekir:
∫02f(x)dx=∫01(2x+1)dx+∫12(4−x2)dx
İlk parça: ters türev x2+x. Değeri (1+1)−0=2.
İkinci parça: ters türev 4x−3x3. Değeri (8−38)−(4−31)=4−37=35.
Sonuç
∫02f(x)dx=2+35=311
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
∫03∣x−1∣dx integralinin değeri kaçtır?
Mutlak değeri yok sayıp x − 1 ifadesini integralledin; eksenin altındaki parça eksi sayıldı.Yalnızca 1 ile 3 arasındaki parçayı hesapladın.İçerideki −1 terimini attın; x ifadesini integralledin.
Açıklama
x=1 noktasından böl. [0,1] aralığında ∣x−1∣=1−x: tabanı 1, yüksekliği 1 olan üçgen, alanı 21. [1,3] aralığında ∣x−1∣=x−1: tabanı 2, yüksekliği 2 olan üçgen, alanı 2. Toplam 25.
Orta bölümü tamamlandı.
İleri
Sınav düzeyi: sınır dönüşümü, türev grafiği ve birleşik sorular
Belirli integralde değişken değiştirme
Değişken değiştirmeyi Belirsiz İntegral sayfasından biliyorsun: iç ifadeye u dersin, dx yerine du cinsinden karşılığını yazarsın. Belirli integralde tek fark sınırlardır. Sınırlar x‘in değerleridir; değişkeni u yaptıysan sınırları da u‘nun değerlerine çevirmelisin.
1234x123y0S2Sy=f(x)y=f(2x)
y=f(2x) grafiği, y=f(x) grafiğinin yatayda yarıya sıkışmışıdır. Yükseklikler aynı kalır, genişlik yarıya iner; alan da yarıya iner.
Sahnede y=f(x) eğrisi ve [0,4] aralığındaki alanı sabit duruyor. k sürgüsünü 1‘den 2‘ye çek: y=f(kx) eğrisi yatayda sıkışıyor, bölgesi [0,k4] aralığına toplanıyor. Alan göstergesi her an ilk alanın k1 katı. Sınırlar da çarpan da aynı sıkışmadan geliyor.
Örnek
zor
Köklü bileşke ifade
∫04xx2+9dx integralinin değeri kaçtır?
Kökün içindeki x2+9 ifadesinin türevi 2x‘tir ve dışarıda bir x çarpanı var; bu, değişken değiştirmenin işaretidir. u=x2+9 de: du=2xdx, yani xdx=2du.
Sınırları u‘ya çevir: x=0 için u=9, x=4 için u=16+9=25.
Yeni integrali yaz ve kuvvet kuralını uygula:
21∫925u21du=21⋅32u23925=31(2523−923)
2523=53=125 ve 923=33=27.
Sonuç
3125−27=398
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
∫17f(x)dx=12 olduğuna göre ∫02f(3x+1)dx kaçtır?
Sınırları doğru çevirdin ama dx = du/3 çarpanını unuttun.3'e bölmen gerekirken 3 ile çarptın.Aralığın uzunluğu olan 2'ye böldün; çarpan iç fonksiyonun türevinden gelir.
Açıklama
u=3x+1, du=3dx. Sınırlar: x=0 için u=1, x=2 için u=7. İntegral 31∫17f(u)du=312=4 olur.
Türev grafiğinden fonksiyona
Net değişim fikrini türev grafiğine uygula: ∫abf′(x)dx=f(b)−f(a). Türev grafiği ile x ekseni arasındaki işaretli alan, fonksiyonun o aralıkta ne kadar değiştiğini söyler. Eksenin üstündeki alan kadar artar, altındaki alan kadar azalır.
Sahnenin üstünde f′ grafiği, altında f var; f(0)=1. x sürgüsünü ilerlet: üstte taranan işaretli alan, altta f eğrisinin yüksekliğine ekleniyor. Alan artıyken f tırmanıyor, eksiye geçince iniyor. f′ grafiğinin ekseni kestiği yerler, f grafiğinin tepe ve çukur noktaları.
Örnek
zor
Alanlardan fonksiyon değerleri ve kök sayısı
Aşağıda [0,8] aralığında türevli bir f fonksiyonunun türevinin grafiği ve bu grafikle x ekseni arasında kalan bölgelerin alanları verilmiştir. f(0)=1 olduğuna göre f‘nin bu aralıktaki en küçük değeri kaçtır ve f‘nin kaç kökü vardır?
258xyO463y=f′(x)
Türev grafiğinin ekseni kestiği noktalarda f‘nin değerini bul; her adımda öncekine işaretli alanı ekle. f(2)=f(0)+4=5.
[2,5] aralığında grafik eksenin altında, alan 6: f(5)=5−6=−1. [5,8] aralığında üstte, alan 3: f(8)=−1+3=2.
f′ işaret değiştirmediği her aralıkta f ya hep artar ya hep azalır. Öyleyse f: 1‘den 5‘e çıkar, 5‘ten −1‘e iner, −1‘den 2‘ye çıkar. En küçük değer inişin bittiği yerdedir: f(5)=−1.
Kökleri say: [0,2] aralığında değerler 1 ile 5 arasında, kök yok. [2,5] aralığında 5‘ten −1‘e inerken sıfırdan bir kez geçer. [5,8] aralığında −1‘den 2‘ye çıkarken bir kez daha geçer.
Sonuç
En küçük değer −1‘dir ve f‘nin 2 kökü vardır.
Kendini dene
Puan yok, deneme sınırsız
Türevli bir f fonksiyonu için ∫03f′(x)dx=7 ve f(0)=−2 olduğuna göre f(3) kaçtır?
İntegral f(3) değerinin kendisi değil, f(3) − f(0) farkıdır.f(0) değerini eklemek yerine çıkardın: 7 − (−2).Farkı ters kurdun: f(0) − f(3) = 7 aldın.
Açıklama
f(3)−f(0)=7 olduğundan f(3)=7+(−2)=5.
Alan fonksiyonu ile türev birlikte
Üst sınırı x olan integral bir fonksiyondur ve türevi doğrudan integralin içindeki ifadedir. Bu fonksiyonun nerede arttığını, nerede en küçük değerini aldığını bulmak için integrali hesaplamana bile gerek yok; türevin işaretine bakarsın.
Örnek
zor
İntegralle tanımlı fonksiyonun yerel minimumu
F(x)=∫1x(t2−4t+3)dt fonksiyonunun yerel minimum değeri kaçtır?
Temel teoremden türev, integralin içindeki ifadenin x‘teki değeridir: F′(x)=x2−4x+3=(x−1)(x−3).
Türevin işaretini incele: x<1 için artı, 1<x<3 için eksi, x>3 için artı. F önce artar, sonra azalır, sonra yeniden artar; yerel minimum azalıştan artışa geçilen x=3 noktasındadır. İşaret incelemesinin ayrıntısı Türevle Fonksiyon İncelemesi sayfasında.
Değeri bulmak için integrali hesapla. Ters türev 3t3−2t2+3t‘dir:
F(3)=(9−18+9)−(31−2+3)=0−34
Sonuç
Yerel minimum değeri F(3)=−34‘tür.
Ölçümlerden sınır koymak
Gerçek hayatta çoğu zaman elinde formül değil, ölçüm tablosu olur. Fonksiyonun artan ya da azalan olduğunu biliyorsan alt ve üst toplam, integralin içinde kaldığı kesin bir aralık verir.
Örnek
zor
Hızlanan aracın aldığı yol
Kalkıştan sonra sürekli hızlanan bir aracın hızı 10 saniyede bir ölçülüyor: t=0,10,20,30 saniyelerinde hız sırasıyla 0, 8, 14 ve 18 m/sn. Aracın bu 30 saniyede aldığı yol en az ve en çok kaç metre olabilir? Ölçümler 5 saniyede bir yapılsaydı bu iki sınır arasındaki fark kaç metre olurdu?
102030t81418v0u¨st toplam=400alt toplam=220
Alınan yol, hızın 0‘dan 30‘a integralidir. Hız artan olduğundan her 10 saniyelik dilimde en küçük hız dilimin başında, en büyük hız sonundadır.
Alt toplam (dilim başındaki hızlarla): 10⋅(0+8+14)=220. Üst toplam (dilim sonundaki hızlarla): 10⋅(8+14+18)=400. Yol 220 m ile 400 m arasındadır.
İki sınırın farkı yalnızca ilk ve son hıza bağlıdır: (18−0)⋅10=180; gerçekten 400−220=180. Aradaki ölçümler iki toplamda da bulunduğu için birbirini götürür.
Ölçüm aralığı 5 saniyeye inerse aynı fark (18−0)⋅5=90 olur. Yeni ölçümlerin değerlerini bilmeye gerek yok; aralık yarıya inince belirsizlik de yarıya iner.
Sonuç
Yol en az 220 m, en çok 400 m’dir. 5 saniyelik ölçümlerde iki sınırın farkı 90 m olur.
Toplamların limitiyle alan fikrini bugünkü kesin biçimine kavuşturan, Riemann toplamına adını veren Alman matematikçi Bernhard Riemann’dır (1826–1866).
İleri bölümü tamamlandı.
Özet
Bu konudan aklında kalacaklar
Riemann toplamı:[a,b] aralığı n parçaya bölünür, Δx=nb−a; toplam f(x1)Δx+⋯+f(xn)Δx. Artan fonksiyonda sol uçlar alt toplamı, sağ uçlar üst toplamı verir; azalanda tersi.
Belirli integral∫abf(x)dx: Riemann toplamlarının limitidir, bir sayıdır ve işaretli alandır (eksenin üstü artı, altı eksi).
Temel teorem:F′=f ise ∫abf(x)dx=F(b)−F(a); ayrıca dxd∫axf(t)dt=f(x). Sabit C yazılmaz.
Net değişim:∫abf′(x)dx=f(b)−f(a). Türev grafiğinin işaretli alanı, fonksiyondaki değişimdir.
Özellikler:∫aaf=0, ∫abf=−∫baf, sabit çarpan dışarı çıkar, toplam terim terim integrallenir, ∫abf=∫acf+∫cbf.
Parçalı ve mutlak değerli fonksiyon: kuralın değiştiği noktadan böl, her parçayı kendi kuralıyla hesapla.
Değişken değiştirme:u=g(x) dersen sınırlar g(a) ve g(b) olur; ∫pqf(kx)dx=k1∫kpkqf(u)du.
1. Birinci eşitlik.f(g(x))=f(2x+2). u=2x+2, du=2dx; x=−1 için u=0, x=1 için u=4.
21∫04f(u)du∫04f(x)dx=18=36
2. İkinci eşitlik.g(f(x))=2f(x)+2. Toplamı ayır, sabit çarpanı dışarı al; sabit 2'nin integrali 2⋅(4−2)=4'tür.
2∫24f(x)dx+4∫24f(x)dx=18=7
3. Aralığı böl.
∫02fdx=∫04fdx−∫24fdx=36−7=29
Tuzak: birinci eşitlikte 21 çarpanını, ikinci eşitlikte sabit terimin integralini (4) unutmak.
Cevap: D
2024 AYTSoru 24
Orta
İşaretli alan ve sınır dönüşümü
Dik koordinat düzleminde f fonksiyonunun grafiği şekildeki gibidir. Bu fonksiyon için
∫ac∣f(x)∣dx=20∫acf(x)dx=8
eşitlikleri veriliyor.
Buna göre
∫a/2b/2f(2x)dx
integralinin değeri kaçtır?
xyabcOy=f(x)
İpucu
Eksenin altındaki bölgenin alanına S1, üstündekine S2 de. Verilen iki integrali bu alanlarla yaz. İstenen integralde u=2x dönüşümünü yap; sınırlar neye dönüşüyor?
1. Alanları adlandır. Grafik [a,b] aralığında eksenin altında, [b,c] aralığında üstündedir. Alttaki bölgenin alanı S1, üstteki bölgenin alanı S2 olsun.
2. Verilenleri alanlarla yaz. Mutlak değer alttaki parçayı yukarı katlar; işaretli integral ise onu eksi sayar:
S1+S2=20−S1+S2=8
Taraf tarafa çıkarılırsa 2S1=12, S1=6 (ve S2=14). Öyleyse ∫abf(x)dx=−6.
3. Değişken değiştir.u=2x, du=2dx. Sınırlar: x=2a için u=a, x=2b için u=b.
f ve g, gerçel sayılar kümesinde tanımlı ve türevlenebilir iki fonksiyondur. Bu fonksiyonlar için
∫12f′(3x)dx=4∫f(2x)dx=g(x)+C(C sabit)
eşitlikleri veriliyor.
f(3)=5 olduğuna göre g′(3) türevinin değeri kaçtır?
İpucu
İkinci eşitliğin iki tarafının türevini al; g′(x) neye eşit çıkıyor? Sonra birinci integralde u=3x dönüşümüyle f'nin hangi değerine ulaşabileceğine bak.
[0,6] kapalı aralığında tanımlı, sürekli ve artan bir f fonksiyonunun grafiği dik koordinat düzleminde şekildeki gibidir.
Buna göre f fonksiyonunun grafiği ile x ekseni arasında [0,6] aralığında kalan bölgenin alanı
I. 6⋅f(6)
II. 3⋅f(3)+3⋅f(6)
III. 2⋅f(0)+2⋅f(2)+2⋅f(4)
değerlerinin hangilerinden küçüktür?
2346xyOy=f(x)
İpucu
Her ifade bir dikdörtgenler toplamıdır: genişlik çarpı bir uçtaki fonksiyon değeri. Her biri için aralığın kaç parçaya bölündüğünü ve yüksekliğin hangi uçtan alındığını belirle.
Alan A olsun. f artan olduğundan her parçada en küçük değer sol uçta, en büyük değer sağ uçtadır.
I. Tek parça [0,6], yükseklik sağ uçtan: 6⋅f(6) bir üst toplamdır. A<6⋅f(6).
II. İki parça [0,3] ve [3,6], yükseklikler sağ uçlardan: yine üst toplam. A<3⋅f(3)+3⋅f(6).
III. Üç parça [0,2], [2,4], [4,6], yükseklikler sol uçlardan: bu bir alt toplamdır. 2⋅f(0)+2⋅f(2)+2⋅f(4)<A; alan bu değerden büyüktür.
Alan yalnızca I ve II değerlerinden küçüktür.
Tuzak: III'te parça sayısının çok olması toplamı "daha doğru" yapar ama yönünü değiştirmez; sol uçlar artan fonksiyonda hep alttan yaklaşır.
Cevap: C
2021 AYTSoru 24
Zor
Türev grafiğinden net değişim
Bir f fonksiyonunun türevi olan f′ fonksiyonunun grafiği, dik koordinat düzleminde [0,10] kapalı aralığı için çizilmiştir. Grafik ile x ekseni arasında kalan bölgelerin alanları şeklin üzerinde yazılıdır.
f(0)=2−1
olduğuna göre f fonksiyonunun [0,10] aralığında kaç farklı kökü vardır?
10xyO32245y=f′(x)
İpucu
Türev grafiğinin altındaki işaretli alan, f'deki değişimdir. f′ grafiğinin ekseni kestiği her noktada f'nin değerini sırayla hesapla, sonra f'nin sıfırdan kaç kez geçtiğine bak.
3. Kökleri say. Bu noktalar arasında f′ işaret değiştirmez; f her parçada ya hep artar ya hep azalır. Bu yüzden bir parçada en çok bir kök olabilir ve kök ancak uç değerlerin işareti farklıysa vardır.
[0,x1]: −21→25, işaret değişti: 1 kök.
[x1,x2] ve [x2,x3]: değerler 21 ile 25 arasında, hep pozitif: kök yok.
[x3,x4]: 25→−23: 1 kök.
[x4,10]: −23→27: 1 kök.
Toplam 3 kök.
Tuzak: f′ grafiğinin ekseni kestiği noktaları (4 tane) f'nin kökü sanmak. Onlar f'nin tepe ve çukur noktalarıdır.
Cevap: C
2021 AYTSoru 25
Orta
Parçalı fonksiyonun integrali
a ve b gerçel sayılardır. Gerçel sayılar kümesinde sürekli olan f fonksiyonu
f(x)=⎩⎨⎧6−23x2,ax−b,x<2x≥2
kuralıyla veriliyor.
∫04f(x)dx=∫26f(x)dx
olduğuna göre a+b toplamı kaçtır?
İpucu
İki bilinmeyen için iki denklem gerekir: biri süreklilikten, biri integral eşitliğinden gelir. İki integralin ortak bir parçası var; onu iki taraftan da atabilirsin.
1. Aralığı verilen noktalardan böl.[0,1] ve [1,2]; her birinin genişliği 1.
2. Alt toplam.f artan olduğundan her parçada en küçük değer sol uçtadır:
1⋅f(0)+1⋅f(1)=2+3=5
3. Üst toplam. En büyük değer sağ uçtadır:
1⋅f(1)+1⋅f(2)=3+4=7
4. Sonuç. İntegral bu iki toplamın arasındadır: 5≤∫02f(x)dx≤7. Seçeneklerde bu aralığa düşen tek sayı 6'dır. Örneğin f(x)=x+2 üç koşulu da sağlar ve integrali tam 6'dır.
Tuzak: 2⋅f(0)=4 ve 2⋅f(2)=8 tek parçalı alt ve üst toplamlardır; integral bunlara eşit olamaz, aradaki f(1)=3 bilgisi sınırı daraltır.
İntegral aralığı kuralın değiştiği noktayı içeriyor. Aralığı o noktadan böl ve her parçada kendi kuralını kullan.
Çözüm
1. Böl. Kural x=1 noktasında değişir:
∫−13f(x)dx=∫−113x2dx+∫13(4x−1)dx
2. Birinci parça.[x3]−11=1−(−1)=2.
3. İkinci parça.[2x2−x]13=(18−3)−(2−1)=14.
4. Topla.2+14=16.
Çeldiriciler: (−1)3=−1 işaretini kaçırınca birinci parça 0 ve sonuç 14 çıkar. Bütün aralıkta tek kural kullanmak 12 (4x−1 ile) ya da 28 (3x2 ile) verir.
Cevap: C
Özgün soru3
Orta
Riemann toplamı
f(x)=x2+2 fonksiyonunun grafiği ile x ekseni arasında [0,4] aralığında kalan bölgenin alanı A birimkaredir. Aynı bölge için [0,4] aralığı dört eşit parçaya bölünüp her parçanın orta noktasındaki fonksiyon değeri yükseklik alınarak kurulan Riemann toplamı T'dir.
Buna göre A−T farkı kaçtır?
İpucu
T için dört orta noktayı ve genişliği yaz. A için belirli integrali temel teoremle hesapla.
Çözüm
1. Riemann toplamı. Genişlik Δx=44−0=1. Orta noktalar 21,23,25,27.
T=(41+2)+(49+2)+(425+2)+(449+2)=484+8=29
2. Gerçek alan. Fonksiyon bu aralıkta pozitiftir; alan integrale eşittir.
A=∫04(x2+2)dx=[3x3+2x]04=364+8=388
3. Fark.A−T=388−29=388−87=31.
Yorum: orta nokta toplamı yalnızca dört dikdörtgenle gerçek alana 31 kadar yaklaştı. Aynı parçalarla sol uç toplamı 22, sağ uç toplamı 38 olurdu.
Cevap: A
Özgün soru4
Zor
Türev grafiğinden net değişim
[0,6] aralığında tanımlı ve türevli bir f fonksiyonunun türevinin grafiği, şekildeki gibi iki doğru parçasından oluşmaktadır.
f(0)=3
olduğuna göre f fonksiyonunun [0,6] aralığında aldığı en büyük değer ile en küçük değerin toplamı kaçtır?
256x−22yO4y=f′(x)
İpucu
Türev grafiği ile eksen arasındaki üçgenlerin alanlarını bul. f′ grafiğinin ekseni kestiği noktalarda ve uçlarda f'nin değerlerini sırayla hesapla.
Çözüm
1. Üçgenlerin alanları. Grafik ekseni x=2 ve x=5 noktalarında keser.
[0,2]: eksenin üstünde, taban 2, yükseklik 2: alan 2.
[2,4]: eksenin altında, taban 2, yükseklik 2: alan 2.
[4,5]: eksenin altında, taban 1, yükseklik 2: alan 1.
[5,6]: eksenin üstünde, taban 1, yükseklik 2: alan 1.
2. Değerleri izle.f(q)=f(p)+∫pqf′(x)dx:
f(0)f(2)f(5)f(6)=3=3+2=5=5−2−1=2=2+1=3
3. En büyük ve en küçük değer.f, [0,2] aralığında artar, [2,5] aralığında azalır, [5,6] aralığında yeniden artar. En büyük değer için adaylar f(2)=5 ve uçlardaki 3; en küçük değer için adaylar f(5)=2 ve uçlardaki 3.
En büyük değer 5, en küçük değer 2; toplamları 7.
Tuzak: türev grafiğinin en alçak noktası olan x=4'ü f'nin en küçük değeri sanmak. Orada f(4)=3'tür ve f hâlâ azalmaktadır; f ancak türev sıfır olunca (x=5) dönmeye başlar.
Cevap: C
Özgün soru5
Zor
Özellikler ve sınır dönüşümü
Gerçel sayılar kümesinde tanımlı ve sürekli bir f fonksiyonu için
∫06f(x)dx=10∫13f(2x)dx=3
eşitlikleri veriliyor.
Buna göre ∫01(f(2x)+4x)dx integralinin değeri kaçtır?
İpucu
f(2x) içeren her integrali u=2x dönüşümüyle f(u) integraline çevir ve sınırların neye dönüştüğünü yaz. Sonra aralık bölme özelliğini kullan.
Çözüm
1. İkinci veriyi çevir.u=2x, du=2dx; x=1 için u=2, x=3 için u=6.
3. İsteneni ayır. Toplamın integrali terim terim alınır.
∫01f(2x)dx: yine u=2x; sınırlar 0 ve 2 olur. Değeri 21∫02f(u)du=24=2.
∫014xdx=[2x2]01=2.
4. Topla.2+2=4.
Çeldiriciler: yalnızca son adımda 21 çarpanı unutulursa 4+2=6; çarpan iki dönüşümde de unutulursa ∫02f=10−3=7 ve sonuç 7+2=9; 4x teriminin integrali atlanırsa 2 bulunur.
Cevap: B
Özgün soru6
Orta
Net değişim
Bir serada yetiştirilen fidanın boyu, dikildikten t ay sonra ayda 3t santimetre hızla uzamaktadır.
Buna göre fidanın boyu, 1. ayın sonundan 4. ayın sonuna kadar kaç santimetre uzar?
İpucu
Verilen ifade boyun kendisi değil, uzama hızıdır. Bir büyüklüğün değişim hızını bir aralıkta integrallersen o aralıktaki net değişimi bulursun.
Çözüm
1. Modeli kur. Uzama hızı boyun türevidir. t=1 ile t=4 arasındaki uzama, hızın bu aralıktaki belirli integralidir:
∫143tdt
2. Ters türev.3t21 ifadesinin ters türevi 3⋅32t23=2t23.
3. Sınırlar.423=8 olduğundan 2⋅8−2⋅1=14.
Fidan 14 santimetre uzar.
Çeldiriciler: yeni üsse bölmeyi unutup 3⋅(8−1)=21 bulmak; alt sınırı 0 alıp 16 bulmak (soru ilk dört ayı değil, 1. aydan sonrasını soruyor).