bilim.techО проекте

Интеграл

Как по графику скорости узнать путь, а по расходомеру объем? Дели площадь под кривой на прямоугольники и смотри, как сумма приближается к точному ответу.

01 Что это такое

Интеграл это площадь под графиком, то есть сумма, накопленная по всему отрезку.

Если самосвал 10 секунд едет со скоростью 10 м/с, он проходит 10 · 10 = 100 м. На графике скорости это площадь прямоугольника. Когда скорость меняется, график делят на узкие полоски, считают площадь каждой и складывают. Так по графику скорости находят путь, а по показаниям расходомера находят, сколько масла или топлива выдано.

время t, сскорость v, м/с051015201025 мразгон100 мровно 10 м/с25 мторможениепуть = площадь = 150 м
На ровном участке площадь это прямоугольник 10 м/с · 10 с = 100 м. Разгон и торможение дают треугольники по 25 м. Всего 150 м.
f(x)
Подынтегральная функция. То, что накапливаем: скорость, расход, мощность. Высота графика в каждой точке.
a, b
Границы отрезка. С какого и до какого момента считаем. Например, от начала до конца рейса.
∫
Интеграл. Площадь под графиком от a до b. Единицы: единицы f, умноженные на единицы x. Скорость в м/с на время в с дает метры.
02 Опыт
Дроби площадь на полоски. Смотри, как сумма подходит к точному ответу. РАСЧЕТ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Сколько площади под кривой?

Рис. 4.4
ФУНКЦИЯ
Сумма прямоугольников S
Точное значение ∫
Ошибка суммы

ⓘ Точное значение считается по формуле Ньютона-Лейбница через первообразную. Сумма прямоугольников считается так же, как контроллер расходомера или тахограф суммируют замеры через равные промежутки времени.

03 Формулы по буквам

Сумма, предел и первообразная

Сумма прямоугольников дает приближенный ответ, его можно посчитать по любым замерам. Предел суммы это точная площадь. Формула Ньютона-Лейбница позволяет найти ее без суммирования. Под каждой формулой числа из опыта.

Как посчитать площадь приближенно?

S ≈ Σ f(xᵢ) · Δx,  Δx = b − an

Делим отрезок на n равных полосок. В каждой берем высоту графика в одной точке и умножаем на ширину. Площади всех полосок складываем.

Σ
знак суммы: сложить слагаемые для i от 1 до n
xᵢ
точка внутри i-й полоски: левый край, правый или середина
Δx
ширина одной полоски

Как получить точную площадь?

∫ab f(x) dx = limn→∞ Σ f(xᵢ) · Δx

Чем уже полоски, тем меньше зазоры между ступеньками и кривой. Предел, к которому идет сумма при бесконечно узких полосках, называют определенным интегралом.

∫
вытянутая буква S, от слова «сумма»
a, b
нижняя и верхняя границы
dx
бесконечно узкая ширина полоски, в пределе вместо Δx

Как найти интеграл без суммирования?

∫ab f(x) dx = F(b) − F(a),  F′ = f

Найди функцию F, производная которой равна f. Это первообразная. Площадь под f от a до b равна разности значений F на концах. Так счетчик пробега дает путь: показание в конце минус показание в начале.

F(x)
первообразная: (x³/3)′ = x², значит для x² это x³/3
F(b)
значение первообразной в конце отрезка
F(a)
значение в начале, его вычитаем

Откуда берутся формулы

Пока скорость постоянна, путь равен v · t, и на графике это площадь прямоугольника. Если скорость меняется, возьмем короткий промежуток Δt. За него скорость почти не успевает измениться, и путь почти равен v · Δt, то есть площади узкой полоски. Сложим все полоски и получим путь за весь рейс. Чем короче Δt, тем точнее.

Теперь сдвинем правую границу площади от x на маленький шаг dx. Площадь вырастет на узкую полоску высотой f(x) и шириной dx: dA = f(x) · dx. Значит, скорость роста площади A′(x) = f(x). Площадь сама является первообразной функции. Любые две первообразные отличаются на постоянную, поэтому площадь от a до b равна F(b) − F(a).

∫ c dx = c · x
постоянная: прямоугольник высотой c
∫ xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)
степень: ∫ x² dx = x³/3, ∫ x dx = x²/2
∫ sin x dx = −cos x
потому что (−cos x)′ = sin x
∫ eᵏˣ dx = eᵏˣ/k
экспонента: делим на коэффициент k
∫ (f + g) dx
интеграл суммы равен сумме интегралов
Σ f(xᵢ) · ΔxΔxdxf(x)dA = f(x) · dxy = f(x)
Ступеньки почти повторяют кривую. Узкая оранжевая полоска показывает, на сколько растет площадь при сдвиге границы на dx.
04 Где и зачем это применяют

Везде, где нужно накопить итог

Допущения модели+

В опыте функции заданы формулами, и для каждой известна первообразная, поэтому точное значение считается по формуле Ньютона-Лейбница. Площадь ниже оси x входит в интеграл со знаком минус: для синуса на [0, 2π] интеграл равен нулю, хотя закрашенная площадь не нулевая. Скорость самосвала и расход масла упрощены: реальный график снимается датчиком с шумом, и его интегрируют численно, суммой прямоугольников или трапеций по замерам. У трапеций ошибка обычно меньше, чем у левых и правых точек, а средние точки дают примерно такую же точность, как трапеции.

Еще в направлении «Математика»

Все темы направления «Математика» →