Całkowanie przez podstawienie

Całkowanie przez podstawienie


Podobnie jak w przypadku iloczynu i ilorazu funkcji nie ma ogólnego wzoru na obliczanie pierwotnej, tak i w przypadku złożenia funkcji nie ma ogólnej metody wyznaczania pierwotnej (tak jak to miało miejsce w przypadku pochodnej). W przypadku złożenia pomocnym narzędziem może być następujący wzór na całkowanie przez podstawienie zwany także wzorem na zmianę zmiennych w całce. Pozwala ono w pewnych sytuacjach obliczyć całkę z funkcji zawierającej złożenie dwóch funkcji.

Twierdzenie 13.12. [Całkowanie przez podstawianie]

Jeśli \( \displaystyle I, J\subseteq\mathbb{R} \) są przedziałami, \( \displaystyle f\colon I\longrightarrow J \) jest funkcją różniczkowalną oraz \( \displaystyle g\colon J\longrightarrow\mathbb{R} \) jest funkcją, dla której istnieje pierwotna \( \displaystyle G\colon J\longrightarrow\mathbb{R}, \) to istnieje całka nieoznaczona dla funkcji \( \displaystyle (g\circ f)\cdot f' \) oraz

\( \displaystyle \int (g\circ f)\cdot f'\,dx \ =\ G\circ f. \)

Dowód 13.12.

Ponieważ funkcje \( \displaystyle G \) i \( \displaystyle f \) są różniczkowalne, więc ich złożenie także oraz mamy

\( \displaystyle (G\circ f)' \ =\ (G'\circ f)\cdot f' \ =\ (g\circ f)\cdot f'. \)

Całkując obie strony, dostajemy tezę naszego twierdzenia.

Uwaga 13.13.

Wzór całkowania przez podstawianie często zapisujemy jako:

\( \displaystyle \int g\big(f(x)\big)f'(x)\,dx \ =\ \int g(t)\,dt, \)

rozumiejąc, że należy "wrócić" do tej samej zmiennej po obu stronach (\( \displaystyle x \) po prawej lub \( \displaystyle t \) po lewej) przez złożenie "\( \displaystyle \circ f \)" po prawej stronie lub "\( \displaystyle \circ f^{-1} \)" po lewej stronie.

Przykład 13.14.

Obliczyć całkę nieoznaczoną z funkcji \( \displaystyle f(x)=\sin x\cos x. \)