Tilbake
4.1

4.1 Riemann-integralet og integrerbarhet

Integralet bygget fra trappesummer, og de to integrerbarhetsteoremene som gir poeng uten regning.

45 min
8 oppgaver
Riemann-integraletintegrerbarhet
Din fremgang i kapitlet
0 / 8 oppgaver
Forkunnskaper: Dette kapitlet bygger på kontinuitet og de store eksistenssetningene fra kap. 2.4 — særlig hva det vil si at en funksjon er kontinuerlig på et intervall, og at kontinuerlige funksjoner på lukkede, begrensede intervaller oppfører seg pent. Fra videregående trenger du bildet av integralet som et areal bygget fra rektangler: Bestemt integral som grenseverdi.

Sist du var her (oppfriskning): to nøkkelbegreper vi bruker konstant.

- En funksjon er kontinuerlig i et punkt aa når limxaf(x)=f(a)\lim_{x\to a}f(x)=f(a) — ingen hopp, ingen hull.
- Det bestemte integralet abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx er (fra R2) arealet under grafen mellom x=ax=a og x=bx=b, der areal under xx-aksen teller negativt. I dette kapitlet ser vi presist hvordan det arealet defineres — og for hvilke funksjoner definisjonen i det hele tatt gir et tall.

Tenk deg at du kjører bil og fartsmåleren viser farten hvert sekund. Vil du vite hvor langt du har kjørt, kan du gange fart med tid i hvert lite tidsintervall og legge sammen. Jo finere du deler tiden, desto bedre blir anslaget — og i grensen får du den nøyaktige strekningen. Det er nøyaktig denne ideen som ligger bak det bestemte integralet: strekning er arealet under fartskurven, og arealet bygges opp av tynne søyler som blir tynnere og tynnere.

Men her lurer et spørsmål de fleste hopper over: finnes dette arealet alltid? For pene funksjoner, ja. For noen ekle funksjoner — nei. Dette kapitlet gjør to ting. Først bygger vi integralet skikkelig, fra trappesummer, så vi vet hva det betyr. Deretter får du to arbeidsteoremer som avgjør integrerbarhet på et blunk, uten å regne ut noe som helst. Det siste er ren eksamensgull.

Kapitlet går i fire korte læringsløkker: (1) trappesummer og selve definisjonen, (2) de to integrerbarhetsteoremene, (3) regnereglene for integralet, (4) et ekte ikke-integrerbart eksempel og hvordan du kjenner igjen en Riemann-sum. Hver løkke går teori → eksempel → oppgave.

Løkke 1 — Trappesummer og definisjonen av integralet (~13 min)

Partisjon (inndeling av intervallet)
En oppdeling av intervallet [a,b][a,b] i mindre biter. Vi velger delepunkter

a=x0<x1<x2<<xn=b,a=x_0<x_1<x_2<\dots<x_n=b,

og kaller samlingen P={x0,x1,,xn}P=\{x_0,x_1,\dots,x_n\} en partisjon. Hver bit [xi1,xi][x_{i-1},x_i] har bredde Δxi=xixi1\Delta x_i=x_i-x_{i-1}. Trappesummene bygges over en partisjon: jo finere partisjonen er (jo mindre bitene), desto bedre fanger trappene arealet.

Nedre trappesum (undersum)
Den samlede høyden av rektangler som ligger helt under grafen. På hver bit [xi1,xi][x_{i-1},x_i] velger vi den minste funksjonsverdien mi=inf[xi1,xi]fm_i=\inf_{[x_{i-1},x_i]}f og bygger et rektangel med den høyden. Summen er

S(P)=i=1nmiΔxi.\underline{S}(P)=\sum_{i=1}^{n} m_i\,\Delta x_i.

Denne summen undervurderer arealet — den ligger alltid \le det sanne arealet.

Øvre trappesum (oversum)
Den samlede høyden av rektangler som dekker grafen. På hver bit velger vi den største verdien Mi=sup[xi1,xi]fM_i=\sup_{[x_{i-1},x_i]}f:

S(P)=i=1nMiΔxi.\overline{S}(P)=\sum_{i=1}^{n} M_i\,\Delta x_i.

Denne summen overvurderer arealet — den ligger alltid \ge det sanne arealet. For enhver partisjon er dermed S(P)S(P)\underline{S}(P)\le \overline{S}(P): det sanne arealet er klemt mellom under- og oversummen.

Klem arealet mellom trappene

Ideen er en klemmanøver. Under- og oversummen fanger arealet fra hver sin side:

S(P)    (sant areal)    S(P).\underline{S}(P)\;\le\;(\text{sant areal})\;\le\;\overline{S}(P).

Gjør vi partisjonen finere, stiger undersummene og synker oversummene — gapet mellom dem krymper. Hvis gapet kan gjøres så lite vi bare vil, klemmes det ett eneste tall inn mellom alle undersummer og alle oversummer. Det tallet er integralet. Klarer vi ikke å lukke gapet, finnes ikke noe entydig areal, og funksjonen er ikke integrerbar.

Riemann-/Darboux-integrerbar
En begrenset funksjon ff[a,b][a,b] er integrerbar når under- og oversummene kan bringes vilkårlig nær hverandre. Presist (Darboux-kriteriet): for enhver toleranse ε>0\varepsilon>0 finnes en partisjon PP med

S(P)S(P)<ε.\overline{S}(P)-\underline{S}(P)<\varepsilon.

Da presses nøyaktig ett tall inn mellom alle under- og oversummer. Kriteriet er hva integrerbarhet betyr — men på eksamen bruker du det sjelden direkte; du bruker teoremene i løkke 2, som er utledet fra det.

Det bestemte integralet
Det entydige tallet som klemmes inn mellom alle undersummer og alle oversummer når ff er integrerbar:

abf(x)dx=supPS(P)=infPS(P).\int_a^b f(x)\,dx=\sup_P \underline{S}(P)=\inf_P \overline{S}(P).

Geometrisk er det arealet mellom grafen og xx-aksen fra aa til bb, med areal under aksen regnet negativt. Symbolet \int er et langstrakt «S» for «sum»: en kontinuerlig sum av uendelig tynne søyler f(x)dxf(x)\,dx.

✏️Eksempel 1: Trappesummer for $f(x)=x$ på $[0,2]$

Del [0,2][0,2] i nn like biter og regn ut nedre og øvre trappesum for f(x)=xf(x)=x. Vis at begge går mot 22 når nn\to\infty, altså at 02xdx=2\int_0^2 x\,dx=2.

Hver bit har bredde Δx=2n\Delta x=\tfrac{2}{n}, og delepunktene er xi=2inx_i=\tfrac{2i}{n}. Siden f(x)=xf(x)=x er voksende, ligger minste verdi på hver bit i venstre endepunkt og største i høyre.

Nedre trappesum (venstre endepunkter xi1=2(i1)nx_{i-1}=\tfrac{2(i-1)}{n}):
S=i=1n2(i1)n2n=4n2i=1n(i1)=4n2(n1)n2=2n1n.\underline{S}=\sum_{i=1}^{n}\frac{2(i-1)}{n}\cdot\frac{2}{n}=\frac{4}{n^2}\sum_{i=1}^{n}(i-1)=\frac{4}{n^2}\cdot\frac{(n-1)n}{2}=2\cdot\frac{n-1}{n}.

Øvre trappesum (høyre endepunkter xi=2inx_i=\tfrac{2i}{n}):
S=i=1n2in2n=4n2n(n+1)2=2n+1n.\overline{S}=\sum_{i=1}^{n}\frac{2i}{n}\cdot\frac{2}{n}=\frac{4}{n^2}\cdot\frac{n(n+1)}{2}=2\cdot\frac{n+1}{n}.

Klem og grense: for hver nn er S=2n1n22n+1n=S\displaystyle \underline{S}=2\cdot\frac{n-1}{n}\le 2\le 2\cdot\frac{n+1}{n}=\overline{S}, og gapet er SS=4n0\displaystyle \overline{S}-\underline{S}=\frac{4}{n}\to 0. Begge summene klemmes mot 22:
limnS=limnS=2.\lim_{n\to\infty}\underline{S}=\lim_{n\to\infty}\overline{S}=2.

Konklusjon: det entydige tallet mellom under- og oversummene er 22, så 02xdx=2\int_0^2 x\,dx=2. (Kontroll: arealet er en trekant med grunnlinje 22 og høyde 22, altså 1222=2\tfrac12\cdot2\cdot2=2.) Svar: 02xdx=2\boxed{\int_0^2 x\,dx=2}

📝Oppgave 1
I

La f(x)=x2f(x)=x^2[0,2][0,2], og del intervallet i de to bitene [0,1][0,1] og [1,2][1,2].

a) Finn nedre trappesum S\underline{S} (bruk minste verdi på hver bit).

b) Finn øvre trappesum S\overline{S} (bruk største verdi på hver bit).

c) Mellom hvilke to tall vet du da at 02x2dx\int_0^2 x^2\,dx ligger?

Løkke 2 — De to integrerbarhetsteoremene (~12 min)

Trappesummer er tunge å regne på. Heldigvis trenger du dem nesten aldri: tre teoremer avgjør integrerbarhet med ett blikk. Det første er en byggestein; de to siste er arbeidshestene du bruker på eksamen. Poenget med alle tre: du slår fast at et integral finnes uten å regne det ut.

📜Monotone funksjoner er integrerbare (byggesteinen)
Setning. Er ff monoton (voksende eller avtagende) på [a,b][a,b], så er ff integrerbar der.

Bevisidé (skisse). Del [a,b][a,b] i nn like biter med bredde Δx=ban\Delta x=\tfrac{b-a}{n}. For en voksende funksjon er største verdi på hver bit i høyre endepunkt og minste i venstre, så gapet mellom øvre og nedre trappesum teleskoperer:
SS=i=1n(f(xi)f(xi1))Δx=(f(b)f(a))Δx=(f(b)f(a))ban.\overline{S}-\underline{S}=\sum_{i=1}^n\big(f(x_i)-f(x_{i-1})\big)\Delta x=\big(f(b)-f(a)\big)\Delta x=\big(f(b)-f(a)\big)\frac{b-a}{n}.
Dette går mot 00 når nn\to\infty, så Darboux-kriteriet er oppfylt. \blacksquare

Merk: en monoton funksjon kan ha hopp, men aldri for mange — den er likevel integrerbar. Det peker rett mot det neste teoremet.

📜Arbeidsteorem 1: begrenset + endelig mange diskontinuiteter
Setning. Er ff begrenset[a,b][a,b] og kontinuerlig der, unntatt i endelig mange punkter, så er ff integrerbar på [a,b][a,b].

Spesialtilfellet er det viktigste: en funksjon som er kontinuerlig på hele [a,b][a,b] (null unntakspunkter) er integrerbar. Men teoremet tåler også et endelig antall hopp — en stykkevis kontinuerlig funksjon er integrerbar. Begge premissene må sjekkes: funksjonen må være begrenset, og bruddene må være endelig mange. Dette teoremet var ett av to godtatte svar på integrerbarhets-påbygget i 2019.

📜Arbeidsteorem 2: begrenset + stykkevis monoton
Setning. Er ff begrenset og stykkevis monoton[a,b][a,b] (intervallet kan deles i endelig mange biter der ff er monoton på hver), så er ff integrerbar på [a,b][a,b].

Dette er ofte det raskeste verktøyet når funksjonen svinger opp og ned et endelig antall ganger, eller når kontinuitet er tungvint å argumentere for men monotoni er åpenbar. Begge arbeidsteoremene ble godtatt i fasit — velg det som er lettest å begrunne for den konkrete funksjonen, og navngi det du bruker.

Begrenset funksjon

En funksjon er begrenset[a,b][a,b] når verdiene holder seg innenfor et fast bånd: det finnes et tall KK slik at f(x)K|f(x)|\le K for alle xx i intervallet. Begrensethet er en forutsetning i begge arbeidsteoremene — en ubegrenset funksjon (som 1/x1/x nær 00) faller utenfor og krever den uegentlige teorien i kap. 4.6. Sjekk alltid dette premisset før du siterer et teorem.

Sprangdiskontinuitet (hopp)

Et punkt der venstre- og høyregrensen begge finnes, men er ulike, slik at grafen «hopper». For eksempel har f(x)=xf(x)=\lfloor x\rfloor (heltallsdelen) et hopp i hvert heltall. Sprangdiskontinuiteter er «snille» brudd: så lenge de er endelig mange og funksjonen er begrenset, ødelegger de ikke integrerbarheten (arbeidsteorem 1).

Stykkevis kontinuerlig funksjon

En funksjon som er kontinuerlig på hele [a,b][a,b] bortsett fra i endelig mange punkter, der den har hopp (og er begrenset). Grafen består av endelig mange kontinuerlige «stykker». Etter arbeidsteorem 1 er enhver stykkevis kontinuerlig funksjon integrerbar — dette dekker de aller fleste funksjonene du møter.

Stykkevis monoton funksjon

En funksjon der [a,b][a,b] kan deles i endelig mange delintervaller slik at ff er monoton (voksende eller avtagende) på hvert. En glatt kurve med endelig mange topp- og bunnpunkter er stykkevis monoton. Etter arbeidsteorem 2 er den integrerbar (når den er begrenset) — nyttig når monotoni er lettere å se enn kontinuitet.

✏️Eksempel 2: Avgjør integrerbarhet uten å regne
ff er begrenset på [0,3][0,3] og kontinuerlig overalt unntatt i x=1x=1 og x=2x=2, der den har hopp. Forklar hvorfor ff er integrerbar på [0,3][0,3], med henvisning til et teorem.

Vi sjekker premissene i arbeidsteorem 1 (begrenset + endelig mange diskontinuiteter):

1. Begrenset: gitt i oppgaven — det finnes et bånd f(x)K|f(x)|\le K[0,3][0,3]. ✓
2. Endelig mange diskontinuiteter: funksjonen er kontinuerlig unntatt i x=1x=1 og x=2x=2 — altså to bruddpunkter, som er endelig mange. ✓

Begge premissene er oppfylt, så etter arbeidsteorem 1 er ff integrerbar på [0,3][0,3].

Konklusjon: ff er integrerbar på [0,3][0,3] fordi den er begrenset og har bare endelig mange (to) diskontinuiteter — arbeidsteorem 1. Merk at vi ikke trenger å vite hva integralet er lik, bare at det finnes; og at kontinuitet i hvert punkt ikke kreves. f er integrerbar pa˚ [0,3]\boxed{f\text{ er integrerbar på }[0,3]}

📝Oppgave 2
I

Avgjør for hver funksjon om den er integrerbar på det oppgitte intervallet, og navngi teoremet du bruker.

a) f(x)=xf(x)=\lfloor x\rfloor (heltallsdelen) på [0,4][0,4].

b) g(x)=arctan(x2)g(x)=\arctan(x^2)[5,5][-5,5].

c) h(x)=1xh(x)=\dfrac{1}{x}[0,1][0,1] (med h(0)h(0) definert som 00).

Løkke 3 — Regnereglene for integralet (~10 min)

Når integralene finnes, adlyder de tre regler du bruker hele tiden i Del 4. De lar deg splitte opp, flytte ut konstanter og sammenligne integraler — grunnlaget for både sammenligningstesten (kap. 4.6) og all føring.

Lineæritet av integralet
Integralet av en sum er summen av integralene, og konstanter kan flyttes utenfor:

ab(αf(x)+βg(x))dx=αabf(x)dx+βabg(x)dx.\int_a^b\big(\alpha f(x)+\beta g(x)\big)\,dx=\alpha\int_a^b f(x)\,dx+\beta\int_a^b g(x)\,dx.

Dette lar deg splitte en integrand i enklere biter og behandle hver for seg — det første grepet i nesten alle integrasjonsoppgaver. (Gjelder når begge integralene på høyre side finnes.)

Intervalladditivitet
Deler du integrasjonsområdet i to, legges bitene sammen: for a<c<ba<c<b er

abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx.\int_a^b f(x)\,dx=\int_a^c f(x)\,dx+\int_c^b f(x)\,dx.

Uunnværlig for stykkevis definerte funksjoner: integrer hver formel på sitt eget delintervall og legg sammen. Konvensjonene aaf=0\int_a^a f=0 og baf=abf\int_b^a f=-\int_a^b f gjør regelen gyldig uansett rekkefølge på grensene.

Monotoni av integralet
Ligger den ene grafen over den andre, er integralet større: hvis f(x)g(x)f(x)\le g(x) for alle xx i [a,b][a,b], så

abf(x)dxabg(x)dx.\int_a^b f(x)\,dx\le \int_a^b g(x)\,dx.

Spesialtilfelle: er mf(x)Mm\le f(x)\le M på hele [a,b][a,b], så er m(ba)abfM(ba)m(b-a)\le \int_a^b f\le M(b-a). Dette er motoren i sammenligningstesten for uegentlige integraler (kap. 4.6): klem integranden mellom to funksjoner du kjenner integralet til.

✏️Eksempel 3: Bruk reglene til å avgrense et integral

Du vet at 2f(x)52\le f(x)\le 5 for alle x[1,4]x\in[1,4], men ikke formelen for ff. Bruk regnereglene til å avgrense 14f(x)dx\int_1^4 f(x)\,dx, og til å avgjøre om ff er integrerbar (gitt at ff er kontinuerlig).

Integrerbarhet: ff er kontinuerlig på det lukkede intervallet [1,4][1,4], og dermed begrenset der (verdiene ligger i [2,5][2,5]). Etter arbeidsteorem 1 (kontinuerlig ⇒ integrerbar) finnes 14f(x)dx\int_1^4 f(x)\,dx.

Avgrensning (monotoni av integralet): siden 2f(x)52\le f(x)\le 5 på hele [1,4][1,4], gir monotoniregelen med konstantfunksjonene 22 og 55:
142dx14f(x)dx145dx.\int_1^4 2\,dx\le \int_1^4 f(x)\,dx\le \int_1^4 5\,dx.
Konstantintegralene er areal av rektangler med bredde 41=34-1=3:
2314f(x)dx53614f(x)dx15.2\cdot 3\le \int_1^4 f(x)\,dx\le 5\cdot 3\quad\Longrightarrow\quad 6\le \int_1^4 f(x)\,dx\le 15.

Konklusjon: integralet finnes (kontinuerlig funksjon) og ligger mellom 66 og 1515, uten at vi kjenner ff. 614f(x)dx15\boxed{6\le \int_1^4 f(x)\,dx\le 15}

📝Oppgave 3
I

Anta at 02f(x)dx=5\int_0^2 f(x)\,dx=5 og 26f(x)dx=3\int_2^6 f(x)\,dx=-3, og at 06g(x)dx=4\int_0^6 g(x)\,dx=4.

a) Finn 06f(x)dx\int_0^6 f(x)\,dx.

b) Finn 06(3f(x)2g(x))dx\int_0^6\big(3f(x)-2g(x)\big)\,dx — men bare deloppgave (a) gir nok informasjon direkte; forklar hva du trenger.

Løkke 4 — Et ikke-integrerbart eksempel og Riemann-summer (~10 min)

Hittil har alt vært integrerbart. For balansens skyld: her er en funksjon som ikke er det — den viser hvorfor Darboux-kriteriet ikke er en formalitet. Deretter snur vi på det: en Riemann-sum er en trappesum med fritt valgt høyde, og å kjenne den igjen som et integral er en egen eksamensferdighet.

✏️Eksempel 4: Kjenn igjen en Riemann-sum som et integral

Regn ut grensen ved å kjenne den igjen som et integral: limni=1n1n(in)2.\displaystyle \displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{n}\left(\frac{i}{n}\right)^2.

Vi leser summen som en trappesum over [0,1][0,1]. Sammenlign med en Riemann-sum f(xi)Δx\sum f(x_i)\,\Delta x:

- Bredden Δx=1n\Delta x=\tfrac{1}{n} ⇒ intervallet [0,1][0,1] delt i nn like biter.
- Punktene xi=inx_i=\tfrac{i}{n} løper fra 1n\tfrac1n opp til 11 (høyre endepunkter).
- Høyden (in)2=(xi)2\left(\tfrac{i}{n}\right)^2=(x_i)^2 ⇒ integranden er f(x)=x2f(x)=x^2.

Altså er summen en Riemann-sum for 01x2dx\int_0^1 x^2\,dx, og siden x2x^2 er kontinuerlig (arbeidsteorem 1) finnes integralet, så grensen er integralet:
limni=1n1n(in)2=01x2dx=[x33]01=13.\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{n}\left(\frac{i}{n}\right)^2=\int_0^1 x^2\,dx=\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^1=\frac{1}{3}.

(Antideriverten kommer i kap. 4.2; her er poenget gjenkjennelsen.)

Konklusjon: grensen er 13\tfrac13. Grepet: les av bredde (1n\tfrac1n\Rightarrow intervall), punkt (inx\tfrac in\Rightarrow x) og høyde (f\Rightarrow f). 13\boxed{\tfrac13}

📝Oppgave 4
I / gjenkjenning
Kjenn igjen grensen som et bestemt integral og skriv den som abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx (du trenger ikke regne ut integralet):

limni=1n1n11+(in)2.\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{n}\cdot\frac{1}{1+\left(\frac{i}{n}\right)^2}.

Begrepsbank til eksamen

Her er noen kjernebegreper fra kapitlet samlet i eksamensrettet kortform.

Begrepsbanken er flashcard-/repetisjonsstoff — den gjentar det du nettopp har lest. Hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget for kapitlet gjelder kjernestoffet.

Riemann-sum

En sum i=1nf(ξi)Δxi\sum_{i=1}^n f(\xi_i)\,\Delta x_i der ξi\xi_i er et fritt valgt punkt i biten [xi1,xi][x_{i-1},x_i] (ikke nødvendigvis der ff er størst eller minst). For en integrerbar funksjon går enhver slik sum mot abf\int_a^b f når bitene krymper — uansett hvordan punktene velges. Å gjenkjenne en gitt sum som en Riemann-sum (les av bredde, punkt, høyde) er en egen eksamensferdighet.

Dirichlet-funksjonen (ikke-integrerbar)

Standardeksemplet på en funksjon som ikke er Riemann-integrerbar: D(x)=1D(x)=1 hvis xx er rasjonal, D(x)=0D(x)=0 hvis xx er irrasjonal, på [0,1][0,1]. Den er begrenset, men på hver bit finnes både rasjonale og irrasjonale tall, så minste verdi er alltid 00 og største alltid 11. Dermed er S(P)=0\underline{S}(P)=0 og S(P)=1\overline{S}(P)=1 for enhver partisjon — gapet lukkes aldri, og Darboux-kriteriet svikter. Du trenger den bare som kjennskap: et bevis på at begrensethet alene ikke holder.

Gjennomsnittsverdi (middelverdi) av en funksjon
Den «flate høyden» som gir samme areal som funksjonen over intervallet:

fˉ=1baabf(x)dx.\bar f=\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx.

Geometrisk: gjør du grafen om til et rektangel med samme areal og bredde bab-a, er fˉ\bar f høyden. For en kontinuerlig funksjon antas denne verdien faktisk i et punkt — det er middelverdisetningen for integraler, som blir bevismotoren i kap. 4.2.

Symbol- og formelliste
Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 4 oppgaver

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.

Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Universitetet i Oslo. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.