Tilbake
5.1

5.1 Fundamentalteoremet og integraler med variable grenser

Analysens fundamentalteorem begge veier, og derivasjon av integraler med variable grenser via kjerneregelen — med veldefinerthetsargument for integranden.

50 min
17 oppgaver
Fundamentalteoremetintegraler med variable grenser
Din fremgang i kapitlet
0 / 17 oppgaver
Forkunnskaper. Dette kapitlet bygger på derivasjonsbegrepet fra kap. 3.1 og på integralforståelsen fra R2: Analysens fundamentalsetning (sammenhengen derivasjon–integrasjon) og Bestemt integral som grenseverdi (integralet som grense av summer). Regneteknisk trenger du Kjerneregelen helt automatisert — det er den som gir faktoren g(x)g'(x) i dette kapitlets hovedformel.

Sist du var her — de to formlene du må ha friskt i minne:

ddxf(g(x))=f(g(x))g(x)(kjerneregelen)\frac{d}{dx}\,f(g(x)) = f'(g(x))\,g'(x) \qquad\text{(kjerneregelen)}

abf(x)dx=F(b)F(a),der F=f(fundamentalsetningen slik du kjenner den fra R2)\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a),\quad\text{der } F' = f \qquad\text{(fundamentalsetningen slik du kjenner den fra R2)}

Derivasjon og integrasjon ser ut som to helt forskjellige operasjoner: den ene måler stigning i et punkt, den andre samler opp areal over et intervall. Analysens fundamentalteorem sier at de er hverandres motsatte operasjoner — og det i to retninger. Del 1 sier at hvis du deriverer en arealfunksjon, får du integranden tilbake. Del 2 sier at du kan beregne et areal ved å finne en antiderivert og sette inn grensene.

På MAT111-eksamen brukes begge retninger aktivt. Del 2 bruker du hver gang du beregner et bestemt integral (hele resten av Del 5). Del 1 testes direkte i FTC-oppgaven: derivér 1x2sinttdt\displaystyle \int_1^{x^2}\frac{\sin t}{t}\,dt — et integral ingen kan beregne eksakt, men som alle kan derivere på tre linjer.

Kapitlet har tre læringsløkker: (1) integralfunksjonen og fundamentalteoremets del 1, (2) variable grenser og kjerneregel-faktoren, (3) del 2 og analyse av integralfunksjoner. Ta en pause mellom løkkene — de bygger på hverandre.

Løkke 1 — Integralfunksjonen og fundamentalteoremets del 1 (~15 min)

Antiderivert
En antiderivert er en funksjon som «deriverer tilbake» til den du startet med. Presist: FF er en antiderivert til ff på et intervall dersom

F(x)=f(x)F'(x) = f(x)

for alle xx i intervallet. For eksempel er F(x)=x3F(x)=x^3 en antiderivert til f(x)=3x2f(x)=3x^2. Antideriverte kalles også ubestemte integraler.

Familien av antideriverte og konstanten CC
Antideriverte er aldri alene: har ff én antiderivert FF, er alle antideriverte på formen F(x)+CF(x)+C for en konstant CC. Det er derfor vi skriver

f(x)dx=F(x)+C.\int f(x)\,dx = F(x) + C.

At det ikke finnes flere, følger av sekantsetningen (MVT): to funksjoner med samme deriverte på et intervall avviker med en konstant.

Det bestemte integralet (grense av Riemann-summer)
Det bestemte integralet er en grenseverdi av arealsummer, ikke en «anti-derivasjon» per definisjon. Vi deler [a,b][a,b] i nn biter, reiser en søyle på hver bit og summerer søylearealene f(xi)Δx\sum f(x_i^*)\,\Delta x; når inndelingen blir finere og finere, nærmer summene seg ett tall:

abf(x)dx=limni=1nf(xi)Δx.\int_a^b f(x)\,dx = \lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n f(x_i^*)\,\Delta x.

For kontinuerlige ff eksisterer grensen alltid. At dette sum-tallet kan beregnes med antideriverte, er nettopp fundamentalteoremets innhold — det er et teorem, ikke en definisjon.

Stum integrasjonsvariabel
Variabelen inni integralet er bare en intern «telle-variabel» — den kan hete hva som helst uten at verdien endres:

abf(t)dt=abf(s)ds=abf(u)du.\int_a^b f(t)\,dt = \int_a^b f(s)\,ds = \int_a^b f(u)\,du.

Vi sier at integrasjonsvariabelen er stum. Derfor skriver vi integralfunksjoner som F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_a^x f(t)\,dt med tt inni: xx er opptatt som øvre grense og kan ikke også være integrasjonsvariabel.

Areal med fortegn

Det bestemte integralet teller areal med fortegn: biter der grafen ligger over xx-aksen bidrar positivt, biter under aksen bidrar negativt. Derfor kan abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx godt være null eller negativt selv om grafen «har areal» — integralet er netto-summen, ikke det geometriske arealet.

Integralfunksjonen (arealfunksjonen)
En integralfunksjon er et bestemt integral der den øvre grensen får lov til å variere — resultatet blir en funksjon av grensen:

F(x)=axf(t)dt.F(x) = \int_a^x f(t)\,dt.

Geometrisk er F(x)F(x) arealet (med fortegn) under grafen til ff fra aa og fram til xx. Når xx flyttes, endres arealet — og fundamentalteoremet forteller hvor fort.

Veldefinert integralfunksjon

At integralfunksjonen er veldefinert, betyr at integralet faktisk eksisterer for alle xx vi tillater. Standardargumentet er ett steg: integranden er kontinuerlig på hele integrasjonsområdet — da eksisterer det bestemte integralet, og dermed F(x)F(x). Har integranden et brudd (f.eks. costt\displaystyle \frac{\cos t}{t} i t=0t=0), må definisjonsområdet til FF innskrenkes slik at bruddet aldri havner mellom grensene.

📜Analysens fundamentalteorem, del 1
La ff være kontinuerlig på et intervall som inneholder aa. Da er integralfunksjonen F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_a^x f(t)\,dt deriverbar, og

F(x)=ddxaxf(t)dt=f(x).F'(x) = \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt = f(x).

Å derivere arealfunksjonen gir integranden tilbake — derivasjon opphever integrasjon.

Intuisjon: øker vi xx med en liten bit hh, vokser arealet med en tynn stripe som er tilnærmet et rektangel: bredde hh, høyde f(x)f(x). Altså er F(x+h)F(x)f(x)hF(x+h)-F(x)\approx f(x)\cdot h, så differansekvotienten F(x+h)F(x)hf(x)\displaystyle \frac{F(x+h)-F(x)}{h}\approx f(x). Når h0h\to 0, blir tilnærmingen eksakt (kontinuiteten til ff er akkurat det som trengs for å presse feilen til null — beviset bruker skviseteoremet på minf1hxx+hfmaxf\displaystyle \min f \le \frac{1}{h}\int_x^{x+h} f \le \max f over stripen).

Merk hva teoremet ikke sier: du trenger aldri finne noen antiderivert for å derivere en integralfunksjon. Det er hele poenget i eksamensoppgaven — integranden er valgt slik at ingen antiderivert finnes blant elementære funksjoner.

✏️Eksempel 1: Derivér en integralfunksjon (med veldefinerthet)

La G(x)=2xln(1+t2)dtG(x)=\displaystyle\int_2^x \ln(1+t^2)\,dt. Forklar hvorfor GG er definert for alle xRx\in\mathbb{R}, og finn G(x)G'(x).

Veldefinerthet: integranden g(t)=ln(1+t2)g(t)=\ln(1+t^2) er kontinuerlig på hele R\mathbb{R} (fordi 1+t21>01+t^2\ge 1>0, så logaritmen er alltid definert). Dermed eksisterer 2xg(t)dt\int_2^x g(t)\,dt for alle xx, og GG er veldefinert på R\mathbb{R}.

Derivasjon: etter analysens fundamentalteorem, del 1, er

G(x)=ln(1+x2).G'(x) = \ln(1+x^2).

Ingen antiderivert trengs — vi leser bare av integranden i t=xt=x. \blacksquare

📝Oppgave 1

La F(x)=0xet2dtF(x)=\displaystyle\int_0^x e^{-t^2}\,dt (denne integranden har ingen elementær antiderivert).

a) Finn F(x)F'(x).

b) Begrunn at FF er strengt voksende på hele R\mathbb{R}.

📝Oppgave 2

La F(x)=1x1+t3dtF(x)=\displaystyle\int_1^x \sqrt{1+t^3}\,dt.

a) Hva er F(1)F(1)?

b) Finn F(x)F'(x).

c) For hvilke xx er FF veldefinert? (Hint: hvor er integranden definert og kontinuerlig?)

Løkke 2 — Variable grenser og kjerneregel-faktoren (~20 min)

Normeringen aaf=0\int_a^a f = 0

Et integral der grensene er like, er null: aaf(t)dt=0\int_a^a f(t)\,dt = 0 — det er «arealet» av en strekning uten bredde. Dette brukes ofte som kontrollpunkt: en integralfunksjon F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_a^x f(t)\,dt oppfyller alltid F(a)=0F(a)=0.

Fortegnssnu ved grensebytte
Bytter du om grensene i et bestemt integral, snur fortegnet:

baf(t)dt=abf(t)dt.\int_b^a f(t)\,dt = -\int_a^b f(t)\,dt.

Dette er konvensjonen som får hele grenseregningen til å gå opp, og den er nøkkelen til å håndtere integraler der nedre grense varierer.

Additivitetsregelen (splitting av intervallet)
Et integral kan splittes i et mellompunkt uten at verdien endres:

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

Med fortegnssnu-konvensjonen gjelder dette for alle plasseringer av aa, bb og cc i integrandens kontinuitetsintervall — det er dette som lar oss splitte integraler med to variable grenser i et fast mellompunkt.

📜Derivasjon med variabel øvre grense (FTC + kjerneregel)
La ff være kontinuerlig og gg deriverbar. Da er

ddxag(x)f(t)dt=f(g(x))g(x).\frac{d}{dx}\int_a^{g(x)} f(t)\,dt = f(g(x))\cdot g'(x).

Integranden leses av i øvre grense — og så ganges det med den deriverte av grensen. Dette er ikke en ny regel, bare fundamentalteoremet del 1 satt sammen med kjerneregelen: F(g(x))F(g(x)) har derivert F(g(x))g(x)=f(g(x))g(x)F'(g(x))\,g'(x) = f(g(x))\,g'(x).

Kjerneregel-faktoren g(x)g'(x)

Faktoren g(x)g'(x) i formelen ddxag(x)f(t)dt=f(g(x))g(x)\displaystyle \frac{d}{dx}\int_a^{g(x)} f(t)\,dt = f(g(x))\,g'(x) kalles kjerneregel-faktoren. Den er den hyppigste glippen i FTC-oppgaven: å svare f(g(x))f(g(x)) alene er å derivere FF i feil variabel. Huskeregel: øvre grense er en «kjerne» — og kjerner skal alltid etterderiveres.

Tovariantformelen (begge grenser variable)
Når begge grensene avhenger av xx, splittes integralet i et fast mellompunkt cc og begge bitene deriveres:

ddxh(x)g(x)f(t)dt=f(g(x))g(x)f(h(x))h(x).\frac{d}{dx}\int_{h(x)}^{g(x)} f(t)\,dt = f(g(x))\,g'(x) - f(h(x))\,h'(x).

Øvre grense bidrar med pluss, nedre med minus — minusen kommer fra fortegnssnuen h(x)c=ch(x)\int_{h(x)}^{c} = -\int_c^{h(x)}.

Intuisjon: tenk på h(x)g(x)f\int_{h(x)}^{g(x)} f som areal mellom to bevegelige vegger. Når xx øker, skyves høyre vegg utover med fart g(x)g'(x) og «maler til» areal i høyden f(g(x))f(g(x)); venstre vegg skyves med fart h(x)h'(x) og «visker ut» areal i høyden f(h(x))f(h(x)). Netto endringsrate: f(g(x))g(x)f(h(x))h(x)f(g(x))\,g'(x) - f(h(x))\,h'(x).

Utledningen som gir full uttelling på eksamen, er splittingen: velg et fast tall cc i definisjonsområdet og skriv
h(x)g(x)f(t)dt=cg(x)f(t)dtch(x)f(t)dt,\int_{h(x)}^{g(x)} f(t)\,dt = \int_c^{g(x)} f(t)\,dt - \int_c^{h(x)} f(t)\,dt,
og deriver hvert ledd med kjerneregel-formelen.

✏️Eksempel 2 (eksamensnivå): variabel øvre grense med veldefinerthetsargument

La F(x)=2x3costtdt\displaystyle F(x)=\displaystyle\int_2^{x^3} \frac{\cos t}{t}\,dt for x>0x>0. Begrunn at FF er veldefinert for alle x>0x>0, og finn F(x)F'(x).

Veldefinerthet: integranden costt\dfrac{\cos t}{t} er kontinuerlig for alle t0t\neq 0. For x>0x>0 er x3>0x^3>0, så hele integrasjonsområdet mellom 22 og x3x^3 ligger i (0,)(0,\infty) — punktet t=0t=0 kommer aldri mellom grensene. Integralet eksisterer derfor for hver x>0x>0, og FF er veldefinert på (0,)(0,\infty).

Derivasjon: med g(x)=x3g(x)=x^3 (så g(x)=3x2g'(x)=3x^2) gir fundamentalteoremet del 1 kombinert med kjerneregelen:

F(x)=cos(x3)x33x2=3cos(x3)x.F'(x) = \frac{\cos(x^3)}{x^3}\cdot 3x^2 = \frac{3\cos(x^3)}{x}.

Konklusjon: F(x)=3cos(x3)xF'(x)=\dfrac{3\cos(x^3)}{x} for x>0x>0. \blacksquare

(Kontroll: uten kjerneregel-faktoren 3x23x^2 ville svaret manglet hele xx-avhengigheten i farten til grensen — en klassisk nulltrekk-glipp.)

✏️Eksempel 3: begge grensene variable

La H(x)=xx2et2dtH(x)=\displaystyle\int_x^{x^2} e^{-t^2}\,dt. Finn H(x)H'(x).

Integranden et2e^{-t^2} er kontinuerlig på hele R\mathbb{R}, så HH er veldefinert overalt.

Splitt i et fast punkt, f.eks. c=0c=0:

H(x)=0x2et2dt0xet2dt.H(x)=\int_0^{x^2} e^{-t^2}\,dt - \int_0^{x} e^{-t^2}\,dt.

Deriver hvert ledd med kjerneregel-formelen (g(x)=x2g(x)=x^2 gir faktor 2x2x; h(x)=xh(x)=x gir faktor 11):

H(x)=e(x2)22xex21=2xex4ex2.H'(x) = e^{-(x^2)^2}\cdot 2x - e^{-x^2}\cdot 1 = 2x\,e^{-x^4} - e^{-x^2}.

Konklusjon: H(x)=2xex4ex2H'(x) = 2x\,e^{-x^4} - e^{-x^2}. \blacksquare

📝Oppgave 3

La K(x)=sinx11+t3dtK(x)=\displaystyle\int_{\sin x}^{1} \sqrt{1+t^3}\,dt. Finn K(x)K'(x), og forklar hvorfor KK er veldefinert for alle xRx\in\mathbb{R}.

📝Oppgave 4

Finn ddx02x11+t4dt\displaystyle \dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{2x} \frac{1}{1+t^4}\,dt.

Løkke 3 — Del 2: beregning og analyse av integralfunksjoner (~15 min)

📜Analysens fundamentalteorem, del 2 (innsettingsregelen)
La ff være kontinuerlig på [a,b][a,b], og la FF være en hvilken som helst antiderivert til ff der. Da er

abf(x)dx=F(b)F(a).\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a).

Sum-grensen fra Riemann-definisjonen kan altså beregnes ved å finne én antiderivert og sette inn grensene — det er dette som gjør resten av Del 5 mulig.

Innsettingsnotasjonen [F(x)]ab\big[F(x)\big]_a^b
Klammen med grensene er kortskrift for «sett inn øvre grense minus sett inn nedre grense»:

[F(x)]ab=F(b)F(a).\big[F(x)\big]_a^b = F(b) - F(a).

I føringen skriver du antideriverte i klammen først, og deretter innsettingen som eget steg — da ser sensor både at antideriverten er riktig og at innsettingen er riktig.

Ubestemt vs. bestemt integral

To beslektede, men forskjellige objekter: det ubestemte integralet f(x)dx=F(x)+C\int f(x)\,dx = F(x)+C er en funksjonsfamilie (alle antideriverte), mens det bestemte integralet abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx er et tall. Konstanten CC trengs bare i det ubestemte — i det bestemte kansellerer den i F(b)F(a)F(b)-F(a).

✏️Eksempel 4: bestemt integral med full innsettingsføring

Beregn 14(2x+1x)dx\displaystyle \displaystyle\int_1^4 \Big(2x + \frac{1}{x}\Big)\,dx.

Integranden er kontinuerlig på [1,4][1,4] (nevneren x0x\neq0 der). En antiderivert er F(x)=x2+lnxF(x)=x^2+\ln x, siden F(x)=2x+1x\displaystyle F'(x)=2x+\frac1x.

Fundamentalteoremets del 2:

14(2x+1x)dx=[x2+lnx]14=(16+ln4)(1+ln1)=15+ln4.\int_1^4\Big(2x+\frac1x\Big)dx = \Big[x^2+\ln x\Big]_1^4 = \big(16+\ln 4\big) - \big(1+\ln 1\big) = 15+\ln 4.

Sluttsvar: 14(2x+1x)dx=15+ln4 (16,39)\displaystyle \displaystyle\int_1^4\Big(2x+\frac1x\Big)dx = 15+\ln 4\ (\approx 16{,}39). \blacksquare

Monotoni-analyse av integralfunksjoner

Siden F(x)=f(x)F'(x)=f(x), arver integralfunksjonen sin monotoni direkte fra integrandens fortegn: FF er voksende der f>0f>0 og avtagende der f<0f<0. Du drøfter altså FF uten å kjenne noe uttrykk for den — fortegnsskjemaet til integranden er alt du trenger.

Integralfunksjonens glatthet

Integralfunksjonen er alltid penere enn integranden: er ff kontinuerlig, blir F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_a^x f(t)\,dt deriverbar (fundamentalteoremet) — og dermed også kontinuerlig. Integrasjon glatter ut; derivasjon gjør det motsatte. Dette er grunnen til at drøfting av FF alltid er trygg når integranden er kontinuerlig.

Ekstremalpunkter for integralfunksjonen

Kandidatene for ekstremalpunkter til F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_a^x f(t)\,dt er nullpunktene til integranden (F(x)=f(x)=0F'(x)=f(x)=0). Skifter ff fortegn fra pluss til minus i nullpunktet, har FF lokalt maksimum der; fra minus til pluss gir lokalt minimum. Ingen fortegnsskifte — ikke noe ekstremalpunkt.

✏️Eksempel 5 (eksamensnivå): drøft en integralfunksjon uten å beregne den

La F(x)=0x(t24)etdtF(x)=\displaystyle\int_0^x (t^2-4)e^{-t}\,dt. Finn alle lokale ekstremalpunkter for FF, og avgjør hvor FF er voksende.

Integranden f(t)=(t24)etf(t)=(t^2-4)e^{-t} er kontinuerlig på R\mathbb{R}, så FF er veldefinert, og del 1 gir

F(x)=(x24)ex.F'(x) = (x^2-4)e^{-x}.

Fortegnsdrøfting: ex>0e^{-x}>0 alltid, så fortegnet styres av x24=(x2)(x+2)x^2-4=(x-2)(x+2):

- x<2x<-2: F>0F'>0 (begge faktorer negative, produkt positivt) — FF voksende
- 2<x<2-2<x<2: F<0F'<0FF avtagende
- x>2x>2: F>0F'>0FF voksende

Konklusjon: FF er voksende på (,2](-\infty,-2] og [2,)[2,\infty), avtagende på [2,2][-2,2]. Fortegnsskiftet pluss→minus i x=2x=-2 gir lokalt maksimum i x=2x=-2; minus→pluss i x=2x=2 gir lokalt minimum i x=2x=2. (Merk: alt dette uten å kjenne noe uttrykk for FF.) \blacksquare

📝Oppgave 5

Beregn 02(3t22t)dt\displaystyle\int_0^2 (3t^2-2t)\,dt med fundamentalteoremets del 2, med innsettingsklamme i føringen.

📝Oppgave 6

La G(x)=0xt(t3)etdtG(x)=\displaystyle\int_0^x t(t-3)e^{t}\,dt.

a) Finn G(x)G'(x) og alle lokale ekstremalpunkter for GG.

b) På hvilket intervall er GG avtagende?

Drilloppgaver

Stigende vanskegrad. Skriv veldefinerthetssetningen i alle oppgavene der den er del av spørsmålet — det er slik føringen skal se ut på eksamen.

📝Oppgave 7

Finn ddx5x11+t2dt\displaystyle \dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_5^x \frac{1}{1+t^2}\,dt.

📝Oppgave 8

Beregn 1e3xdx\displaystyle \displaystyle\int_1^e \frac{3}{x}\,dx.

📝Oppgave 9

Finn ddx0x2sin(t2)dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^2} \sin(t^2)\,dt.

📝Oppgave 10

La F(x)=x2x11+t2dt\displaystyle F(x)=\displaystyle\int_{x}^{2x} \frac{1}{1+t^2}\,dt. Finn F(x)F'(x) og forenkle.

📝Oppgave 11

For hvilke xx er F(x)=0xdtt3\displaystyle F(x)=\displaystyle\int_0^x \frac{dt}{t-3} veldefinert? Finn F(x)F'(x) der.

📝Oppgave 12

La F(x)=0xt11+t4dt\displaystyle F(x)=\displaystyle\int_0^x \frac{t-1}{1+t^4}\,dt.

a) Vis at FF har nøyaktig ett lokalt ekstremalpunkt, og avgjør typen.

b) Begrunn at F(2)>F(1)F(2)>F(1) uten å beregne noen av verdiene.

📝Oppgave 13

La F(x)=1exlnttdt\displaystyle F(x)=\displaystyle\int_1^{e^x}\frac{\ln t}{t}\,dt for xRx\in\mathbb{R}.

a) Begrunn at FF er veldefinert, og finn F(x)F'(x) med kjerneregel-formelen.

b) Kontroller svaret ved først å beregne integralet eksakt (antiderivert til lntt\displaystyle \frac{\ln t}{t} er 12(lnt)2\displaystyle \frac12(\ln t)^2) og så derivere.

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 4 oppgaver
Symbol- og formelliste

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 Bergen. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.