Vraťme se ještě jednou k fyzikální interpretaci derivace a integrace. Uvažme funkci \(f\) diferencovatelnou na intervalu \(\langle a,b \rangle\). Funkci \(f\) nyní interpretujeme jako jistou veličinu (třeba polohu) závisející na čase \(t\). Derivaci \(f'(t)\), \(t\in\langle a,b \rangle\), interpretujeme jako okamžitou změnu veličiny \(f\) v čase \(t\). Celková změna veličiny \(f\) mezi okamžiky \(t=a\) a \(t=b\) je s využitím Newtonovy formule dána \begin{equation*} f(b) - f(a) = \int_a^b f'(t) \,\mathrm{d} t.\end{equation*} Pomocí integrace tedy můžeme ze znalosti okamžité změny veličiny zrekonstruovat její celkovou změnu na jistém intervalu!
Označuje-li \(x(t)\) polohu bodu pohybujícího se po přímce v čase \(t\in\mathbb{R}\), pak \(x'(t)\) představuje jeho okamžitou rychlost v čase \(t\) a změna polohy mezi časy \(0\) a \(1\) je \begin{equation*} x(1) - x(0) = \int_0^1 x'(t) \mathrm{d}t.\end{equation*} Okamžitá změna rychlosti, tj. \(x''(t)\), se nazývá zrychlení.
Z mostu nad řekou upustíme kámen a za \(5.6\) sekundy uslyšíme jak dopadne do vody. Jaká je výška mostu38? Označme vertikální polohu kamene v čase \(t\) jako \(h(t)\), hladině odpovídá \(h=0\). Při volném pádu je kámen urychlován pouze tíhovou silou, tedy \begin{equation*} h''(t) = -g\end{equation*} Počáteční polohou je neznámá výška mostu \(h(0) = H > 0\) a počáteční rychlostí je \(h'(0) = 0\). Rychlost v okamžiku \(t\) je tedy \begin{equation*} h'(t) = h'(0) + \int_0^t h''(s) \,\mathrm{d}s = 0 + \big[ -g s \big]_0^t = -gt.\end{equation*} Poloha kamene v čase \(t\) je pak \begin{equation*} h(t) = h(0) + \int_0^t h'(s) \,\mathrm{d}s = H -g \Big[ \frac{s^2}{2} \Big]_0^t = H - \frac{1}{2}gt^2.\end{equation*} Mezi okamžikem dopadu a okamžikem kdy dopad uslyšíme uplyne čas \(\frac{H}{v_z}\), kde \(v_z \approx 343.2 m/s\) je rychlost zvuku. Dopadl-li kámen v čase \(T\), pak \(h(T) = 0\), tedy \(T = \sqrt{\frac{2H}{g}}\). Celkem \begin{equation*} T + \frac{H}{v_z} = 5.6 \quad \Rightarrow \quad \sqrt{\frac{2H}{g}} + \frac{H}{v_z} = 5.6 \quad \Rightarrow \quad H + v_z \sqrt{\frac{2}{g}} \sqrt{H} - 5.6\cdot v_z = 0\end{equation*} a proto \(H = 133.2 m\).
Obrázek 10.5: Ilustrace k příkladu 10.13.
Nechť v kanistru s kapacitou \(25\) litrů je \(1\) litr vody v okamžiku \(t=0\) a je poté napouštěna rychlostí \(3t^2 - 2t + 3\) litrů vody za minutu. Voda z nádoby vytéká trhlinou rychlostí \(2\) litry za minutu. Kolik je v kanistru vody po třech minutách? Označme objem vody v kanistru v čase \(t\) symbolem \(V(t)\). Podle zadání je \(V(0) = 1\) litr. Změna množství vody je \begin{equation*} V'(t) = 3t^2 - 2t + 3\, {\color{red}-} \, 2 = 3t^2 - 2t + 1.\end{equation*} Takže množství vody v kanistru po třech minutách je \begin{equation*} \begin{aligned} V(3) &= V(0) + \int_0^3 \big( 3t^2 - 2t + 1 \big) \mathrm{d}t = 1 + \Big[ t^3 - t^2 + t \Big]_0^3 = \\ &= 1 + 27 - 9 + 3 = 22 \, \text{litrů}. \end{aligned}\end{equation*}