- •Интегральное исчисление функции одной переменной неопределенный интеграл
- •Первообразная функция и её свойства
- •Понятие неопределённого интеграла
- •Свойства неопределённого интеграла
- •Методы интегрирования
- •Непосредственное интегрирование
- •Интегрирование подстановкой
- •Интегрирование по частям
- •Интегрирование рациональных дробей Разложение рациональной дроби на сумму простых дробей
- •Интегрирование простых дробей
- •Интегрирование тригонометрических выражений
- •Интегрирование некоторых видов иррациональных выражений
- •Определённый интеграл
- •Задача, приводящая к определённому интегралу
- •Геометрический смысл определённого интеграла
- •Свойства определённого интеграла
- •Вычисление определенного интеграла. Формула Ньютона–Лейбница Интеграл с переменным верхним и постоянным нижним пределами и его свойства
- •Формула Ньютона–Лейбница
- •Методы интегрирования определённого интеграла Замена переменной в определённом интеграле
- •Интегрирование по частям в определённом интеграле
Свойства определённого интеграла
1)
2)
3)
4)
5) Если функция f(x) интегрируема на отрезках [a;c] и [c;b], то она интегрируема и на отрезке [a;b], причём верно равенство:
при любом расположении точек a, b и c на оси Ox.
6) Если f (x) 0 при x [a;b], то
7) Если на отрезке [a;b] f (x) g (x), то
8) Теорема 2 (о среднем значении определённого интеграла). Если функция f (x) непрерывна на отрезке [a;b], то на этом отрезке найдётся хотя бы одна точка c, в которой выполняется равенство:
Доказательство. Так как функция f(x) на отрезке [a;b] непрерывна, то она достигает на этом отрезке своих наименьшего “m” и наибольшего “M” значений. Тогда m f(x) M для любого x[a;b]. По свойству 7 определённого интеграла можно записать неравенство:
Так как m и M – постоянные числа, то
()
Вычислим по определению определённого интеграла
Тогда неравенство () можно переписать в виде:
.
Разделим все части полученного неравенства на (b – a) > 0 (длина отрезка интегрирования):
Так как функция f(x) непрерывна на отрезке [a;b], то она принимает все значения, заключённые между наименьшим “m” и наибольшим “M” значениями. Значит найдётся на отрезке [a;b] хотя бы одна точка c, в которой выполняется равенство:
.
Теорема доказана.
Вычисление определенного интеграла. Формула Ньютона–Лейбница Интеграл с переменным верхним и постоянным нижним пределами и его свойства
Определение
4. Пусть
функция y
= f(x)
непрерывна на отрезке [a;b].
Тогда она непрерывна на отрезке [a;x]
для любого x[a;b].
Следовательно, на отрезке [a;b]
определена функция
,
которая называется интегралом
с переменным верхним пределом.
Свойства этой функции сформулируем в виде теоремы.
Теорема 3. Пусть функция f(x) непрерывна на отрезке [a;b]. Тогда функция обладает свойствами:
1) непрерывна на отрезке [a;b];
2) имеет производную
F'(x)
в каждой точке x[a;b],
удовлетворяющую равенству
.
Доказательство. Вычислим приращение функции F(x), причём Dx возьмём таким, чтобы точка x + Dx [a;b].
Тогда
.
Применим к полученному интегралу теорему о среднем значении определённого интеграла, т.е. на отрезке [x; x + Dx] существует такое число c, в котором выполняется равенство:
Значит, F = f (c) Dx, где c [x; x + Dx].
Если Dx 0, то c x (так как x < c < x + Dx).
Поэтому, в силу непрерывности f (x), получим f (c) f (x) при Dx0.
Таким образом, DF0 при Dx0, что доказывает непрерывность F(x).
Кроме того, вычисляя предел отношения DF к Dx при Dx 0, получим:
,
т.е. существует конечный предел отношения DF к Dx при Dx 0, что означает существование производной F' (x) = f (x).
Теорема доказана.
Из теоремы 3 следует, что функция является первообразной для функции f (x).
Формула Ньютона–Лейбница
Теорема 4. Пусть функция f (x) непрерывна на отрезке [a;b] и (x) – какая-либо её первообразная на отрезке [a;b]. Тогда определённый интеграл от функции f(x) по отрезку [a;b] равен разности значений функции F(x) в точках b и a:
Доказательство. Из теоремы 3 следует, что наряду с функцией F(x) функция также является на отрезке [a;b] первообразной для f(x). Тогда по свойству первообразных для одной и той же функции на некоторой области имеем:
для любого x
[a;b]
()
Вычислим значение
const.
Для этого, используя свойство 1
определённого интеграла (§3, п.2, с. 93)
,
рассмотрим равенство ()
при x
= a:
Следовательно, равенство () можно переписать в виде:
для
x
[a;b]
Теперь рассмотрим полученное равенство при x = b:
Это и есть формула Ньютона–Лейбница. Она является основной формулой интегрального исчисления, устанавливающей связь между определённым и неопределённым интегралами, и даёт правило вычисления определённого интеграла.
Замечание. Формулу Ньютона–Лейбница часто записывают в виде:
,
где используется обозначение:
.
Задача вычисления определённого интеграла свелась к нахождению первообразной непрерывной функции.
Пример 1. Вычислить интеграл:
Ответ:
.
Пример 2. Вычислить интеграл:
.
Ответ:
.
