Добавил:

pro100durachok Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (бывш. СПбГПУ)

Предмет:

Высшая математика

Файл:

Мат. анализ 1

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

27.08.2020

Размер:

3.05 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 2414 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

131

2. Оценки определенного интеграла.

Пусть функция

интегрируема на промежутке

, тогда

Действительно:

;

Пример.

Оценим определенный интеграл

Здесь

;

Следовательно:

Следствие 3.

Пусть функция

непрерывна на промежутке

Тогда если

такое, что

, то

Доказательство.

Пусть

; по свойству непрерывных функций в некоторой окрестности

точки

значения функции

сохраняют тот же знак (см.

глав 5, §3). Можно

считать, что в некоторой

- окрестности точки

выполняется неравенство:

. По свойству аддитивности имеем:

Так как

, то

Следовательно:

Следствие доказано.

Следствие 4.

Пусть функция

непрерывна на промежутке

Тогда если

, то

Действительно: если

, то

такое, что

;

а в этом случае по Следствию 3 имеем:

, что противоречит условию.

3. Неравенство Коши-Буняковского.

Пусть функции

интегрируемы на промежутке

. Тогда

132

Доказательство.

Для любого действительного числа

имеем:

Введем обозначения:

;

Тогда имеем неравенство:

. Квадратный

трехчлен неотрицателен на всей числовой оси лишь тогда, когда его дискриминант

неположителен:

. Неравенство доказано.

Теорема о среднем значении.

Пусть функция

интегрируема на

;

Тогда

Доказательство.

Согласно оценкам определенного интеграла имеем:

Введем обозначение:

;

тогда

причем

. Теорема доказана.

Частный случай теоремы о среднем значении.

Пусть функция

непрерывна на

. Тогда

Доказательство.

По доказанной теореме имеем:

где

, причем

наименьшее значение

на

наибольшее значение

на

По теореме Больцано - Коши (см.

глав 5, §4) непрерывная функция на отрезке

принимает все промежуточные значения между наименьшим и наибольшим значениями

функции. Следовательно,	:	.
Тогда получаем:		. Теорема доказана.

133

Число		называется интегральным средним значением
Число		называется интегральным средним значением
функции	на промежутке	.

Геометрический смысл теоремы о среднем значении.

По теореме о среднем значении имеем: площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции , осью и прямыми

,- равна площади прямоугольника

с основанием

и с некоторой «средней высотой»

§ 4. Основная формула интегрального исчисления.

Определенный интеграл с переменным верхним пределом.

Если функция		интегрируема на промежутке			, то она интегрируема и на
промежутке	, где	любое значение из		:
					.
Рассмотрим определенный интеграл от функции					на промежутке	:
	который является функцией от			и называется определенным интегралом с
переменным верхним пределом. Введем обозначение:
			,	гд	.
Если		, то
функция	задает площадь
переменной фигуры, ограниченной
графиком функции		, осью	и
вертикальными прямыми, проходящими
вертикальными прямыми, проходящими
через точки	и на оси абсцисс.

Отметим некоторые свойства функции			.
Теорема о непрерывности функции		.
Если функция	интегрируема на		, то функция	непрерывна на	.
Доказательство.

134

Пусть

произвольная точка на

; тогда

имеем:

Так как

, то

ограниченная функция, т.е.

Тогда при

имеем:

, а при

имеем:

Таким образом,

имеем следующие неравенства:

Переходя в последнем неравенстве к пределу при

, получим:

, что означает непрерывность функции

в точке .

Так как

произвольная точка на

, то функция

непрерывна на

Теорема доказана.

Теорема Барроу

о дифференцируемости функции

Пусть функция

непрерывна на

. Тогда функция

дифференцируема

на

Доказательство.

Пусть

произвольная точка на

; тогда

имеем:

; по теореме о среднем значении имеем:

, где точка

лежит между точками

и , причем это

равенство справедливо и для

и для

. Тогда

Если

, то

, т. к. точка лежит между

, при этом

в силу непрерывности функции

Тогда получаем равенство:

, которое означает, что

Так как

произвольная точка на

, то функция

дифференцируема на

Теорема доказана.

Доказана формула:

Из этой формулы следует, что функция

является

первообразной для

на

. Тем самым доказана теорема о существовании

первообразной для непрерывной функции (см. главу 1, §1): для функции

такой

первообразной будет функция

Замечание.

135

Для определенного интеграла с переменным нижним пределом: , справедлива формула:

	Это следует из равенства:						.
Формула Ньютона - Лейбница.
Теорема.
	Пусть функция		непрерывна на			, а	какая-нибудь первообразная
для	на	. Тогда
						.
Доказательство.
	Так как	непрерывна на			, то функция				также является
первообразной для			на	. Следовательно, функции				и	отличаются на
постоянную величину, как две первообразные для одной и той же функции:
						, где		.
	Подставим в это равенство				:

						.
	Подставляя в последнее равенство					, получим:			, или
						.	Теорема доказана.

Полученная формула называется формулой Ньютона - Лейбница:

Формула Ньютона - Лейбница устанавливает связь между двумя изначально разными понятиями: неопределенным и определенным интегралами.

С помощью этой формулы можно вычислить определенный интеграл от непрерывной функции, если известна ее первообразная (или неопределенный интеграл).

Примеры.

1).			.

2).				.

3).	.
4).	.
5).		.

136

6).		.

7).					.

8).			.

9).				.

10).
	.

§ 5. Методы вычисления определенных интегралов.

Интегрирование по частям в определенном интеграле.

Для неопределенного интеграла формула интегрирования по частям имеет вид:

Соответствующую формулу получим и для определенного интеграла.

Теорема 1.
Пусть функции				непрерывно дифференцируемы на
промежутке	(т.е.	,	и	,	непрерывны на	).

Тогда справедлива формула:

, или сокращенно:

Доказательство.

		. Формула доказана.
	Примеры.
	1).
	1).

		.
	2).
	2).

		.

137

3). Вычислим интегралы

, где

Получаем рекуррентное соотношение:

При

и имеем:

;

Если

нечетное число, то

Если

четное число, то

Точно такие же результаты получаются и для .

Таким образом, имеем формулы:

если

нечетное

если

четное

Например:

;

Следствием этих формул является приведенная ниже знаменитая формула

Валлиса

Учитывая, что

, проинтегрируем эти

неравенства в промежутке

Применяя формулы для интегралов , получим:

или

138

Здесь число

находится между двумя выражениями, разность между которыми

стремится к

при

Следовательно:

или

формула Валлиса.

Формула Валлиса имеет исторический интерес как первое представление числа

в виде предела легко вычисляемой рациональной последовательности.

Замена переменной в определенном интеграле.

Для неопределенного интеграла формула замены переменной имеет вид:

Соответствующая формула имеет место и для определенного интеграла.

Теорема 2.

Дан определенный интеграл

, где функция

непрерывна на

промежутке

. Пусть функция

определена в некотором промежутке

удовлетворяет следующим условиям:

1) значения функции

не выходят за пределы промежутка

при

2) функция

непрерывно дифференцируема на промежутке

;

Тогда справедлива формула:

Доказательство.

Пусть

первообразная для функции

, тогда

первообразная для функции

. Применим формулу Ньютона - Лейбница.

Формула доказана.

Замечание.

Вычисляя неопределенный интеграл с помощью замены переменной, необходимо возвращаться к старой переменной ; при вычислении определенного интеграла в этом нет надобности.

Пример 4.

139

Определенный интеграл от четной, нечетной и периодической функции.

Рассмотрим определенный интеграл по промежутку ,

симметричному относительно начала координат; используя свойство аддитивности определенного интеграла, разложим его в сумму двух интегралов:

				.
Преобразуем первый из этих интегралов.

		. Тогда получим:
				.
Таким образом, для любой функции			, непрерывной на промежутке		,
имеем следующее равенство:
				.
				.

Если	четная функция, т.е.			, то

Если

нечетная функция, т.е.

, то

Итак, имеем:

для четной функции;

для нечетной функции.

Например:

, так как подынтегральная функция

нечетная, а промежуток интегрирования симметричен относительно начала координат.

								140
Рассмотрим непрерывную периодическую функцию					. Пусть число			-
период функции	, т.е.		. Тогда определенный интеграл от
на любом промежутке с длиной, равной периоду , имеет одно и то же значение:

				.
Действительно:
Действительно:
1)					;
2)

			;
3)					.
Например:
		,						.
		,						.
Определенный интеграл как предел интегральных сумм.
В §2 были получены следующие формулы:
(1)						и
(1)						и
(2)							.

С помощью этих формул можно вычислять определенные интегралы как пределы некоторых последовательностей (см. Пример 1 из §2). Однако такой способ вычисления интегралов требует значительных усилий даже для простых функций.

Применение указанных формул, тем не менее возможно, но для решения обратной задачи, а именно: для вычисления пределов последовательностей путем сведения их к определенным интегралам.

Пример 5.
Пусть	,	. Тогда	.
Пусть	,	. Тогда	.
С другой стороны, по формуле (2) имеем:

Таким образом, получаем предел последовательности:

Например:

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 2414 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>