- •Введение
- •РАЗДЕЛ 1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
- •§1. Основные понятия
- •§2. Геометрическое изображение функции двух переменных
- •§3. Предел и непрерывность функции нескольких переменных
- •§4. Частные производные
- •§5. Дифференцирование функции нескольких переменных
- •§6. Дифференцирование сложных функций двух переменных
- •§7. Дифференцирование неявных функций двух переменных
- •§8. Полный дифференциал
- •§9. Полные дифференциалы высших порядков
- •§10. Производная функции по направлению вектора
- •§11. Градиент
- •§12. Касательная плоскость и нормаль к поверхности
- •§13. Экстремум функции нескольких переменных
- •§14. Условный экстремум
- •§16. Контрольные работы по разделу «Дифференциальное исчисление функции нескольких переменных»
- •РАЗДЕЛ 2. ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ
- •2.1. Неопределенный интеграл
- •§17. Основные понятия
- •§20. Замена переменных в неопределенном интеграле
- •§21. Интегрирование по частям
- •§22. Интегрирование рациональных дробей
- •§23. Метод Остроградского
- •§24. Интегрирование тригонометрических функций
- •§25. Интегрирование иррациональных функций
- •§27. Задача о площади криволинейной трапеции
- •§29. Определенный интеграл с переменным верхним пределом
- •§30. Замена переменной в определенном интеграле
- •§31. Формула интегрирования по частям в определенном интеграле
- •§33. Приложения определенного интеграла
- •§34. Контрольные работы по разделу «Интегральное исчисление функции одной действительной переменной. Определенный интеграл»
- •Библиографический список
- •Приложение 1
- •Приложение 2
- •Приложение 3
- •Приложение 4
- •Приложение 5
- •Приложение 6
- •Приложение 7
- •Приложение 8
- •Приложение 9
- •Приложение 10
- •Приложение 11
- •Приложение 12
- •Приложение 13
- •Приложение 16
- •Приложение 17
- •Приложение 18
- •Приложение 19
- •Приложение 21
- •Приложение 22
2.2. Интегральное исчисление функции одной действительной |
||||||||||||||
переменной. Определенный интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
§27. Задача о площади криволинейной трапеции |
|
|||||||||||||
Пусть |
задана |
непрерывная |
|
на |
|
отрезке |
[a,b] |
функция |
||||||
y = f (x) ≥ 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задача: найти площадь криволинейной трапеции ST , то есть |
||||||||||||||
площадь плоской фигуры T , ограниченной кривой y = f (x) |
и прямы- |
|||||||||||||
ми y = 0; x = a ; x = b (рис. 19). |
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||
|
|
|
|
|
|
y = f (x) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
a |
|
|
|
b |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Рис. 19 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Решение. |
|
|
отрезок |
|
[a, b] |
|
произвольно |
точками |
||||||
a = x0 < x1 < x2 < ... < xk−1 < xk < ... < xn |
|
Д |
|
|||||||||||
= b . |
Обозначим ∆xk = xk − xk−1 – |
|||||||||||||
длины получившихся отрезков, |
k =1, 2, ..., n . |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
||||||
f |
~ |
Разобьем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(xk ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
f |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(x1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С |
a = x |
~ |
~ |
x |
− |
~ |
|
|
x |
~ |
b = x |
|
||
x x |
x x |
x x |
x |
|
||||||||||
0 |
1 1 |
2 2 |
k |
1 |
k |
k |
|
n−1 |
n |
n |
|
|||
|
|
|
Рис. 20 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
208 |
|
|
|
|
|
|
|
|
В каждом из получившихся отрезков [xk−1, xk ] |
выберем произ- |
|
вольно точки xk и вычислим значение функции |
y = f (xk ) в выбран- |
|
~ |
|
~ |
ных точках. Составим ступенчатую фигуру из прямоугольников, ос-
нованиями которых служат отрезки [xk−1, xk ], а высоты равны |
f (xk ) |
|||||
|
|
|
|
|
|
~ |
(рис. 20). |
|
|
|
И |
||
Площадь ступенчатой фигуры равна |
|
|||||
|
|
|
|
|||
~ |
~ |
~ |
n |
|
~ |
(50) |
Sn = f (x1 )∆x1 + f (x2 )∆x2 |
+ ... + f (xn )∆xn = ∑ f |
(xk )∆xk . |
||||
|
|
|
k=1 |
|
|
|
|
|
Д |
|
|||
Получили {Sn } – последовательность сумм (50). |
|
|||||
Можно считать, |
что площадь ступенчатой фигуры примерно |
равна площади криволинейной трапеции |
ST ≈ Sn . |
Ошибка вычисления будет тем меньше, чем больше точек выби- |
|
рается на [a,b]. Положим, по определению, что площадь криволиней- |
|
ной трапеции равна |
|
ST = lim Sn . |
(51) |
n→∞ |
|
|
|
|
Замечание. Предел(49) вычисляем при условии, что одновре- |
||||||||||||||||||||||
менно с увеличением числа n выполняется условие max ∆xk → 0, то |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч сла точек xk |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|||||
есть при увел чен |
нужно следить за тем, чтобы все |
||||||||||||||||||||||||
дл ны отрезков [xk−1 |
, xk ] |
А |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
стремились к нулю. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
= x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
0 |
x |
1 |
x = |
|
|
a = x0 |
x1 |
x2 |
b = xn |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
b xn |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
. 21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
На рис. 21 показано правильное расположение точек на [a,b], на |
||||||||||||||||||||||
рис. 22 – неправильное, |
т.к. [x1, x2 ] |
|
при увеличении числа точек не |
||||||||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
изменяет своей длины (условие max ∆xk → 0 не выполнено).
k
209
§28. Определение определенного интеграла и его |
|||||||||||||||
геометрический смысл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пусть функция |
y = f (x) |
определена и непрерывна на отрезке |
|||||||||||||
[a,b]. Аналогично тому, как это сделано в предыдущем параграфе, со- |
|||||||||||||||
ставим сумму |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Sn |
|
n |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(52) |
|
|
|
= ∑ f (xk )∆xk . |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Будем называть Sn (52) |
интегральной суммой. |
на [a,b] назы- |
|||||||||||||
Определённым интегралом от функции |
y = f (x) |
||||||||||||||
вается число, равное пределу |
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||
|
|
|
|
lim |
n |
|
~ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
∑ f (xk )∆xk . |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
n→∞ |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
{∆x |
→0}k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
∫ |
|
Это число |
|
|
|
символом |
∫ f (x)dx |
|
или |
f (x)dx. При |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
[a,b |
] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|||||
этом b – верхний предел, a – нижний предел интегрирования. |
|||||||||||||||
Итак, значение определенного интеграла по определению равно |
|||||||||||||||
|
|
b |
f (x)dx |
= |
lim |
n |
~ |
)∆x |
|
. |
|
(53) |
|||
|
|
∫ |
∑ f (x |
k |
|
||||||||||
|
|
|
Аk |
|
|
|
|
||||||||
|
|
a |
|
|
|
|
n→∞ |
k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
{∆xk |
→0} |
|
|
|
|
|
|
|
|
Геометр ческ й смысл определенного интеграла |
|||||||||||||||
|
обозначается |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
и |
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
y = f (x) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
0 |
a |
|
|
b |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 23 |
|
|
|
|
|
b |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если f (x) ≥ 0 на [a,b], то определенный интеграл ∫ f (x)dx ра- |
|||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
вен площади криволинейной трапеции ST |
(рис. 23). |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
210 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Свойства определенного интеграла |
||||||||||
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. |
∫ f (x)dx = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
∫ f (x)dx |
= −∫ f (x)dx . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
a |
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Свойства 1 и 2 очевидно следуют из определения определенного |
|||||||||||||||
интеграла. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
||||
|
b |
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
b |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|||
3. |
∫[f (x) ± g(x)]dx = |
∫ f (x)dx ±∫ g(x)dx . |
|
||||||||||||
|
a |
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
a |
|
|
|
|
Доказательство. |
|
|
А |
|
|||||||||||
b |
b |
|
|
|
b |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
~ |
|
~ |
|
|||
∫[f (x) ± g(x)]dx = lim ∑ |
[f (xk ) ± g(xk )]∆xk = |
||||||||||||||
a |
|
|
|
|
|
n→∞ k=1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
n |
|
~ |
|
|
|
n |
~ |
|
|
|
|
|
= lim |
∑ f |
(xk )∆xk |
± |
∑ g(xk )∆xk |
= |
|
|
||||||||
|
n→∞ |
|
k=1 |
|
|
|
k=1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
= lim |
|
n |
~ |
|
|
|
n |
~ |
|
|
b |
|
b |
||
∑ f |
(xk )∆xk ± lim ∑ g(xk )∆xk |
= ∫ f (x)dx ±∫ g(x)dx. |
|||||||||||||
и |
n→∞ k=1 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
n→∞ k=1 |
|
|
|
|
|
a |
|
a |
||||||
4. ∫c f (x)dx = c∫ f (x)dx. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
a |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Доказательствоб: |
|
|
|
|
|
||||||||||
b |
|
|
|
|
n |
|
|
~ |
|
|
|
n |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
∫ c f (x)dx = lim ∑c f (xk )∆xk = lim c ∑ f |
(xk )∆xk = |
||||||||||||||
a |
|
|
|
|
n→∞ k=1 |
|
|
|
|
|
n→∞ |
k=1 |
|
|
|
|
|
|
n |
|
~ |
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
= c lim ∑ f |
(xk )∆xk |
|
= c∫ f (x)dx. |
|
|
|
|
||||||||
|
n→∞ k=1 |
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
∫c dx = c(b − a) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a
211
Это свойство очевидно из рис. 24. |
|
|
|||||||
|
|
c |
y = c |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
Рис. 24 |
|
|
|
|||
|
|
b |
|
|
|
c |
|
b |
|
6. Если |
a < c < b, то |
∫ |
f (x)dx = |
∫ |
f (x)dx + |
∫ f (x)dx. |
|||
|
|
a |
|
|
|
a |
|
c |
И |
Свойство проиллюстрировано на рис. 25. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
y = f (x) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Д |
||
|
|
a |
|
c |
|
b |
|
|
|
|
|
|
Рис. 25 |
|
|
|
|||
|
|
Аb |
|
|
|||||
7. Если |
f (x) ≥ 0 на |
[a, b], то |
∫ f |
(x)dx > 0 . |
|
|
|||
|
б |
a |
|
|
|
|
|||
|
b |
|
|
|
|
||||
8. |
∫ f (x)dx < 0 . |
|
|||||||
f (x) ≤ 0 на |
[a,b], то |
|
|
||||||
Если |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
212 |
|
|
|
|
9. Если f (x) ≤ g(x) на [a,b], то |
b |
b |
∫ f (x)dx < ∫ g(x)dx (рис. 26). |
||
|
a |
a |
a
Рис. 26
|
b |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10. |
∫ f (x)dx |
|
≤ ∫ |
|
f (x) |
|
dx. |
|
|
|
|||||
|
a |
|
a |
|
|
|
|
Доказательство. Очевидно, что − |
|
f (x) |
|
≤ f (x) ≤ |
|
f (x) |
. Проин- |
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
тегрируем неравенство по отрезку [a,b]. |
|
По |
|
|
|
|
|
И |
||||||||||||
|
|
свойству 9 получаем |
||||||||||||||||||
b |
|
|
|
|
b |
|
|
b |
||||||||||||
− ∫ |
|
f (x) |
|
dx ≤ ∫ f (x)dx ≤ ∫ |
|
f (x) |
|
dx , |
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
a |
|
|
|
|
a |
|
|
a |
||||||||||||
то есть верно свойство 10. |
|
|
|
Д |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
b |
|
f (x)dx |
≤ b |
f (x) |
|
dx. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
∫ |
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
a |
a |
||||||||||||||||
|
|
|
Следств я.
|
наб[a,b] верно, что f (x) ≤ k , то |
|
b |
|
|
|
|
|
|
||||
1. |
|
∫ f (x)dx |
|
≤ k(b − a). |
||
|
|
|
|
a |
|
|
2. |
m − на меньшее, |
M − наибольшее значения функции |
||||
y = f (x) на [a,b], то |
|
|
|
|
|
|
Если |
|
|
|
|
|
|
С |
b |
f (x)dx ≤ M (b − a). |
||||
m(b − a) ≤ ∫ |
||||||
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
213
11. Теорема о среднем значении.
Пусть функция y = f (x) непрерывна на [a,b]. Тогда существует точка c [a,b], такая, что верна формула
b |
|
|
∫ f (x)dx ≤ |
f (c) (b − a) . |
(54) |
a |
|
|
Доказательство. Непрерывная функция y = f (x) на [a,b] при-
нимает свое наименьшее значение m и наибольшее M на данном отрезке. То есть на [a,b] верно неравенство m ≤ f (x) ≤ M . Проинтегри-
ровав данное неравенство с учетом свойства 9, получим
|
|
|
|
|
b |
|
|
b |
|
b |
|
И |
|
|
|
|
|
∫mdx ≤ ∫ f (x)dx ≤ ∫Mdx . |
|||||||
|
|
|
|
|
a |
|
|
a |
|
a |
|
|
|
По свойству 5 имеем |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m(b |
− a) ≤ ∫ |
f (x)dx ≤ M (b − a) , |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
Д |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
f (x)dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
m ≤ |
a |
|
≤ M . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b − a |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Непрерывная функц я принимает все промежуточные значения |
|||||||||||
(теорема |
|
б |
|
[a,b], для которой верно |
||||||||
|
), |
поэтому найдется точка c |
||||||||||
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ f (x)dx |
|
|
|
|
|
|
|
|||
равенство |
a |
|
|
= f (c) , из которого следует утверждение теоремы. |
||||||||
|
|
|
||||||||||
|
Коши |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
b − a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
214