Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

mat_analiz

.pdf
Скачиваний:
170
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
2.98 Mб
Скачать

1)

Разобьем

 

 

 

стержень

 

на

 

 

n

частей

 

 

точками

 

x k (k = 0, 1, 2, K, n):

0 = x 0

< x1

< x 2 <K< x n

= l (см. рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

ξ1

 

 

ξ2

 

 

 

 

ξk

 

 

 

 

 

ξn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0=0

x1

x2

xk–1

xk

xn–1

xn=ℓ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим λ = max(x k x k 1 ),

k =1, K, n . Величина λ есть наибольшая из длин

частичных отрезков, называемая рангом разбиения. Если λ

мало, то на ка-

ждом из отрезков

[x k 1 ; x k ],

k =1, K, n , плотность ρ(x ) не успевает заметно

измениться (в силу предположения о непрерывности

ρ(x )),

поэтому можно

считать (приближенно) частичные отрезки однородными.

 

 

 

2)

Выберем на каждом из отрезков [x k 1; x k ],

k =1, K, n , произвольную точку

ξk , то есть ξk [x k 1 ; x k ],

 

k =1, K, n , и положим, что на отрезке [x k 1 ; x k ] плот-

ность постоянная и равна ρ = ρ(ξk ), k =1, K, n .

 

 

 

 

 

 

3)

Массу k-го отрезка mk вычислим приближенно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mk ρ(ξk )(x k x k 1 ),

k =1, K, n .

 

 

 

 

 

 

4)

Тогда масса всего стержня приближенно равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = mk

ρ(ξk )(x k x k 1 ).

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это приближенное равенство тем точнее, чем меньше значение λ . Будем производить разбиение стержня на части таким образом, чтобы λ стремилось к нулю (тогда n → ∞ !). Этим разбиениям будет соответствовать последова-

тельность сумм (1). Тогда

n

 

m = lim ρ(ξk )(x k x k 1 ).

(2)

λ0

 

(n→∞) k =1

 

2. Задача о пройденном пути

Пусть точка М движется по прямой в течение времени от t=a до t=b и пусть скорость движения в момент времени t есть v = v(t ). Предположим так-

же, что функция v(t ) непрерывна на [a; b].

237

Задача. Зная значения a и b и функцию v(t ), найти путь S, пройденный точкой М.

Решение. Если бы точка М двигалась равномерно, то есть v = v(t )= const , то

s = v (b a).

Однако по условию скорость является непрерывной функцией времени v = v(t ).

Выполним следующие действия:

1) Разобьем весь промежуток времени [a; b] на частичные промежутки точ-

ками tk (k = 0, 1, 2, K, n):

a = t0 < t1 < t2 <K< tn = b .

Обозначим λ = max(tk tk 1 ), k =1, K, n .

2)За малый промежуток времени [tk 1 ; tk ] скорость v(t ) не успевает заметно измениться. Будем считать, что за этот промежуток времени происходит равномерное движение со скоростью v(τk ), где τk - произвольным образом выбранная толчка из промежутка [tk 1 ; tk ].

3)Тогда путь S k , пройденный точкой М за промежуток времени [tk 1 ; tk ], бу-

дет приближенно равен

S k v(τk )(tk tk 1 ).

Следовательно, путь S, пройденный за время от t=a до t=b, равен

n

n

S = S k v(τk )(tk tk 1 ).

k =1

k =1

Это равенство тем точнее, чем меньше λ . Устремляя λ к нулю (а тогда n → ∞), в пределе получим

n

S = lim v(τk )(tk tk 1 ).

λ0 k =1 (n→∞)

238

§ 2. Определение и геометрическая интерпретация определенного интеграла

 

Определение. Пусть на отрезке [a; b] задана функция f (x ). Выполним

следующие действия:

1)

Разобьем отрезок [a; b] на n частей точками

 

a = x 0 < x1 < x 2 <K< x n = b .

Обозначим λ = max(x k x k 1 ), k =1, K, n , λ – ранг разбиения.

 

k

2)

В каждом из частичных отрезков [x k 1 ; x k ] произвольным образом выберем

 

точку ξk и вычислим f = f (ξk ), k =1, K, n .

3)

Составим произведения

 

f (ξk )x k , где x k = x k x k 1 , k =1, K, n .

4)

Вычислим сумму

n

σn = f (ξk )x k . k =1

Эту сумму называют интегральной суммой для функции f (x ) по от-

резку [a; b].

5)Увеличивая неограниченно n, будем измельчать дробление так, чтобы

λ0 . Получится последовательность интегральных сумм {σn }. Найдем

lim σn .

λ0 (n→∞)

Если существует конечный предел интегральных сумм, не зависящий ни от способа дробления отрезка ни от выбора точек ξk , то он называется опреде-

ленным интегралом от функции f (x ) на отрезке [a; b] и обозначается

b

f (x )dx .

a

Таким образом, по определению имеем

b

 

n

 

f (x )dx =

λlim0

f (ξk )x k .

(3)

a

(n→∞) k =1

 

239

Переменная х называется переменной интегрирования, a и b – соответст-

венно нижним и верхним пределами интегрирования. Функция, для кото-

b

рой существует f (x )dx , называется интегрируемой на отрезке [a; b].

a

Рассмотрим вопрос о том, какие функции являются интегрируемыми? Ответом служат две теоремы.

Теорема 1. Если функция f (x ) непрерывна на отрезке [a; b], то она ин-

тегрируема на нем.

Теорема 2. Если функция f (x ) кусочно-непрерывна1 на отрезке [a; b],

то она интегрируема на этом отрезке.

Таким образом, возвращаясь к рассмотренным выше задачам, получа-

ем:

– масса неоднородного стержня длины l вычисляется по формуле

l

m = ρ(x )dx ,

0

где ρ(x ) - функция плотности;

– путь, пройденный неравномерно двигающейся точкой за время от t=a до t=b, вычисляется по формуле

b

S = v(t )dt ,

a

где v(t ) - функция скорости.

Геометрическая интерпретация определенного интеграла

Пусть на отрезке [a; b] задана непрерывная неотрицательная функция

f (x ) ( f (x )0 на [a; b]).

Плоская фигура, ограниченная прямыми x=a и x=b, осью Ox и графиком функции y = f (x ), называется криволинейной трапецией (см. рис. 3).

1 Функция f (x ) называется кусочно-непрерывной на отрезке [a;b], если она непрерывна во всех точках отрезка, за исключением конечного числа точек разрыва I-го рода.

240

y

y=f(x)

0 a

b x

Рис. 3

Разобьем отрезок [a; b] на n частей точками: a = x 0 < x1 < x 2 <K< x n = b .

В каждом частичном отрезке [x k 1 ; x k ]

выберем ту точку ξk , в которой f (x )

принимает свое наименьшее на этом отрезке значение.

Тогда интегральная сумма

 

n

x k = x k x k 1 ,

σn = f (ξk )x k ,

k =1

равна площади S сф ступенчатой фигуры, состоящей из прямоугольников,

вписанных в криволинейную трапецию (см. рис. 4).

y

y=f(x)

x

0 x0=a x1 x2 - - - - xn–1 xn=b

Рис. 4

Площадью криволинейной трапеции считают предел площадей ступенчатых фигур, получаемых при неограниченном увеличении n числа точек дробления отрезка [a; b] и при условии, что λ 0 , где λ - ранг разбиения:

S = lim S сф =

λ0

(n→∞)

n

lim f (ξk )x k .

(λ0 ) k =1

n→∞

Так как функция f (x ) непрерывна на отрезке [a; b], то этот предел су-

ществует и является определенным интегралом от функции f (x ) на отрезке

[a; b].

241

Таким образом, геометрически интеграл от непрерывной неотрицательной на отрезке [a; b] функции f (x ) есть площадь криволинейной трапе-

ции, ограниченной линиями x=a, x=b, осью Ox и графиком функции y = f (x ):

b

S = f (x )dx .

a

В отдельных случаях геометрический смысл интеграла позволяет указать его величину.

Пример. 1. Найти

3

xdx .

0

Решение. Рассмотрим криволинейную трапецию, ограниченную линиями y = x, x = 3, y = 0 (см. рис. 5).

y

y=x

3

 

0

3

x

Рис 5

Эта трапеция является прямоугольным равнобедренным треугольником. Его площадь равна

S =

 

1

3 3 =

9

.

2

2

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

3

xdx =

9

.

 

 

 

 

 

0

2

 

 

 

Пример. 2. Найти

 

 

 

 

 

 

 

R

R 2 x 2 dx .

0

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Здесь криволинейная трапеция ограничена линией y = R 2 x 2 и координатными осями (см. рис. 6).

242

y

R y = R 2 x2

0

R

x

Рис. 6

Рассматриваемая трапеция есть четверть круга радиуса R, площадь ко-

торой равна S =

1

πR 2 . Следовательно,

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

1

πR 2 .

 

 

R 2 x 2 dx =

 

 

0

 

4

 

Замечание 1. Если функция f (x )

на отрезке [a; b] не положительна, то

есть f (x )0 , то площадь криволинейной трапеции вычисляется по формуле

S = −b f (x )dx .

a

§ 3. Основные свойства определенного интеграла

Будем предполагать, что все подынтегральные функции непрерывны на отрезках интегрирования (следовательно, интегрируемы на этих отрезках). 1. Интеграл с одинаковыми пределами интегрирования равен нулю:

a f (x )dx = 0 .

a

2. b dx = b a .

a

3.Если поменять местами пределы интегрирования, то интеграл изменяет лишь знак:

a f (x )= −b f (x )dx .

ba

4.Для любых a, b, c справедливо равенство

b

c

b

f (x )dx = f (x )dx + f (x )dx .

a

a

c

5. Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла:

243

b сf (x )dx = сb f (x )dx .

aa

6.Интеграл от алгебраической суммы функций равен алгебраической сумме интегралов от этих функций:

b ( f (x )± g(x ))dx = b f (x )dx ± b g(x )dx .

a

a

a

7.Неравенство между функциями можно интегрировать при a<b, то есть если f (x )ϕ(x ), то

b f (x )dx b ϕ(x )dx .

a

a

В частности:

а) если m f (x )M , то m(b a)b f (x )dx M (b a);

a

б) если f (x )0 на [a; b], то b f (x )dx 0 .

a

8.Оценка интеграла. Если f (x ) K для всех x [a; b], то справедливо нера-

венство

 

 

b

f (x )dx

K

 

b a

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

9. Теорема о среднем

значении. Если f (x ) интегрируема на [a; b] и

m f (x )M , то существует число µ , m µ M , такое, что

 

 

 

b

f (x )dx = µ(b a).

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

В частности, если

f (x ) непрерывна на [a; b], то существует такое число

с, a < c < b , что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

f (x )dx = f (c)(b a).

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

Геометрическая интерпретация последнего утверждения: если f (x )0

на отрезке [a; b], то существует, по крайней мере, одно число с такое, что

244

площадь криволинейной трапеции ABCD равна площади прямоугольника

ABC D (см. рис. 7).

y

 

 

y=f(x) C

B'

 

C'

A'

 

 

A

 

D'

0 a

c

b x

Рис. 7

10. Определенный интеграл зависит только от вида функции f (x ) и преде-

лов интегрирования, но не от переменной интегрирования, которую можно обозначать любой буквой:

b f (x )dx = b f (t )dt .

aa

§4. Определенный интеграл как функция своего верхнего предела

Пусть функция f (x ) непрерывна на отрезке [a; b]. Тогда для любого x [a; b] существует интеграл

x f (t )dt .

a

Ясно, что интеграл x f (t)dt зависит от х, то есть, является функцией от х.

a

Обозначим ее через Φ(x ). Имеем

Φ(x )= x f (t)dt .

a

Теорема 3. Функция Φ(x ) дифференцируема на отрезке [a; b], причем

d

x

 

= f (x ),

(4)

 

 

 

Φ (x )=

 

f (t)dt

 

dx a

 

 

 

то есть производная определенного интеграла по его переменному верхнему пределу интегрирования равна значению подынтегральной функции в точке верхнего предела интегрирования.

245

Пример 3.

а)

б)

в)

x

 

t

2

 

 

x

2

 

 

 

е

 

 

= e

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

cos x dx

 

=

5

cos z

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg xdx

 

= 0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

(здесь

Φ(x )= et 2 dt );

 

0

 

z

(здесь

Φ(z)= 5 cos x dx );

 

2

 

1

(здесь

arctg xdx = const ).

 

0

Равенство (4) означает, что функция Φ(x ) является первообразной для функции f (x ).

§ 5. Вычисление определенного интеграла. Формула Ньютона-Лейбница

Пусть функция f (x ) задана и непрерывна на отрезке [a; b]. Рассмотрим

x

b

 

функцию Φ(x )= f (t )dt . Ясно что

Φ(b)= f (x )dx . Так как

Φ (x )= f (x ), то Φ(x )

a

a

 

есть одна из первообразных для

f (x ). Семейство всех первообразных опре-

деляется формулой f (x )dx = F (x )+С , где F (x ) - одна из первообразных для функции f (x ).

Первообразная Φ(x ) входит в это семейство при каком-то значении C 0

произвольной постоянной С:

Φ(x )= F (x )+C0 . Найдем его. Положив х=а, по-

лучим Φ(a)= F (a)+C0 ; но

Φ(a)= 0 . Следовательно, 0 = F (a)+C0 , отсюда

C0 = −F (a).

 

Значит, Φ(x )= F (x )F (a) и Φ(b)= F (b)F (a). Так как

Φ(b)= b f (t )dt = b f (x )dx , то получена формула

a

a

b f (x )dx = F (b)F (a).

a

Эта формула носит название формулы Ньютона-Лейбница.

246

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]