Добавил:
хачю сдать сессию Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

лекции вышмат

.pdf
Скачиваний:
99
Добавлен:
01.06.2024
Размер:
5.41 Mб
Скачать

ЛЕКЦИЯ 15

Вычисление определенного интеграла

Пусть y = f(x) непрерывна на [a, b]

она непрерывна на любом [a, x],

x a, b

существует функция

x F (x) =

a

f (t)dt

интеграл с переменным верхним пределом.

Теорема 1 (о производной определенного интеграла по переменному пределу). Пусть y = f (x) непрерывна на отрезке [a, b]. Тогда

 

d

x

 

f (t)dt = f (x), x a, b .

 

F (x) =

dx

 

a

 

 

Или: производная интеграла по переменному верхнему пределу равна подынтегральной функции в этом верхнем пределе.

верхнему

(1)

значению

F

(x) = lim

F (x + x) F (x)

=

x

x0

 

 

1

 

x+ x

lim

 

 

 

x0

x

a

 

 

 

x

 

9.

f (t)dt

f (t)dt =

a

 

 

 

1

x+ x

 

т. о среднем

 

 

 

 

lim

x

f (t)dt

=

x0

х

 

 

 

 

 

 

=

lim

1

f (

ξ

)(x + x x) = lim

f (ξ) =

x

x0

 

ξ x, x+ x

x0

 

f (x)

в силу непрерывности функции y = f (x).

Замечание. Из теоремы функции y = f (x) : этой

Следствия

1 следует существование первообразной будет F (x)

первообразной для непрерывной

 

x

 

=

 

f (t)dt .

 

 

a

 

 

d

a

 

 

d

 

x

 

1)

 

f (t)dt = −

 

 

f (t

dx

dx

 

 

 

x

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

Используя

правило

фиксированном a,

y = φ(

)dt = − f (x).

дифференцирования сложной функции, имеем при любом

x), z = ψ(x) :

d

ψ( x)

 

d

 

 

a

 

ψ( x)

 

 

 

 

d

 

f (t)dt =

 

 

 

f (t)dt +

 

f (t)dt

 

=

 

 

 

 

 

dx

 

dx

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ( x)

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

φ( x)

 

 

 

 

 

 

= − f ( y) φ (x) +

f (z) ψ (z) =

f (ψ(x)) ψ (x) f

Теорема 2 (формула Ньютона – Лейбница).

и F(x) – любая ее первообразная. Тогда

a

 

 

dy

 

 

d

z

 

 

 

dz

 

 

 

+

 

f (t)dt

 

=

 

 

 

 

 

 

 

f (t)dt

dx

dz a

 

dx

y

 

 

 

 

 

 

 

(φ(x)) φ (x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть функция y = f(x) непрерывна на [a,b]

По теореме 1

доказанному выше

Положим в (3) x = x = b , имеем: F (b)

 

 

 

b

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

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (t)dt

является первообразной функцией для f(x),

x

 

a,b

 

 

по

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

любая первообразная для

f (x)

может быть записана в виде

 

 

 

 

 

 

F (x) = x

f (t)dt +

C

, x a, b .

 

 

 

 

 

 

(3)

 

 

 

 

a

 

 

постоянная

 

 

 

 

 

 

 

 

a F(a) = 0 +C C = F(a) . Подставляя это значение в (3) и полагая

= b

f (t)dt + C = b

f (t)dt + F (a)

F (b) F (a) = b

f (t)dt = b

f (x)dx

a

a

a

a

(переменную интегрирования можно обозначить любой буквой).

80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

Пример. Найти определенный интеграл

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

( x

 

+ 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

xdx

 

 

1

1

d (x

2

+ 1)

 

1

 

1

 

 

1

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

= −

 

 

= −

1) =

 

 

 

 

Решение.

 

2

 

2

 

 

2

 

 

 

2

2

 

 

(

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x

+ 1)

 

2

( x

 

+ 1)

2( x

+ 1)

 

 

 

2

2

 

4

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замена переменной и интегрирование по частям в определённом интеграле

Теорема 3 (замена переменной). Пусть функция y = f (x)

непрерывна на отрезке [a,b].

Пусть функция

x = φ(t)

непрерывно дифференцируема на отрезке

α,β

, т.е. имеет на этом

 

отрезке

 

непрерывную

 

производную

 

φ (t) .

Пусть

φ(α) = a,

φ(β) = b

и при

t (α,β)

φ(t) (a,b).

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

β

f (x)dx = f (φ(t))φ (t)dt.

a

α

(4)

Интеграл слева существует, как интеграл от непрерывной функции; интеграл справа также

существует, так как по условию сложная функция f (φ(t)) непрерывна на отрезке

α,β

 

и

 

φ (t) также непрерывна на этом отрезке.

 

 

 

По формуле Ньютона – Лейбница

для

f(x).

F (φ(t))

является

b

a

f (x)dx = F (b) F (a) , где F(x) – любая первообразная

первообразной

для

f (φ(t))φ (t) ,

так

как

 

 

 

 

 

 

 

= F (x) φ (t) = f (x)φ (t) = f (φ(t))φ (t)

F (φ(t))

 

 

x

 

 

 

 

t

 

по формуле Ньютона– Лейбница

β

α

b f (φ(t))φ (t)dt = F (φ(β)) F (φ(α)) = F (b) F (a) =

a

f

( x)dx

.

При использовании формулы (4) не нужно возвращаться к старой переменной х, нужно просто вычислить интеграл в правой части и подставить пределы по t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Пример. Найти определенный интеграл

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

x =

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

cos t

3

cos

t cos t

sin t

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Решение.

x

 

x

 

1

=

 

sin t

cos

dt

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

2

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

dx

.

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos tdt = sin t

3

=

3

2

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

Интеграл от четной и нечетной функции в симметричных пределах

a

 

0

a

0

a

 

f (x) dx =

f (x)dx + f (x)dx = − f (t)dt + f (x)dx =

a нечётная

a

0

a

0

 

функция

x=−t ,dx=−dt

 

 

 

 

 

 

0

 

a

a

a

 

= f (t)dt + f (x)dx = −

f (t)dt + f (x)dx = 0.

 

a

 

0

0

0

 

Следовательно, интеграл от нечётной (непрерывной) функции в симметричных пределах равен нулю. Аналогично при такой же замене

a

f (x) dx = − 0

f (t)dt + a

f (x)dx = −0

f (t)dt + a

f (x)dx = a

f (t)dt + a

f (x)dx = 2 a

f (x)dx.

a четная

a

0

a

0

0

0

0

 

 

функция

 

 

 

 

 

 

 

 

81

Теорема 4 (интегрирование по частям).

 

Если функции u(x)

и v(x)

дифференцируемы на отрезке [a, b], то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

b

u vdx.

 

 

 

 

 

uv dx = uv a

 

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

 

Или, обозначая v dx = dv,u dx = du,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

b

vdu.

 

 

 

 

 

udv = uv a

 

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

 

(uv) = u v + uv ; интегрируем обе части от a до b:

 

 

 

b

b

b

b

 

 

 

b

b

 

 

 

 

 

b

 

b

 

 

 

 

 

(uv) dx = u vdx + uv dx . Но (uv) dx = uv a (uv) a

= u vdx + uv dx.

a

a

a

a

 

 

 

a

a

 

непрерывно

(5)

(6)

Геометрические приложения определенного интеграла Вычисление площадей плоских фигур

Вычисление площадей в декартовой системе координат

Как было показано выше, площадь криволинейной трапеции, ограниченной прямыми х=а,

 

 

 

 

b

 

x=b, y=0 и графиком функции y = f (x)

0

, равна

S (x) =

 

f (x)dx . Более общий случай

 

 

 

 

 

a

 

приведен на рис.1.

 

 

 

 

 

Рисунок 1

Теорема 5. Площадь криволинейной трапеции, изображенной на рис.1, равна

 

b

 

2

1

 

S =

 

f

(x) dx

 

 

(x) f

 

a

 

 

 

 

(7)

S = S2 S1 = b

f2 (x)dx b

f1 (x)dx = b f2 (x) f1 (x) dx,

что доказывает формулу (7) при

a

 

a

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1 (x) 0 . Теперь докажем,

что формула (7) справедлива и без этого дополнительного

предположения: пусть

f (x) C, x

 

a,b

 

(С < 0

любое)

f (x) C 0

. Теперь сдвинем

1

 

 

 

 

1

 

графики обеих функций вверх на – С, при этом искомая площадь не изменится: S = S1 , где

S1 – площадь криволинейной трапеции, ограниченной

прямыми

x = a и x = b и

графиками неотрицательных функций

 

y = f1(x) C и y = f2 (x) C,

f2 (x) C f1(x) C,

следовательно, по уже полученному,

S = b f2 (x) C f1 (x) + C dx = b f2 (x) f1 (x) dx . ■

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

82

Вычисление площади при параметрическом задании границы области

 

 

Рисунок 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдём площадь

криволинейной трапеции, ограниченной

осью 0х, прямыми

х = а и

х = b и кривой, заданной параметрически: x = φ(t), y = ψ(t) 0,

t

 

α,β

 

, φ(α) = a,

φ(β) = b

 

 

 

 

 

 

(рис. 2); функции

φ(t), φ (t), ψ(t) непрерывны на

α,β

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть уравнения

x = φ(t) и

y = ψ(t) определяют некоторую непрерывную (или кусочно–

непрерывную) функцию

y = f (x) 0, x a, b сделав замену

x = φ(t),

получим:

b

 

 

S = f (x)dx = f (φ(t))φ (t)dt

a

 

y=ψ(t )

 

 

 

 

S

= ψ(t)φ (t)dt

=y(t)dx(t) = ψ(t)φ (t)dt

.

(8)

Замечание. Здесь обязательно, чтобы

α

соответствует левому краю отрезка, а

α β .

β

– правому, поэтому не

Пример. Найти площадь, ограниченную эллипсом x2 + y 2 a2 b2

Рисунок 3

Решение. Запишем уравнения эллипса параметрически:

краю криволинейной трапеции, t = π ( x = 0, y = b) ,

2

= 1 (рис. 3).

x = a cos ty = b sin t

а предел,

, t 0, 2π . Предел, соответствующий левому

соответствующий правому краю трапеции,

 

 

 

0

 

0

1

cos 2t

1

0

 

 

 

 

 

t = 0 (x = a, y = 0)

 

= 4

 

b sin t(a sin t)dt = −4ab

 

 

1

 

dt = −2ab (t

 

sin 2t )

S = 4S

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

Площадь в полярных координатах

= πab.

Теорема 6. Площадь криволинейного сектора, ограниченного лучами r = f (φ) , где f (φ) – непрерывна при φ α,β , (рис. 4) равна

 

1

 

1

 

S =

r 2=

f 2 (φ)dφ .

2

2

 

 

 

 

 

 

φ = α ,

φ = β

и кривой

(9)

83

▲ Рассмотрим произвольное разбиение отрезка

α,β

.

На каждом отрезке

φ

, φ

i+1

 

i

 

 

выберем произвольную точку

ξ

i

Обозначим

r

=

f

 

i

 

 

“ступенчатую” фигуру (рис. 4), ограниченную лучами ri .

у

ri

 

i

 

 

i+1

0

Рисунок 4

)

.

i

 

φ = φ

i

 

 

 

Рассмотрим так называемую

и дугами окружностей радиуса

х

Под площадью криволинейного сектора мы будем понимать предел площадей ступенчатых

фигур при λ 0

, где λ = max φi , φi

= φi+1 φi

, если этот предел существует и не зависит

 

i

 

 

от выбора точек

 

i

 

и

 

 

i

. Тогда

 

n1

 

 

 

 

 

 

n1

1

 

 

 

 

 

1

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

i

2

 

i

 

 

 

 

2

i

i

 

2

 

 

 

S = lim

 

S

 

=

 

lim

 

 

r

φ

 

=

 

lim

 

f

(ξ ) φ

 

 

 

=

 

 

f

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

0

i=0

 

площадь сектора

λ0

i=0

 

 

 

 

 

λ0

i=0

 

 

 

 

f

 

(φ)

 

 

 

 

радиуса r

с

углом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

непрерывная

 

 

 

 

 

α равна

1

2

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функция

 

 

 

 

 

 

2

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

(φ)dφ

 

. ■

Пример. Найти площадь, ограниченную лемнискатой Бернулли ( x2 + y2 )2

 

= x2 y2 (рис. 5).

 

Решение. Для упрощения формулы перейдем к полярным координатам:

r

4

= r

2

cos

2

φ r

2

sin

2

φ = r

2

cos 2φ

график этой функции в полярных координатах. Если S1 - площадь части фигуры, находящейся в 1ой

и построим

четверти, то искомая площадь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4

4

 

 

 

 

 

 

S = 4S1

= 4

 

cos 2φdφ = sin 2φ d = sin 2

4

= 1.

2

0

 

 

0

0

 

Рисунок 5

84

85

Длина дуги плоской кривой

Длина дуги в декартовых координатах

Пусть дана кривая y = f (x) . Разобьём нашу кривую на части точками и соединим эти точки прямыми. Получим так называемую вписанную ломаную (рис. 6).

 

 

 

 

Рисунок 6

 

 

 

 

 

 

 

Под длиной дуги

M

0

M

n понимается предел длин вписанной ломаной

M

M

...M

n1

M

n

при

 

 

0

1

 

 

длине её наибольшего звена s стремящейся к 0, если этот предел существует и не зависит

от выбора точек

M

i .

 

Теорема 7. Пусть функция y = f (x) непрерывно дифференцируема на отрезке [a, b]. Тогда длина дуги M 0 M n равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =

1+ ( y )

2

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x )2

+ ( y )2

 

 

 

l = lim

 

M

M

i+1

= lim

 

 

= lim

 

s0

i

 

 

 

s0

 

i

 

i

 

 

S 0

i=0

 

 

i=0

 

 

 

 

 

 

 

i=0

 

 

 

 

 

 

 

Лагранжа:

 

y

= y

 

y

 

=

f (c )(x

x ) = f

(c ) x

 

 

i

 

i+1

i

 

 

i

i+1

i

 

 

i

i

 

y

1+

i

 

 

x

i

yi =xi

 

f

2

xi ;(ci ),

применим

c

i

 

 

x , x

;

 

 

i

i+1

(10)

теорему

тогда

 

n1

 

 

 

l = lim

 

1+ ( f (c ))

2

x

 

s0

i

 

i ; так как при s 0

i=0

 

 

 

 

 

 

 

для интеграла от непрерывной функции 1+[

 

b

 

 

 

 

b

 

 

 

l =

 

1+ ( f

 

2

dx =

 

 

2

dx . ■

 

(x))

 

 

1+ ( y )

 

max xi 0 , то это есть интегральная сумма

i

f (x)]2 , которая в пределе дает этот интеграл:

a

a

Длина дуги кривой, заданной параметрически

Теорема 8.

Пусть уравнение кривой задано в параметрической форме: x = φ(t), y = ψ(t),

t α,β .

Пусть функции φ(t) и ψ(t) непрерывно дифференцируемы на

α,β и φ (t) 0, t α,β . Тогда длина дуги

▲ По условию теоремы

либо

 

 

 

 

 

 

 

l =

φ (t)

2

+

ψ (t)

2

dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ (t) всюду > 0, либо φ (t)

всюду < 0. Значит,

φ(t)

(11)

всюду либо

возрастает, либо убывает, и существует обратная функция

уравнения x = φ(t), y = ψ(t)

определяют некоторую

производную y =

ψ (t)

.

 

φ (t)

 

 

 

 

а) пусть φ (t) 0, t α,β φ(t) возрастает на α,β x =

t = φ

1

(x)

 

y = ψ(t) = ψ(φ

1

(x))

 

 

 

 

 

 

 

 

функцию y

= f (x), имеющую

φ(t) φ(α), φ(β)

l =

φ(β)

1+ ( y )

2

dx

x=φ(t ) β

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

φ(α)

 

 

 

 

α

 

 

ψ (t)

2

φ (t ) 0

 

 

 

 

 

 

1+

 

 

φ (t)dt

=

 

 

φ (t)

 

 

β

φ (t) 2 +

α

ψ (t)

2

dt

 

;

б) пусть φ (t) 0, t α,β φ(t) убывает на α,β

 

 

φ(α)

 

 

 

 

x=φ(t ) α

 

ψ (t)

2

φ (t )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ ( y )2 dx

φ (t)dt

l =

 

=

1+

 

 

=

 

 

 

 

φ(β)

 

 

 

 

 

β

 

φ (t)

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

φ (t)

2

+ ψ (t)

2

dt . ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = φ(t) φ(β), φ(α)

0 α

 

 

φ (t) 2 + ψ (t) 2 dt =

β

 

 

α

Длина дуги в полярных координатах

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 9. Пусть в полярных координатах задано уравнение кривой

r = f (φ) , где

непрерывно дифференцируема на отрезке

α,β

. Тогда длина дуги

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =

 

'

 

2

+ r

2

 

 

 

 

 

(r

)

 

 

dφ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = r cos φ =

f (φ) cos φ

параметрические уравнения кривой (φ параметр).

y = r sin φ =

 

 

f (φ)sin φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (φ)

(12)

Для нахождения длины дуги мы можем применить формулу (11):

β

 

 

l =

2

2

[ f (φ) cos φ f (φ) sin φ]

+[ f (φ) sin φ + f (φ) cos φ] dφ =

α

 

 

β

= ( f )2 cos2 φ + f 2 sin2 φ 2 f

α

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

=

f

2

(cos

2

φ + sin

2

φ) +

f

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

f cos φ sin φ + ( f )2 sin2 φ +

 

 

 

 

 

 

β

2

(sin

2

φ + cos

2

φ)dφ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

f 2 cos2 φ + 2 f

f

2

+ f

2

dφ.

 

 

 

f sin φ cos φdφ =

Вычисление объёмов тел

Вычисление объемов по площадям параллельных (поперечных) сечений

Пусть имеем некоторое тело Т, x [a,b] и пусть для каждого x [a,b] нам известна

S = S (x) – площадь сечения тела плоскостью, перпендикулярной к оси 0х в точке с абсциссой х (рис. 7); такие сечения называются параллельными, или поперечными. Рассмотрим произвольное разбиение отрезка [a,b]. На каждом отрезке разбиения возьмём

произвольную точку ξi xi , xi+1 и рассмотрим ступенчатое цилиндрическое тело,

86

составленное из цилиндров, изображенных на рис. 8 (основаниями цилиндров будут полученные сечения).

Под объёмом тела V мы будем понимать предел объёмов ступенчатых цилиндрических тел

при λ = max xi 0 , если этот предел существует и не зависит от выбора точек xi и ξi . i

Рисунок 7

 

a = x0 xi

i

 

 

xi+1

 

xk k xk +1 b = xn

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8

 

 

Теорема 10. Если функция S(x) непрерывна на отрезке [a,b], то

 

 

 

 

 

 

 

V = b S(x)dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

n1

 

 

 

n1

 

V = lim

Vi

= lim

Si

xi

= lim Si ) xi

.Последняя

 

λ0

i=0

 

λ

0

i=0

 

 

λ0

i=0

 

 

 

объём iого

 

 

площадь

высота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

циллиндра

 

 

 

основания

 

 

 

 

х

(13)

сумма есть

интегральная сумма для интеграла b S (x)dx , которая, в силу непрерывности

a

подынтегральной функции, в пределе дает этот интеграл: V = b S (x)dx . ■

a

87

ЛЕКЦИЯ 16

ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

(значительную часть этой темы студенты должны разбирать самостоятельно)

Многомерные пространства

Определение 1. Точечным n–мерным арифметическим евклидовым пространством

R

n

 

называется множество всех систем n действительных чисел, для которых расстояние между

точками

x = (x

, x

 

,..., x )

и

y = (y , y

 

,..., y

)

определено по формуле

 

 

 

 

 

 

1

2

 

1

 

( y1

1

2

 

n

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

ρ(x, y) =

 

 

x1 )

2

+ ( y2

x2 )

2

+ ... + ( yn xn )

2

.

 

 

 

 

 

Элементы

x = (x

, x

,..., x

)

называются

точками пространства

R

n

, а числа

x , x

,..., x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

n

 

 

 

1

2

n

называются координатами этих точек. Точка 0 (0,0,…,0) называется началом координат

этого пространства. Пусть

x Rn

и ε 0 . Множество точек y Rn таких, что ρ(x, y) ε ,

называется n-мерным шаром с центром в точке x,

 

или

ε окрестностью точки

x и

обозначается U (x; ε) или

U (x) .

Множество

U (x; ε)

\

x

называется проколотой

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

окрестностью точки

x и обозначается

U (x; ε)

или

 

 

 

последовательности

x

( k )

,

если

lim ρ(x

( k )

, x) =

точке

x , и пишут

lim x

 

 

k

 

 

 

 

( k )

= x . Равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

U (x)

 

 

 

n

называется пределом

. Точка x R

0 . Тогда говорят,

 

что x

( k )

сходится к

 

 

lim x

( k )

= x

равносильно

тому, что

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

ε 0 K = K(ε) :

k K x(k ) U(x,ε) .

 

 

 

 

 

 

 

По аналогии с предыдущим доказывается следующая теорема:

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 1. Для того чтобы последовательность x(k ) = (x(k ) , x(k )

,..., x(k ) ) Rn

имела своим

 

 

 

 

 

 

1 2

 

n

 

 

 

 

 

пределом точку

x = (x

, x

,..., x

)

необходимо и достаточно, чтобы lim x

(k )

= x

,

i =

1, 2,…,n.

 

1

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k i

i

 

 

 

Определение 2. Множество точек в n–мерном пространстве R

n

называется ограниченным,

 

если оно целиком содержится в некотором n–мерном шаре. Точка множества называется его внутренней точкой, если у нее существует окрестность, целиком принадлежащая этому

множеству. Множество точек в

R

n

называется открытым, если все точки этого множества

 

являются внутренними. Точка пространства Rn называется предельной точкой некоторого множества, если в любой ее окрестности содержится точка этого множества, отличная от

исходной точки. множества, если множеству, так

Точка пространства Rn

называется граничной

точкой некоторого

в

любой

ее окрестности

есть

как точки, принадлежащие данному

и

точки,

этому множеству не

принадлежащие.

Совокупность всех

граничных точек множества

X

называется его границей и обозначается X . Множество

точек в R

n

называется замкнутым, если оно содержит все точки своей границы.

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

a, b – некоторый отрезок числовой прямой. Всякое отображение

x(t) этого отрезка

в пространство

R

n

(т.е. соответствие точкам отрезка точек пространства

R

n

) можно описать

 

 

при помощи n

числовых функций

x

= x (t), t

 

a, b

,

i =

1, 2, …, n . Такое отображение

i

i

 

 

называется непрерывным на a, b , если на этом отрезке непрерывны все функции

x

(t)

.

i

 

Любое

непрерывное отображение

отрезка в

 

n мерное пространство называется

непрерывной кривой в этом пространстве. Множество точек в Rn называется связным, если

88

любые две его точки можно соединить непрерывной кривой, целиком принадлежащей

множеству. Открытое связное множество точек из

 

R

n

называется областью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение, предел и непрерывность функции нескольких переменных

 

 

 

Определение 3. Говорят, что задана функция n переменных

y = f (x) = f (x

, x

2

,..., x

n

)

, если

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

каждому значению

x

= (x , x

2

,..., x

n

) X

, где

X

– некоторое множество точек пространства

 

1

 

 

 

 

 

R

n

,

соответствует одно действительное число

y

.

Множество X

 

при этом называется

 

 

 

 

 

областью определения функции

f ,

а точка

 

x

и ее координаты

 

(x , x ,...x

)

 

 

называются

 

 

 

1

 

2

 

 

n

 

 

 

аргументами этой функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 4. Пусть функция y =

f (x)

задана на множестве X R

n

и

x

(0)

– предельная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точка этого множества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x) = b ε 0 δ = δ(ε) 0 : x X , 0 ρ(x, x

(0)

) δ

 

f (x) b ε

. Или:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

( 0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

(0)

 

 

 

 

 

0

 

(0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x) = b U (b) U (x

) : x X U (x

) f (x) U (b).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

( 0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 5.

Пусть функция

 

y = f (x) задана на множестве

X Rn и в точке

x(0) ,

которая является

предельной для этого множества. Эта функция называется непрерывной

в точке x

(0)

, если

lim f (x) =

f (x0 )

(т.е. предел функции в точке равен значению функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

( 0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в этой точке). Обозначив

 

 

 

y = f (x) f (x ),

x = (x

,..., x ),

x =

(x

(0)

,..., x

(0)

)

,

последнее

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

n

 

0

 

1

 

 

 

 

 

равенство

можно

 

также

 

 

 

записать

 

в

виде

 

 

lim y = 0 ,

или

 

lim y = 0

,

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

( 0 )

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x =

x

2

+ ... + x

2

,

 

n

 

1

 

 

xi

= xi

x

(0)

, i

 

i

 

=1, 2,..., n

.

Поскольку определения предела и непрерывности функции нескольких переменных по форме дословно совпадают с соответствующими определениями для функции одного переменного, то для функций нескольких переменных сохраняются (и аналогично доказываются) основные свойства пределов функций и непрерывных функций.

Возникает естественный вопрос: можно ли для вычисления пределов функций нескольких переменных переходить к пределу по аргументам по очереди, т.е. вычислять так называемые повторные пределы? Приведенный ниже пример показывает, что в общем случае этого делать нельзя.

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Вычислить lim

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 0

x2 + y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Повторные пределы в этом случае будут равны

lim(lim

xy

) = lim 0 = 0 и lim(lim

xy

) = lim 0 = 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 0 x 0 x2 + y 2

 

 

 

y 0

x 0 y 0 x2 + y 2

x 0

 

сам же исходный предел вообще не существует: рассмотрим частный случай, а именно, будем приближать точку

(x, y)

 

 

(0,

0)

 

y = kx

 

 

 

 

 

kx2

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к точке

по прямой

, тогда наш предел будет равен lim

=

 

 

но так как это выражение зависит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 0 x2 + k 2 x2

 

 

1 + k 2

 

 

 

 

от k

(т.е. от прямой), а предел функции, если он существует, единственен, то это и означает, что данного предела вообще

нет.

 

Отсюда, в частности, следует, что правило Лопиталя к функциям нескольких переменных применять нельзя.

Рассмотрим еще два примера неопределенностей вида 00 :

89