лекции вышмат
.pdf
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 |
|||
x→0 |
|
|
1 |
|
x+ x |
lim |
|
|
|
x→0 |
x |
a |
|
|
|
|
|
x |
|
9. |
f (t)dt − |
f (t)dt = |
|
a |
|
|
|
1 |
x+ x |
|
т. о среднем |
|
|
|
|
|
lim |
x |
f (t)dt |
= |
|
x→0 |
х |
|
|
|
|
|
|
|
=
lim |
1 |
f ( |
ξ |
)(x + x − x) = lim |
f (ξ) = |
|
x |
||||||
x→0 |
|
ξ x, x+ x |
x→0 |
|
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 2dφ = |
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
(ξ |
) |
. |
|
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
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
n−1 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
|
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 |
λ→0 |
i=0 |
|
|
|
|
|
λ→0 |
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 2φ = sin 2 |
4 |
= 1. |
||
2 |
0 |
||||||
|
|
0 |
0 |
|
|||
Рисунок 5
84
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 |
n−1 |
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 |
|
|
|
|
|
|
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( x )2 |
+ ( y )2 |
|
|
|
||||
▲ |
l = lim |
|
M |
M |
i+1 |
= lim |
|
|
= lim |
|||||||||
|
s→0 |
i |
|
|
|
s→0 |
|
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
|
n−1 |
|
|
|
l = lim |
|
1+ ( f (c )) |
2 |
x |
|
||||
s→0 |
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 |
|
|
|
|
|
|
n−1 |
|
|
|
n−1 |
|
|
|
n−1 |
|
▲ |
V = lim |
Vi |
= lim |
Si |
xi |
= lim S(ξi ) xi |
.Последняя |
||||
|
λ→0 |
i=0 |
|
λ |
→0 |
i=0 |
|
|
λ→0 |
i=0 |
|
|
|
объём i−ого |
|
|
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: |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
x→x |
( 0 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
(0) |
|
|
|
|
|
0 |
|
(0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
lim |
f (x) = b U (b) U (x |
) : x X U (x |
) f (x) U (b). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
x→x |
( 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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x→x |
( 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 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x→x |
( 0 ) |
|
|
|
|
|
|
|
x→0 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
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
