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

опеределенный игтеграл

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
16.04.2015
Размер:
743.4 Кб
Скачать
y = b (рис. 5):

Замечание 2. (Геометрический смысл определенного интегра-

ла). В случае положительной на отрезке [a, b] непрерывной функции f (x) оп-

b

ределенный интеграл f ( x)dx представляет собой площадь криволинейной a

трапеции, ограниченной сверху графиком функции y = f (x), снизу осью ОХ,

слева прямой y = a и справа прямой

y

y = f ( x), f (x) > 0

S = ab f (x)dx

x

a

b

Рис.5. Геометрический смысл определенного интеграла.

Сформулируем теперь общие

Свойства определенного интеграла:

n. Для постоянной на [a, b] функции

b

 

 

kdx = k(b a) .

(9)

a

 

 

Доказательство. Все интегральные суммы (2) функции

f (x) = k яв-

ляются постоянной величиной:

 

 

n

n

 

σn = f (ξi ) xi =

k xi = k( x1 + x2 +…+ xn ) = k(b a) .

i=1

i=1

 

Следовательно, и их предел (определенный интеграл) равен той же величине.

51

o. Определенный интеграл от суммы двух интегрируемых функций равен сумме интегралов от этих функций:

b

b

b

 

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

(10)

a

a

a

 

p. Определенный интеграл тем больше, чем больше функция:

b

b

 

f (x)g(x) f (x)dx g(x)dx, (a < b).

(11)

a

a

 

q. Если m наименьшее, а M наибольшее значения функции f (x) на от-

резке [a, b], где a < b , то

b

 

m(b a) f (x)dx M (b a).

(12)

a

(Свойства 2 – 4 легко доказываются на основе определения определенного интеграла и свойств пределов функции).

r. (Теорема о среднем). Для непрерывной на отрезке [a, b] функции f (x)

существует такая точка ξ [a, b], что

b

 

f (x)dx = f (ξ) (b a).

(13)

a

Доказательство. По свойству 4 при a < b справедливо неравенство m b 1 a ab f (x)dx M . Как известно, непрерывная на отрезке [a, b] функция

принимает на этом отрезке любое значение, заключенное между своими наименьшим и наибольшим значениями (см. гл.1 выпуска 2 настоящего пособия).

 

1

b

Тогда найдется точка ξ [a, b] такая, что f (ξ) =

f (x)dx . Отсюда и сле-

b a

 

a

 

 

дует утверждение теоремы о среднем.

 

 

52

s. Для интегрируемой на отрезке [a, b] функции f (x) и точки с (a, b)

выполняется равенство:

b

c

b

 

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

(14)

a

a

c

 

Геометрическая интерпретация свойства 6 представлена на рис. 6, а доказательство предоставляются читателям для самостоятельной работы.

y

S = S1 + S2

y = f (x)

S1 = ac f (x)dx

S2 = cb f (x)dx

a

 

x

c

 

b

Рис. 6. К свойству 6: S = b

f (x)dx = S1 + S2.

 

a

 

До сих пор при записи определенного интеграла мы предполагали, что его нижний предел a меньше верхнего предела b. Для того, чтобы снять этого ограничение, положим по определению (!):

b

a

 

f (x)dx = −f (x)dx , (a > b),

(15)

a

b

 

а также

 

 

a

 

 

f (x)dx = 0.

(16)

a

Хотя математические определения и не принято обсуждать, тем не менее, основной довод в пользу того или иного определения состоит в его разумности.

53

Желательно, в частности, чтобы при расширении некоторого понятия на более широкий класс объектов были выполнены свойства, справедливые для более узкого класса. К примеру, именно таким образом в элементарной математике

определили степень с отрицательным показателем: an =

1

, (n > 0) , хотя по-

an

 

 

нятно, что исходное определение степени an = a a a a в данном случае не n раз

работоспособно: пытаться умножить число a на само себя «минус три раза» бессмысленно. Вместе с тем, при таком определении, оказались справедливыми все свойства степеней с положительными показателями. Точно так же и определения (15) и (16) позволяют сохранить справедливость свойств 1, 2, 5, 6 определенных интегралов вне зависимости от того, какой из пределов интегрирования больше другого. В частности, само свойство (16) немедленно «следует» из (15) при a = b. (В кавычках потому, что определение (15) не предусматривает возможности совпадения верхнего и нижнего пределов интегрирования).

2.2. Вычисление определенного интеграла.

После данных выше определений можно перейти к вопросу о том, как научиться вычислять определенные интегралы, и как определенные интегралы связаны с неопределенными.

Рассмотрим функцию f (t), непрерывную на отрезке [a, b]. Выберем на интервале (a, b) произвольную точку x. Тогда на отрезке [a, x] существует оп-

ределенный интеграл от функции f (t). (Для того чтобы избежать путаницы с обозначениями переменных, переменную интегрирования будем обозначать через t, сохраняя обозначение x для верхнего предела интеграла). Этот инте-

грал, естественно, зависит не только от вида функции f (t), но и от переменной x, т.е. представляет собой функцию переменной x верхнего предела интегрирования:

54

x

 

Φ(x) = f (t)dt .

(1)

a

 

Геометрически, в случае положительной функции

f (t), величина Φ(x)

представляет собой площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции, осью ОХ и прямыми t = a и t = b (рис. 7).

y y = f (t)

 

Φ(x)

 

 

ΔΦ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

x

x +

x

b

 

Рис. 7. К вычислению определенного интеграла.

Пусть теперь независимая переменная x получила приращение

x . Тогда

имеем приращение функции Φ(x):

 

 

 

 

 

 

 

 

x+

x

 

x

 

 

 

ΔΦ = Φ(x + x) −Φ(x) = f (t)dt f (t)dt .

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

 

Используя свойства 6 и 5 определенных интегралов, получим

 

 

xx

ξ [x, x +

x].

 

 

ΔΦ = f (t)dt = f (ξ) x,

 

(2)

x

(На рис. 7 приращение Φ представляет собой площадь фигуры с вертикальной штриховкой).

Теперь, окончательно, можно установить связь понятий неопределенного и определенного интегралов. Эта связь основана на следующих двух теоремах:

55

Теорема 1. Пусть функция f (t) непрерывна на отрезке [a, b], а функция

Φ(x) определена на интервале (a, b) как определенный интеграл

x

Φ(x) = f (t)dt ,

a

тогда функция Φ(x) представляет собой первообразную функции f (x):

 

(3)

Φ (x) = f (x) .

Доказательство теоремы немедленно вытекает из равенства (2). Действительно, имеем

ΔΦ

 

f (ξ) x

 

Φ (x) = lim

 

= lim

 

= lim f (ξ) = f (x) .

x

x

x0

x0

x0

Следствие. Следствием из теоремы 1 является утверждение, сформулированное без доказательства при изучении неопределенных интегралов: любая непрерывная функция имеет первообразную. (Первообразная непрерывной функции f (x) может быть получена по формуле (1)).

Теорема 2. (Формула Ньютона Лейбница). Если функция F(t) яв-

ляется первообразной непрерывной функции f (x), то

b

 

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

(4)

a

Доказательство. По теореме 1 функция Φ(x), определенная по форму-

ле (1), также является первообразной для f (x). Следовательно, по теореме о первообразных (см. главу 1) функции Φ(x) и f (x) отличаются на постоянную величину:

Φ(x) F( x) = C = const .

Имеем при x = a:

C = Φ(a) F(a) = −F(a) .

Тогда

56

Φ(x) = C + F( x) = F(x) F(a) .

Теперь при подстановке в последнее равенство значения x = b, получим

Φ(b) = F(b) F(a) ,

что, по определению функции Φ(x), приводит к равенству (4).

Формула Ньютона Лейбница позволяет вычислять определенные интегралы для функций, первообразные которых известны.

 

1

 

 

x

6

 

 

1

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 1.

x5dx =

 

 

 

 

=

0 =

.

6

 

 

0

6

6

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

e

dx

 

 

 

 

 

 

e = ln | e | ln | 1 |= ln e ln1 =1.

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.

= ln | x |

 

1

x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 3.

Вычислить определенный интеграл 2 xex2 dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

Здесь удобнее вначале найти первообразную (неопределенный интеграл):

xex2 dx = −

1

ex2 d (x2 )=−

 

1

ex2

+C .

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

1

2

 

2

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 = −

 

 

 

 

 

0

xex

 

dx = − 2 ex

 

 

 

2 (e4 1)=

2 (1 e4 ).

ПРИМЕР 4. Найти π sin nx sin mx dx , (m и n целые).

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для случая n m имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

sin nx sin mx dx =

1

π (cos(n m)x cos(n + m)x)dx =

π

 

 

 

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1 sin(n m)x

 

π

1 sin(n + m)x

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 n

m

 

2 n +m

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

π

 

π

57

При n = m интеграл вычисляется иначе:

 

 

π

sin2 nx dx =

1

 

π

(1cos 2x)dx =

 

π

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

x

 

π

1

sin 2x

 

π

=

1

(π (π)) =π.

 

 

 

 

2

 

π

4

 

π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

sin nx sin mx dx

0,

n m

 

 

 

π

=

 

n = m

 

 

 

 

 

 

 

π,

 

 

 

(Заметим, что если определить скалярное произведение двух функций f (x) и g (x) на отрезке [ a, b] с помощью формулы

( f , g) = ab f (x)g(x) dx ,

то полученный в примере результат свидетельствует об ортогональности

функций sin nx и sin mx на отрезке [ – π, π ] при n m).

Теорема 3. (Замена переменной в определенном интеграле).

Пусть f (x) непрерывная на отрезке [a, b] функция, а функция x = ϕ (t)

непрерывно дифференцируема на отрезке [to , t1]

и удовлетворяет на концах

этого отрезка условиям: ϕ (tо) = a, ϕ (t1) = b. Тогда справедлива формула

b

t1

 

 

(5)

f (x)dx = f (ϕ(t))ϕ (t)dt .

a

to

 

Доказательство. Пусть функция F(x) является первообразной для

функции f (x), т.е.

f (x)dx = F(x) +C . Тогда, по формуле для замены пере-

менной в неопределенном интеграле, f (ϕ(t))ϕ

(t)dt = F(ϕ(t))+C . Теперь,

используя формулу Ньютона Лейбница, получаем требуемое утверждение:

58

t1

 

t1

 

 

 

= F (ϕ(t1)) F(ϕ(to )) =

f (ϕ(t))ϕ (t)dt = F(ϕ(t))

to

ro

 

 

 

 

b

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

a

11

ПРИМЕР 5. Найти определенный интеграл x x 2 dx .

3

Для устранения иррациональности в интеграле удобно выполнить замену

переменной

x 2 = t . Тогда по формуле (5) получаем

 

11

 

 

x = 2 +t2 ,

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx = 2t dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x 2dx =

 

= (2 +t2 )t 2t dt =

3

 

 

x = 3 t =1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x =11 t = 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

(4t

2

+ 2t

4

) dt

 

4

t

3

 

3

 

2

t

5

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

=

=

 

+

 

=

 

 

 

3

 

 

1

5

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 43 (33 1) + 52 (35 1) = 197215 .

Замечание. Отметим, что при всей схожести применения формул замены переменной в неопределенном и определенном интегралах, имеется весьма важное их отличие: при вычислении определенного интеграла не нужно возвращаться к исходной переменной, вместо этого просто производится соответствующее изменение пределов интегрирования.

a

ПРИМЕР 6. Вычислить определенный интеграл a2 x2 dx.

0

Здесь для вычисления интеграла удобно выполнить тригонометрическую подстановку, которая позволяет избавиться от иррациональности:

59

a

0

x = a sin t,

a2 x2 dx == dx = a cos t dt. x = 0 t = 0

x = a t =π / 2

π / 2

= a2 a2 sin2 t a cos t dt =

0

π / 2

π / 2

1+cos 2t

dt =

a2

 

 

π / 2

sin 2t

 

π / 2

 

=

πa2

.

 

 

 

= a2

cos2 t dt =a2

2

2

t

 

+

2

 

 

 

4

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сформулируем еще один прием вычисления определенных интегралов, аналогичный уже рассмотренному в главе 1 для неопределенных интегралов.

Теорема 4. (Интегрирование по частям в определенном интеграле).

Пусть функции u(x) и v(x) непрерывны и имеют непрерывные произ-

водные. Тогда

 

b

 

 

b

b

 

 

 

 

udv = (uv)

 

a

vdu .

 

(6)

 

 

a

 

 

a

 

 

 

Доказательство.

 

 

Проинтегрируем обе части равенства (uv)

= u v + uv

 

по переменной x в пределах от a до b:

 

 

b

b

 

b

 

 

 

 

 

dx .

 

 

(uv)dx = u vdx + uv

 

 

a

 

a

 

a

 

 

 

Интеграл в левой части может быть найден по формуле НьютонаЛейбница, а

 

 

 

 

правая часть преобразована с учетом равенств du = u dx,

dv = v dx :

(uv)

 

b

b

b

 

 

 

 

= vdu + u dv .

 

 

 

a

a

a

 

 

 

 

 

Отсюда и получаем формулу (6).

60