14-es / Высшая математика (РТФ) / умк_Цывис_Функции_Интеграл. исчисл
..pdfМинистерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»
ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ИСЧИСЛЕНИЯ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
для студентов технических специальностей
Составление и общая редакция Н. В. Цывиса
Новополоцк 2006
УДК 517(075.8) ББК 22.161я73
Ф 94
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
К. О. Ананченко, доктор пед. наук, профессор УО «ВГТУ»; И. Б. Сороговец, канд. физ.-мат. наук, доцент
Рекомендован к изданию учебно-методической комиссией радиотехнического факультета
Ф 94 Функции нескольких переменных. Интегральные исчисления : учеб.-
метод. комплекс для студ. техн. спец. / сост. и общ. ред. Н. В. Цывиса. – Ново-
полоцк : ПГУ, 2006. – 356 с. ISBN 985-418-484-6
Рассмотрены функции нескольких переменных, неопределенный интеграл, оп- ределенный интеграл, двойной и тройной интегралы. Приведены примеры решения основных задач.
Предназначен для преподавателей и студентов технических специальностей высших учебных заведений.
УДК 517(075.8) ББК 22.161я73
ISBN 985-418-484-6
© УО «ПГУ», 2006 © Н. В. Цывис, составление, 2006
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение .............................................................................................................. |
7 |
|
МОДУЛЬ 1. Функции нескольких переменных ............................................. |
9 |
|
§ 1. |
О функциональных зависимостях |
|
|
между несколькими переменными ........................................................... |
9 |
§ 2. |
Понятие евклидового пространства R 2 и R3 . Топология R 2 ............. |
9 |
§ 3. Примеры и упражнения ........................................................................... |
14 |
|
§ 4. |
Функции двух переменных. Понятие функции n переменных ......... |
17 |
§ 5. Предел функции нескольких переменных ............................................. |
22 |
|
§ 6. Непрерывность функции нескольких переменных .............................. |
30 |
|
§ 7. Дифференцирование функций нескольких переменных ..................... |
34 |
|
§ 8. Дифференцируемость функции нескольких переменных ................... |
38 |
|
§ 9. |
Дифференциал функции нескольких переменных. |
|
|
Инвариантность формы первого дифференциала. |
|
|
Правила дифференцирования ................................................................. |
47 |
§ 10. Функции нескольких переменных, заданные неявно .......................... |
52 |
|
§ 11. Геометрический смысл полного дифференциала функции |
|
|
|
двух независимых переменных .............................................................. |
56 |
§ 12. Частные производные и дифференциалы высших порядков ............. |
60 |
|
§ 13. Дифференциалы высших порядков ....................................................... |
65 |
|
§ 14. Формула Тейлора для функции двух переменных .............................. |
69 |
|
§ 15. Экстремумы функций нескольких переменных. |
|
|
|
Необходимые условия. Достаточные условия ...................................... |
72 |
§ 16. Условный экстремум функции нескольких переменных ................... |
78 |
|
§ 17. Наибольшее и наименьшее значения функции |
|
|
|
двух переменных в замкнутой области ............................................... |
87 |
§18. Основные задачи и примеры |
|
|
|
для функции нескольких переменных ................................................... |
89 |
|
18.1. Топология плоскости ...................................................................... |
89 |
|
18.2. Функция двух (нескольких) переменных ..................................... |
90 |
|
18.3. Предел функции нескольких переменных ................................... |
92 |
|
18.4. Непрерывность функции нескольких переменных ..................... |
94 |
|
18.5. Дифференцирование функций нескольких переменных ............ |
98 |
|
18.6. Дифференцируемость функции нескольких переменных ........ |
102 |
|
18.7. Дифференциал функции нескольких переменных. |
|
|
Дифференцирование сложных и неявных функций ........................... |
105 |
3
18.8. Приложения дифференциального исчисления |
|
||||
функций нескольких переменных ........................................................ |
|
|
|
109 |
|
МОДУЛЬ 2. Неопределенный интеграл .................................................... |
|
|
|
121 |
|
§ 1. Понятие неопределенного интеграла ................................................... |
|
|
|
121 |
|
1.1. Понятие первообразной функции. Неопределенный интеграл .. |
121 |
||||
1.2. Таблица неопределенных интегралов ........................................... |
|
|
124 |
||
1.3. Свойства неопределенного интеграла .......................................... |
|
|
124 |
||
§ 2. Основные методы интегрирования ....................................................... |
|
|
|
126 |
|
2.1. Метод непосредственного интегрирования ................................. |
|
126 |
|||
2.2. Метод «подведения под знак дифференциала» ........................... |
128 |
||||
2.3. Метод замены переменной или подстановки |
............................... |
131 |
|||
2.4. Метод интегрирования по частям |
................................................. |
|
|
135 |
|
§ 3. Интегрирование рациональных функций ............................................ |
|
|
141 |
||
3.1. Понятие о рациональных функциях ............................................ |
|
|
141 |
||
3.2. Интегрирование простейших рациональных дробей ................ |
143 |
||||
3.3. Разложение рациональной дроби на простейшие ..................... |
146 |
||||
3.4. Интегрирование рациональных дробей ...................................... |
|
154 |
|||
§ 4. Интегрирование выражений, |
|
|
|
|
|
содержащих тригонометрические функции |
........................................ |
|
159 |
||
4.1. Интегрирование дифференциалов R(sin x, cos x)dx .................... |
159 |
||||
4.2. Интегралы вида |
Im,n = ∫sinm x cosn xdx |
......................................... |
|
162 |
|
4.3. Интегралы вида |
In = ∫tgn xdx, In = ∫ctgn xdx ................................. |
|
164 |
||
4.4. Интегралы вида |
I = ∫sin x × cos bxdx , I = ∫cos ax × cos bxdx , |
|
|||
I = ∫sin ax × sin bxdx ................................................................................... |
|
|
|
|
164 |
§ 5. Интегрирование выражений, содержащих радикалы ......................... |
165 |
||||
|
|
|
ax + b |
|
|
5.1. Интегрирование функций вида |
R x, n |
|
............................ |
165 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cx + d |
|
|
5.2. Интегрирование функций вида |
R x, |
ax2 + bx + c .................... |
166 |
||
|
|
|
|
|
|
5.3. Интегрирование функций вида |
R (x, |
ax2 + bx + c ) .................... |
174 |
||
5.4.Интегрирование дифференциального бинома ............................ |
175 |
||||
5.5.Интегрирование биноминальных дифференциалов ................... |
176 |
||||
5.6.Интегралы, не выражающиеся через элементарные функции .. |
178 |
4
МОДУЛЬ 3. Определенный интеграл ......................................................... |
180 |
§ 1. Задачи, приводящие к понятию определенного интеграла ................ |
180 |
1.1.Площадь криволинейной трапеции .............................................. |
180 |
1.2.Работа переменной силы ............................................................... |
182 |
§ 2. Определенный интеграл ......................................................................... |
183 |
2.1. Интегральная сумма. Определение определенного интеграла |
183 |
2.2. Основные свойства определенного интеграла ........................... |
185 |
2.3. Определенный интеграл с переменным верхним пределом ..... |
192 |
§3. Формула Ньютона-Лейбница .................................................................. |
198 |
§4. Вычисление определенных интегралов ................................................. |
199 |
4.1 Вычисление определенных интегралов с помощью |
|
интегральных сумм .............................................................................. |
199 |
4.2. Вычисление определенных интегралов, опираясь |
|
на геометрический смысл определенных интегралов ...................... |
201 |
4.3. Вычисление интегралов по формуле Ньютона-Лейбница ........ |
203 |
§5. Замена переменной в определенном интеграле .................................... |
207 |
§6. Интегрирование по частям в определенном интеграле ....................... |
220 |
§7. Несобственные интегралы ....................................................................... |
223 |
7.1. Несобственные интегралы с бесконечными пределами |
|
интегрирования (несобственный интеграл 1 рода) ............................. |
223 |
7.2. Свойства и вычисление несобственных интегралов 1 рода ......... |
226 |
7.3. Несобственные интегралы от неограниченной функции |
|
на конечном промежутке (несобственный интеграл второго рода) ... 236 |
|
7.4. Свойства и вычисление несобственных интегралов |
|
второго рода .............................................................................................. |
239 |
7.5. Особые приемы вычисления несобственных интегралов ............. |
246 |
§ 8. Интегрирование как процесс суммирования. |
|
Приложения определенного интеграла ................................................. |
248 |
8.1. Общая схема применения интегрального исчисления ................ |
249 |
8.2. Вычисление площадей плоских фигур ......................................... |
249 |
8.3. Площадь плоской фигуры .............................................................. |
257 |
8.4. Длина дуги плоской кривой ........................................................... |
265 |
8.5. Объем тела ....................................................................................... |
274 |
8.6. Объем тела вращения ...................................................................... |
281 |
8.7. Площадь поверхности вращения ................................................... |
286 |
8.8. Приложение определенных интегралов к вопросам физики, |
|
механики и техники ............................................................................... |
289 |
5
§ 9. Приближенное вычисление определенных интегралов ...................... |
294 |
9.1. Постановка задачи ........................................................................... |
294 |
9.2. Формула прямоугольников ............................................................ |
294 |
9.3. Формула трапеций .......................................................................... |
296 |
9.4. Формула Симпсона ......................................................................... |
298 |
МОДУЛЬ 4. Двойной интеграл ................................................................... |
301 |
§ 1. Определение двойного интеграла ......................................................... |
301 |
§ 2. Повторный интеграл. Свойства повторного интеграла ...................... |
304 |
§ 3. Вычисление двойного интеграла ........................................................... |
308 |
§ 4. Замена переменных в двойном интеграле ............................................ |
320 |
§ 5. Двойной интеграл в полярных координатах ........................................ |
325 |
§ 6. Приложения двойного интеграла .......................................................... |
332 |
6.1. Вычисление площадей плоских фигур ......................................... |
332 |
6.2. Вычисление объемов тел ................................................................ |
334 |
6.3. Вычисление площадей поверхностей ........................................... |
338 |
МОДУЛЬ 5. Тройной интеграл .................................................................... |
340 |
§ 1. Задача о вычислении массы тела ........................................................... |
340 |
§ 2. Определение тройного интеграла и условия существования ............. |
340 |
§ 3. Свойства интегрируемых функций и тройных интегралов ................ |
341 |
§ 4. Вычисление тройного интеграла ........................................................... |
342 |
§ 5. Замена переменных в тройном интеграле ............................................ |
344 |
§ 6. Приложения тройного интеграла .......................................................... |
352 |
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................ |
355 |
6
ВВЕДЕНИЕ
Преподавание высшей математики в высших учебных заведениях имеет цель:
−развитие интеллекта и способностей к логическому и алгоритми- ческому мышлению;
−обучение основным математическим методам, необходимым для анализа и моделирования устройств, процессов и явлений при поиске оп- тимальных решений и выбора наилучших способов реализации этих реше- ний; методам обработки и анализа результатов численных и натурных экс- периментов.
Задачи преподавания высшей математики состоят в том, чтобы на при- мерах математических понятий и методов продемонстрировать студентам действие законов материалистической диалектики, сущность научного под- хода, специфику математики и ее роль в осуществлении научно-технического прогресса. Необходимо научить студентов приемам исследования и решения математических формализованных задач, выработать у студентов умение анализировать полученные результаты, привить им навыки самостоятельного изучения литературы по математике и ее приложениям.
Математическое образование современного специалиста включает изучение общего курса математики и специальных математических курсов. Общий курс высшей математики является фундаментом математического образования специалиста, но уже в рамках этого курса должно проводить- ся ориентирование на приложение математических методов в профессио- нальной деятельности. Преподавание специальных разделов ориентирова- но главным образом на применение математических методов к решению прикладных задач. При этом студенты сначала знакомятся с постановкой типичной прикладной задачи, затем изучают общий курс математических задач, к которому относится эта задача, далее – математические методы решения задач данного класса и, наконец, изученные методы применяют для решения исходной задачи. Выбор специальных разделов математики, которые должны изучать студенты, осуществляется с учетом характера их будущей профессиональной деятельности и согласуется с выпускающими кафедрами. Все вопросы преподавания этих разделов специальными ка- федрами должны быть согласованы с кафедрой математики.
В результате изучения курса высшей математики студент должен иметь представление:
−о месте математики в системе естественных наук;
−о математике как особом способе познания мира;
7
−о содержании основных разделов высшей математики, отличии прикладной математики от фундаментальной.
Знать и уметь использовать:
−методы математического анализа, аналитической геометрии, ли- нейной алгебры, теории функций комплексного переменного и операцион- ного исчисления, теории поля;
−методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Владеть:
−методами дифференциального и интегрального исчисления;
−методами решения уравнений математической физики;
−аналитическими методами решения прикладных задач.
Иметь навыки:
−аналитического и численного решения уравнений;
−качественного исследования, аналитического и численного реше- ния обыкновенных дифференциальных уравнений;
−самостоятельной смысловой постановки прикладных задач. Программа определяет основное содержание тем и разделов курсов,
подлежащих изучению. Последовательность их изложения и распределе- ния по семестрам, исходя из задач своевременного математического обес- печения общенаучных, общеинженерных и специальных дисциплин и со- хранения логической стройности и завершенности самих математических курсов. При выборе цели ознакомить студентов с максимальным числом математических понятий и методов или выработать у них твердые навыки исследования и решения определенного круга задач. При этом предполага- ется, что глубокое овладение основными понятиями и методами высшей математики позволит студентам освоить те дополнительные разделы, ко- торые им понадобятся в будущем.
В данной книге рассмотрены следующие модули:
−функции нескольких переменных (ФНП);
−неопределенный интеграл;
−определенный интеграл;
−двойной и тройной интегралы.
8
МОДУЛЬ 1. ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
§1. О функциональных зависимостях между несколькими переменными
При изучении многих вопросов естествознания приходится встре- чаться с такими зависимостями, в которых задействованы несколько пере- менных величин, когда значения одной из этих переменных величин пол- ностью определяются значениями остальных переменных. Так, например, температура Т или плотность ρ тела изменяются при переходе от одной точки данного тела к другой, но так как каждая точка определяется тремя декартовыми координатами x, y, z, то температура Т или плотность ρ оп- ределяются значениями трех переменных x, y и z.
§ 2. Понятие евклидового пространства R 2 и R3 .
Топология R 2
Известные из аналитической геометрии понятия координат точек на плоскости и в пространстве и формула для определения расстояния между двумя точками позволяют ввести аналитическое определение евклидова
пространства R 2 и R3 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Множество упорядоченных пар |
(x, y) |
действительных чисел x и y |
||||||||
называется координатной плоскостью, а каждую пару (x, y) |
будем назы- |
|||||||||
вать точкой этой плоскости и обозначать буквой М. Числа x |
и y называ- |
|||||||||
ются координатами точки M(x, y). |
|
|
|
|
|
|
||||
Координатная плоскость называется евклидовым пространством R2 , |
||||||||||
если для любых двух точек плоскости определено расстояние ρ(M1, M 2 ) |
||||||||||
по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ρ(M |
, M |
2 |
) = (x − x )2 + ( y |
2 |
− y )2 . |
|
||||
1 |
|
2 |
1 |
|
1 |
|
|
|||
Аналогичным образом вводится понятие «евклидово пространство» |
||||||||||
R3 . Множество упорядоченных троек (x, y, |
z) чисел x, y и z |
называется |
||||||||
координатным пространством. При этом каждую тройку (x, |
y, z) будем |
называть точкой этого пространства и обозначать M(x, y, z). Запись M(x, y,
z) означает, что точка М имеет координаты x, y |
и z. |
|
|
|||||||||||
Координатное пространство называется евклидово пространство R3 , |
||||||||||||||
если для любых |
|
двух |
точек |
|
пространства |
определено расстояние |
||||||||
ρ(M1, M 2 ) по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ρ(M |
1 |
, M |
2 |
) = (x − x )2 + ( y |
2 |
− y )2 |
+ (z |
2 |
− z )2 . |
|||||
|
|
|
2 |
1 |
|
1 |
|
1 |
|
9
Введенные выше понятия координатной плоскости и координатного пространства представляют собой аналоги числовой прямой, а R 2 и R3 –
евклидовы пространства – |
аналог евклидовой прямой R1 расстояние меж- |
|||||||||||
ду двумя точками M1 (x1 ) |
|
и M 2 (x2 ) |
определяются по формуле |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ρ(M |
1 |
, M |
2 |
) = (x − x ) 2 |
= |
|
x − x |
|
. |
|||
|
|
|||||||||||
|
|
2 |
1 |
|
|
2 |
1 |
|
|
Множество Е точек (x, y) плоскости R 2 называется окрестностью точки M 0 (x0 , y0 ) , если M 0 является внутренней точкой E, т.е. M 0 вхо-
дит в Е вместе с некоторым кругом:
B(M 0 , r) = {(x, y) (x − x0 )2 + ( y − y0 )2 < r 2 }, r > 0 .
Круг B(M 0 , r) также является окрестностью точки M 0 . Отметим,
что наряду с круговыми окрестностями точки можно рассматривать как квадратные окрестности, так и прямоугольные окрестности точки.
Точка пространства R 2 |
называется граничной |
для множества |
E R 2 , если ее любая окрестность содержит как точки из |
Е, так и точки, |
|
не принадлежащие Е (рис. 1) – |
точка M1 . Точка M 2 – |
внешняя точка |
множества Е. |
|
|
y
M2
M1
E
0
Рис. 1
Множество Е называется открытым, если оно служит окрестностью каждой своей точки.
Рассмотрим примеры некоторых множеств.
10