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

Орловский Определенный интеграл.Практикум ч.1 2010

.pdf
Скачиваний:
230
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Сделаем в интеграле I2 замену y = x − π, получим

∫π ∫π

I2 = e−(π+y)2 cos2 y dy = e−(π+x)2 cos2 x dx.

0 0

Отсюда следует, что

π

π

I1 − I2 = ∫0

e−x2 cos2 x dx −∫0

e−(π+x)2 cos2 x dx =

=

∫π[e−x2 − e−(π+x)2 ]cos2 x dx.

0

В последнем интеграле подынтегральная функция непрерывна, неотрицательна и не равна тождественно нулю, поэтому этот интеграл положителен. Следовательно, I1 > I2, т. е.

π

2π

 

∫0

e−x2 cos2 x dx > ∫π

e−x2 cos2 x dx.

2318. Определить средние значения данных функций в указанных промежутках:

а) f(x) = x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на

[0; 1];

б) f(x) = √

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на

[0; 100];

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) f(x) = 10 + 2 sin x + 3 cos x

 

на

[0; 2π];

г) f(x) = sin x sin(x + φ)

 

 

 

на

[0; 2π].

1

 

 

 

 

 

x3

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x2 dx = 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) M[f] = ∫

0 = 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

x3/2

0

=

20

 

2

 

б) M[f] = 100 ∫ √x dx =

150

3

= 6 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

201

1

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) M[f] =

 

(10 + 2 sin x + 3 cos x) dx =

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos x + 3 sin x] 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

[10x −

= 10.

 

 

 

 

 

 

 

2π

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

∫0

 

 

 

 

 

г) M[f] =

 

sin x sin(x + φ) dx =

 

 

[cos φ − cos(2x+

2π

4π

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

+φ)]dx = 4π [x cos φ −

 

2 sin(2x + φ)] 0

2 cos φ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2319. Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

среднее значение длины фокального

радиуса-

вектора эллипса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r =

 

p

 

 

 

 

(0 < ε < 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − ε cos φ

 

 

 

 

По определению среднего значения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M[r] =

 

 

 

dφ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

1 − ε cos φ

 

 

 

 

Полученный интеграл можно свести к интегралу, вычисленному ранее. Для этого сделаем замену φ = π − t, получим

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M[r] =

p

 

∫

 

 

 

dt

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

1 + ε cos φ

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно решению задачи 2265

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

dt

 

=

∫

 

 

dt

,

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + ε cos φ

 

1 + ε cos φ

−π

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

а в соответствии с решением задачи 2213

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

∫

dt

 

 

 

=

√

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + ε cos φ

 

 

 

 

1

−

ε2

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

202

Следовательно,

M[r] = √ p .

1 − ε2

Замечание. Из курса аналитической геометрии известно,

что величина

√ p

1 − ε2

совпадает с длиной меньшей полуоси эллипса. Таким образом, среднее значение длины фокального радиуса-вектора эллипса равно длине малой полуоси этого эллипса.

2320. Найти среднее значение скорости свободно падающего тела, начальная скорость которого равна v0.

Обозначим через v1 конечную скорость тела. Если t1 – время падения, то ускорение свободного падения

g = v1 − v0 t1

и закон изменения скорости тела имеет следующий вид:

v(t) = v0 + gt = v0 + v1 − v0 t. t1

Среднее значение скорости

 

t1

∫

 

t1

∫

(

0

t1

)

 

1

t1

 

1

t1

 

 

v1 − v0

 

M[v] =

 

 

v(t) dt =

 

 

 

v +

 

t dt =

00

=1 [v0t + v1 − v0 t2] t1 = v0 + v1 − v0 = v0 + v1 .

t1 2t1 0 2 2

2321. Сила переменного тока меняется по закону

i = i0 sin (

πt

+ φ),

2

T

где i0 – амплитуда, t – время, T – период и φ – начальная фаза. Найти среднее значение квадрата силы тока.

203

0
Проверим полученную формулу на примере функции f(x) = arctg x. Первообразную этой функции находим, интегрируя по частям
∫ ∫
arctg x dx = x arctg x − x dx = x arctg x − 1 ln(1 + x2) + C. 1 + x2 2
204

По определению среднего значения

 

1

T

 

 

 

 

i2

T

 

 

 

(

πt

+ φ)dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M[i2

] =

 

 

∫0

i2

(t) dt =

0

 

∫0

sin2

2

 

T

T

T

 

 

= 2T

∫0

[1 − cos ( T

 

+ 2φ)]dt =

 

 

 

i2

T

 

 

 

 

 

 

 

4πt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2T

[t − 4π sin ( T

+ 2φ)] 0

= 2 .

 

i2

 

 

 

 

T

 

4πt

 

 

 

 

 

 

T

i2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

2321.1. Пусть f(x)

 

C[0; +

∞

) и lim

f(x) =

A. Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

→

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

∫x

lim 1 f(x) dx.

x→+∞ x

0

Рассмотреть пример f(x) = arctg x.

Применяя правило Лопиталя и учитывая, что

∫x ′

f(x) dx = f(x),

0

находим

 

 

 

x

 

lim

1

 

∫

f(x) dx = lim

 

x→+∞ x

x→+∞

∫x

f(x) dx

0= lim f(x) = A.

x x→+∞ 1

Отсюда следует, что
∫x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x) dx = x arctg x −

 

ln(1 + x2)

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

[arctg x

 

ln(1 + x2)

] =

π

lim

 

f(x) dx =

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞ x ∫0

 

 

x→+∞

−

2x

2 .

Этой же величине равен и

 

lim

 

 

 

f(x).

 

 

 

 

 

 

2322. Пусть

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

∫0x f(t) dt = xf(θx).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти θ, если:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) f(t) = tn (n > −1);

б) f(t) = ln t;

в) f(t) = et.

Чему равны

lim

θ и

lim

θ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+0

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

xn+1

 

 

 

 

 

 

а) ∫ f(t) dt = ∫ tn dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

n + 1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение для θ имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x(θx)n,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

решая это уравнение, находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ = n

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n + 1

 

 

 

 

 

 

В данном случае величина θ не зависит от x и поэтому

lim θ =

lim

θ = θ = n

1

.

 

x→+0

x→+∞

√n + 1

 

205

 

 

б). Интегрируя по частям, находим:

x

x

 

x

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

f(t) dt = ∫

ln t dt = t ln t 0

− ∫

dt = x ln x − x = x ln

e

.

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

0

 

 

 

Уравнение для θ имеет вид

x ln xe = x ln(θx),

решая это уравнение, находим:

θ= 1e .

Вданном случае величина θ также не зависит от x и поэтому

lim θ =

lim

θ = θ =

1

.

 

x→+0

x→+∞

 

e

∫x ∫x

в) f(t) dt = et dt = ex − 1.

00

Уравнение для θ имеет вид

ex − 1 = xeθx,

решая это уравнение, находим

θ = x1 ln ex x− 1 .

Предел θ при x → +0 находим, применяя трижды правило Лопиталя,

lim θ = lim

x

 

 

 

= lim

 

ex

1

 

 

 

xe

 

 

− e

 

+ 1

=

x

 

 

 

ex − 1 − x = lim

 

 

 

 

ln

e

 

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+0

 

 

 

 

 

 

x→+0

 

 

 

 

x→+0 x→+0

x

 

 

 

1

 

 

 

 

(ex − 1)x

 

 

 

 

 

 

 

xex

 

 

 

ex + xex

 

1

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

=

 

.

 

 

 

 

xex + ex − 1

2ex + xex

 

 

 

 

x→+0

 

x→+0

 

2

 

 

 

 

206

Аналогично вычисляется и предел на +∞:

lim θ = lim

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− e

 

 

+ 1

=

 

 

 

 

= lim ex − 1

− x = lim xe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

e

 

 

 

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

x→+∞ x→+∞ x

 

1

 

 

 

 

 

 

(ex − 1)x

 

= lim

 

 

 

 

 

 

xex

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

lim

ex

+ xex

 

= lim

 

1 + x

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xex + ex − 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 + x

x→+∞

 

 

 

x→+∞ 2ex + xex

x→+∞

 

 

 

Пользуясь первой теоремой о среднем, оценить интегралы:

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2323.

∫0

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + 0,5 cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По первой теореме о среднем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + 0,5 cos x

1 + 0,5 cos ξ

 

 

 

 

 

 

 

Так как −1 6 cos ξ 6 1, то 1/2 6 1 + 0,5 cos ξ 6 3/2 и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4π

6

 

 

 

2π

 

 

6 4π,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1 + 0,5 cos ξ

 

 

 

 

 

 

 

следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

∫0

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

6

 

 

 

 

 

6 4π.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1 + 0,5 cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2324.

√

 

x

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По первой теореме о среднем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

1

∫0

x9 dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

√

10√

 

,

 

 

 

 

 

 

 

1 + x

1 + ξ

1 + ξ

 

 

 

 

207

где ξ [0; 1]. Неравенства 0 6 ξ 6 1 влекут за собой оценку

 

 

 

 

 

 

 

1

6

1

 

 

 

 

 

 

√

 

√

 

 

 

 

2

1 + ξ

и, таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

x9

 

 

 

 

6

∫0

 

 

 

 

 

 

10√

 

√

 

 

 

 

 

2

1 + x

 

100

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

x

 

 

 

 

 

 

2325.

−

dx.

 

 

 

 

 

 

x + 100

 

 

 

 

 

 

6 1

dx 6 101 .

По первой теореме о среднем

100

 

 

 

100

 

 

 

 

∫0

e−x

dx =

1

e

 

x dx =

1 − e−100

,

 

 

 

 

x + 100

 

ξ + 100

∫0

−

 

ξ + 100

 

где ξ [0; 100]. Из неравенств 0 6 ξ 6 100, следует оценка

 

1 − e−100

 

6

 

1 − e−100

6

1 − e−100

 

,

 

 

 

 

 

 

 

ξ + 100

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

т. е.

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

e−100

e x

 

 

1

 

e−100

 

∫0

 

 

 

 

 

−

 

6

 

−

dx 6

 

 

−

.

 

200

 

x + 100

 

 

100

 

2326. Доказать равенства:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

xn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π/2

 

 

а) n→+∞ ∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→+∞

∫0

 

 

 

1 + x dx = 0; б)

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

sinn x dx = 0;

а). Так как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

xn

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 6 ∫

 

dx 6 ∫ xn dx =

 

,

 

 

1 + x

n + 1

 

00

208

то отсюда следует, что при n → +∞

∫1 xn

1 + x dx → 0.

0

б). Проверим определение предела. Пусть ε > 0. Выберем в интервале (0; π/2) точку xε так, чтобы

 

 

π

 

ε

 

 

 

 

 

− xε <

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

и разобьем рассматриваемый интеграл на два

 

In = I(1)

+ I(2)

,

 

 

 

 

n

 

n

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

x"

 

 

 

 

 

 

π/2

In(1) = ∫0

sinn x dx,

In(2) = x∫"

sinn x dx.

Оценим первый из полученных интегралов. Пусть

q= sin xε.

Всилу монотонного возрастания функции y = sin x

 

x"

x"

x"

π/2

 

π

In(1) 6

∫0

sinn xε dx = ∫0

qn dx = qn ∫0

dx 6 qn ∫0

dx =

 

qn.

2

Так как 0 < q < 1, то последовательность an = π2 qn → 0

при n → +∞. Следовательно, по определению предела, существует такое натуральное nε, что при всех n > nε будет справед-

ливо неравенство

 

π

 

 

ε

 

 

 

 

 

qn

<

 

,

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

209

и, соответственно,

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

In(1) <

 

.

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оценим второй интеграл. Так как | sin x| 6 1, то

π/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In(2) 6 x∫"

dx =

π

 

 

ε

 

 

− xε <

 

.

 

2

2

 

Отсюда получаем, что при всех n > nε

 

 

 

 

 

 

−ε < 0 6 In = In(1) + In(2) <

ε

 

 

ε

 

 

+

 

= ε,

2

2

и поэтому −ε < In < ε, т. е.

|In − 0| < ε.

Таким образом, действительно

 

π/2

lim

sinn x dx = 0.

n→+∞

∫0

2326.1. Найти:

 

1

 

 

а) ε→0

∫0

dx

εx2 + 1

lim

 

 

;

где a > 0, b > 0 и f(x) C[0; 1]. а). По теореме о среднем

 

bε

 

dx

 

 

lim

f(x)

,

 

 

б)

ε→0aε∫

 

x

 

1

 

 

1

 

∫0

dx

=

,

 

 

εx2 + 1

εξ2 + 1

где ξ [0; 1]. Из неравенства 0 6 ξ 6 1 следует, что

1

6

1

6 1,

1 + ε

εξ2 + 1

210