- •Глава VIII Интегральное исчисление функций одного переменного
- •П.1 Понятие первообразной
- •Геометрический смысл неопределенного интеграла
- •П.2 Свойства неопределенных интегралов
- •П.3 Таблица основных интегралов
- •П. 4 Общие методы интегрирования
- •2. Интегрирование по частям.
- •3. Интегрирование рациональных дробей.
- •4. Интегрирование тригонометрических функций.
- •5. Интегрирование иррациональных функций.
- •П. 5 Конструкция определенного интеграла
- •П. 6 Суммы Дарбу и их свойства
- •Свойства сумм Дарбу
- •П. 8 Классы интегрируемых функций
- •П. 9 Свойства интегрируемых функций
- •П. 10 Свойства определенного интеграла
- •П 11. Дифференцирование определенного интеграла по верхнему (нижнему) пределу. Формула Ньютона-Лейбница
- •П 12. Замена переменной в определенном интеграле
- •П 13. Интегрирование по частям в определенном интеграле
- •П 14. Вычисление площадей плоских фигур
- •14.1. Вычисление площадей плоских фигур в декартовых координатах
- •14.2. Вычисление площадей плоских фигур в полярных координатах
- •П 15. Вычисление длины кривой
- •П 16. Несобственный интеграл первого рода. Критерий Коши. Признаки сравнения.
- •П 17. Условная сходимость несобственного интеграла. Признак Абеля-Дирихле.
- •§11. Несобственный интеграл и ряд. Интегральный признак Коши сходимости ряда.
- •§12. Несобственный интеграл второго рода.
- •П 18. Главное значение несобственного интеграла.
14.2. Вычисление площадей плоских фигур в полярных координатах
Пусть положение любой точки на плоскости однозначно определяется двумя числами , где.
Пусть неотрицательная, непрерывная на отрезкефункция,.
Рассмотрим множество точек
,
которое можно истолковать как криволинейный треугольник
Для вычисления площади криволинейного треугольника разобьём этот треугольник на элементарные криволинейные треугольники.
Элементарные криволинейные треугольники заменим прямоугольными треугольниками.
Высоты этих треугольников положим равными ,
а основания соответственно – .
Площадь -го элементарного треугольник очевидно будет равна
.
Площадь криволинейного треугольника будет приближённо равна
. (1)
Выражение (1) можно рассматривать как интегральную сумму для функции на отрезке.
Введём обозначение .– это мелкость
разбиения .
Тогда площадь криволинейного треугольника
получим при переходе в выражении (1) к пределу при
=. (2)
Итак, площадь плоской фигуры в полярной системе координат равна
.
П р и м е р. Вычислите площадь фигуры, ограниченной кривой (кардиоидой)
.
Р е ш е н и е. Изобразим график кардиоиды
Как видим, кардиоида представляет собой линию, симметричную относительно оси .
Поэтому
П 15. Вычисление длины кривой
Пусть кривая задана параметрически
, .
Разобьем отрезок начастей точками.
Обозначим через соответствующие точки на кривой. Соединим эти точки прямыми.
Полученную при этом ломанную называют ломанной, вписанной в кривую.
Длину элементарного звена равна
Длина ломанной в таком случае будет равна
. (1)
Обозначим через . Тогда длину кривойполучим, перейдя в выражении (1) к пределу при
. (2)
Итак, длина кривой согласно выражению (2) определяется формулой
. (3)
Длина пространственной кривой , заданной параметрически
, ,
будет равна
.
Если плоская кривая задана в явном виде
, ,
то параметрические уравнения кривой
можно в этом случае представить в виде
, ,.
В результате выражении (3) получается в виде
.
П р и м е р. Найти длину кривой, заданной параметрически.
Р е ш е н и е. Построим график заданной кривой
Так как кривая симметрична относительно координатных осей, то достаточно найти .
Поэтому длина кривой будет равна
.
П 16. Несобственный интеграл первого рода. Критерий Коши. Признаки сравнения.
Введённое ранее определение интеграла Римана непригодно, если функция f(x) неограниченна на отрезке [a, b] или промежуток интегрирования бесконечен. В этих случаях понятие определённого интеграла можно обобщить и ввести понятие несобственного интеграла.
Пусть
функция f(x)
определена на бесконечном полуинтервале
[a,
+∞) и пусть интеграл Римана существует
на любом конечном отрезке [a,
x]
Vx≥a.
Тогда имеем функцию F(x),
определённую интегралом
(1)
с переменным верхним пределом.
Перейдём в (1) к пределу при x→+∞ и введём формально следующее обозначение
F(x)= (2)
Символ называют несобственным интегралом первого рода. При этом, если предел (2) существует, то несобственный интеграл называется сходящимся. Если предел не существует или равен ∞, то несобственный интеграл называют расходящимся.
Аналогично определяют несобственные интегралы первого рода на (-∞, b] и
(-∞, +∞).
, (3)
Заметим, что в (3) a и b стремятся к бесконечности независимо друг от друга.
Отметим также, что если функция f(x) непрерывна на [a, ∞), то (1) определяет одну из первообразных функций f(x), и при её нахождении можно использовать все методы интегрирования – замену переменных, интегрирование по частям и прочее.
Пример 1. Исследовать на сходимость несобственный интеграл ,a>0.
Решение.
Пусть α=1. Тогда =ln|t|=∞, т.е. интеграл расходится.
Пусть α≠1. Тогда ==()=(-)=
=
Вывод: данный интеграл сходится при α>1 и расходится при α≤1.
Пример 2. Исследовать на сходимость интеграл .
Решение. ==-.
Очевидно, этот предел не существует. Интеграл расходится.
Пример 3. Вычислить интеграл .
Решение.
===()=--()=0+1=1.
Кратко решение записывают так:
=--=0+1=1.
Теорема 1.(критерий Коши).
Для
сходимости несобственного интеграла
необходимо и достаточно, чтобы дляVε>0
существовало такое A(ε)>0,
что для всех x’
и x”
больших A(ε)
выполнялось неравенство
<ε.(4).
Док-во.Согласно
критерию Коши функция F(x)
имеет предел при x→+∞
только в том случае, когда для Vε>0
существует A(ε)>0
такое, что для Vx’,
x”>
A(ε)
выполняется неравенство
. (5)
Пусть функция F(x) определяется формулой (1). Тогда (см. рис.)
=+=>
=. Отсюда ясно, что условие (5) совпадает с (4). Теорема доказанна.
Теорема
2.(признак
сравнения). Пусть f(x)≥0,
g(x)≥0
и f(x)≤g(x)
и для Vx≥a.
Тогда из расходимости интеграла
следует расходимость интеграла,
а из сходимости интеграласледует сходимость интеграла,
причём
≤. (6)
Док-во.Т.к.
неравенство можно интегрировать, то из
неравенства f(x)≤g(x)
имеем
≤дляVx≥a.
(7).
Поскольку f(x)≥0,
то расходимость интеграла означает,
что предел левой части неравенства (7)
равен +∞. Тогда предел правой части
этого неравенства не может быть конечным,
т.е.
расходится. Первая часть теоремы
доказана.
Пусть сходится. Тогда согласно критерию Коши и неравенству (7) имеем
≤<ε. Это означает, что интеграл сходится. Если оба интеграла сходятся, то переходя к пределу в (7), получим (6).
Теорема доказанна.
Теорема 3. (предельный признак сравнения). Если подынтегральные функции интеграловиположительные и существует предел=C>0, то оба интеграла ведут себя одинаково, т.е. сходятся или расходятся одновременно.
Док-во.Из
существования предела
=C
следует, что для Vε>0
существует A(ε)>a
такое, что
дляVx>A(ε).
Перепишем это неравенство в виде
С-ε<<C+ε
=> (C-ε)g(x)<f(x)<(C+ε)g(x). (8)
Если интеграл сходится, то сходится интеграл. Тогда из правой части (8) и теоремы 2 следует сходимость интеграла, следовательно и интеграла. Первая часть теоремы доказана.
Пусть интеграл расходится, следовательно расходится и интеграл. Тогда из левой части (8) и теоремы 2 следует расходимость интеграла, следовательно и интеграла. Теорема доказанна.
Пример 4. Исследовать на сходимость интеграл .
Решение. Поскольку ~приx→+∞, то согласно теореме 3 данный интеграл сходится, т.е. сходится интеграл (см. пр.1).
Пример 5. Исследовать на сходимость интеграл .
Решение. ~~=.
Вывод: интеграл расходится.