5. Вычисление площадей плоских фигур.
.
Если требуется найти площадь фигуры, ограниченной графиками двух функций: f1(x) и f2(x) (рис. 2), то ее можно рассматривать как разность площадей двух криволинейных трапеций: верхней границей первой из них служит график функции f2(x), а второй – f1(x).
Если
требуется определить объем
так называемого тела
вращения, то
есть тела, образованного вращением
вокруг оси Ох
криволинейной трапеции, ограниченной
частью графика функции y
= f(x)
от х = а
до x
= b
и отрезками прямых х
= а, х = b
и у =0,
то площадь сечения такого тела плоскостью
x
= const
равна
,
и формула (14.8) в этом случае имеет вид:
Вычисление длины дуги.
Теорема.
Пусть функции x(t) и y(t) имеют на отрезке
непрерывные производные
и
.
Тогда длина дуги кривой
.
6. Если
существует конечный предел
,
то его
называют несобственным
интегралом 1-го рода
от функции f(x)
на интервале
и обозначают
.
Таким образом, по определению
= . (15.2)
При этом говорят, что несобственный интеграл существует или сходится. Если же не существует конечного предела (15.1), несобственный интеграл не существует или расходится.
Пусть
функция f(x)
определена и непрерывна при a
≤ x
< b
и имеет разрыв при
x
= b.
Тогда
определяется следующим образом:
и называется несобственным интегралом 2-го рода. Если предел, стоящий справа, существует и конечен, интеграл называется сходящимся, в противном случае – расходящимся.
Комплексным числом называется выражение вида a + ib, где a и b – любые действительные числа, i – специальное число, которое называется мнимой единицей.
Комплексные числа часто обозначают одной буквой, например, z = a + ib. Действительное число a называется действительной частью комплексного числа z, действительная часть обозначается a = Re z. Действительное число b называется мнимой частью комплексного числа z, мнимая часть обозначается b = Im z. Такие названия выбраны в связи со следующими особыми свойствами комплексных чисел.
Действия над комплексными числами
Сложение (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i
Вычитание (a + bi) − (c + di) = (a − c) + (b − d)i
Умножение (a + bi)(c + di) = ac + bci + adi + bdi2 = (ac − bd) + (bc + ad)i
Деление
Тригонометрическая
и показательная формыЕсли
вещественную x
и мнимую y
части комплексного числа выразить
через модуль r
= | z
| и аргумент
(
,
),
то комплексное число z
можно записать в тригонометрической
форме
.
1 Уравнения, в которые неизвестная функция входит под знаком производной или дифференциала, называются дифференциальными уравнениями. Подобными уравнениями описываются многие физические явления и процессы.
Уравнение
вида
называется обыкновенным дифференциальным уравнением п-го порядка. При этом порядком уравнения называется максимальный порядок входящей в него производной.
Дифференциальное уравнение первого порядка в общем случае можно записать в виде
F(x;y;y')=0.
Уравнение связывает независимую переменную х, искомую функцию y и ее производную y'. Если уравнение (2.1) можно разрешить относительно y', то его записывают в виде
У'=ƒ(х;у) и называют ДУ первого порядка, разрешенным относительно производной.
Уравнения с разделяющимися переменными.
Дифференциальные уравнения вида
f2(y)dy = f1(x)dx называются уравнениями с разделяющимися переменными. Тогда любое решение у(х) этого уравнения будет удовлетворять и уравнению
,где
с
– произвольная постоянная. Если удается
найти первообразные функций f1(x)
и f2(y),
выраженные
в элементарных функциях, то из (17.2) можно
получить конечное уравнение вида Ф
(х , у)
= 0,
которое определяет решение у(х) уравнения (17.1) как неявную функцию х.
К уравнениям с разделяющимися переменными приводятся и так называемые однородные дифференциальные уравнения первого порядка, имеющие вид:
Действительно,
замена
или y
= xt
приводит к
Еще одной формой однородного уравнения является уравнение
M(x,y)
dx
+ N(x,y)
dy
= 0, если М(х,у)
и N(x,y)
– однородные функции одинаковой степени
однородности. При этом
.
Линейным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида
,
(17.8)
линейное относительно неизвестной функции у(х) и ее производной. При этом будем предполагать, что р(х) и f(x) непрерывны.
В случае, когда f(x) ≡ 0, уравнение (17.8) называется однородным. Такое уравнение является уравнением с разделяющимися переменными:
,
откуда
К линейным уравнениям можно свести с помощью замены некоторые другие дифференциальные уравнения, например, уравнение Бернулли:
Разделив
на уп,
получим:
,
а замена z
= y1-n
,
приводит к линейному уравнению
относительно z:
.
Рассмотрим дифференциальное уравнение п-го порядка:
F (x, y, y′,…, y(n)) = 0,
где F предполагается непрерывной функцией всех своих аргументов. Тогда по теореме о существовании неявной функции (см. лекцию ) можно разрешить это уравнение относительно старшей производной:
у(п) = f (x, y, y′,…, y(n-1))
и сформулируем для него (без доказательства) теорему существования и единственности решения:
Теорема
18.1. Существует
единственное решение уравнения (18.2),
удовлетворяющее условиям
, если в
окрестности начальных значений (х0
, у0
, у′0
,…, у0(п-1))
функция f
является
непрерывной функцией всех своих
аргументов и удовлетворяет условию
Липшица по всем аргументам, начиная со
второго.
Уравнения, допускающие понижение порядка.
Уравнение не содержит искомой функции и ее производных по порядок (k – 1) включительно:
.
В этом случае можно сделать замену р
= у(k),
которая позволяет понизить порядок
уравнения до n
– k,
так как после замены уравнение примет
вид
.
Из этого уравнения можно найти р = р (х, С1 , С2 ,…, Сn-k), а затем найти у с помощью интегрирования k раз функции р = р (х, С1 , С2 ,…, Сn-k).
Уравнение не содержит независимой переменной:
F ( y, y′,…, y(n)) = 0
Порядок такого уравнения можно понизить на единицу заменой у′ = р(у). При этом производные функции f(x) по аргументу х нужно выразить через производные р по у:
и т.д.
3. Уравнение F (х, y, y′,…, y(n)) = 0 однородно относительно аргументов y, y′,…, y(n), то есть справедливо тождество
В этом
случае можно понизить порядок уравнения
на единицу, вводя новую неизвестную
функцию z,
для которой
.
Тогда
и т.д.
Числовой ряд – это сумма членов числовой последовательности вида
Числовой
ряд
называется сходящимся, если существует
конечный предел последовательности
частичных сумм .
Если предел последовательности частичных
сумм числового ряда не существует или
бесконечен, то ряд
называется расходящимся.
Свойства сходящихся числовых рядов.
Если
сходится числовой ряд
,
то сходящимся будет и ряд
.
Другими словами, сходящимся будет и ряд
без первых m членов. Если к сходящемуся
числовому ряду
добавить несколько членов (от первого
до m-ого), то полученный ряд также будет
сходящимся.
Если
сходится числовой ряд
и его сумма равна S, то сходящимся будет
и ряд
,
причем
,
где A – произвольная постоянная.
Если
сходятся числовые ряды
и
,
их суммы равны A и B соответственно, то
сходящимися будут ряды
и
, причем их суммы будут равны A + B и A - B
соответственно.
Необходимое
условие сходимости ряда.
Если числовой ряд
сходится, то предел его k-ого члена равен
нулю
:
.
При
исследовании любого числового ряда на
сходимость в первую очередь следует
проверять выполнение необходимого
условия сходимости. Невыполнение этого
условия указывает на расходимость
числового ряда, то есть, если
,
то ряд расходится.
С другой стороны нужно понимать, что это условие не является достаточным. То есть, выполнение равенства не говорит о сходимости числового ряда .
Сумма вида называется гармоническим числовым рядом.
ГАРМОНИЧЕСКИЙ
РЯД
ЯВЛЯЕТСЯ РАСХОДЯЩИМСЯ.
Докажем расходимость гармонического ряда.
Предположим,
что ряд сходится. Тогда существует
конечный предел его частичных сумм. В
этом случае можно записать
и
,
что приводит нас к равенству .
С другой стороны,
Не
вызывают сомнения следующие неравенства
. Таким образом,
.
Полученное неравенство
указывает нам на то, что равенство
не может быть достигнуто, что противоречит
нашему предположению о сходимости
гармонического ряда.
Вывод: гармонический ряд расходится.
