Понятие определенного интеграла и его свойства

 

Пусть на отрезке [a, b] задана непрерывная функция f(x).

 

 

y

M

 

 

m

 

 

0 a x_i b x

 

 

Обозначим m и M наименьшее и наибольшее значение функции на отрезке [a, b]

Разобьем отрезок [a, b] на части (не обязательно одинаковые) n точками.

x₀ < x₁ < x₂ < … < x_n

Тогда x₁ – x₀ = Dx₁, x₂ – x₁ = Dx₂, … ,x_n – x_n-1 = Dx_n;

На каждом из полученных отрезков найдем наименьшее и наибольшее значение функции.

 

[x₀, x₁] ® m₁, M₁; [x₁, x₂] ® m₂, M₂; … [x_n-1, x_n] ® m_n, M_n.

 

Составим суммы:

_n = m₁Dx₁ + m₂Dx₂ + … +m_nDx_n =

_n = M₁Dx₁ + M₂Dx₂ + … + M_nDx_n =

Сумма называется нижней интегральной суммой, а сумма – верхней интегральной суммой.

Т.к. m_i £ M_i, то _n £ _n, а m(b – a) £ _n £ _n £ M(b – a)

 

Внутри каждого отрезка выберем некоторую точку e.

x₀ < e₁ < x₁, x₁ < e < x₂, … , x_n-1 < e < x_n.

 

Найдем значения функции в этих точках и составим выражение, которое называется интегральной суммой для функции f(x) на отрезке [a, b].

 

S_n = f(e₁)Dx₁ + f(e₂)Dx₂ + … + f(e_n)Dx_n =

Тогда можно записать: m_iDx_i £ f(e_i)Dx_i £ M_iDx_i

 

Следовательно,

 

 

Геометрически это представляется следующим образом: график функции f(x) ограничен сверху описанной ломаной линией, а снизу – вписанной ломаной.

Обозначим maxDx_i – наибольший отрезок разбиения, а minDx_i – наименьший. Если maxDx_i® 0, то число отрезков разбиения отрезка [a, b] стремится к бесконечности.

 

Если , то

 

Определение: Если при любых разбиениях отрезка [a, b] таких, что maxDx_i® 0 и произвольном выборе точек e_i интегральная сумма стремится к пределу S, который называется определенным интегралом от f(x) на отрезке [a, b].

 

Обозначение :

а – нижний предел, b – верхний предел, х – переменная интегрирования, [a, b] – отрезок интегрирования.

 

 

Определение: Если для функции f(x) существует предел то функция называется интегрируемой на отрезке [a, b].

 

Также верны утверждения:

 

 

Теорема: Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она интегрируема на этом отрезке.

 

 

Свойства определенного интеграла.

 

1)

2)

3)

4) Если f(x) £ j(x) на отрезке [a, b] a < b, то

 

5) Если m и M – соответственно наименьшее и наибольшее значения функции f(x) на отрезке [a, b], то:

 

 

6) Теорема о среднем. Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то на этом отрезке существует точка e такая, что

 

Доказательство: В соответствии со свойством 5:

 

т.к. функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она принимает на этом отрезке все значения от m до М. Другими словами, существует такое число eÎ [a, b], что если

и m = f(e), а a £ e £ b, тогда . Теорема доказана.

 

7) Для произвольных чисел a, b, c справедливо равенство:

 

Разумеется, это равенство выполняется, если существует каждый из входящих в него интегралов.

 

 

8)

 

Обобщенная теорема о среднем. Если функции f(x) и j(x) непрерывны на отрезке [a, b], и функция j(х) знакопостоянна на нем, то на этом отрезке существует точка e, такая, что

 

Вычисление определенного интеграла.

Пусть в интеграле нижний предел а = const, а верхний предел b изменяется. Очевидно, что если изменяется верхний предел, то изменяется и значение интеграла.

Обозначим = Ф(х). Найдем производную функции Ф(х) по переменному верхнему пределу х.

 

Аналогичную теорему можно доказать для случая переменного нижнего предела.

 

Теорема: Для всякой функции f(x), непрерывной на отрезке [a, b], существует на этом отрезке первообразная, а значит, существует неопределенный интеграл.

 

Теорема: (Теорема Ньютона – Лейбница)

Если функция F(x) – какая- либо первообразная от непрерывной функции f(x), то

 

это выражение известно под названием формулы Ньютона – Лейбница.

 

Доказательство: Пусть F(x) – первообразная функции f(x). Тогда в соответствии с приведенной выше теоремой, функция - первообразная функция от f(x). Но т.к. функция может иметь бесконечно много первообразных, которые будут отличаться друг от друга только на какое – то постоянное число С, то

 

при соответствующем выборе С это равенство справедливо для любого х, т.е. при х = а:

 

Тогда ,

А при х = b:

Заменив переменную t на переменную х, получаем формулу Ньютона – Лейбница:

 

Теорема доказана.

 

Иногда применяют обозначение F(b) – F(a) = F(x) .

Формула Ньютона – Лейбница представляет собой общий подход к нахождению определенных интегралов.

Что касается приемов вычисления определенных интегралов, то они практически ничем не отличаются от всех тех приемов и методов, которые были рассмотрены выше при нахождении неопределенных интегралов.

Точно так же применяются методы подстановки (замены переменной), метод интегрирования по частям, те же приемы нахождения первообразных для тригонометрических, иррациональных и трансцендентных функций. Особенностью является только то, что при применении этих приемов надо распространять преобразование не только на подинтегральную функцию, но и на пределы интегрирования. Заменяя переменную интегрирования, не забыть изменить соответственно пределы интегрирования.

 

 

Замена переменных.

Пусть задан интеграл , где f(x) – непрерывная функция на отрезке [a, b].

Введем новую переменную в соответствии с формулой x = j(t).

Тогда если

1) j(a) = а, j(b) = b

2) j(t) и j¢(t) непрерывны на отрезке [a, b]

3) f(j(t)) определена на отрезке [a, b], то

 

Тогда

 

Пример.

 

 

При замене переменной в определенном интеграле следует помнить о том, что вводимая функция (в рассмотренном примере это функция sin) должна быть непрерывна на отрезке интегрирования. В противном случае формальное применение формулы приводит к абсурду.

 

Пример.

, с другой стороны, если применить тригонометрическую подстановку,

 

Т.е. два способа нахождения интеграла дают различные результаты. Это произошло из-за того, что не был учтен тот факт, что введенная переменная tgx имеет на отрезке интегрирования разрыв (в точке х = p/2). Поэтому в данном случае такая подстановка неприменима. При замене переменной в определенном интеграле следует внимательно следить за выполнением перечисленных выше условий.

 

Интегрирование по частям.

 

Если функции u = j(x) и v = y(x) непрерывны на отрезке [a, b], а также непрерывны на этом отрезке их производные, то справедлива формула интегрирования по частям:

 

Вывод этой формулы абсолютно аналогичен выводу формулы интегрирования по частям для неопределенного интеграла, который был весьма подробно рассмотрен выше, поэтому здесь приводить его нет смысла.

 

Приближенное вычисление определенного интеграла.

 

Как было сказано выше, существует огромное количество функций, интеграл от которых не может быть выражен через элементарные функции. Для нахождения интегралов от подобных функций применяются разнообразные приближенные методы, суть которых заключается в том, что подинтегральная функция заменяется “близкой” к ней функцией, интеграл от которой выражается через элементарные функции.

 

 

Формула прямоугольников.

 

Если известны значения функции f(x) в некоторых точках x₀, x₁, … , x_m, то в качестве функции “близкой” к f(x) можно взять многочлен Р(х) степени не выше m, значения которого в выбранных точках равны значениям функции f(x) в этих точках.

 

Если разбить отрезок интегрирования на n равных частей . При этом:

y₀ = f(x₀), y₁ = f(x₁), …. , y_n = f(x_n).

Составим суммы: y₀Dx + y₁Dx + … + y_n-1Dx

y₁Dx + y₂Dx + … + y_nDx

Это соответственно нижняя и верхняя интегральные суммы. Первая соответствует вписанной ломаной, вторая – описанной.

Тогда или

- любая из этих формул может применяться для приближенного вычисления определенного интеграла и называется общей формулой прямоугольников.

 

 

Формула трапеций.

 

Эта формула является более точной по

у сравнению с формулой прямоугольников.

Подинтегральная функция в этом случае

заменяется на вписанную ломаную.

 

y₁ у₂ у_n

 

a x₁ x₂ b x

 

Геометрически площадь криволинейной трапеции заменяется суммой площадей вписанных трапеций. Очевидно, что чем больше взять точек n разбиения интервала, тем с большей точностью будет вычислен интеграл.

 

Площади вписанных трапеций вычисляются по формулам:

 

 

После приведения подобных слагаемых получаем формулу трапеций:

 

 

Формула парабол

(формула Симпсона или квадратурная формула).

 

(Томас Симпсон (1710-1761)- английский математик)

 

Разделим отрезок интегрирования [a, b] на четное число отрезков (2m). Площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции f(x) заменим на площадь криволинейной трапеции, ограниченной параболой второй степени с осью симметрии, параллельной оси Оу и проходящей через точки кривой, со значениями f(x₀), f(x₁), f(x₂).

Для каждой пары отрезков построим такую параболу.

у

 

 

0 х₀ х₁ х₂ х₃ х₄ х

 

Уравнения этих парабол имеют вид Ax² + Bx + C, где коэффициенты А, В, С могут быть легко найдены по трем точкам пересечения параболы с исходной кривой.

(1)

Обозначим .

 

Если принять х₀ = -h, x₁ = 0, x₂ = h, то (2)

Тогда уравнения значений функции (1) имеют вид:

 

C учетом этого: .

Отсюда уравнение (2) примет вид:

Тогда

 

 

Складывая эти выражения, получаем формулу Симпсона:

 

Чем больше взять число m, тем более точное значение интеграла будет получено.

 

Пример. Вычислить приближенное значение определенного интеграла

с помощью формулы Симпсона, разбив отрезок интегрирования на 10 частей.

 

По формуле Симпсона получим:

 

m
x	-2	-1
f(x)	2.828	3.873		4.123	4.899	6.557	8.944	11.874	15.232	18.947	22.978

 

Точное значение этого интеграла – 91.173.

 

Как видно, даже при сравнительно большом шаге разбиения точность полученного результата вполне удовлетворительная.

 

Для сравнения применим к этой же задаче формулу трапеций.

 

Формула трапеций дала менее точный результат по сравнению с формулой Симпсона.

 

 

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” возможно запустить программу, которая вычисляет любой определенный интеграл всеми рассмотренными выше методами.

Для запуска программы дважды щелкните на значке

Несобственные интегралы.

Пусть функция f(x) определена и непрерывна на интервале [a, ¥). Тогда она непрерывна на любом отрезке [a, b].

 

Определение: Если существует конечный предел , то этот предел называется несобственным интегралом от функции f(x) на интервале [a, ¥).

Обозначение:

 

Если этот предел существуетиконечен, то говорят, что несобственный интеграл сходится.

Если предел не существует или бесконечен, то несобственный интеграл расходится.

 

Аналогичные рассуждения можно привести для несобственных интегралов вида:

 

 

Конечно, эти утверждения справедливы, если входящие в них интегралы существуют.

 

 

Пример.

- не существует.

Несобственный интеграл расходится.

 

 

Пример.

 

- интеграл сходится

 

 

Теорема: Если для всех х (x ³ a) выполняется условие и интеграл сходится, то тоже сходится и ³ .

 

 

Теорема: Если для всех х (x ³ a) выполняется условие и интеграл расходится, то тоже расходится.

 

Теорема: Если сходится, то сходится и интеграл .

В этом случае интеграл называется абсолютно сходящимся.

 

 

Интеграл от разрывной функции.

 

 

Если в точке х = с функция либо неопределена, либо разрывна, то

 

Если интеграл существует, то интеграл - сходится, если интеграл не существует, то - расходится.

 

Если в точке х = а функция терпит разрыв, то .

Если функция f(x) имеет разрыв в точке b на промежутке [a, с], то

 

Таких точек внутри отрезка может быть несколько.

Если сходятся все интегралы, входящие в сумму, то сходится и суммарный интеграл.

 

Геометрические приложения определенного интеграла.

Вычисление площадей плоских фигур.

 

у

 

 

+ +

 

0 a - b x

 

Известно, что определенный интеграл на отрезке представляет собой площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции f(x). Если график расположен ниже оси Ох, т.е. f(x) < 0, то площадь имеет знак “-“, если график расположен выше оси Ох, т.е. f(x) > 0, то площадь имеет знак “+”.

Для нахождения суммарной площади используется формула .

Площадь фигуры, ограниченной некоторыми линиями может быть найдена с помощью определенных интегралов, если известны уравнения этих линий.

 

Пример. Найти площадь фигуры, ограниченной линиями y = x, y = x², x = 2.

 

 

Искомая площадь (заштрихована на рисунке) может быть найдена по формуле:

(ед²)

 

 

Нахождение площади криволинейного сектора.

r = f(j)

 

 

b

a

О r

Для нахождения площади криволинейного сектора введем полярную систему координат. Уравнение кривой, ограничивающей сектор в этой системе координат, имеет вид r = f(j), где r - длина радиус – вектора, соединяющего полюс с произвольной точкой кривой, а j - угол наклона этого радиус – вектора к полярной оси.

Подробнее о полярной системе координат и ее связи с декартовой прямоугольной системой координат см. Полярная система координат. “Курс высшей математики. Часть 1.”

Площадь криволинейного сектора может быть найдена по формуле

 

 

Вычисление длины дуги кривой.

 

y y = f(x)

 

DS_i Dy_i

Dx_i

 

 

a b x

 

Длина ломаной линии, которая соответствует дуге, может быть найдена как .

Тогда длина дуги равна .

Из геометрических соображений:

В то же время

Тогда можно показать (см. Интегрируемая функция.), что

 

Т.е.

Если уравнение кривой задано параметрически, то с учетом правил вычисления производной параметрически заданной функции (см. Производная фунции, заданной параметрически.), получаем

,

где х = j(t) и у = y(t).

Если задана пространственная кривая, и х = j(t), у = y(t) и z = Z(t), то

 

 

 

Если кривая задана в полярных координатах, то

, r = f(j).

 

Пример: Найти длину окружности, заданной уравнением x² + y² = r².

 

1 способ.Выразим из уравнения переменную у.

Найдем производную

Тогда

Тогда S = 2pr. Получили общеизвестную формулу длины окружности.

 

2 способ. Если представить заданное уравнение в полярной системе координат, то получим: r²cos²j + r²sin²j = r², т.е. функция r = f(j) = r, тогда

 

 

 

Вычисление объемов тел.

 

Вычисление объема тела по известным площадям его параллельных сечений.

 

Q(x_i-1)

Q(x_i)

 

 

a x_i-1 x_i b x

 

Пусть имеется тело объема V. Площадь любого поперечного сечения тела Q, известна как непрерывная функция Q = Q(x). Разобьем тело на “слои” поперечными сечениями, проходящими через точки х_i разбиения отрезка [a, b]. Т.к. на каком- либо промежуточном отрезке разбиения [x_i-1, x_i] функция Q(x) непрерывна, то принимает на нем наибольшее и наименьшее значения. Обозначим их соответственно M_i и m_i.

Если на этих наибольшем и наименьшем сечениях построить цилиндры с образующими, параллельными оси х, то объемы этих цилиндров будут соответственно равны M_iDx_i и m_iDx_i здесь Dx_i = x_i - x_i-1.

Произведя такие построения для всех отрезков разбиения, получим цилиндры, объемы которых равны соответственно и .

При стремлении к нулю шага разбиения l, эти суммы имеют общий предел:

 

Таким образом, объем тела может быть найден по формуле:

 

Недостатком этой формулы является то, что для нахождения объема необходимо знать функцию Q(x), что весьма проблематично для сложных тел.

 

Пример: Найти объем шара радиуса R.

y

 

 

 

R y

 

-R 0 x R x

 

 

В поперечных сечениях шара получаются окружности переменного радиуса у. В зависимости от текущей координаты х этот радиус выражается по формуле .

Тогда функция площадей сечений имеет вид: Q(x) = .

Получаем объем шара:

.

 

Пример: Найти объем произвольной пирамиды с высотой Н и площадью основания S.

 

 

Q S

 

x H x

 

При пересечении пирамиды плоскостями, перпендикулярными высоте, в сечении получаем фигуры, подобные основанию. Коэффициент подобия этих фигур равен отношению x/H, где х – расстояние от плоскости сечения до вершины пирамиды.

Из геометрии известно, что отношение площадей подобных фигур равно коэффициенту подобия в квадрате, т.е.

 

Отсюда получаем функцию площадей сечений:

Находим объем пирамиды:

 

Объем тел вращения.

 

Рассмотрим кривую, заданную уравнением y = f(x). Предположим, что функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b]. Если соответствующую ей криволинейную трапецию с основаниями а и b вращать вокруг оси Ох, то получим так называемое тело вращения.

 

y = f(x)

 

 

x

 

Т.к. каждое сечение тела плоскостью x = const представляет собой круг радиуса , то объем тела вращения может быть легко найден по полученной выше формуле:

 

 

 

Площадь поверхности тела вращения.

 

М_i B

 

А

 

х

x_i

 

 

Определение: Площадью поверхности вращения кривой АВ вокруг данной оси называют предел, к которому стремятся площади поверхностей вращения ломаных, вписанных в кривую АВ, при стремлении к нулю наибольших из длин звеньев этих ломаных.

 

Разобьем дугу АВ на n частей точками M₀, M₁, M₂, … , M_n. Координаты вершин полученной ломаной имеют координаты x_i и y_i. При вращении ломаной вокруг оси получим поверхность, состоящую из боковых поверхностей усеченных конусов, площадь которых равна DP_i. Эта площадь может быть найдена по формуле:

 

Здесь DS_i – длина каждой хорды.

 

Применяем теорему Лагранжа (см. Теорема Лагранжа.) к отношению .

Получаем:

Тогда

 

Площадь поверхности, описанной ломаной равна:

 

Эта сумма не является интегральной, но можно показать, что

 

Тогда - формула вычисления площади поверхности тела вращения.

 

*******

 

Функции нескольких переменных

 

 

При рассмотрении функций нескольких переменных ограничимся подробным описанием функций двух переменных, т.к. все полученные результаты будут справедливы для функций произвольного числа переменных.