- •Раздел 1. ОпределЕнный интеграл § Основная задача интегрального исчисления – нахождение площади криволинейной трапеции
- •§ Свойства разбиений
- •§ Определение определённого интеграла на языке . Предел по базе
- •§. Необходимое условие интегрируемости
- •§ Суммы и интегралы Дарбу
- •§ Критерий Дарбу интегрируемости функций по Риману
- •§ Интегрируемость непрерывных и монотонных функций
- •§. Интегрируемость суммы, произведения и частного интегрируемых функций
- •§. Критерий Лебега интегрируемости функции по Риману.
- •§. Основные свойства определённого интеграла.
- •§. Формула Ньютона-Лейбница.
- •§. Дифференцирование определённого интеграла, пределы которого дифференцируемые функции.
- •§. Замена переменных в определённом интеграле.
- •§. Формула интегрирования по частям §. Формула Тейлора с остаточным членом в интегральной форме.
§. Формула Ньютона-Лейбница.
Пусть fRI,
aI,
xI.
Рассмотрим функцию:
.
Прежде отметим два простых факта
а). Непрерывность интеграла, как функции верхнего предела:
.
б) Дифференцируемость интеграла,
как функции верхнего предела: fRI
, f
непрерывна в x0I,
то
дифференцируема в точке x0,
причём производная по верхнему пределу
совпадает со значением подынтегральной
функции в точке x0:
.
=
=
=
=
=
.
т.е.
.
Далее
в) Существование первообразной у непрерывной функции. Если f (x) непрерывна на промежутке, то у неё существует первообразная, которая с точностью до постоянного слагаемого является определённым интегралом от этой функции с переменным верхним пределом
F (x) = f(x) xI, где f (x) непрерывна по условию.
г) Обобщённая первообразная. Функция F(x) называется обобщённой первообразной для
f (x)
на I, если F
(x)
= f (x)
всюду на I, кроме
может быть не более чем счётного множества
точек. Пример
т.е. | x | – обобщённая
первообразная для sgn x.
Обобщённые первообразные отличаются не более, чем на постоянное слагаемое:
.
Т. Всякая непрерывная на некотором промежутке функция, производная которой существует и равна нулю всюду кроме, не более чем счётного числа точек является константой. ▲
«
F (x) = 0 xС С – множество точек разрыва т.к. (С) = 0, то F (x) = 0 п.в. на [0, 1] по F(x) не константа (т.е. не более чем счётное число точек и множество лебеговой меры нуль не одно и тоже).
д). Если функция f
(x) на I
имеет обобщённую первообразную,то
[a,
b]
I
.
Записанная выше формула и есть формула Ньютона–Лейбница, связывающая интегральное исчисление с дифференциальным и, позволяющая вычислять определенные интегралы с помощью первообразных.
В равенстве
положим x = a
C
= – (a)
или, что тоже самое
.▲
§. Дифференцирование определённого интеграла, пределы которого дифференцируемые функции.
Вспоминая цепное правило дифференцирования
сложной функции, можно написать следующую
формулу
.
▲.
§. Замена переменных в определённом интеграле.
П
.
Кроме того, пусть задана функция x
= (t)
t[,
],
причем ()
= a, ()
= b
и функция
строго монотонна и непрерывно
дифференцируема на промежутке
.
Тогда справедлива формула, именуемая
формулой замены переменной в определенном
интеграле
.
▲.
На иллюстрации сделана попытка пояснить необходимость монотонности функции x = (t).
§. Примеры.
1. Найти
.
а). Формальное применение формулы Ньютона–Лейбница дает
,
что само по себе удивительно, ибо интеграл
от неотрицательной функции оказался
отрицательным.
б). Давайте более аккуратно подойдем к нахождению первообразной функции. Для этого найдем первообразную отдельно для x больших и для x меньших нуля.
Получим для
,
и для
.
Чтобы найти первообразную на всем
промежутке
надо потребовать чтобы найденная
первообразная была непрерывна, т.е.
чтобы
.
Значит первообразная подынтегральной
функции на промежутке
имеет вид
и теперь применение формулы Ньютона–
Лейбница дает правильный результат
.
2.
.
Формально выполняя замену переменной
получим что
,
что очевидно неверно. Для получения
правильного результата необходимо
учесть, что функция
разрывна при
и следовало бы написать
,
однако на этом пути нас ожидает еще одна
неприятность принципиального порядка.
Идея определенного интеграла не может
быть реализована для бесконечных
промежутков интегрирования. Здесь мы
вторгаемся в область несобственных
интегралов, которые будут рассмотрены
несколько позже.
Приведенные два примера показывают что, и при применении формулы Ньютона –Лейбница и при замене переменной в определенном интеграле следует быть очень осторожным.
