Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
раздел 4 конспекта лекций.pdf
Скачиваний:
89
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
752 Кб
Скачать
☆

sin αx cos βx = 12 (sin(α + β cosαx cos βx = 12 (cos(α + β

sin αx sin βx = 12 (cos(α − β

)x + sin(α − β)x);

)x + cos(α − β)x);

)x − cos(α + β)x).

7. ∫tg m xdx

или

∫ctg m xdx ,

где

 

 

 

т

 

-

 

 

четное неотрицательное, берутся, если к

подынтегральной функции прибавить и отнять tg m−2 x или ctg m−2 x .

Пример 4.3.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫tg 4 x dx = ∫((tg 4 x + tg 2 x)− tg 2 x)dx = ∫tg 2 x(1 + tg 2 x)dx −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− ∫((tg 2 x +1)−1)dx = ∫tg2 x

 

 

 

dx

 

 

 

− ∫

 

 

dx

 

 

 

 

+ ∫dx =

 

 

 

2

x

 

 

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

∫tg2 x d tg x − tg x + x =

tg3 x

 

− tg x + x +C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАМЕЧАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иногда полезно использовать тригонометрическое тождество sin2 x + cos2 x =1 . Это удобно,

если под знаком интеграла стоят

1

 

 

 

и

 

 

1

 

 

, где n – четное неотрицательное.

sinn x

 

cosn x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 4.3.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

=

∫

sin2 x + cos

2 x

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2 x cos4 x

sin2 x cos4

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫

1

 

dx +

∫

 

 

1

 

 

 

 

dx = ∫

1

 

 

 

d tg x + 4∫

 

1

 

dx =

4

 

sin

2

x cos

2

x

2

x

2

 

 

cos

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

2x

= ∫(1 + tg 2 x)d tg x + 2∫

 

 

 

1

 

 

 

d 2x = tg x +

tg3 x

 

− 2 ctg 2x +C.

 

 

 

2

 

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4. Определенные интегралы и их приложения

Задачи, приводящие к понятию определенного интеграла. Определенный интеграл, как предел интегральной суммы. Условия его существования. Свойства определенного интеграла. Теорема о среднем. Интеграл с переменным верхним пределом. Теорема Барроу. Формула НьютонаЛейбница. Метод интегрирования по частям в определенном интеграле. Метод замены переменой в определенном интеграле. Интегрирование в симметричных пределах четной и нечетной функций. Вычисление площади плоской фигуры при различных способах задания ее границы. Вычисление длины кривой при различных способах ее задания. Вычисление объема тела по площади его поперечного сечения. Объем тела вращения. Общая схема решения физических, механических задач с помощью определенного интеграла.

4.4.1. Понятие определенного интеграла

Пусть на отрезке [а;b] задана непрерывная функция y = f (x) (рис. 4.4.1). Разделим [а;b] на части произвольными точками: a = x0 < x1 < x2 <... < xn = b . Обозначим через xi = xi+1 − xi .

18

Рис. 4.4.1.

На каждом

частичном

отрезке

[xi ; xi+1 ] разбиения

выберем

произвольную

точку

ξi [xi ; xi+1 ].В каждой точке ξi вычислим значение функции f (ξi ) .

 

 

 

 

 

 

 

Sn

n−1

 

xi , которую

 

 

 

 

 

 

 

Составим сумму

=

∑ f (ξi )

будем

называть

интегральной

суммой

 

 

 

i=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции f , соответствующей этому разбиению.

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим через λ =

max

xi максимальную длину частичных отрезков [xi ; xi+1 ].

 

 

0≤i≤n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 4.4.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть f (х)

непрерывная функция на [а;b]. Если существует предел последовательности

интегральных сумм Sn

при λ → 0 (и n → ∞ ) и не зависящего от способа разбиения отрезка,

то он называется определенным интегралом от функции

f (х) на отрезке [а;b]. Функция

f (х) называется интегрируемой на [а;b].

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначается: lim Sn

 

 

 

n−1

xi =

b

 

 

 

 

 

 

=

lim

∑ f (ξi )

∫ f (x)dx ,

 

 

 

 

 

 

λ→0

 

max

xi →0 i=0

 

a

 

 

 

 

 

 

где a – нижний предел интегрирования; b – верхний предел интегрирования.

 

 

Геометрический смысл определенного интеграла

 

 

 

 

 

 

 

Пусть функция y = f (x)

непрерывна и неотрицательна на [а;b]. Произведение

f (ξi ) xi

численно равно площади прямоугольника, имеющего основание [xi ; xi+1 ] и высоту

f (ξi ) .

Построив на каждом отрезке [xi ; xi+1 ] такой прямоугольник, получим ступенчатую фигуру,

 

 

 

 

 

 

 

n−1

 

 

 

 

 

 

 

площадь которой равна интегральной сумме Sn

= ∑ f (ξi )

xi .

 

 

 

 

 

i=0

Если λ → 0 , то площадь ступенчатой фигуры будет стремиться к площади так называемой криволинейной трапеции, ограниченной кривой y = f (x) , прямыми x = a , x = b и осью Ox

(рис. 4.4.2).

b

Таким образом ∫ f (x)dx = S . a

Рис. 4.4.2.

19

Понятие определенного интеграла так, как мы его определили, было введено для непрерывных функций французским математиком Коши. Говорят, что непрерывная на отрезке [а;b] функция интегрируема на нем в смысле Коши.
В общем случае – для функций не обязательно непрерывных – может существовать предел интегральных сумм, тогда говорят, что функция интегрируема в смысле Римана. Это определение дано немецким математиком Б. Ф. Риманом (1826-1866гг.).
4.4.2. Основные свойства определенного интеграла

ЗАМЕЧАНИЕ

10. Постоянный множитель можно

выносить

за

знак определенного интеграла, т.е.

b

b

 

 

 

 

 

 

∫Af (x)dx = A∫ f (x)dx ,

A = Const , если эти интегралы существуют.

 

a

a

 

 

 

 

 

 

Действительно,

 

 

 

 

 

 

b

 

 

n−1

xi = =

 

n −1

b

∫Af (x)dx = lim

∑Af (ξi )

lim

A ∑ f (ξi )

xi = A∫ f (x)dx .

a

max

xi

→0 i =0

max xi

→0 i =0

a

20. Определенный интеграл от суммы нескольких функций равен сумме интегралов от слагаемых, т.е.

 

b

 

 

b

b

 

 

∫( f1(x) + f2 (x))dx = ∫ f1(x)dx + ∫ f2 (x)dx

 

a

 

 

a

a

 

если f1 (х) и f2 (х)

- интегрируемые на [а;b] функции.

 

b

 

 

n−1

 

 

Так как ∫( f1(x) + f2 (x))dx =

lim

∑

( f1 (ξi ) + f2 (ξi )) xi

=

a

 

max xi →0 i=0

 

 

 

 

n−1

 

 

n−1

b

b

= maxlimx →0

∑ f1(ξi ) xi + maxlimx →0

∑ f2 (ξi ) xi = ∫ f1 (x)dx + + ∫ f2 (x)dx .

i

i=0

 

i

i=0

a

a

30. Если на отрезке [а;b], где а < b , интегрируемые функции

f (x) и g(x) удовлетворяют

 

b

b

 

 

 

 

условию f (x) ≤ g(x) , то ∫ f (x)dx ≤ ∫g(x)dx .

 

 

 

a

a

 

 

 

 

Действительно, если рассмотреть разность

 

 

 

b

b

 

 

b

 

 

∫g(x)dx − ∫ f (x)dx = ∫(g(x) − f (x))dx ,

 

a

a

 

 

a

 

то, поскольку g(х) − f (х) ≥ 0

х [а; b],

то,

по геометрическому смыслу определенного

b

 

b

 

 

b

 

интеграла, ∫(g(x) − f (x))dx ≥ 0

∫ f (x)dx ≤ ∫g(x)dx .

 

a

 

a

 

 

a

 

40. Если m и M – наименьшее и наибольшее значения интегрируемой функции f (x) на

b

 

 

отрезке [а;b] и а ≤ b , то m(b − a) ≤ ∫ f (x)dx ≤ M (b − a) .

 

 

a

 

 

b

b

b

Действительно, по условию m ≤ f (x) ≤ M , тогда ∫mdx ≤ ∫ f (x)dx ≤ ∫Mdx . a a a

20

b

b

 

 

n−1

 

Поскольку ∫mdx = m∫dx = m

lim

∑ xi = m(b −a) .

a

a

 

max xi

→0 i=0

 

 

 

b

 

 

 

b

Аналогично,

∫Mdx = M (b − a) m(b − a) ≤ ∫ f (x)dx ≤ M (b − a) .

 

 

a

 

 

 

a

Если f (x) ≥ 0 , то SaA B b ≤ SaABb ≤ SaA B

b (рис. 4.4.3).

 

1

1

 

2

2

 

y

A2

B2

M

 

 

y = f (x)

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1

 

 

 

 

 

B1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.4.3

 

 

 

 

 

 

 

 

50. Теорема о среднем. Если f (x)

- непрерывна на отрезке [а;b], то существует точка

ξ [а;b] такая, что справедливо равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ f (x)dx = (b − a) f (ξ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Пусть для определенности а < b и m ≤ f (x) ≤ M . Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m(b − a) ≤ ∫ f (x)dx ≤ M (b − a)

 

: (b − a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

b

 

 

 

 

 

1

b

 

 

 

 

 

 

 

 

m ≤

 

 

∫ f (x)dx≤ M , обозначим

 

∫ f (x)dx = μ, тогда m ≤ μ ≤ M .

 

b

− a

b

−a

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заключенные между m и M .

- непрерывна, то она принимает все значения,

 

 

 

ξ [a;b],

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

b

 

Следовательно,

 

 

такое,

что

 

f (ξ) = μ,

 

 

т.е.

f (ξ) =

∫ f (x)dx

и

 

 

 

 

 

b −a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

ξ [a;b].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ f (x)dx = (b − a) f (ξ) , где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

60. Из определения определенного интеграла ∫ f (x)dx

= −∫ f (x)dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

c

 

b

 

70. Для любых трех чисел a, b, c справедливо равенство ∫ f (x)dx

= ∫ f (x)dx + ∫ f (x)dx ,

a

a

c

если только все три интеграла существуют.

21