- •Основы маТеМатического анализа
- •Оглавление
- •Дидактический план
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Перечень умений
- •1. Введение в математический анализ
- •1.1. Числовые последовательности
- •1.2. Предел последовательности
- •1.3. Предел функции
- •1.4. Предел функции при стремлении аргумента к бесконечности (X →∞)
- •1.5. Бесконечно малые функции
- •1.6. Основные свойства бесконечно малых
- •1.7. Сравнение бесконечно малых. Эквивалентные бесконечно малые
- •1.8. Бесконечно большие функции
- •1.9. Связь предела и бесконечно малых
- •1.10. Правила предельного перехода
- •1.11. Понятие непрерывности функции. Точки разрыва функции
- •2. Дифференциальное исчисление функций одной переменной
- •2.1. Производная функции. Ее геометрический смысл
- •2.2. Дифференциал функции, его геометрический смысл
- •2.3. Общее представление о линеаризации функции
- •2.4. Основные правила дифференцирования функций
- •2.5. Монотонные функции. Точки экстремума
- •2.6. Производные высших порядков
- •2.7. Формула Тейлора (до второго порядка включительно)
- •2.8. Выпуклость функции. Точки перегиба
- •2.9. Асимптоты
- •2.10. Общая схема исследования функции. Построение графика
- •3. Элементы интегрального исчисления
- •3.1. Понятие первообразной. Основные правила интегрирования
- •3.2. Основные методы интегрирования
- •Основных интегралов (c – постоянная)
- •3.3. Интеграл и задача об определении площади
- •3.4. Определенный интеграл
- •3.5. Вычисление определенного интеграла. Основные свойства
- •7.Теорема о среднем значении определенного интеграла.
- •8.Теорема об оценке интеграла.
- •4. Обыкновенные дифференциальные уравнения
- •4.1. Общие понятия и определения
- •4.2. Дифференциальные уравнения первого порядка. Задача Коши
- •4.3. Способы интегрирования уравнений первого порядка
- •4.4. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
- •1. Составьте логическую схему базы знаний по теме юниты:
- •3. Найти общее решение дифференциального уравнения:
- •Тренинг умений
- •1. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 1 Задание
- •Решение
- •Cамостоятельно найдите производные:
- •2. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 2 Задание
- •Решение
- •Самостоятельно найдите интервалы монотонности и точки экстремумов функции:
- •3. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 3 Задание
- •Решение
- •Самостоятельно методом интегрирования по частям найдите интегралы:
- •4. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 4 Задание 1
- •Решение
- •Задание 2
- •Решение
- •Самостоятельно вычислите площадь, ограниченную кривыми:
- •Самостоятельно найдите общее решение дифференциальных уравнений:
- •Глосарий
- •Матиматика (курс 4) юнита 3
3.3. Интеграл и задача об определении площади
Заканчивая главу о первообразной, покажем, как понятие первообразной (неопределенного интеграла) теснейшим образом связано с определением площади плоской фигуры. Причем воспользуемся здесь интуитивным представлением о площади плоской фигуры, отложив точную постановку этого вопроса.
Пусть имеем непрерывную на отрезке [a,b] функциюf(x), принимающую лишь положительные (неотрицательные) значения.
Рассмотрим фигуру
ABCD(рис. 24), ограниченную кривойy
=f(x), прямымиx = a,x =bи отрезком оси0X; такую фигуру
называют криволинейной трапецией.
Изучим вопрос о площади криволинейной
трапеции. Для этого возьмем некоторую
переменную точкуx, лежащую на
интервале [a,b], и рассмотрим
площадь фигурыABLK. При измененииxэта последняя площадь будет, очевидно,
соответственно изменяться, причем
каждому значению переменнойxотвечает вполне определенное значение
площади криволинейной трапеции. Поэтому
площадь криволинейной трапецииABLKявляется некоторой функцией отx;
обозначим эту функциюS(x). Найдем
(если это возможно) производную функцииS(x) при измененииx. Для этого
дадимxприращение (например,
положительное)
;
тогда площадьS(x) получит
приращение
.
ОбозначимmиMсоответственно
наименьшее и наибольшее значенияf(x)
на промежутке
и сравним площадь
с площадями прямоугольников
и
.
Очевидно,
или
.

Рис. 24
Если теперь
,
то
,
вследствие непрерывностиf(x)
значения
,
;
существует предел
.
Таким образом, мы получили замечательный
результат.
Теорема.Производная от переменной площади по переменной абсциссеxравна значению функции в этой переменной точкеf(x).
Иными словами,
переменная площадь S(x) представляет
собой одну из первообразных – для данной
функцииy =f(x):
.
Так как все первообразные отличаются друг от друга на постоянную величину c, то еслиF(x) какая-либо первообразная дляf(x), тогдаS(x) =F(x) +c.
Положив здесь x=aи считая (очевидно)S(a)=0, получим 0 =F(a) +c,c= –F(a).
Окончательно, S(x)=F(x)–F(a), гдеx– любая точка из интервала [a,b]. В частности, для получения площади всей криволинейной трапецииABCDследует взятьx=b:
.
Этот важный результат называют теоремой Ньютона-Лейбница. Мы еще встретимся с этой теоремой в дальнейшем: площадь криволинейной трапеции Sравна разности значений (произвольной) первообразнойF(x) в концах интервала [a,b].
3.4. Определенный интеграл
Вернемся вновь к
задаче определения площади криволинейной
трапеции, ограниченной непрерывной
кривой y=f(x),
,
прямымиx=a,x=bи отрезком
осиOX.
Разобьем отрезок
[a,b] точками
наnравных частей (рис. 25). Получимn“малых” отрезков
;
длина каждого отрезка
обозначается
,
k=1, 2, …,n; в нашем случае длины всех
отрезков одинаковы:
.

Рис. 25
Проведя через точки
деления прямые, параллельные оси 0Y,
мы разобьем криволинейную трапециюABCDнаnмалых криволинейных
трапеций – полосок с площадью
(k=1, 2,…,n). Очевидно, площадь всей
криволинейной трапецииABCD
.
Эту последнюю сумму
записывают так:
,
где греческая буква ∑ – это знак суммы,
а символ
означает, что суммируютсяnслагаемых
при изменении индексаkот 1 доn.
Заменим теперь
площадь
малой криволинейной фигурыMLPQ(рис.
26) площадью прямоугольникаMLPQ, равной
.
Искомая площадьSкриволинейной
трапеции приближенно равна площади
ступенчатой фигуры:
.

Рис. 26
Очевидно, чем меньше
длина промежутков
,тем
точнее ступенчатая фигура приближает
нашу криволинейную трапецию.
Будем теперь увеличивать вдвое число n точек деления, уменьшая вдвое длину интервалов разбиения.
Получим последовательность сумм
, (*)
где
– площадь ступенчатой фигуры изnпрямоугольников. Естественно за точное
значение площадиSкриволинейной
трапеции принять предел последовательности
площадей ступенчатых фигур, когда
(при этом все длины
стремятся к нулю,
).
Сумма вида (*)
называется интегральной суммой, а
предел, к которому стремится
последовательность интегральных сумм
при![]()
,
если такой предел существует, называется
определенным интегралом функцииf(x)
на отрезке [a,b] и обозначается
символом
(читается – интеграл отaдоbфункцииf(x)).
Итак,
.
Замечание.Мы
рассмотрели здесь только частный случай
последовательности интегральных сумм:
разбиение отрезка [a,b] сделано
так, что все
(k=1, 2,…,n) равны между собой,
, точки
являются правыми концами промежутка
,
а функцияf(x) – непрерывна и
неотрицательна. Вообще говоря,
рассматриваются интегральные суммы
более общего вида, а именно:
1) точки деления
выбираются произвольно, не обязательно
на равном расстоянии друг от друга;
2) на каждом отрезке
длины
выбирается произвольная точка
;
3)
сумму
называют интегральной суммой (Римана)
для функцииf(x)
на отрезке [a,
b];
4) определенным
интеграломназывается такое числоI, которое удовлетворяет условию:
для любого (сколь угодно малого)
положительного числанайдется такое положительное числоδ,
что при
и любом выборе точек
выполняется неравенство
.
Фактически определенный
интеграл Iявляется пределом
интегральных сумм при стремлении к нулю
всех отрезков разбиения, если этот
предел существует и не зависит от выбора
точек деления
и выбора точек
.
Функции f(x),
для которых определенный интеграл
существует, называются интегрируемыми
(по Риману) на отрезке [a,b]. К
таким функциям относятся любые непрерывные
на [a,b] функции, а также
кусочно-непрерывные, т.е. имеющие на
отрезке интегрирования лишь конечное
число точек разрыва первого рода.
Очевидно, что интегрируемые на отрезке
функции ограничены на этом отрезке.
Возвращаясь к задаче
о площади, с которой мы начали, видим,
что площадь криволинейной трапеции,
ограниченной непрерывной кривой y=f(x), где
на [a,b], численно равна определенному
интегралу
.
Этот факт выражает геометрический смысл определенного интеграла.
