Доказательство:
1)Необходимость:
пусть f(x)
ограничена [a;b]
и интегрируема на нём =>
I;I=
;
ε>0
δ(ε)>0:
T
δT<δ
выбора
точки ξ; => |σ-I|<ε
=> I-ε<σ<I+ε;
s=infσ;
S=supσ
=> Для T
и δT<δ
будет выполняться I-ε<s<S<I+ε;
s≤{σ}
и S≤{σ}
=> |S-I|<ε
и |s-I|<ε
=> |S-I|
+ |s-I|
< 2ε => x-S+s-I<2ε=>S-s<2ε,
т.е. выполняется (1)
2)Достаточность:
пусть (1)
выполнено, т.к. s≤
S
(2) выполняется, то отсюда s≤
или
-s≥-
(3);
кроме того S≥
(4)
из (3) + (4) =>
≤S-s
=>(т.к. выполняется условие (3) =>
=>
s≤I≤S(5)
=> 0≤I-s≤S-s=>0≤S-I≤s-S,
т.к. I≥S
=>
=>
это означает, что
;
T:s≤σ≤S
=>
f(x)
интегрируема на [a;b]
Теорема:
непрерывная
на отрезке функция интегрируема на
нём. Введём обозначение ωi=Mi-mi-колебание
f(x)
на [xi-1;xi],
S-s=
(Mi-mi)Δxi=
ωiΔxi;i=1,…,n,
чтобы функция была интегрируема,
необходимо и достаточно, чтобы
ωiΔxi<ε
Теорема Кантора: функция, непрерывная на отрезке, равномерно непрерывна на нём.
Следствие: пусть f(x) непрерывна на [a;b] => ε>0 δ(ε)>0 [c;d]<[a;b]=>l=d-c<δ=>ω<ε
Доказательство:
пусть f(x)
непрерывна на [a;b]
=> она равномерно непрерывна на этом
отрезке. По следствию из теоремы Кантора:
ε>0
δ(ε)>0
T:δT<δ
и
i:ωi<
;
S-s=
ωiΔxi<
*
Δxi=ε
=.> функция интегрируема.
Теорема: монотонная на [a;b] f(x) – функция интегрируемая на [a;b]; f(a)≤f(x)≤f(b) – монотонно возрастающая.
Доказательство:
пусть f(x)
– неубывающая; ε>0 разобьём [a;b]
на частные отрезки, длины которых <
,
тогда S-s=
,
.
Для возрастающей функции доказательство
аналогично.
7)
Если
f(x)
интегрируема на [a;c]
и на [c;b],
то эта функция также интегрируема на
[a;b],
причём:
Доказательство:
1) a<c<b.
Т.к. f(x)
интегрируема на [a;c]
и [c;b],
что
такие разбиения этих отрезков, что для
заданного ε; S-s<ε/2
для каждого из этих отрезков (критерий
интегрируемости). Объединяя разбиения
Тi
получим [a;b]:
S-s=
.
Следовательно f(x)
интегрируема на [a;b].
Докажем:
;
;δT->0
2)Пусть
с
[a;b]
a<b<c;
;
3) c<a<b (аналогично 2) )
8)
Теорема о непрерывности интеграла с переменным верхним пределом.
Определение. Пусть f(x) интегрируема на [a,b], тогда она интегрируема на любом [a,x], где a x b. Тогда xє[a;b] имеет смысл интеграл F(x)= ax(f(t))dt .
Теорема. Если f(x) непрерывна на [a,b], то F(x) = ax(f(t))dt непрерывна на этом отрезке.
Доказательство. Пусть x, (x+x)[a,b], тогда F(x)=F(x+x)-F(x) = ax+x(f(t))dt - ax(f(t))dt = ax(f(t))dt+ xx+x(f(t))dt - ax(f(t))dt = xx+x(f(t))dt =(x+x-x)=x. Т.е. inf(f(x)) sup(f(x)) => lim(F(x))=lim(x) при x->0.
Теорема. Если f(x) интегрируема на [a,b] и x0[a,b], то F’(x0)=f(x0), где F(x)=ax(f(t))dt.
Доказательство. Для точки x0[a,b]: lim(F(x0)/x)=f(x0) при x->0. F(x0)=F(x0+x)-F(x0). По формуле среднего значения F(x0+x)-F(x0)= x0x0+x(f(t))dt = f()x ([x0,x0+x]). Тогда x0<<x0+x и F’(x0)=f(x0).
9)
Теорема (формула Ньютона-Лейбница). Пусть f(x) непрерывна на [a,b] и пусть Ф(x) – первообразная. Тогда ab(f(x))dx=Ф(b)-Ф(a).
Доказательство. По ранее доказанному F(x)=ax(f(t))dt Если F(x) и Ф(x) первообразные, то они различаются на константу С: F(x)=Ф(x)+C или ax(f(t))dt=F(x)+C. Пусть x=a, тогда 0=Ф(а)+С, С=-Ф(а) и ax(f(t))dt=Ф(x)-Ф(а). Если положить x=b, то ab(f(x))dx=Ф(b)-Ф(a).
10-11)
Несобственный интеграл 1 рода (интеграл для неограниченного промежутка интегрирования).
Будем рассматривать прямую и полупрямую.
Пусть f(x) определена на полупрямой a x +.
Для B>а cуществует римановский интеграл aB(f(x))dx. Тем самым задана функция F(B)= aB(f(x))dx (1).
Определение 1. Предел функции (1) при B->+ называется несобственным интегралом 1 рода. Если предел существует, то интеграл называется сходящимся, в противном случае – расходящимся.
Несобственный интеграл 2 рода (интеграл от неограниченных функций).
Пусть на [a,b) задана f(x).
Определение 2. Число b называется особой точкой, если f(x) не ограничена на [a,b), но ограничена на любом [a,b-)[a,b), где >0 и a<b-.
Будем предполагать, что на любом a<b- функция f(x) интегрируема, т.е. задана функция аргумента : F()=ab- (f(x))dx (2).
Определение 3. Предел функции (2) при ->+0 называется несобственным интегралом 2 рода. Если предел существует, то интеграл называется сходящимся, в противном случае – расходящимся. Понятие несобственного интеграла можно распространить на конечное число особых точек.
Теорема (Критерий Коши). Для сходимости несобственного интеграла 1 рода необходимо и достаточно, что бы >0 A()>0: B’> A и B’’> A: |b’b’’(f(x))dx|<. Для сходимости несобственного интеграла 2 рода необходимо и достаточно что бы >0 ()>0: ’> и ’’>: |b-’b-’’(f(x))dx|<.
Доказательство. о сходимости несобственного интеграла 1 и 2 рода сводится к у о существовании предела соответствующей функции.
12)
В математике вводится понятие факториала для натурального числа:
|
При этом можно заметить, что
|
|
Гамма-функция
,
распространяет понятие факториала на
дробные, отрицательные и даже комплексные
значения аргумента
.
Гамма функция не выражается через
элементарные функции, но может быть
представлена как интеграл вида:
|
|
Для натуральных значений аргумента гамма функция совпадает со значением факториала:
|
При этом для любых комплексных значений справедливо равенство:
|
|
Данное рекуррентное соотношение является очень важным и используется при расчете гамма-функции. Приведем также формулу дополнения:
|
|
Можно
заметить, что при отрицательных значениях
,
,
при этом гамма-функция для отрицательного
аргумента может быть вычислена по
формуле:
|
(7) |
Необходимо
отметить, что при целых
,
и
гамма-функция претерпевает разрыв.
13)
Определение 1. Метрическим пространством R называется пара (Х,), где Х – заданное множество, - действительная функция, определенная для любых двух элементов множеста Х и удовлетворяющая условиям: 1) (х,у) 0 х,уХ. 2) (х,у) = 0 <=> х=у. 3) (х,у) = (у,х). 4) (х,z) (х,у) + (y,z) – неравенство треугольника. - метрика метрического пространства R. R=(X,). (х,у) – расстояние между х и у.
Определение 2. Координатным n-мерным пространством Kn называется множество упорядоченных совокупностей (х1,…,хn) n чисел. Всякий элемент можно представить как набор этих чисел: у = (у1,…,уn). Определение 3. Координатное n-мерное пространство En называется евклидовым, если для любых двух точек En введена метрика (х,у) по формуле: (х,у)= ((х1-у1)2+…+(хn-уn)2)1/2.
Лемма (неравенство Коши-Буняковского). Для двух вещественных чисел ai, bi (i=1,…,n) справедливо
неравенство: |i=1n(aibi)| ( i=1n (ai)2)1/2*( i=1n (bi)2) 1/2 (1).
Доказательство. Для i: ai=0 неравенство очевидно. Пусть i=1nai 0. F(t)= i=1n(ai*t+bi)2= t2i=1n(ai)2 + 2t*i=1n(aibi) + i=1n(bi)2 (2). F(t) 0 => (2) либо не имеет вещественных корней, либо имеет два одинаковых корня, значит D0. (i=1n(aibi))2 - i=1n(ai)2 * i=1n(bi)2i 0 => (1).
Следствие. (i=1n(ai+bi))1/2 (i=1n(ai)2)1/2 + (i=1n(bi)2)1/2 (3).
Доказательство. (i=1n(ai+bi))1/2= i=1n (ai)2 + 2* i=1n(aibi) + i=1n (bi)2 i=1n (ai)2 + 2(i=1n (ai)2)1/2*(i=1n (bi)2)1/2 + i=1n (bi)2 = ((i=1n(ai)2)1/2 + (i=1n (bi)2)1/2)2 => (3).
14)
Пусть
—
поле вещественных или комплексных
чисел (поле скаляров). Множество
называется
линейным (векторным) пространством
над
,
если
1)для
каждых двух его элементов x и y определена
их сумма
и
2)для любого
элемента
и
числа
определено
произведение
причём
эти операции удовлетворяют следующим
аксиомам.
