КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Определение определенного интеграла, его свойства, формула Ньютона-Лейбница. Геометрический смысл определенного интеграла
Лекция № 19.
Определенный интеграл.
Пусть на отрезке [a, b] задана непрерывная функция f(x).
y M
m
0 a xi 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 < … < xn Тогда x1 – x0 = Dx1, x2 – x1 = Dx2, …,xn – xn-1 = Dxn; На каждом из полученных отрезков найдем наименьшее и наибольшее значение функции.
[x0, x1] ® m1, M1; [x1, x2] ® m2, M2; … [xn-1, xn] ® mn, Mn.
Составим суммы: n = m1Dx1 + m2Dx2 + … +mnDxn = n = M1Dx1 + M2Dx2 + … + MnDxn = Сумма называется нижней интегральной суммой, а сумма – верхней интегральной суммой. Т.к. mi £ Mi, 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, …, xn-1 < e < xn.
Найдем значения функции в этих точках и составим выражение, которое называется интегральной суммой для функции f(x) на отрезке [a, b]. Sn = f(e1)Dx1 + f(e2)Dx2 + … + f(en)Dxn = Тогда можно записать: miDxi £ f(ei)Dxi £ MiDxi
Следовательно,
Геометрически это представляется следующим образом: график функции f(x) ограничен сверху описанной ломаной линией, а снизу – вписанной ломаной. Обозначим maxDxi – наибольший отрезок разбиения, а minDxi – наименьший. Если maxDxi® 0, то число отрезков разбиения отрезка [a, b] стремится к бесконечности.
Если , то
Определение: Если при любых разбиениях отрезка [a, b] таких, что maxDxi® 0 и произвольном выборе точек ei 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.
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. Площадь криволинейного сектора может быть найдена по формуле
Вычисление длины дуги кривой.
y y = f(x)
DSi Dyi Dxi
a b x
Длина ломаной линии, которая соответствует дуге, может быть найдена как . Тогда длина дуги равна . Из геометрических соображений: В то же время Т.е. Если уравнение кривой задано параметрически, то с учетом правил вычисления производной параметрически заданной функции получим
, 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(xi-1) Q(xi)
a xi-1 xi 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 хi разбиения отрезка [a, b]. Т.к. на каком- либо промежуточном отрезке разбиения [xi-1, xi] функция Q(x) непрерывна, то принимает на нем наибольшее и наименьшее значения. Обозначим их соответственно Mi и mi. Если на этих наибольшем и наименьшем сечениях построить цилиндры с образующими, параллельными оси х, то объемы этих цилиндров будут соответственно равны MiDxi и miDxi здесь Dxi = xi - xi-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.
Мi B
А
х xi
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, …, Mn. Координаты вершин полученной ломаной имеют координаты xi и yi. При вращении ломаной вокруг оси получим поверхность, состоящую из боковых поверхностей усеченных конусов, площадь которых равна DPi. Эта площадь может быть найдена по формуле: Здесь DSi – 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.
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 454; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |