Определенный интеграл как предел интегральной суммы

§3. Определенный интеграл как предел интегральных сумм

Криволинейной трапецией называется область на плоскости ограниченная осью, прямыми,гдеи графиком непрерывной на отрезкефункции(см. рис.1).

азбиением отрезка наn частей называется набор чисел из этого отрезка, гдеи. В каждом отрезке (элементарном участке)разбиения выберем некоторую точку. Такое разбиение обозначим буквой, а длину элементарного участка — через. Пусть на отрезкеопределена некоторая функция.

Определение. Интегральной суммой для функции , построенной по разбиениюотрезка, называется сумма произведений значений функции в выбранных точкахна длины элементарных участков.

Обозначение: . Еслив , то приближенно равнаплощади соответствующей криволинейной трапеции.

Определение. Определенным интегралом от функции на отрезкеназывается предел интегральных сумм этой функции по разбиениям отрезка, у которых максимальныйстремится к нулю, т.е.

.

Если в, то этот интеграл выражаетточную площадь соответствующей криволинейной трапеции.

Теорема. Если функция непрерывна на отрезкеили имеет на нем конечное число точек разрыва первого рода, то эта функция интегрируема на, т.е.существует.

§4. Свойства определенного интеграла

В дальнейшем будем считать, что все рассматриваемые функции – интегрируемы в соответствующих отрезках.

1) ,— постоянная.

2) Если на, то.

3) Оценка определенного интеграла снизу и сверху. Если на отрезке функцияограничена снизу и сверху числамиm и , т.е. если на ,то .

4) Теорема о среднем. Пусть функция непрерывна на отрезке, тогда на этом отрезке найдется такая точкаc, что

.

Это значение называетсясредним значением функции на .

5) Оценка модуля определенного интеграла. .

6) Свойство линейности.

6) Свойство аддитивности. Если выполняется неравенство , то

.

Если , то интеграломназывается число. Интегралсчитается равным нулю. Свойство аддитивности справедливо (при условии существования интегралов) для чиселрасположенных в любом порядке, т.е. требованиездесь не обязательно.

Теорема 1. (Ньютона — Лейбница) Пусть функция непрерывна на отрезкеи функцияесть ее первообразная на этом отрезке, тогда

.

Теорема 2. (Замена переменной в определенном интеграле) Пусть функция непрерывна в отрезке, а функциямонотонная и непрерывно дифференцируема в отрезке, где,, тогда

.

Теорема 3. (Нахождение определенного интеграла по частям) Пусть функции инепрерывно дифференцируемы в отрезке, тогда верно равенство

.

Сокращенная запись: .

§5. Несобственные интегралы

5.1. Пусть функция непрерывна в промежутке .Несобственным интегралом от a до от этой функции называется предел:

.

Если этот предел существует (равен числу), то несобственный интеграл называется сходящимся; если он не существует, то интеграл называется расходящимся. В случае, если в промежутке, такой интеграл выражает площадь неограниченной фигуры с границами:,и графиком функции. Для сходящегося интеграла эта площадь конечна, для расходящегося – бесконечна. Формула Ньютона-Лейбница для таких несобственных интегралов имеет вид:

.

5.2. Пусть теперь функция непрерывна в промежутке. Тогданесобственным интегралом от доb называется предел

.

Такой интеграл (при ) выражает площадь фигуры с границами:

, и.

Формула Ньютона-Лейбница: .

5.3. Если функция непрерывна на всей числовой оси, то несобственным интегралом от до называется следующая сумма двух интегралов

(здесь — некоторое число). Это определение не зависит от выбора. Такой интеграл называетсясходящимся, если сходятся оба интеграла:

и .

Если хотя бы один из этих интегралов расходится, то интеграл называетсярасходящимся. При интегралвыражает площадь области с границамии.

Формула Ньютона-Лейбница: .

Определенный интеграл как предел интегральных сумм

Остановимся на еще одном подходе к задаче о площади криволинейной трапеции, который приводит к несколько иной, более общей трактовке определенного интеграла. Простоты ради по-прежнему будем считать заданную на отрезке [а; Ь] непрерывную функцию у = f(x) неотрицательной, но не обязательно возрастающей — ее график изображен на рис. 8.7.

На чертеже кроме криволинейной трапеции ААВВ изображена ступенчатая фигура, образованная прямоугольни-

ками с основаниями Дг, = Дг₂ =. = Ах„ =-, так что правая

верхняя вершина каждого из них лежит на графике данной функции. Площадь S„ этой фигуры выражается в виде суммы площадей всех составляющих ее прямоугольников следующим образом:

Написанное выражение называется интегральной суммой; S„ дает приближенное значение площади S криволинейной трапеции, причем погрешность будет уменьшаться с ростом п, т.е. с увеличением числа прямоугольников. Точное равенство получится, если в интегральной сумме устремить п к бесконечности.

Определение 8.3. Предел последовательности интегральных сумм S_n называется определенным интегралом функции у = f(x) на отрезке [а; Ь]:

Символ J есть стилизованная буква S — от латинского слова «Summa», тот же смысл имеет и греческая буква I (читается: «сигма») используемая для обозначения суммирования.

Таким образом, определенный интеграл есть число, геометрически выражающее площадь криволинейной трапеции.

Проиллюстрируем сказанное на простом примере, в котором несложность выкладок облегчит понимание дела.

Будем рассматривать линейную функцию: у = he, заданную на отрезке [0; й], — в этом случае криволинейная трапеция превращается в треугольник ОВВ (рис. 8.8).

Рис. 8.8

Запишем интегральную сумму S,_v выражающую в этом примере площадь составленной из прямоугольников ступенчатой фигуры, «описывающей» треугольник ОВВ:

Несложными тождественными преобразованиями оно приводится к виду:

Перейдем к предел)’ при п—

Замечание. Разумеется, проще найти площадь треугольника ОВВ по формуле Ньютона — Лейбница:

или вообще пе применяя интегралов, а иростр по элементарной формуле, перемножая длины катетов ОВ и ВВ:

Но нашей целью было проследовать в этом примере тем маршрутом, который приводит к определенному интегралу в новом, более общем понимании, которое как раз и отражено в приведенном выше рассуждении Льва Толстого об интегрировании как о суммировании бесконечного числа бесконечно малых элементов: при п —»°° каждое слагаемое в интегральной сумме является бесконечно малым, а число слагаемых стремится к бесконечности.

Определенный интеграл как предел интегральных сумм, его свойства и связь с неопределенным интегралом. Урок 81

Если функция непрерывна на отрезке и если: 1) разделить этот отрезок произвольным способом на частичных отрезков длиной , 2) выбрать в каждом частичном отрезке по одной произвольной точке
, 3) вычислить значения функции в выбранных точках и 4) составить сумму

то она называется интегральной суммой функции на отрезке .
По-разному деля отрезок на частичных отрезков и по-разному выбирая в них по одной точке можно для всякой заданной функции и всякого заданного отрезка составить бесчисленное множество различных интегральных сумм. При этом оказывается, что все эти различные интегральные суммы при неограниченном возрастании и при стремлении к нулю наибольшей из длин частичных отрезков, имеют один общий предел. Этот общий предел всех интегральных сумм функции на отрезке называется определенным интегралом от в пределах от до и обозначается
Простейшие свойства определенного интеграла:
1. При перестановке пределов изменяется знак интеграла:

2. Интеграл с одинаковыми пределами равен нулю:
3. Отрезок интегрирования можно разбивать на части:

4. Интеграл от суммы функций равен сумме интегралов от всех слагаемых:

5. Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла:

Для вычисления определенного интеграла, когда можно найти соответствующий неопределенный интеграл, служит формула Ньютона —Лейбница

— определенный интеграл равен разности значений неопределенного интеграла при верхнем и нижнем пределах интегрирования.
Пример. Вычислить интегралы:

Решение. Применяя формулу Ньютона —Лейбница (*) и свойства определенного интеграла, получим:

4) Здесь для нахождения неопределенного интеграла применяем формулу интегрирования по частям .
Полагая , , получим ,

Определенный интеграл как предел интегральной суммы

Естественный ход решения каждой из рассмотренных конкретных задач позволяет установить ту математическую операцию, с выполнением которой связано получение ответа во всех вопросах такого же характера.

Пусть на отрезке [a, b] задана непрерывная функция y=f(x).

1) Заданный отрезок разделим на n промежутков (равных или неравных) точками

причем для всякого индекса i, принимающего целые значения от 1 до n, имеет место соотношение x_i-1<x_i. Выразим длину каждого из этих частичных промежутков:

При этом обозначим длину наибольшего из них через ?.

• 2) В каждом из этих промежутков выберем произвольное число ?_i так, что x_i-1? ?_i ? x_i., и по каждому такому числу определим соответствующее значение функции f(?_i). Вычислим для каждого промежутка произведение f(?_i)?x_i.
• 3) Составим сумму таких произведений по всем n промежуткам заданного отрезка:

Такая сумма называется интегральной суммой.

Построение интегральной суммы состоит в произвольном делении заданного отрезка [a, b] на частичные и произвольном выборе числа ?_i на каждом отрезке.

4) Выполняется дробление каждого из имеющихся отрезков на более мелкие так, что длина наибольшего из них безгранично уменьшается (?>0). При этом интегральная сумма становится переменной величиной, имеющей конечный предел, если заданная функция непрерывна, а отрезок [a, b] конечен.

Этот предел называется определенным интегралом от функции f(x) на отрезке [a, b].

Соответствующее математическое выражение таково

Знак ?, представляющий растянутую S (начальную букву латинского слова «Summa»), символизирует здесь бесконечное увеличение числа слагаемых интегральной суммы. Буквы a и b, указывающие границы отрезка, на котором выполняется суммирование, называются пределами интегрирования. Таким образом, определенным интегралом функции от f(x) в границах от a до b называется предел интегральной суммы вида

При условии, что длина наибольшего частичного отрезка стремится к нулю.

Выясним теперь возможность непосредственного использования операции, которая привела к понятию определенного интеграла, для решения соответствующих задач. Ограничимся при этом двумя примерами на вычисление площадей.

Пример. Вычислить площадь, заключенную между прямой y=x, осью Ox и прямой x=1.

Решение. Так как данная прямая пересекается с Ox в начале координат, то отрезок интегрирования здесь будет [0, 1].

1) Разбиением этого отрезка на n равных между собой частей получим точки деления с абсциссами:

2) В каждом из полученных n отрезков выберем правые концы, т.е.

Так как f(x) = x, то

и слагаемые интегральной суммы выразятся в виде

где i — номер элементарного отрезка и принимает значения от 1 до n.

3) Интегральная сумма выразится в виде

• (здесь применена формула n членов арифметической прогрессии).
• 4) Находим предел этой суммы при n > ?:

Таким образом, искомая площадь равна 1/2 кв.ед. Проведенное вычисление, явно невыгодное из-за своей громоздкости, знакомит с операцией, составляющей сущность определенного интеграла.

Пример. Вычислить площадь, ограниченную параболой y=x 2 , осью Ox и прямой x=1.

• 1) Разбивая отрезок интегрирования [0, 1] на n равных частей, получим такие же абсциссы точек деления, как в примере 1.
• 2) В каждом из частичных отрезков выберем снова правые концы:

Так как f(x) = x 2 , то

и слагаемые интегральной суммы выразятся в виде

3) Интегральная сумма

Помещенная в скобках сумма квадратов первых n чисел натурального ряда может быть преобразована по формуле, доказываемой в элементарной алгебре:

4) Переход к пределу интегральной суммы при n > ? дает S = . Таким образом, искомая площадь равна .

Выполненное в этих двух примерах непосредственное вычисление определенных интегралов как пределов интегральных сумм

оказалось возможным только благодаря простой структуре операции суммирования, да и то оно потребовало проведения сложных подсчетов. Надо отметить, что такие приемы вычисления (здесь применен способ Архимеда) существовали до появления понятия интеграла.

Поэтому естественным развитием понятия определенного интеграла является выбор целесообразного способа его вычисления. Такой способ, оказывается, дает операция интегрирования ввиду наличия связи между определенным интегралом и интегралом неопределенным.