- •Часть II
- •Основные свойства неопределённого интеграла
- •Основные методы интегрирования
- •Решение.
- •Решение.
- •Интегрирование тригонометрических выражений
- •Решение.
- •Геометрический смысл определенного интеграла
- •Условия интегрируемости функций
- •Основные свойства определенного интеграла
- •Определенный интеграл с переменным верхним пределом
- •Формула Ньютона-Лейбница
- •Критерии сходимости несобственных интегралов второго рода
- •Литература
Условия интегрируемости функций
Рассмотрим условия интегрируемости функций на отрезке , т. е. условия существования определенного интеграла. При определении его как предела интегральной суммы мы предполагали, что функция ограничена на отрезке . Условие ограниченности функций на отрезке является необходимым условием интегрируемости функций, т. е. справедлива следующая
Теорема. Если существует, то функция ограничена на отрезке .
Ограниченность является необходимым, но не достаточным условием интегрируемости функции на отрезке , т. е. что существуют ограниченные функции, не являющиеся интегрируемыми.
Сформулируем без доказательства достаточное условие интегрируемости функции.
Теорема. Если функция непрерывна на отрезке , то она интегрируема на этом отрезке, т. е. существует .
Отметим, что интеграл Римана существует для значительно более широкого класса функций, нежели рассматриваемый класс непрерывных функций. В частности, справедлива следующая теорема, обобщающая предыдущую теорему
Теорема. Если функция ограничена на отрезке и непрерывна на нем всюду, кроме конечного числа точек разрыва первого рода, то она интегрируема на этом отрезке, т. е. существует .
Основные свойства определенного интеграла
Рассмотрим свойства определенного интеграла, доказательство которых основывается на определении определенного интеграла.
1. Если нижний и верхний пределы интегрирования равны ( = ), то интеграл равен нулю:
2. Если = 1, то
3. При перестановке пределов интегрирования определенный интеграл меняет знак на противоположный:
4. Постоянный множитель можно выносить за знак определенного интеграла:
.
5. Определенный интеграл от алгебраической суммы конечного числа интегрируемых на функций равен алгебраической сумме определенных интегралов от слагаемых: .
6(Аддитивность определенного интеграла). Если существуют интегралы и , то существует также интеграл и для любых чисел , ,
.
Геометрический смысл свойства 6 состоит в том, что площадь криволинейной трапеции с основанием равна сумме площадей криволинейных трапеций с основаниями и .
7. Если 0 для , то
0, ()
8(Монотонность определенного интеграла). Если интегрируемые функции и удовлетворяют неравенству для , то
, ()
9 (Об оценке определенного интеграла). Если и — соответственно наименьшее и наибольшее значения функции , непрерывной на отрезке , то
. (1)
Доказательство. По условию для , следовательно, по свойству 8
,
.
⊠
На рисунке дана геометрическая интерпретация свойства 9 в случае, когда 0 . Площадь прямоугольника равна , площадь прямоугольника равна . Из неравенства (1) следует, что площадь криволинейной трапеции не меньше площади первого прямоугольника и не больше площади второго.
10(Теорема о среднем). Если функция непрерывна на отрезке , то существует такая точка , что
. (2)
т. е. определенный интеграл от непрерывной функции равен произведению значения подынтегральной функции в некоторой промежуточной точке отрезка интегрирования и длины этого отрезка.
Доказательство. Так как непрерывна на отрезке , то она по теореме Вейерштрасса достигает на своего наименьшего и наибольшего значений, т. е.
для .
Из данного неравенства на основании свойства 9 имеем
.
Разделив все члены двойного неравенства на > 0, получим
Обозначим , тогда .
Другими словами, число находится между наименьшим и наибольшим значениями функции . Поскольку непрерывная на отрезке функция по теореме Больцано-Коши принимает все промежуточные значения, лежащие между и , в том числе и значение , то существует , такое, что = , то есть
, .
⊠
Число при этом называется интегральным средним значением функции на отрезке .
На рисунке дана геометрическая интерпретация свойства 10 в случае, когда > 0 . Так как значение () численно равно площади прямоугольника с основанием и высотой , то теорема о среднем утверждает, что существует прямоугольник, равновеликий криволинейной трапеции .