Файл: МАТАН!!!!!!!!!!!.doc

Замечание: это свойство имеет место для любого конечного числа слагаемых.

[Т] О среднем

Если функция f(x) непрерывна на сегменте [a,b] то существует т С, принадлежащая этому сегменту, такая что =f(c)(b-a). Эта формула называется формулой среднего значения. Доказательство: Так как f(x) непрерывна на [a,b] то по второй теореме Вейерштрасса, существуют числа m и М такие что f(x)=mf(x)M= f(x). Отсюда находим m(b-a)M(b-a), следовательно, m. Положим, = (mM). Так как  заключено между наименьшим и наибольшим значениями непрерывной функции f(x) и на [a,b] то по теореме о прохождении функции через любое промежуточное значение, существует точка с[a,b] такая что f(c)=. Поэтому =f(c), а это равносильно искомому равенству. Величина f(c) называется средним значение функции f(x) на отрезке [a,b]. Замечание: теорема о среднем имеет четкий геометрический смысл: величина определенного интеграла при f(x)>=0 равна площади прямоугольника имеющего высоту f(c) и основание b-a.

13. Интеграл с переменным верхним пределом.

x  [a,b]

Это интеграл у которого нижний предел а=const а верхний предел х переменный. Величина этого интеграла представляет собой функцию верхнего предела х

(х)= , где х принадлежит сегменту [a,b] и ф(х)= интеграл с переменным верхним пределом. Геометрически интеграл с переменным верхним пределом представляет собой S криволинейной трапеции.

[Т] Производная интеграла от непрерывной функции по переменному верхнему пределу существует и равна значению подынтегральной функции в точке, равной верхнему пределу, т.е. Ф’(x)=( )’_x=f(x)

Ф’(x)=( )’=f(x)

Ф’(x)=

Доказательство:

1 вариант (учебники): возьмем любое значение x[a,b] и придадим ему приращение х0 такое, чтобы х+ х[a,b], т.е. ax+ хb. Тогда функция Ф(х) по определению получит новое значение: Ф(х+ х)=

Согласно второму свойству определенного интеграла, имеем: Ф(х+ х)= + =Ф(х)+ Ф=Ф(х+Х)-Ф(х),

т.к. f(x) непрерывна на [a,b] то существует число c[x, x+x]:[ =f(c)x]. Если устремить приращение аргумента к нулю, получим : =f(x) или Ф’(х)=f(x), ч т.д. Можно записать, что f(x)dx=Ф(x)+C= +C

2 вариант (Деревенских) Ф’(х)= Ф(х)= - = + - = =f(c)* x. По теореме о среднем существует c[x, x+x]

Ф’(x)=Отсюда следует, что Ф’(x)=f(x)

13. Формула Ньютона-Лейбница.

Пусть функция f(x) непрерывна на отрезке [a,b] и имеет на этом отрезке семейство первообразных, одной из которых является Ф(х)= .

[Т] Если функция f(x) непрерывна на [a,b], то верно следующее равенство . Т.е. определенный интеграл от непрерывной функции равн разности значений любой ее первообразной на верхнем и нижнем пределах интегрирования соответственно. Она называется формулой Ньютона-Лейбница.

Доказательство: Пусть F(x) другая первообразная для функции f(x) на том же отрезке, которая отличается от Ф(х) не более чем на константу, т.е. Ф(х)=F(x)+C, =F(x)+C, где С- некоторое число, axb. Подставляя в это равенство значение х=а и используя свойство 1, имеем: =0, получим: 0= , F(a)+C, C=-F(a)

---

Т.е. для любого х[a,b] Полагая здесь х=b получим искомую формулу.

13. Замена переменных в определенном интеграле.

[T] пусть функция f(x) непрерывна на сегменте [a,b] и пусть выполнены следующие условия:

1. функцию х=(t) дифференцируема на [,] и ’(t) непрерывна на [,]

2. Множеством значений функции х=(t) является отрезок [a,b]

3. ()=a и ()=b, то справедлива формула

Доказательство: По формуле Ньютона- Лейбница: , где F(x)-какая-нибудь первообразная для функции f(x) на [a,b]. С другой стороны, рассмотрим сложную функцию Ф(t)=F((t)) Согласно правилу дифференцирования сложной функции находим: Ф’(t)=F’((t))*’(t)=f((t))’(t). Отсюда следует, что функция Ф(t) является первообразной для функции f((t))’(t), непрерывной на [,] и поэтому согласно формуле Ньютона-Лейбница получаем, = Ф()-Ф()=F(())-F(())=F(b)-F(a)=
Это формулы замены переменной или подстановки в определенном интеграле.

Замечание1. Если при вычислении неопределенного интеграла с помощью замены переменной мы должны были от новой переменной t возвращаться к старой переменной х, то при вычислении определенного интеграла этого можно не делать, т.к. цель- найти число, которое в силу доказанной формыл равно значению каждого из рассматриваемых интегралов.

13. Формула интегрирования по частям в определенном интеграле.

[T] Если функция u(x) и v(x) имеют непрерывные производные на сегменте [a,b] то справедлива формула Доказательство Так как функция u(x) и v(x) по условию имеют производные, то по правилу дифференцирования произведения [u(x)v(x)]’=u(x)v’(x)+v(x)u’(x). Откуда следует, что функция u(x)v(x) является первообразной для функции u(x)v’(x)+v(x)u’(x). А т.к. функция u(x)v’(x)+v(x)u’(x) непрерывна на отрезке [a,b], то интеграл от нее существует, т.е. она интегрируема на этом отрезке и по формуле Ньютона-Лейбница Отсюда по свойству 4 определенных интегралов получим, что то же , ч т.д.

Приложение определенного интеграла Рассмотрим криволинейную трапецию, ограниченную снизу сегментом [a,b] оси Ох, с боков прямыми x=a, x=b и графиком непрерывной и неотрицательной функции y=f(x) на [a,b]. Докажем, что площадь этой криволинейной трапеции S=

Доказательство: Разобьем произвольно отрезок [a,b] на n частей, т.е. рассмотрим разбиение сегмента [a,b] на {Xn} точками a=Xo<X1<X2<…<Xi-1<Xi<…<Xn=b, выберем на каждом частичном отрезке [Xi-1, Xi], I=1,2,…,n? Произвольно точку _I (Xi-1IXi) и рассмотрим ступенчатую фигуру. Ее площадь будет приблизительно равной площади криволинейной трапеции. S, где х_i= х_i- х_i-1.Таким образом, получена интегральная сумма . Т.к. Функция f(x) непрерывна на [a,b], то предел этой суммы существует при = и площадь S криволинейной трапеции численно равна определенному интегралу от функции f(x) на [a,b] S=

Геометрический смысл определенного интеграла: определенный интеграл от неотрицательной непрерывной функции f(x) на [a,b] численно равен площади криволинейной трапеции с основанием [a,b] ограниченной сверху графиком функции y=f(x).

---

13. Приближенное вычисление определенного интеграла.

Пусть в интеграле функция f(x) непрерывна на отрезке [a,b]. Разобьем этот отрезок на n равных частей точками (узлами) х=х_i (0In). Проведем прямые х=х_i и соединим соседние точки их пересечения с кривой f(x) хордами, т.е. построим n трапецией с основаниями y_i-1=f(x_i-1) и y_i=f(x_i) и высотой (b-a)/n каждая (0In). Сумма площадей этих прямоугольных трапеций приближенно равна площади криволинейной трапеции или искомому интегралу: = ]

Это формула трапеции.

B

A

f(x₀) f(X₁) f(X₂) f(x _k-1) f(X_k) f(x _n-1) f(Xn)

X₀=a X₁ X₂ X _k-1 X_k X _n-1 b=Xn

13. Несобственные интегралы с бесконечными пределами.

Несобственные интегралы.

При рассмторении определенного интеграла как предела интегральных сумм предполагалось, что подынтегральная функция ограничена на конечном отрезке интегрирования. Данное выше определение определенного интеграла не имеет смысла, если не выполняется хотя бы одно из этих условий. Нельзя разбить бесконечный интервал на конечное число отрезков конечной длины, при неограниченной функции интегральная сумма не имеет предела.

В связи с этим вводят понятие несобственного интеграла 1 и 2 рода.

Интегралы с бесконечными пределами интегрирования.

Пусть функция f(x) определена на промежутке [a; +) и интегрируема на любом отрезке [a,R], R>0, так что интеграл имеет смысл, Предел этого интеграла при R называется несобственным интегралом первого рода и обозначается . В случае, если этот предел конечен, говорят, что несобственный интеграл сходится, а функцию f(x) называют интегрируемой на бесконечном промежутке [a, +), если же предел бесконечен или не существует, то говорят, что несобственный интеграл расходится.

Аналогично вводится понятие несобственного интеграла по промежутку (-, b]. . Наконец, несобственный интеграл с двумя бесконечными пределами можно определить как сумму несобственных интегралов , где с- любое число.

Геометрический смысл несобственного интеграла первого рода основан на геометрической интерпретации определенного интеграла на отрезке [a,R]: это площадь бесконечной области, ограниченной сверху неотрицательной функцией f(x), снизу осью Ох, слева- прямой х=а. Такая же интерпретация имеет место и для остальных несобственных интегралов.

. y=f(x)

а R

13. Несобственные интегралы от неограниченных функций.

Интегралы от неограниченных функций

Рассмотрим функцию f(x), определенную на промежутке [a,b), но неограниченную на нем. Для определенности положим, что f(x) ограничена и интегрируема на любом отрезке [a,b-], 0< <b-a, но неограниченна в любой окрестности точки b или на промежутке [b-,b]. В таком случае b называется особой точкой.

DEF

Предел интеграла при 0 называется несобственным интегралом второго рода и обозначается . Если этот предел конечный, то говорят что интеграл существует или сходится, а функцию f(x) называют интегрируемой на промежутке [a,b), если предела нет или он бесконечен, то говорят что интеграл расходится. Аналогично, если особой является точка х=а, то несобственных интеграл второго рода определяется как Если функция f(x) не ограничена в окрестности некоторой внутренней точки с[a,b], то по определению полагают , где несобственные интегралы второго рода в правой части этого равенства определяются соответственно по формулам предыдущим. Если а и b особые точки, т.е. функция f(x) ограничена и интегрируема на интервале (a,b), то несобственный интеграл второго рода определяется в виде суммы , где с- произвольная точка на (a,b), а несобственные интегралы второго рода в правой части этого равенства определяются соответственно по формулам.

---

13. Метрические, линейные, нормированные, евклидовы пространства.

Функции многих переменных:

Пусть у=f(x), D(f)=XR, Е(f)=YR

Y=f(x1, x2, … xn) это точки n-мерного Эвклидового пространства

Метрические пространства.

На множестве Х определена фигура метрического пространства, если задана функция (x,y) двух произвольных элементов этого множества, удовлетворяющих следующим аксиомам:

1. (x,y)=0 тогда и только тогда, когда x=y

3. (x,y)(x,z)+(z,y) (неравенство )

(х,y) функция метрики или функция расстояния между точками х и у, принадлежащих Х.

Т.о. метрическое пространство R образует множество Х, с введенной на этом множестве функции расстояния метрического пространства R=(X, ). Если положим, что х=у, то 0(x,z)+(z,y)

Р(x,y) функция метрики или функция расстояния между точками х и у, принадлежащих Х. Т.о. метрическое пространство R образует множество Х, связанной на этом множестве функции расстояния метрического пространства R=(X,р)

Если положим, что х=у, то 0р(xz)+p(z,x)

2p(x,z)>0 метрика не отрицательна

Введем понятие n-мерного координатного пространства Аⁿ

Def M-мерным координатным пространством А^m называется множетсво всевозможных упорядоченных совокупностей m действительных чисел (x1, x2, x3,…, xm)

Каждую упорядоченную совокупность (x1, x2,…,xm) называют точкой этого пространства и обозначают одной буквой М, при этом числа x1, x2, …,xn называются координатами точки М, что символически записывается так М( x1, x2,…xn)

Чтобы множество Х было метрическим пространством нужно:

Выберем в качестве множества Х n- мерное координатное пространство, возьмем люые х,у принадлежащие этому пространству. Х(х1…хn), y(y1..yn)

Введем функцию расстояния на Х между х и у. Р(х,у)=

Линейное пространство L

Множество элементов L, содержащее хотя бы один элемент, называется линейным или векторным пространством, если выполнены следующие аксиомы:

1. Любые x,y принадлежат L, однозначно определен 3 элемент z, называемый их суммой, обозначаемый z=x+y, причем справедливые следующие свойства:

А) х+у=у+х (ассоциативность)

Б) (х+у)+z=x+(y+z)

В) Существует элемент (его обычно обозначают за 0) такой, что x+0=X

Г) Существует элемент Х, называемый противоположным, такой что x+x’=0

2) Для любого числа  и любого элемента х принадлежащего L определен элемент у из множества L=x при этом справедливы следующие свойства:

(^х)=()^х

(+)х=х+х

(х+у)=х+у

1*x=x

х=х, где  некоторые числа, х и у точка множества L. Если в аксиоме  и  принадлежат множеству вещественных чисел, то множества L называется действительным линейным пространством

Нормированное пространство N

Возьмем функция f(x)=||x||, ставящая каждому элементу х из множества L в соответствие вещественное число x принадлежащее L – называется нормой в линейном пространстве L, если выполнены следующие аксиомы:

1.f(x)=||x||=0 тогда и только тогда, когда х=0

2. f(х)=||*||x||=||*f(x)

3. f(x+y)=||x+y||||x|| +||y||=f(x)+f(y)

---

Пространство L, сведенное на этом множестве функцией норма X называют нормированным пространством и обозначают через N. ||x||>0

Следует отметить, что в любом норм. Пространстве может быть введена функция расстояния (x,y)=||x*y|| как норма элемента х и у.

Def Координатное пространство Аⁿ называют n- мерным евклидовым пространством, если между двумя любыми точками х(х1, х2, …, хn) и у(у1, у2…уn) введена функция расстояния р(х,у) по формуле р(х,у)=

Обозначается n- мерное Евклидово пространство через Еⁿ

Следует отметить, что в этом пространстве могут быть ||x-y||=p(x,y)

Метрические пространства.

Будем говорить, что на множестве Х определена структура метрического пространства, если задана ф-я (х,у) двух элементов х,уХ, удовлетворяющих следующим аксиомам:

1.(х,у)=0 тогда и только тогда, когда х=у

2.(х,у)=(у,х) – аксиома симметрии

3.(x,z)(x,y)+(x,z)

Ф-я (х,у) – метрика или ф-я расстояния между точками х,уХ.

Т.о. метрическое пространство R=(X,): ф-я Х с введенной на этом множестве функцией метрикой.

(х,х)(х,у)+(у,х)

02(х,у)

(х,у)0

Примеры:

1).X=R=E¹ (множество рациональных чисел)

(х,у)=|х-у| - удовлетворяет условиям.

2). n-мерным пространством Аⁿ называют множество всевозможных упорядоченных совокупностей n вещественных чисел (х₁, х₂,…,х_n). Каждую упорядоченную совокупность называют точкой n-мерного пространства, а точки х₁, х₂,…,х_n – координатами точки. На Аⁿ, например, метрика:

n

(х,у) = ((x_i-y_i)²)^1/2

i=1

Линейные пространства.

Множество элементов L, содержащее хотя бы 1 элемент называется линейным или векторным пространством, если выполнены следующие аксиомы:

1. Аксиомы сложения. Для любых двух элементов х,уL однозначно определен третий элемент z, называемый их суммой и обозначаемый z=x+y, и справедливы следующие свойства:

а)х+у = у+х

б)(x+y)+z = x+(y+z)

в) элемент, называемый нулевым и обозначаемый 0, такой, что для любых хL: х+0 = х

г) Для любого хХ  элемент х¹, называемый противоположным, такой, что х+х¹ = 0

2. Аксиомы умножения на число. Для любого числа а и любого хL, определен элемент уL, называемый умножением числа а на элемент х и обозначаемый а*х, обладающий следующими свойствами (для любых чисел а, b и любых х,уL):

а) a(bx) = ab(x)

б) (a+b)x = ax+bx

в) a(x+y) = ax+ay

г) 1*x = 1

Замечание: если в аксиомах 2 a,bR, то линейное пространство называют действительным или вещественным линейным пространством.

Примеры:

1). А¹=R. В кач-ве операций сложения – сложение вещественных чисел; в кач-ве операций умножения – умножение вещественных чисел .

2). Aⁿ

1)а) z = x+y = (x₁+y₁, x₂+y₂,…,x_n+y_n) и так далее все свойства 1) и 2) групп по аналогии.

Нормированные пространства.

F(x) = ||x|| - “норма икс”, ставящая в соответствие любому хL (линейн. простран.) вещественное число ||х||, наз. нормой в лин. Пространстве, если она удовлетворяет следующим аксиомам:

1. ||х|| = 0 тогда и только тогда, когда х = 0

2. f(ax) = ||ax|| = ||a||*||x|| = |a|*f(x)

3. f(x+y) = ||x+y||  ||x||+||y|| = f(x)+f(y) (x,y - точки)

---