Опр. 10 Функция F(x) называется первообразной для функции f(x) на интервале X
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
Док-во. Пусть F(x) - первообразная для функции f(x), т.е. , тогда - первообразная для функции . , что и требовалось доказать. При решении задач нельзя забывать о том, что при переходе к новой переменной надо обязательно вычислить новые пределы интеграла. Пример: . Несобственные интегралы. 1. Несобственные интегралы по неограниченному промежутку (несобственные интегралы первого рода). 12.1.1. Определение несобственного интеграла по бесконечному промежутку. Пусть функция f(x)определена на полуоси и интегрируема по любому отрезку [a,b], принадлежащему этой полуоси. Предел интеграла при называется несобственным интегралом функции f(x) от a до и обозначается . Итак, по определению, . Если этот предел существует и конечен, интеграл называется сходящимся; если предел не существует или бесконечен, интеграл называется расходящимся. Примеры: 1. ; этот предел не существует; следовательно, исследуемый интеграл расходится. 2. ;следовательно, интеграл сходится и равен . Аналогично интегралу с бесконечным верхним пределом интегрирования определяется интеграл в пределах от до b : и в пределах от до :. В последнем случае f(x) определена на всей числовой оси, интегрируема по любому отрезку; c - произвольная (собственная) точка числовой оси; интеграл называется сходящимся, если существуют и конечны оба входящих в определение предела. Пользуясь свойством аддитивности определённого интеграла, можно показать, что существование конечных пределов и их сумма не зависят от выбора точки c. Примеры: 3. . Интеграл сходится. 4. следовательно, интеграл сходится и равен . Очевидно следующее утверждение, которое мы сформулируем для интеграла с бесконечным верхним пределом: сходится тогда и только тогда, когда для любого c, удовлетворяющего неравенству c > a, сходится интеграл (док-во: так как при a < c < b по свойству аддитивности , и от b не зависит, то конечный предел при для интеграла в левой части существует тогда и только тогда, когда существует конечный предел для интеграла в правой части равенства). 12.1.2. Формула Ньютона-Лейбница для несобственного интеграла. В приведённых примерах мы сначала вычисляли с помощью первообразной функции определённый интеграл по конечному промежутку, а затем выполняли предельный переход. Объединим два этих действия в одной формуле. Символом будем обозначать ; символом - соответственно, ; тогда можно записать , , , подразумевая в каждом из этих случаев существование и конечность соответствующих пределов. Теперь решения примеров выглядят более просто: - интеграл сходится; - интеграл расходится. Для несобственных интегралов применимы формулы интегрирования по частям и замены переменной: ; при замене переменной несобственный интеграл может преобразовываться в собственный. Так, например, вычислим интеграл: . Пусть , ; если , то ; если то ; Поэтому (это уже собственный интеграл) = . 12.1.3. Признаки сравнения для неотрицательных функций. В этом разделе мы будем предполагать, что все подынтегральные функции неотрицательны на всей области определения. До сих пор мы определяли сходимость интеграла, вычисляя его: если существует конечный предел первообразной при соответствующем стремлении ( или ), то интеграл сходится, в противном случае - расходится. При решении практических задач, однако, важно в первую очередь установить сам факт сходимости, и только затем вычислять интеграл (к тому же первообразная часто не выражается через элементарные функции). Сформулируем и докажем ряд теорем, которые позволяют устанавливать сходимость и расходимость несобственных интегралов от неотрицательных функций, не вычисляя их. 12.1.3.1. Признак сравнения. Пусть функции f(x) и g(x) интегрируемы по любому отрезку [a,b] и при удовлетворяют неравенствам . Тогда: если сходится интеграл , то сходится интеграл ; если расходится интеграл , то расходится интеграл (эти утверждения имеют простой смысл: если сходится интеграл от большей функции, то сходится интеграл от меньшей функции; если расходится интеграл от меньшей функции, то расходится интеграл от большей функции; в случаях, когда сходится интеграл от меньшей функции или расходится интеграл от большей функции, никаких выводов о сходимости второго интеграла сделать нельзя). Док-во: если , , то функции и - монотонно возрастающие функции верхнего предела b (следствие свойств аддитивности и интегрирования неравенств). Монотонно возрастающая функция имеет конечный предел тогда и только тогда, когда она ограничена сверху. Пусть сходится. G(b) ограничена , F(b) ограничена, т.е. сходится. Пусть расходится F(b) неограничена G(b)неограничена,т.е. расходится. Примеры: Исследовать на сходимость интегралы 5. . Функция не имеет первообразной, выражающейся через элементарные функции, поэтому исследовать сходимость с помощью предельного перехода невозможно. При имеет место ; интеграл сходится сходится. 6. . При ; интеграл расходится расходится расходится. В качестве "стандартного" интеграла, с которым сравнивается данный, обычно берётся интеграл типа , часто называемый интегралом Дирихле. Этот интеграл сходится, если p > 1, и расходится, если : Примеры: 7. . На всём промежутке интегрирования ; интеграл сходится (p = 7 > 1), поэтому исходный интеграл сходится; 8. . Здесь при , расходится (p = 2/3 < 1), поэтому исходный интеграл расходится; 9. . Здесь сравнить подынтегральную функцию с какой-либо степенью x невозможно, так как числитель - неограниченная функция, поэтому рассуждаем по-другому. При ln x - бесконечно большая низшего порядка по сравнению с любой положительной степенью x, поэтому ограниченная функция, поэтому, интеграл от большей функции сходится, следовательно, исходный интеграл тоже сходится; 10. . На всём промежутке интегрирования (отбросив бесконечно большие низших порядков в числителе и знаменателе, мы увеличили числитель и уменьшили знаменатель); интеграл сходится, поэтому исходный интеграл сходится. Теперь рассмотрим . Понятно, что бесконечно большие низших порядков в числителе и знаменателе не влияют на сходимость интеграла; в то же время, отбросив их, мы уменьшим подынтегральную функцию, а из сходимости интеграла от меньшей функции не следует сходимость интеграла от большей функции. Можно рассуждать так: при достаточно больших x выполняются неравенства , поэтому и т.д., однако при решении таких задач проще применить другой признак сравнения - предельный. 12.1.3.2. Признак сравнения в предельной форме. Пусть неотрицательные функции f(x) и g(x)интегрируемы по любому отрезку [a, b] и пусть существует конечный . Тогда несобственные интегралы и сходятся или расходятся одновременно. Док-во. Так как функции неотрицательны, то K > 0. По определению предела для существует такое значение x0, что при x > x0 выполняется . Дальше рассуждения простые: пусть a1 = min{a, x0}; если сходится , то сходится , тогда, по теореме сравнения, сходится сходится сходится. Если расходится , то расходится , тогда, по теореме сравнения, расходится расходится расходится. Случаи, когда сходится или расходится , рассмотреть самостоятельно. Сравнение интеграла со "стандартным" интегралом в предельной форме позволяет сформулировать такое правило: если при неотрицательная функция f(x) - бесконечно малая порядка малости выше первого по сравнению с , то сходится; если f(x) не является бесконечно малой или имеет порядок малости единица или ниже, то интеграл расходится. Примеры: 11. . При эквивалентна функции , поэтому интеграл сходится. 12. . При эквивалентна функции , поэтому интеграл расходится. 13. . При эквивалентна функции , поэтому интеграл расходится. 14. . При эквивалентна функции , поэтому интеграл расходится. 12.1.4. Абсолютная сходимость несобственных интегралов по бесконечному промежутку. В предыдущем разделе рассматривались интегралы от знакоположительных (знакопостоянных) функций; мы убедились, что для таких несобственных интегралов существуют хорошие методы исследования их сходимости. Естественен вопрос: нельзя ли свести исследование интеграла от произвольной функции f(x)к исследованию интеграла от положительной функции | f(x)|? Можно показать, что если сходится интеграл, то обязательно сходится интеграл (идея доказательства: разобьем отрезок Xb = [a, b] на два множества, и , т.е. к первому множеству отнесены точки, в которых функция неотрицательна, ко второму - в которых функция отрицательна. Тогда , . В последней сумме оба слагаемые - монотонно возрастающие с ростом b, ограниченные сверху, следовательно, имеющие конечный предел при . Отсюда следует, что имеет конечный предел и предыдущая сумма). Обратное утверждение неверно, т.е. при сходимости интеграла интеграл может расходиться. Введём важное понятие абсолютной сходимости. Опр. 12.1.4. Если сходится интеграл , то интеграл называется сходящимся абсолютно. Если сходится интеграл , а интеграл расходится, то интеграл называется сходящимся условно. Примеры исследования интегралов на абсолютную сходимость: 15. . ; интеграл от большей функции сходится, следовательно, сходится, следовательно, исходный интеграл сходится абсолютно. 16. . , первый множитель, , стремится к нулю при , следовательно, ограничен: , интеграл от последней функции сходится, следовательно, исходный интеграл сходится абсолютно. Приведённые примеры показывают, что переход от к и применение к последнему интегралу методов исследования на сходимость несобственных интегралов от неотрицательных функций, в случае его сходимости, позволяет сделать вывод и о сходимости (притом, абсолютной) исходного интеграла. Если же интеграл от | f(x)| расходится, решение задач значительно усложняется. Пример: исследовать на сходимость интеграл . 1. Докажем, что этот интеграл сходится. Интегрируем его по частям: . Для последнего интеграла , т.е. он сходится абсолютно, следовательно, исходный интеграл сходится. 2. Докажем, что для исходного интеграла абсолютной сходимости нет, т.е. что расходится. Так как , то , для последнего интеграла, по доказанному выше, существует конечный предел при , для предыдущего - нет, следовательно, расходится. Вывод - исходный интеграл сходится условно. Установить условную сходимость несобственного интеграла по бесконечному промежутку при отсутствии абсолютной сходимости позволяют два следующих признака: признак сходимости Абеля: 1. пусть функции f(x) и g(x) определены в промежутке , причём f(x) интегрируема в этом промежутке, т.е. интеграл сходится (условно или абсолютно); 2. g(x) монотонна и ограничена: . Тогда интеграл сходится. признак сходимости Дирихле: 1. пусть функция f(x) интегрируема в любом конечном промежутке [a, b], и интеграл по этому промежутку ограничен (как функция верхнего предела b): ; 2. g(x) монотонно стремится к нулю при : . Тогда интеграл сходится. Применим, например, признак Дирихле к . Здесь f(x) = cos x, g(x) = 1/x,условия признака выполнены, поэтому интеграл сходится условно. 12.2. Несобственные интегралы от неограниченных функций (несобственные интегралы второго рода). 12.2.1. Определение несобственного интеграла от неограниченной функции. 12.2.1.1. Особенность на левом конце промежутка интегрирования. Пусть функция f(x)определена на полуинтервале (a, b], интегрируема по любому отрезку , и имеет бесконечный предел при . Несобственным интегралом от f(x) по отрезку [a, b]называется предел . Если этот предел конечен, говорят, что интеграл сходится; если предел не существует или бесконечен, говорят, что интеграл расходится. Примеры: 17. - интеграл расходится; 18. - интеграл сходится. 12.2.1.2. Применение формулы Ньютона-Лейбница. Если для функции f(x) на полуинтервале (a, b]существует первообразная F(x), то , и сходимость интеграла определяется наличием или отсутствием конечного предела . Будем писать просто , имея в виду, что если соответствующий предел конечен, то интеграл сходится, в противном случае - расходится. Примеры: 19. (интеграл сходится). 20. (интеграл расходится). В следующих дальше случаях неограниченности функции будем поступать аналогично. 12.2.1.3. Особенность на правом конце промежутка интегрирования. Пусть функция f(x)определена на полуинтервале [a, b), интегрируема по любому отрезку , и имеет бесконечный предел при . Несобственным интегралом от f(x) по отрезку [a, b]называется предел . Если этот предел конечен, говорят, что интеграл сходится; если предел не существует или бесконечен, говорят, что интеграл расходится. 12.2.1.4. Особенность во внутренней точке промежутка интегрирования. Пусть функция f(x)определена на отрезке [a, b], имеет бесконечный предел при стремлении аргумента к какой-либо внутренней точке c этого отрезка: , интегрируема по любому отрезку, не содержащему точку c. Несобственным интегралом от f(x) по отрезку [a, b] называется . Интеграл сходится, если оба эти пределы существуют и конечны, в противном случае интеграл расходится. 12.2.1.5. Несколько особенностей на промежутке интегрирования. Этот случай сводится к предыдущим. Пусть, например, функция имеет бесконечные пределы при стремлении аргумента к внутренним точкам c1, c2, c3 отрезка [a, b] (a < c1 < c2 < c3 < b) и правому концу b, и интегрируема по любому отрезку, не содержащему эти точки. Тогда несобственный интеграл определяется как . Здесь d1, d2, d3 - произвольные точки, удовлетворяющие неравенствам a < c1 < d1 < c2 < d2 < c3 < d3 < b. Пример: 21. , и интеграл расходится, так как все три предела бесконечны. Решение с применением формулы Ньютона-Лейбница: - расходится, так как первообразная обращается в бесконечность в точке x = -1. 12.2.2. Признаки сравнения для неотрицательных функций. Как и для несобственных интегралов первого рода, для интегралов второго рода вводится понятие абсолютной сходимости, позволяющее в ряде случаев свести исследование сходимости интегралов от произвольных функций к исследованию сходимости интегралов от неотрицательных функции, и рассматриваются признаки сравнения для таких интегралов. Ввиду того, что принципиальная сторона вопроса изучена на случае интегралов первого рода, кратко перечислим основные факты. Будем предполагать, что подынтегральная функция имеет особенность на левом конце промежутка интегрирования. 12.2.2.1. Признак сравнения. Пусть функции f(x) и g(x) интегрируемы по любому отрезку и при x > a удовлетворяют неравенствам . Тогда: если сходится интеграл , то сходится интеграл ; если расходится интеграл , то расходится интеграл В качестве "стандартного" интеграла, с которым сравнивается данный, и в этом случае обычно берётся интеграл от степенной функции типа . Этот интеграл сходится, если p < 1, и расходится, если : 12.2.2.2. Признак сравнения в предельной форме. Пусть неотрицательные функции f(x) и g(x)интегрируемы по любому отрезку и пусть существует конечный . Тогда несобственные интегралы и сходятся или расходятся одновременно. Сравнение интеграла со "стандартным" интегралом в предельной форме даёт правило: если при неотрицательная функция f(x) - бесконечно большая порядка роста ниже первого по сравнению с , то сходится; если f(x) имеет порядок роста единица или выше, то интеграл расходится. Примеры: 22. . Так как при , и интеграл от большей функции сходится, то данный интеграл сходится; 23. . При , p = 1, интеграл расходится; 24. . При , , интеграл расходится; 25. . При , интеграл расходится. 12.2.3. Абсолютная и условная сходимость несобственных интегралов от разрывных функцийопределяется аналогично тому, как это было сделано для несобственных интегралов по бесконечному промежутку ( 12.1.4) , а именно: несобственный интеграл от неограниченной функций называется абсолютно сходящимся, если сходится интеграл , и условно сходящимся, если интеграл сходится, а интеграл расходится (если сходится , то тоже обязательно сходится). Пример: Исследовать на сходимость интеграл: 26. Так как , то исходный интеграл сходится абсолютно. При отсутствии абсолютной сходимости установить условную сходимость можно с помощью признаков Абеля и Дирихле: Признак Дирихле. Интеграл сходится, если: 1).функция f(x) непрерывна и имеет ограниченную первообразную на (a, b]; 2).функция g(x) непрерывно дифференцируема и монотонна на (a, b], причём. Признак Абеля. Интеграл сходится, если: 1).функция f(x) непрерывна на (a, b] и интеграл сходится; 2).функция g(x) ограничена, непрерывно дифференцируема и монотонна на (a, b], то есть имеет конечный предел:. 1. Некоторые кривые, которые будут встречаться в дальнейшем. В этом разделе мы рассмотрим некоторые приложения определённого интеграла, в основном, геометрические - к вычислению площадей и объёмов. Здесь мы приведём уравнения и изображения ряда кривых, которые с которыми будем работать дальше. |