Определенный интеграл. Формула Ньютона - Лейбница

реклама
Определенный интеграл.
Формула Ньютона - Лейбница
𝑦
Криволинейная
трапеция
𝑆𝑘 = 𝑓(𝑥𝑘 ) ⋅ ∆𝑥𝑘
∆𝑥𝑘 − длина отрезка [𝑥𝑘 ; 𝑥𝑘+1 ]
𝑆𝑛 = 𝑓0 ∆𝑥0 + 𝑓1 ∆𝑥1 + 𝑓2 ∆𝑥2 +
+ ⋯ + 𝑓𝑘 ∆𝑥𝑘 + ⋯ + 𝑓𝑛−1 ∆𝑥𝑛−1
𝑥0 = 𝑎, 𝑥𝑛 = 𝑏, ∆𝑥0 = ∆𝑥1 = ⋯ = ∆𝑥𝑛
𝑎
0
𝑏
𝑥1 𝑥2 𝑥𝑘 𝑥𝑘+1 𝑥𝑛−1
𝑥
𝑺 = 𝐥𝐢𝐦 𝑺𝒏
𝒏→∞
𝑥1
𝑥2
𝑥𝑘
𝑥𝑘+1
𝑎 = 𝑥0
𝜌 = 𝜌(𝑥)
𝜌 = 𝜌(𝑥𝑘 )
𝑥𝑛−1
𝑏 = 𝑥𝑛
𝑚 = 𝑉𝜌
𝑚 = 𝑆𝜌
𝑚 = 𝑙𝜌
𝑚𝑘 ≈ 𝜌(𝑥𝑘 )∆𝑥𝑘
∆𝑥𝑘 − длина отрезка [𝑥𝑘 ; 𝑥𝑘+1 ]
𝑚 ≈ 𝑆𝑛 = 𝑚0 + 𝑚1 + 𝑚2 + ⋯ + 𝑚𝑘 + ⋯ + 𝑚𝑛−1 =
= 𝜌 𝑥0 ∆𝑥0 + 𝜌 𝑥1 ∆𝑥1 + ⋯ + 𝜌 𝑥𝑛−1 ∆𝑥𝑛−1
𝒎 = 𝐥𝐢𝐦 𝑺𝒏
𝒏→∞
𝑡1
𝑡2
𝑡𝑘
𝑎 = 𝑡0
𝑣 = 𝑣(𝑡)
𝑡𝑘+1
𝑡𝑛−1
𝑏 = 𝑡𝑛
𝑆 = 𝑣𝑡
𝑺 = 𝐥𝐢𝐦 𝑺𝒏
𝒏→∞
𝑣 = 𝑣(𝑡𝑘 )
𝑠𝑘 ≈ 𝑣(𝑡𝑘 )∆𝑡𝑘
∆𝑡𝑘 − длина отрезка [𝑡𝑘 ; 𝑡𝑘+1 ]
𝑠 ≈ 𝑆𝑛 = 𝑠0 + 𝑠1 + 𝑠2 + ⋯ + 𝑠𝑘 + ⋯ + 𝑠𝑛−1 =
= 𝑣 𝑡0 ∆𝑡0 + 𝑣 𝑡1 ∆𝑡1 + ⋯ + 𝑣 𝑡𝑛−1 ∆𝑡𝑛−1
𝒔 = 𝐥𝐢𝐦 𝑺𝒏
𝒏→∞
𝒎 = 𝐥𝐢𝐦 𝑺𝒏
𝒏→∞
Математическая модель:
1. Разбиваем отрезок [𝑎; 𝑏] на 𝑛 равных
частей.
Определенный интеграл
от функции 𝒚 = 𝒇(𝒙) по
2. Составляем сумму 𝑆𝑛 .
отрезку [𝒂; 𝒃]
3. Находим lim 𝑆𝑛 .
𝑛→∞
𝒃
𝐥𝐢𝐦 𝑺𝒏 =
𝒏→∞
Верхний предел
интегрирования
𝒇 𝒙 𝒅𝒙
𝒂
Нижний предел
интегрирования
Древний Египет 1800 год доАрхимед
н. э.
Евдокс Книдский
ок. 408 год до н. э. – ок. 355 год до н. э.
287 год до н. э. – 212 год до н. э.
Древний
Китай III век н. э.
Абу Али аль-Хасан ибн аль-Хасан
́
́
́
ибн аль-Хайса́м аль-Басри́
965 год – 1040 год
́
Бонавентура Франческо
Кавальери
1598 год – 1647 год
Пьер де Ферма
1601 год – 1665 год
Исаак Барроу
1630 год – 1677 год
Эванджелиста Торичелли
1608 год – 1647 год
Исаак Ньютон
1642 год – 1727 год
Готфрид Вильгельм Лейбниц
1646 год – 1716 год
ſ − длинная S, сокращение латинского слова «сумма»
𝑏
𝑎
Жан Батист Жозеф Фурье
1642 год – 1830 год
𝑏
𝑓 𝑥𝑺𝒏𝑑𝑥
𝑺 = 𝐥𝐢𝐦
𝒏→∞
𝑎
Геометрический смысл
определенного интеграла
𝑏
𝒔 = 𝐥𝐢𝐦
𝑣 𝑡𝑺𝑑𝑡
𝒏
𝑏
𝜌 𝑥𝑺𝒏𝑑𝑥
𝒎 = 𝐥𝐢𝐦
𝒏→∞
𝑎
𝒏→∞
𝑎
Физический смысл
определенного интеграла
𝑎
𝑏
𝑏
𝑠=
𝑣 𝑡 𝑑𝑡
𝒃
𝑎
𝑣 𝑡 = 𝑠 ′ 𝑡 ⇒ 𝑠 𝑡 − первообразная для 𝑣 𝑡 ⇒ ⇒
⇒ 𝑠 = 𝑠 𝑏 − 𝑠(𝑎)
𝒗 𝒕 𝒅𝒕 = 𝒔 𝒃 − 𝒔(𝒂)
𝒂
Теорема. Если функция 𝑦 = 𝑓(𝑥) непрерывна
на отрезке [𝑎; 𝑏], то справедлива формула
𝒃
𝒂
Двойная
подстановка
𝒃
𝒇 𝒙 𝒅𝒙 = 𝑭(𝒙)
𝑭 𝒃 − 𝑭(𝒂)
𝒂
𝐹(𝑥) – первообразная для 𝑓(𝑥)
Формула
Ньютона-Лейбница
Пример:
Вычислить
3 3
𝑥 𝑑𝑥.
−1
Решение:
𝑏
𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = 𝐹(𝑥)
𝑎
𝑥4
4
3
−1
′
=
𝑥3
𝑏
𝑎
𝑥4
⇒𝐹 𝑥 =
4
4
3
3
−1
𝑥 3 𝑑𝑥 = 𝐹 𝑥
= 𝐹 3 − 𝐹 −1 =
−
−1
4
4
4
=
81 1
− = 20
4 4
Пример:
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями 𝑦 =
Решение:
8
3
𝑆=
𝑥, 𝑦 = 0, 𝑥 = 8.
𝑦
𝑥𝑑𝑥
0
𝑏
𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = 𝐹(𝑥)
𝑎
1
𝑥 3+1
1
+1
3
3
𝑏
𝑎
′
=
3
𝑥⇒𝐹 𝑥 =
8
0
3
𝑥𝑑𝑥 = 𝐹 𝑥
33 4
𝑥
4
8
33 4 33 4
=𝐹 8 −𝐹 0 =
8 −
0 = 12
0
4
4
0
8
𝑥
Свойство 1. Интеграл от суммы функций равен сумме интегралов:
𝒃
𝒃
𝒇 𝒙 + 𝒈(𝒙) 𝒅𝒙 =
𝒂
𝒃
𝒇 𝒙 𝒅𝒙 +
𝒂
𝒈 𝒙 𝒅𝒙
𝒂
Доказательство.
Если 𝐹 𝑥 − первообразная для 𝑓(𝑥), а G 𝑥 − первообразная для 𝑔(𝑥),
то 𝐹 𝑥 + 𝐺 𝑥 − первообразная для 𝑓 𝑥 + 𝑔(𝑥). Тогда
𝑏
𝑓 𝑥 + 𝑔(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝐹 𝑥 + 𝐺(𝑥)
𝑎
= 𝐹 𝑏 + 𝐺(𝑏) − 𝐹 𝑎 + 𝐺 𝑎
= 𝐹 𝑏 −𝐹 𝑎
𝑏
=
𝑏
𝑓 𝑥 𝑑𝑥 +
𝑎
𝑔 𝑥 𝑑𝑥
𝑎
𝑏
=
𝑎
+ 𝐺 𝑏 −𝐺 𝑎
=
Пример:
Вычислить
2
1
1
𝑒 𝑥 + 𝑥 𝑑𝑥.
Решение:
𝑏
𝑏
𝑓 𝑥 + 𝑔(𝑥) 𝑑𝑥 =
𝑎
𝑒
𝑥 ′
𝑓 𝑥 𝑑𝑥 +
𝑎
𝑥
𝑏
=𝑒 ⇒𝐹 𝑥 =𝑒
1
′
ln 𝑥 = ⇒ 𝐺 𝑥 = ln 𝑥
𝑥
2
2
1
𝑥
𝑒 +
𝑑𝑥 = 𝑒 𝑥 𝑑𝑥 +
𝑥
1
= 𝑒 2 − 𝑒 1 + ln 2
1
𝑔 𝑥 𝑑𝑥
𝑎
𝑥
2
1
𝑏
𝑎
𝑏
𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = 𝐹(𝑥)
𝑎
1
2
2
𝑑𝑥 = 𝐹 𝑥
+𝐺 𝑥
= 𝑒 2 − 𝑒 1 + ln 2 − ln 1 =
𝑥
1
1
Свойство 2. Постоянный множитель можно
вынести за знак интеграла
𝒃
𝒃
𝒌𝒇(𝒙)𝒅𝒙 = 𝒌
𝒂
𝒇 𝒙 𝒅𝒙
𝒂
Пример:
Вычислить
22
𝑑𝑥.
1 𝑥
Решение:
𝑏
𝑏
𝑘𝑓(𝑥)𝑑𝑥 = 𝑘
𝑎
𝑏
𝑓 𝑥 𝑑𝑥
𝑎
𝑎
𝑏
𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = 𝐹(𝑥)
𝑎
1
⇒ 𝐹 𝑥 = ln 𝑥
𝑥
2
2
2
1
2
𝑑𝑥 = 2
𝑑𝑥 = 2 ⋅ 𝐹 𝑥
= 2 ⋅ ln 2 − ln 1 = 2 ln 2 = ln 4
𝑥
𝑥
1
ln 𝑥
1
′
=
1
Скачать