Геометрична інтерпретація формули середнього значення
Нехай функція – неперервна і невід’ємна на проміжку
. Формула (2) з геометричної точки зору означає, що площа криволінійної трапеції = площі прямокутника за такой ж основою, що і у криволінійної трапеції і з висотою
.
Властивість 10. Узагальнена формула середнього значення
Нехай виконані умови:
1. Функція f(x), а також функція – інтегровані на проміжку
.
2.
3. , тобто на проміжку
функція
не змінює знак.
Тоді - (1) ( якщо покласти
, отримаємо формулу з вл. 9).
Доведення:
і будемо вважати, що
. З другої умови теореми випливає, що
виконується нерівність:
(2)
Якщо помножимо нерівність (2) на функцію , то отримаємо:
(3)
З цього слідує, що:
(4)
Якщо , то
1. Якщо , то
. Отже за
ми можемо взяти будь-яке число з
;
2. Якщо . Розділивши нерівность (4) на
одержимо:
(5). Отже,
. Покладемо у нерівності (5), що
Перший випадок доведено.
2) У всіх інших випадках формула (1) залишається правильною, оскільки зміна знаку функції з «+» на «-», а також зміна меж інтегрування на протилежні з
на
не змінює формулу (6).
Зауваження:
Якщо умови теореми виконані і функція неперервна на
, то формулу (1) можна подати у вигляді:
, де
.
ВИЗНАЧЕНИЙ ІНТЕГРАЛ ЗІ ЗМІННОЮ ВЕРХНЬОЮ МЕЖЕЮ
Зауваження:
У визначеному інтегралі змінну інтегрування можна позначати будь-якою літерою або буквою, тобто має місце рівність::
Нехай функція інтегрована на
буде інтегрована на
, де
тобто змінна
– верхня межа.
Визначений інтеграл, що має вигляд називається визначеним інтегралом функції
зі змінною верхньою межею.
Властивість 1.
Якщо функція інтегрована на проміжку
, то Ф(
неперервна на
.
Доведення:
Нехай
Введемо позначення
Розглянемо приріст функції .
Якщо застосувати формулу середнього значення, то (*), де
.
Якщо в рівності (*) перейти до границі, коли , то одержимо:
. А це означає, що функція
– неперервна в точці
. Оскільки точка
була обрана довільно, то Ф
– неперервна на
.
Властивість 2.
Якщо функція – інтегрована на проміжку
і неперервна в точці
. Тоді функція Ф
диференційована в точці
.
Доведення:
Нехай умови нашого твердження виконано тоді з рівності (*) ( властивості 1) :
(1)
Де . Оскільки функція
– неперервна в точці
, то це означає, що
буде виконуватись нерівність:
виконується нерівність
а значить і :
Причому – фіксована
– змінна
(2)
Одержимо ,
Якщо перейти до границі в рівності (1), то одержимо . Це означає, що функція Ф
має похідну в точці
яка дорівнює
.
Наслідок:
Якщо – неперервна в
то Ф(
диференційована на
. Тобто
. Це означає, що
можна розглядати як первісну
.
ФОРМУЛА НЬЮТОНА-ЛЕЙБНІЦА
Нехай функція – неперервна на
, тоді має місце наступна формула Ньютона-Лейбніца:
Де – будь-яка з первісних функції
на
.
Доведення:
Нехай функція – неперервна на
, тоді згідно з наслідком до другої властивості інтеграла зі змінно верхньою межею функція
є первісною
.
– будь-яка інша первісна. Тоді згідно із твердженням про первісні функції одержимо, що:
Покладемо :
Покладемо :
Метод інтегрування частинами
Нехай функції u(x) , v(x), u´(x), v´(x) неперервні на [a,b]. Тоді має місце наступна формула:
-
або
=
-
.
Доведення:
За допомогою правила диференціювання добутку можна отримати рівність: Ця рівність означає,що функція
є первісною для
. Оскільки остання функція є неперервною на проміжку [a,b], то за допомогою формули Ньютона - Лейбніца одержимо, що
=
. З останньої рівності безпосередньо випливає формула (1):
=
-
.
Приклад
=
=
-
=
=
Заміна змінної у визначеному інтегралі
Теорема
Нехай виконуються умови:
Функція неперервна на [a,b].
Функція , а також
неперервні на проміжку [
]. Причому
t
[
] виконується нерівність a
b, тобто значення функції
не виходить за межі проміжку [a,b].
=a,
=b. Тоді має місце наступна формула:
=
(1)
Доведення
Нехай виконуються умови теореми. Оскільки функція неперервна на [a,b], то за допомогою формули Ньютона- Лейбніца, одержимо :
(2), де
- будь-яка первісна для
. Оскільки
неперервна на [a,b], то згідно з наслідком до другої властивості інтеграла зі змінною верхньою межею, цей інтеграл (який є однією з первісних для
) є диференційованою функцією. Тому будь-яка інша первісна, у тому числі
, диференційована на [
],
диференційована на проміжку. Тоді
диференційована [,]. Причому виконується рівність:
=
Остання рівність означає, що - первісна для
. Оскільки остання функція є неперервною на проміжку [
], то згідно з формулою Ньютона – Лейбніца, одержимо наступну рівність:
=
(3)
(за третьою умовою теореми)
Порівнюючи рівності (2) і (3) одержимо рівність (1), що і треба було довести.
Якщо при обчисленні визначеного інтеграла зроблена заміна, то при знаходженні цього інтеграла немає потреби повертатися до вихідної заміни.