Визначений інтеграл. Формула Ньютона-Лейбніца. Невласні інтеграли. Ряд Фур’є
Якщо функція неперервна на
, тоді вона інтегровна на ньому, тобто існує визначений інтеграл:
, де числа
і
називаються нижньою і верхньою межею інтегрування функції
відповідно. Відзначимо деякі основні властивості визначеного інтеграла, а саме:
(29)
Щоб обчислити визначений інтеграл, скористаємось основною формулою інтегрального числення (формула Ньютона-Лейбніца)
(30)
де – первісна функції
.
Приклад 1.Обчислити інтеграл
Приклад 2.Обчислити інтеграл
Зробивши заміну в підінтегральному виразі, ми одразу змінили межі інтегрування: коли і при
Приклад 3.Обчислити площу фігури, яка обмежена графіками функцій і
Якщо фігура обмежена графіками неперервних функцій і
то її площа може бути обрахована за формулою:
(31)
Знайдемо спочатку абсциси точок перетину цих функцій, які і будуть межами інтегрування: і
За формулою (31) маємо:
.
Приклад 4.Визначити роботу, необхідну для запуску супутника масою т з поверхні Землі вертикально вверх на висоту .
Робота змінної сили по переміщенню тіла з початкової точки
в кінцеву точку
визначається за формулою:
(32)
Згідно із законом Ньютона, сила притягання супутника Землею визначається за формулою , де
– гравітаційна стала, М – маса Землі, х – відстань від супутника до центра Землі:
де
– радіус Землі. За формулою (32) маємо:
Тут ми врахували той факт, що при сила притягання супутника Землею дорівнює його вазі, тобто:
(прискорення вільного падіння біля поверхні Землі).
Нехай функція визначена, наприклад, на проміжку
та інтегровна на будь-якому відрізку
Тоді скінчену границю
(33)
називають невласним інтегралом першого роду.
Приклад 5.Обчислити інтеграл
Приклад 6.Обрахувати роботу, необхідну для виведення супутника в міжпланетний простір. Це означає, що (див. приклад 4). Отже,
Нехай функція визначена, наприклад, на проміжку
Точку
будемо називати особливою, якщо функція
не обмежена в будь-якому її околі, але обмежена та інтегровна на відрізку
. Тоді скінчену границю
(34)
називають невласним інтегралом другого роду.
Приклад 7. Обчислити інтеграл
Точка є особливою для підінтегральної функції. Згідно з формулою (34) маємо:
Окремо дослідимо поведінку інтеграла при :
(інтеграл розбігається).
Нехай функція визначена та інтегровна на
. Тоді числа
(35)
при
(п – цілі числа), (36)
(37)
називають коефіцієнтами Фур’є, а ряд
(38)
називається рядом Фур’є функції .
Якщо функція парна, тоді при її інтегруванні за симетричними межами справедлива формула:
(39)
Якщо функція непарна, тоді інтеграл від неї за симетричними межами тотожно дорівнює нулю.
Зауваження.Якщо функція парна, тоді коефіцієнти
, а якщо непарна, тоді коефіцієнти
.
Приклад 8.Розкласти в ряд Фур’є на функцію
. Оскільки функція
є парною
тоді
і
Отже, шуканий ряд Фур’є функції має такий вигляд:
Завдання для самостійної роботи
1. Доведіть, що
2. Доведіть, що: 1)
3. Доведіть, що послідовність має границю, рівну 2.
4. Доведіть, що
У задачах 5 – 18 знайдіть границі:
5. 8.
9.
12.
14.
16.
Шляхом порівняння з гармонічним рядом або зі спадною геометричною прогресією дослідіть збіжність рядів:
19.
За допомогою ознаки Даламбера дослідіть на збіжність рядів:
22.
Дослідіть збіжність рядів:
24.
Дослідіть на абсолютну та умовну збіжність такі ряди:
33.
Знайти радіус та інтервал збіжності ряду і дослідити його збіжність на межах інтервалу:
34.
У задачах 38 – 42 знайдіть область визначення функцій, які задані формулами:
38.
41.
Знайдіть границі:
43. 46.
47.
50.
У задачах 52 – 54 знайдіть, яка з функцій є парною, непарною і яка не є ні парною, ні непарною:
52.
У задачах 55 – 56 знайдіть період функцій:
55.
У задачах 57 – 68 знайдіть похідні функцій:
68.
69. Складіть рівняння дотичної до графіків функцій:
1) – у точках перетину з віссю Ох;
2) – у точці перетину з віссю Ох;
3) – у точці перетину з віссю Оу.
70. Коло задано рівнянням Знайдіть рівняння дотичних до кола в точках його перетину з віссю Ох.
У задачах 71 – 75 знайдіть диференціали функцій:
71. 74.
75.
У задачах 76 – 78 знайдіть похідну другого порядку від функцій:
76.
У задачах 79 – 81 знайдіть похідну третього порядку від функцій:
79.
У задачах 82 –90 знайдіть границі за правилом Лопіталя:
91. Розкладіть многочлен за степенями
за формулою Тейлора.
92. Розкладіть функцію за формулою Маклорена до члену з
включно.
93. Розкладіть функції за формулою Маклорена:
1) до члена з
включно; 2)
до члена з
;
3) до члена з
; 4)
до члена з
.
У задачах 94 – 99 розкладіть функції в ряд Маклорена і знайдіть їх інтервали збіжності:
94. 97.
98.
У задачах 100 – 104, використавши розклад Маклорена для відповідних функцій, знайдіть границі:
100. 102.
103.
105. Знайдіть максимуми та мінімуми функцій:
106. Знайти точки перегину графіка функцій:
107. Знайдіть асимптоти графіків функцій:
У задачах 108 – 115 побудуйте графіки функцій:
108.
112.
У задачах 116 – 121 знайдіть частинні похідні від функцій:
116.
119.
122. Для функції доведіть, що
123. Знайдіть похідну за напрямком функції Розгляньте напрямок, паралельний бісектрисі першого координатного кута.
124. Знайдіть похідну функції у точці
за напрямком вектора
, де
– точка з координатами
У задачах 125 – 128 знайти :
125. у точці
126. у точці
127. у точці
128. у точці
У задачах 129 – 132 знайдіть частинні похідні другого порядку:
129.
.
133. Для функції доведіть, що
У задачах 134 – 137 знайдіть екстремуми функцій:
134.
136.
138. Нехай у результаті експерименту отримано п’ять значень шуканої функції у при п’яти значеннях її аргументу х:
х | -2 | ||||
у | 0.5 | 1.5 |
Знайдіть функціональну залежність між х та у у вигляді лінійної функції
У задачах 139 – 141, безпосередньо інтегруючи, знайдіть інтеграли:
У задачах 142 – 155 за методом підстановки знайдіть інтеграли:
142. 143.
144.
145. 146.
147.
148. 149.
150.
151. 152.
153.
154. 155.
У задачах 156 – 161 за допомогою методу інтегрування частинами знайдіть інтеграли:
156. 157.
158. 159.
160.
161.
У задачах 162 – 193 обчисліть інтеграли:
162. 163.
164.
165. 166.
167.
168. 169.
170.
171. 172.
173.
174. 175.
176.
177. 178.
179.
180. 181.
182. 183.
184. 185.
186.
187. 188.
189.
190. 191.
192.
193.
У задачах 194 – 201 обчисліть визначені інтеграли:
194. 195.
196.
197. 198.
199.
200. 201.
У задачах 202 – 206 знайдіть площу фігур, обмежених лініями:
202. 203.
204.
205. 206.
У задачах 207 – 217 дослідіть збіжність інтегралів:
207. 208.
209.
210. 211.
212.
213. 214.
215.
216. 217.
У задачах 218 – 220 розкладіть функції в ряд Фур’є на відрізку :
218. 219.
220.
У задачах 221 – 222 розкладіть функції в ряд Фур’є на відрізку :
221. 222.