Пункт 4. Определенный интеграл и его свойства. Формула Ньютона-Лейбница
Пусть на отрезке [a,b] (b>a) задана непрерывная функция y = f(x) , принимающая на этом отрезке неотрицательные значения : при
. Требуется определить площадь S криволинейной трапеции ABCD, ограниченной снизу отрезком [a,b], слева и справа - прямыми x = a и x = b, сверху – функцией y = f(x).
Для решения этой задачи разделим произвольным образом основание AD фигуры точками x0 = a, x1 , x2 , …, xn-1 = a, xn = b на n частей [x0 , x1], [x1 , x2], …, [xi-1 , xi], …, [xn-1 , xn]; символом будем обозначать длину i-го отрезка:
. На каждом из отрезков [xi-1 , xi] выберем произвольную точку
, найдём
, вычислим произведение
(это произведение равно площади прямоугольника Pi с основанием [xi-1 , xi] и высотой
) и просуммируем эти произведения по всем прямоугольникам. Полученную сумму обозначим S ступ:
.
Sступ равно площади ступенчатой фигуры, образованной прямоугольниками Pi , i = 1,2,…,n; на левом рисунке эта площадь заштрихована. Sступ не равна искомой площади S, она только даёт некоторое приближение к S. Для того, чтобы улучшить это приближение, будем увеличивать количество n отрезков таким образом, чтобы максимальная длина этих отрезков стремилась к нулю (на рисунке ступенчатые фигуры изображены при n = 7 (слева) и при n = 14 (справа)). При
разница между Sступ и S будет тоже стремиться к нулю, т.е.
.
Пусть на отрезке [a,b] задана функция y = f(x). Разобьём отрезок [a,b] произвольным образом на n частей точками [x0 , x1], [x1 , x2], …, [xi-1 , xi], …, [xn-1 , xn]; длину i-го отрезка обозначим :
; максимальную из длин отрезков обозначим
. На каждом из отрезков [xi-1 , xi] выберем произвольную точку
и составим сумму
.
Сумма называется интегральной суммой.
Предел последовательности интегральных сумм при
, не зависящий ни от способа разбиения отрезка [a,b] на части [xi-1 , xi], ни от выбора точек
, называется определённым интегралом от функции f(x) по отрезку [a,b] и обозначается
, где функция f(x) называется подынтегральной, числа a и b - соответственно, нижним и верхним пределами интегрирования.
.
Свойства определенного интеграла:
1. , если b=a.
2. .
3. .
4.Если y = f(x) интегрируема по отрезку [a,b] и точка c принадлежит этому отрезку, то
.
5.Если и
, и функции f(x), g(x) интегрируемы по отрезку [a,b], то
.
6.Если на отрезке [a,b] функция удовлетворяет неравенству , то
.
7.Если функция f(x) интегрируема по отрезку [a,b], то .
8.(Теорема о среднем) Если f(x) непрерывна на отрезке [a,b], то существует точка , такая что
.
Геометрический смысл определённого интеграла. Если f(x) >0 на отрезке [a,b], то равен площади криволинейной трапеции ABCD, ограниченной снизу отрезком [a,b], слева и справа - прямыми x = a и x = b, сверху – функцией y = f(x).
Формула Ньютона-Лейбница.
Если f(x) непрерывна на отрезке [a, b], и F(x) - некоторая первообразная функции , то
.