§39. ВЫЧИСЛЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕННОГО ИНТЕГРАЛА

39.1. Формула Ньютона-Лейбница

Простым и удобным методом вычисления определенного интеграла от непрерывной функции является формула Ньютона-Лейбница:

Применяется этот метод во всех случаях, когда может быть найдена первообразная функции F(x) для подынтегральной функции ƒ (х).

Например,

При вычисленииопределенных интегралов широко используется метод замены переменной и метод интегрирования по частям.

39.2. Интегрирование подстановкой (заменой переменной)

Пусть для вычисления интегралаот непрерывной функции

сделана подстановка х = φ(t).

▼Пусть F(x) есть первообразная для ƒ(х) на отрезке [а;b]. Тогда по формуле Ньютона-ЛейбницаТак как (F(φ(t))' = f(φ(t)) - φ'(t), то F(φ(t)) является первообразной для функции f(φ(t)) -φ'(t), t Î [а;β]. Поэтому по формуле Ньютона—Лейбница имеем

▲

Формула (39.1) называется формулой замены переменной в определенном интеграле. Отметим, что:

1) при вычислении определенного интеграла методом подстановки возвращаться к старой переменной не требуется;

2) часто вместо подстановки х = φ(t) применяют подстановку t = g(x);

3) не следует забывать менять пределы интегрирования при замене переменных!

 

Пример 39.1. Вычислить

Решение: Положим х = 2 sin t, тогда dx = 2 cos t dt. Если х=0, то t = 0; если x = 2, то t =. Поэтому

  39.3. Интегрирование по частям

▼На отрезке [а; b] имеет место равенство (uv)' = u'v+uv'. Следовательно, функция uv есть первообразная для непрерывной функции u'v+uv'. Тогда по формуле Ньютона-Лейбница имеем:

Следовательно,

▲

Формула (39.2) называется формулой интегрирования по частям для определенного интеграла.

 

Пример 39.2. Вычислить

Решение: Положим

Применяя формулу (39.2), получаем

Пример 39.3. Вычислить интеграл

Решение: Интегрируем по частям. Положим

Поэтому

 

39.4. Интегрирование четных и нечетных функций в симметричных пределах

Пусть функция ƒ(х) непрерывна на отрезке [-а; а], симметричном относительно точки х = 0. Докажем, что

▼Разобьем отрезок интегрирования [-а; а] на части [-а; 0] и [0; а]. Тогда по свойству аддитивности

В первом интеграле сделаем подстановку х = -t. Тогда

(согласно свойству: «определенный интеграл не зависит от обозначения переменной интегрирования»). Возвращаясь к равенству (39.4), получим

Если функция ƒ(х) четная (ƒ(-х) = ƒ(х)), то ƒ(-х) + ƒ(х) = 2ƒ(х); если функция ƒ(х) нечетная (ƒ(-х) = - ƒ(х)), то ƒ(-х) + ƒ(х) = 0. Следовательно, равенство (39.5) принимает вид (39.3).▲

Благодаря доказанной формуле можно, например, сразу, не производя вычислений, сказать, что

 

§40. НЕСОБСТВЕННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ

Определенный интегралгде промежуток интегрирования [а; b] конечный, а подынтегральная функция ƒ(х) непрерывна на отрезке [а; b], называют еще собственным интегралом.

Рассмотрим так называемые несобственные интегралы, т. е. определенный интеграл от непрерывной функции, но с бесконечным промежутком интегрирования или определенный интеграл с конечным промежутком интегрирования, но от функции, имеющей на нем бесконечный разрыв.

40.1. Интеграл с бесконечным промежутком интегрирования (несобственный интеграл I рода)

Пусть функция ƒ(х) непрерывна на промежутке [а;+∞). Если существует конечный пределто его называют несобственным интегралом первого родаи обозначают

Таким образом, по определению

В этом случае говорят, что несобственный интегралсходится.

Если же указанный предел не существует или он бесконечен,то говорят, что интеграл dx расходится.

Аналогичноопределяется несобственный интеграл на промежутке (-∞; b]:

Несобственный интеграл с двумя бесконечны ми пределами определяется формулой

 где с — произвольное число.

В этом случае интеграл слева сходится лишь тогда, когда сходятся оба интеграла справа. Отметим, что если непрерывная функция ƒ (х) ≥ 0 на промежутке [а; +∞) и интегралсходится, то он выражает площадь бесконечно длинной криволинейной трапеции (см. рис. 172).

 

Пример 40.1. Вычислить несобственные интегралы или установить их расходимость:

1) 2)3)

Решение:

1) интеграл сходится;

2)интеграл расходится, так как при а ®-∞ пределне существует.

3)интеграл расходится.

 

В некоторых задачах нет необходимости вычислять интеграл; достаточно лишь знать, сходится ли он или нет.

Приведем без доказательства некоторые признаки сходимости.

 

Пример 40.2. Сходится ли интеграл

Решение: При х ≥ 1 имеемНо интеграл сходится. Следовательно, интегралтакже сходится (и его значение меньше 1).

 

Пример 40.3. Исследовать сходимость интеграла

Решение: Интегралсходится, так как интеграл сходится и

 

40.2. Интеграл от разрывной функции (несобственный интеграл II рода)

Пусть функция ƒ(х) непрерывна на промежутке [а; b) и имеет бесконечный разрыв при х = b. Если существует конечный предел  то его называют несобственным интегралом второго рода и обозначают

Таким образом,поопределению,

Если предел в правой части существует, то несобственный интеграл сходится. Если же указанный предел не существует или бесконечен,то говорят, что интеграл расходится.

Аналогично,если функция ƒ (х) терпит бесконечный разрыв в точке х = а, то полагают

Если функция ƒ(х) терпит разрыв во внутренней точке с отрезка [а; b], то несобственный интеграл второго рода определяется формулой

В этом случае интеграл слева называют сходящимся,  если оба несобственныхинтеграла, стоящих справа, сходятся. В случае, когда ƒ(х) > 0, несобственный интеграл второго рода  (разрыв в точке х = b) можно истолковать геометрически как площадь бесконечно высокой криволинейной трапеции (см. рис. 173).

 

Пример 40.4. Вычислить

Решение: При х = 0 функция терпит бесконечный разрыв;

интеграл расходится.

 

Сформулируем признаки сходимости для несобственных интегралов второго рода.

 

 

 

Пример 40.5. Сходится ли интеграл

Решение: Функцияимеет на [0; 1] единственный разрыв в точке х = 0. Рассмотрим функцию, Интеграл

расходится. И так как

то интегралтакже расходится.

 

См. также

Оглавление | Лекция 29 | Лекция 31 | Лекция 32