Общее понятие определённого интеграла, его геометрический и механический смысл
Краткое сожержание материала:
Кафедра: Высшая математика
Реферат
по дисциплине Высшая математика
Тема: «Общее понятие определённого интеграла, его геометрический и механический смысл. Необходимое условие интегрируемости»
Тольятти, 2008.
Содержание
Введение
Задачи, приводящие к понятию определенного интеграла
Определенный интеграл как предел интегральной суммы
Связь между определенным и неопределенным интегралами. Формула Ньютона-Лейбница
Свойства определенного интеграла
Геометрический смысл определенного интеграла
Механический смысл определенного интеграла
Необходимое условие интегрируемости
Список использованной литературы
Введение
Интеграл (от лат. integer - целый), одно из важнейших понятий математики, возникшее в связи с потребностью, с одной стороны, отыскивать функции по их производным (например, находить функцию, выражающую путь, пройденный движущейся точкой, по скорости этой точки), а с другой - измерять площади, объёмы, длины дуг, работу сил за определённый промежуток времени и т.п. Соответственно с этим различают неопределенные и определённые интегралы, вычисление которых является задачей интегрального исчисления.
Определенный интеграл - одно из основных понятий математического анализа - является мощным средством исследования в математике, физике, механике и других дисциплинах.
Задачи, приводящие к понятию определенного интеграла
Задача о пройденном пути.
Пусть известен закон изменения мгновенной скорости v = v(t). Определим путь, пройденный при движении точки за промежуток времени от t = б до t = в. Движение в общем случае предполагается неравномерным.
Поступим следующим образом.
1). Разобьем весь промежуток времени на n произвольных интервалов
t0 = б < t1< t2 < … < ti-1 < ti < … tn-1 < tn = в,
где ti - ti-1 = Дti. На произвольном участке [ti-1, ti] будем считать движение близким к равномерному с постоянной скоростью v = v(фi), ti-1 ? фi ? ti. Тогда за время Дti пройденный путь приближенно равен si = v(фi)Дti. Результат справедлив для каждого интервала (i = 1, 2, …, n).
2). Если указанные интервалы достаточно малы, то весь путь приближенно равен сумме:
Эта формула тем точнее, чем мельче разбиение данного промежутка времени.
3). Для получения точной формулы пути перейдем к пределу, увеличивая число дроблений (n>?) и бесконечно измельчая сами интервалы. Обозначим л = Дti, тогда
Задача о количестве вещества, вступившего в реакцию.
Пусть скорость химического превращения некоторого вещества, участвующего в химической реакции, есть функция времени v = v(t). Найти количество m вступившего в реакцию вещества за промежуток времени от t0 до T. Проделаем последовательно те же операции, что и при решении предыдущей задачи. В результате получим:
Работа переменной силы.
Пусть материальная точка под действием постоянной силы F перемещается по направлению этой силы. Если пройденный путь равен s, то, как известно из курса физики, работа Р этой силы F вычисляется по формуле: Р = FS.
Пусть теперь материальная точка движется по оси Ох от точки А(а) до точки B(b) (b>a) под действием переменной силы, направленной по Ох и являющейся функцией от х: F = f(x).
Для нахождения работы Р в этом случае разобьем отрезок [a; b] точками a = x0<x1<…<xn = b на n частичных отрезков и положим: Дxi = xi - xi-1, i = 1, 2, ..., n. Наибольшую из этих разностей обозначим через л = maxДxi. Если эти отрезки достаточно малы, то без большой ошибки на каждом из них силу F можно считать постоянной (равной f(фi)), что дает приближенное выражение для работы
,
где фi - одна из точек сегмента [xi-1, xi]. Отсюда:
Задачи о площади криволинейной трапеции.
Пусть на промежутке [a; b] задана функция f(x)?0. Криволинейной трапецией называется плоская фигура, ограниченная указанной кривой y=f(x), прямыми x=a, x=b и осью Оx. (рис. 1). Для вычисления ее площади проделаем несколько операций.
Рис. 1.
1). Разобьем промежуток [a; b] произвольными точками x0=a<x1<x2<…<xi-1<xi<…<xn=b на n частей. Положим Дxi = xi - xi-1, то есть Дxi есть длина i-го частичного отрезка, а наибольшую из этих длин обозначим л, (л=max Дxi).
2). На каждом отрезке [xi-1, xi] возьмем по произвольной точке ci,
xi-1<ci< xi и вычислим f(ci). Построим прямоугольник с основанием [xi-1, xi] и высотой f(ci). Его площадь равна Si=f(ci)( xi - xi-1). Проделаем это для каждого i = 1, 2, …, n.
3). Площадь всей заштрихованной ступенчатой фигуры, составленной из прямоугольников, равна сумме
Площадь S криволинейной трапеции будет приближенно равна площади ступенчатой фигуры:
Чем мельче отрезки деления, тем точнее полученная фигура “отображает” криволинейную трапецию.
4). За площадь криволинейной трапеции принимают предел, к которому стремятся площади ступенчатых фигур, когда длины отрезков деления стремятся к нулю, а их число неограниченно увеличивается (n>?). Таким образом,
Определенный интеграл как предел интегральной суммы
Естественный ход решения каждой из рассмотренных конкретных задач позволяет установить ту математическую операцию, с выполнением которой связано получение ответа во всех вопросах такого же характера.
Пусть на отрезке [a, b] задана непрерывная функция y=f(x).
1). Заданный отрезок разделим на n промежутков (равных или неравных) точками
a=x0<x1<x2<…<xn-1<xn=b,
причем для всякого индекса i, принимающего целые значения от 1 до n, имеет место соотношение xi-1<xi. Выразим длину каждого из этих частичных промежутков:
x1 - x0 = Дx1, x2 - x1 = Дx2, ..., xn - xn-1 = Дxn.
При этом обозначим длину наибольшего из них через л.
2). В каждом из этих промежутков выберем произвольное число оi так, что xi-1? оi ? xi., и по каждому такому числу определим соответствующее значение функции f(оi). Вычислим для каждого промежутка произведение f(оi)Дxi.
3). Составим сумму таких произведений по всем n промежуткам заданного отрезка:
f(о1)Дx1+ f(о2)Дx2+ f(о3)Дx3+...+ f(оn)Дxn= .
Такая сумма называется интегральной суммой.
Построение интегральной суммы состоит в произвольном делении заданного отрезка [a, b] на частичные и произвольном выборе числа оi на каждом отрезке.
4). Выполняется дробление каждого из имеющихся отрезков на более мелкие так, что длина наибольшего из них безгранично уменьшается (л>0). При этом интегральная сумма становится переменной величиной, имеющей конечный предел, если заданная функция непрерывна, а отрезок [a, b] конечен.
Этот предел называется определенным интегралом от функции f(x) на отрезке [a, b].
Соответствующее математическое выражение таково:
lim = л>0
Знак ?, представляющий растянутую S (начальную букву латинского слова «Summa»), символизирует здесь бесконечное увеличение числа слагаемых интегральной суммы. Буквы a и b, указывающие границы отрезка, на котором выполняется суммирование, называются пределами интегрирования.
Таким образом, определенным интегралом функции от f(x) в границах от a до b называется предел интегральной суммы вида
при условии, что длина наибольшего частичного отрезка стремится к нулю.
Выясним теперь возможность непосредственного использования операции, которая привела к понятию определенного интеграла, для решения соответствующих задач. Ограничимся при этом двумя примерами на вычисление площадей.
Свойства определенного интеграла
Необходимое и достаточное условие существования определенного интеграла. Равенство определенного интеграла от алгебраической суммы (разности) двух фун...
Интегралы в школьном курсе математики
Понятие первообразной функции, теорема о первообразных. Неопределенный интеграл, его свойства и таблица. Понятие определенного интеграла, его геометри...
Интегрирование: двойной интеграл
Определение двойного интеграла, его геометрический смысл, свойства, область интегрирования. Условия существования двойного интеграла, его сведения к п...
Применение методов правых и левых прямоугольников для решения задач численного интегрирования
Методы левых и правых прямоугольников численного интегрирования для вычисления интегралов. Геометрический смысл определённого интеграла. Программная р...
Приближенное вычисление двойных интегралов
Вычисление двойного интеграла в прямоугольных координатах. Замена переменных в двойном интеграле. Аналог формул прямоугольников и формулы трапеции. Те...