Определенный интеграл Римана. Основные свойства. Критерий интегрируемости. Интегрируемость непрерывной на отрезке функции.
править
Пусть
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
определена на отрезке
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Делим отрезок
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
на
n
{\displaystyle n}
частей с помощью точек
x
1
,
…
,
x
n
−
1
{\displaystyle x_{1},\dots ,x_{n-1}}
, где
a
=
x
0
<
x
1
<
⋯
<
x
n
−
1
<
x
n
=
b
{\displaystyle a=x_{0}<x_{1}<\dots <x_{n-1}<x_{n}=b}
. Множество точек
τ
=
{
x
i
}
i
=
0
n
{\displaystyle \tau =\{x_{i}\}_{i=0}^{n}}
называется разбиением отрезка
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Обозначим
Δ
x
i
=
x
i
−
x
i
−
1
{\displaystyle \Delta x_{i}=x_{i}-x_{i-1}}
- длина отрезка
[
x
i
−
1
,
x
i
]
{\displaystyle [x_{i-1},x_{i}]}
. Обозначим
λ
=
max
i
=
1
,
n
¯
Δ
x
i
{\displaystyle \lambda =\max {i={\overline {1,n}}}\Delta x_{i}}
- параметр разбиения
τ
{\displaystyle \tau }
.
На каждом частичном отрезке
[
x
i
−
1
,
x
i
]
{\displaystyle [x_{i-1},x_{i}]}
выберем произвольно точку
ξ
i
∈
[
x
i
−
1
,
x
i
]
{\displaystyle \xi _{i}\in [x_{i-1},x_{i}]}
.
Составим интегральную сумму для функции
f
{\displaystyle f}
, соответствующую разбиению
τ
:
σ
τ
(
f
)
=
∑
f
(
ξ
i
)
Δ
x
i
{\displaystyle \tau :\sigma _{\tau }(f)=\sum f(\xi _{i})\Delta x_{i}}
Определение. Если
∃
lim
λ
→
0
σ
τ
(
f
)
{\displaystyle \exists \lim _{\lambda \to 0}\sigma _{\tau }(f)}
, не зависящий от разбиения
τ
{\displaystyle \tau }
и точек
ξ
i
{\displaystyle \xi _{i}}
, то этот предел называется определенным интегралом от функции
f
{\displaystyle f}
на отрезке
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Обозначаем
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)dx}
Нижняя и верхняя суммы Дарбу
править
Пусть
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
определен на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
рассмотрим
∀
{\displaystyle \forall }
разбиение
τ
=
{
x
i
}
i
=
0
n
{\displaystyle \tau =\{x_{i}\}_{i=0}^{n}}
отрезка
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Обозначим:
M
i
=
sup
[
x
i
−
1
,
x
i
]
f
(
x
)
{\displaystyle M_{i}=\sup _{[x_{i-1},x_{i}]}f(x)}
,
m
i
=
inf
[
x
i
−
1
,
x
i
]
f
(
x
)
,
i
=
1
,
n
¯
{\displaystyle m_{i}=\inf _{[x_{i-1},x_{i}]}f(x),i={\overline {1,n}}}
s
τ
=
∑
i
=
1
n
m
i
Δ
x
i
{\displaystyle s_{\tau }=\sum _{i=1}^{n}m_{i}\Delta x_{i}}
- нижняя сумма Дарбу для
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
.
S
τ
=
∑
i
=
1
n
M
i
Δ
x
i
{\displaystyle S_{\tau }=\sum _{i=1}^{n}M_{i}\Delta x_{i}}
- верхняя сумма Дарбу.
Теорема. Пусть функция
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
ограничена на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, тогда функция
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
интегрируема на
[
a
,
b
]
⇔
∃
lim
λ
→
0
(
S
τ
−
s
τ
)
=
0
{\displaystyle [a,b]\Leftrightarrow \exists \lim _{\lambda \to 0}(S_{\tau }-s_{\tau })=0}
Теорема. Если функция
f
{\displaystyle f}
непрерывна на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, то
f
{\displaystyle f}
интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
Доказательство.
f
{\displaystyle f}
- непрерывна на
[
a
,
b
]
⇒
f
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow f}
- ограничена на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
,
f
{\displaystyle f}
- равномерно непрерывна на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
Фиксируем
∀
ε
>
0
{\displaystyle \forall \varepsilon >0}
для
ε
b
−
a
>
0
∃
δ
>
0
∀
ξ
,
η
∈
[
a
,
b
]
|
ξ
−
η
|
<
δ
,
|
f
(
ξ
)
−
f
(
η
)
|
<
ε
b
−
a
{\displaystyle {\frac {\varepsilon }{b-a}}>0\quad \exists \delta >0\quad \forall \xi ,\eta \in [a,b]\quad |\xi -\eta |<\delta ,|f(\xi )-f(\eta )|<{\frac {\varepsilon }{b-a}}}
Рассмотрим
∀
τ
=
{
x
i
}
i
=
0
n
{\displaystyle \forall \tau =\{x_{i}\}_{i=0}^{n}}
отрезка
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
.
f
{\displaystyle f}
непрерывна на
[
a
,
b
]
⇒
f
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow f}
непрерывна на
∀
[
x
i
−
1
,
x
i
]
i
=
1
,
n
¯
⇒
∃
ξ
i
,
η
i
∈
[
x
i
−
1
,
x
i
]
:
f
(
ξ
i
)
=
inf
[
x
i
−
1
,
x
i
]
f
(
x
)
=
m
i
{\displaystyle \forall [x_{i-1},x_{i}]i={\overline {1,n}}\Rightarrow \exists \xi _{i},\eta _{i}\in [x_{i-1},x_{i}]:f(\xi _{i})=\inf _{[x_{i-1},x_{i}]}f(x)=m_{i}}
;
f
(
η
i
)
=
sup
[
x
i
−
1
,
x
i
]
f
(
x
)
=
M
i
{\displaystyle f(\eta _{i})=\sup _{[x_{i-1},x_{i}]}f(x)=M_{i}}
,
∀
i
=
1
,
n
¯
{\displaystyle \forall i={\overline {1,n}}}
Рассмотрим
S
τ
−
s
τ
=
∑
(
M
i
−
m
i
)
Δ
x
i
=
∑
(
f
(
η
i
)
−
f
(
ξ
i
)
)
Δ
x
i
{\displaystyle S_{\tau }-s_{\tau }=\sum (M_{i}-m_{i})\Delta x_{i}=\sum (f(\eta _{i})-f(\xi _{i}))\Delta x_{i}}
Пусть
λ
<
δ
⇒
Δ
x
i
<
δ
∀
i
=
1
,
n
¯
⇒
|
ξ
i
−
η
i
|
<
δ
,
∀
i
=
1
,
n
¯
⇒
|
f
(
ξ
i
)
−
f
(
η
i
)
|
<
ε
b
−
a
,
∀
i
=
1
,
n
¯
{\displaystyle \lambda <\delta \Rightarrow \Delta x_{i}<\delta \forall i={\overline {1,n}}\Rightarrow |\xi _{i}-\eta _{i}|<\delta ,\forall i={\overline {1,n}}\Rightarrow |f(\xi _{i})-f(\eta _{i})|<{\frac {\varepsilon }{b-a}},\forall i={\overline {1,n}}}
⇒
S
τ
−
s
τ
<
ε
b
−
a
∑
Δ
x
i
=
ε
⇒
0
<
S
τ
−
s
τ
<
ε
{\displaystyle \Rightarrow S_{\tau }-s_{\tau }<{\frac {\varepsilon }{b-a}}\sum \Delta x_{i}=\varepsilon \Rightarrow 0<S_{\tau }-s_{\tau }<\varepsilon }
,
∀
τ
:
λ
<
δ
⇒
∃
lim
λ
→
0
(
S
τ
−
s
τ
)
=
0
⇒
f
{\displaystyle \forall \tau :\lambda <\delta \Rightarrow \exists \lim _{\lambda \to 0}(S_{\tau }-s_{\tau })=0\Rightarrow f}
интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
Свойства интегрируемых функций
править
∫
a
b
d
x
=
b
−
a
{\displaystyle \int _{a}^{b}dx=b-a}
f
(
x
)
,
g
(
x
)
{\displaystyle f(x),g(x)}
- интегрируемы на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, тогда
[
f
(
x
)
+
g
(
x
)
]
{\displaystyle [f(x)+g(x)]}
- интегрируемы на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
и справедливо:
∫
a
b
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
d
x
=
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
+
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}(f(x)+g(x))dx=\int _{a}^{b}f(x)dx+\int _{a}^{b}g(x)dx}
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
- интегрируемы на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, тогда
(
k
⋅
f
(
x
)
)
{\displaystyle (k\cdot f(x))}
интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
и справедливо:
∫
a
b
k
f
(
x
)
d
x
=
k
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}kf(x)dx=k\int _{a}^{b}f(x)dx}
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
- интегрируема на
[
a
,
c
]
{\displaystyle [a,c]}
и
[
c
,
b
]
{\displaystyle [c,b]}
, тогда
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
и справедливо:
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
=
∫
a
c
f
(
x
)
d
x
+
∫
c
b
f
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)dx=\int _{a}^{c}f(x)dx+\int _{c}^{b}f(x)dx}
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
и
g
(
x
)
{\displaystyle g(x)}
- интегрируемы на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
,
f
(
x
)
≤
g
(
x
)
,
∀
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle f(x)\leq g(x),\forall x\in [a,b]}
тогда:
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
≤
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)dx\leq \int _{a}^{b}g(x)dx}
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
- интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, тогда
|
f
(
x
)
|
{\displaystyle |f(x)|}
- интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
и:
|
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
|
≤
∫
a
b
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle |\int _{a}^{b}f(x)dx|\leq \int _{a}^{b}|f(x)|dx}
Интеграл с переменным верхним пределом и его свойства. Формула Ньютона-Лейбница.
править
Пусть
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
- интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, тогда
f
{\displaystyle f}
интегрируема на
∀
[
a
,
x
]
⊂
[
a
,
b
]
{\displaystyle \forall [a,x]\subset [a,b]}
. Обозначим
F
(
x
)
=
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
{\displaystyle F(x)=\int _{a}^{x}f(t)dt}
,
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x\in [a,b]}
. Функция
F
(
x
)
{\displaystyle F(x)}
называется интегралом с переменным верхним пределом.
Свойства
F
(
x
)
{\displaystyle F(x)}
править
Теорема. Пусть
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
тогда
F
(
x
)
{\displaystyle F(x)}
непрерывна на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
Доказательство. Фиксируем
∀
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle \forall x\in [a,b]}
и рассмотрим
Δ
x
:
(
x
+
Δ
x
)
∈
[
a
,
b
]
⇒
F
(
x
+
Δ
x
)
−
F
(
x
)
=
∫
a
x
+
Δ
x
f
(
t
)
d
t
−
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
=
∫
x
x
+
Δ
x
f
(
t
)
d
t
⇒
|
Δ
F
(
x
)
|
=
|
∫
x
x
+
Δ
x
f
(
t
)
d
t
|
{\displaystyle \Delta x:(x+\Delta x)\in [a,b]\Rightarrow F(x+\Delta x)-F(x)=\int _{a}^{x+\Delta x}f(t)dt-\int _{a}^{x}f(t)dt=\int _{x}^{x+\Delta x}f(t)dt\Rightarrow |\Delta F(x)|=|\int _{x}^{x+\Delta x}f(t)dt|}
f
{\displaystyle f}
интегрируема на
[
a
,
b
]
⇒
f
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow f}
ограничена на
[
a
,
b
]
⇒
∃
M
>
0
:
|
f
(
t
)
|
≤
M
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow \exists M>0:|f(t)|\leq M}
,
∀
t
∈
[
a
,
b
]
⇒
|
f
(
t
)
|
≤
M
{\displaystyle \forall t\in [a,b]\Rightarrow |f(t)|\leq M}
,
∀
t
∈
[
x
,
x
+
Δ
x
]
⇒
|
∫
x
x
+
Δ
x
f
(
t
)
d
t
|
≤
|
∫
x
x
+
Δ
x
|
f
(
t
)
|
d
t
|
≤
M
Δ
x
{\displaystyle \forall t\in [x,x+\Delta x]\Rightarrow |\int _{x}^{x+\Delta x}f(t)dt|\leq |\int _{x}^{x+\Delta x}|f(t)|dt|\leq M\Delta x}
;
0
≤
|
Δ
F
(
x
)
|
≤
M
Δ
x
{\displaystyle 0\leq |\Delta F(x)|\leq M\Delta x}
Если
Δ
x
→
0
{\displaystyle \Delta x\to 0}
, то
∃
lim
Δ
x
→
0
(
Δ
F
(
x
)
)
=
0
⇒
F
{\displaystyle \exists \lim _{\Delta x\to 0}(\Delta F(x))=0\Rightarrow F}
непрерывна в точке
x
{\displaystyle x}
Теорема. Пусть
f
{\displaystyle f}
интегрируема на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
и непрерывна в точке
x
0
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x_{0}\in [a,b]}
, тогда
F
(
x
)
{\displaystyle F(x)}
дифференцируема в точке
x
0
{\displaystyle x_{0}}
и
F
′
(
x
)
|
x
0
=
f
(
x
0
)
{\displaystyle \left.F'(x)\right|_{x_{0}}=f(x_{0})}
Теорема (формула Ньютона-Лейбница). Пусть
f
{\displaystyle f}
- непрерывна на
[
a
,
b
]
⇒
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow }
Φ
(
x
)
{\displaystyle \Phi (x)}
- первообразная функции
f
{\displaystyle f}
на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
. Тогда
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
=
Φ
(
b
)
−
Φ
(
a
)
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)dx=\Phi (b)-\Phi (a)}
Доказательство.
f
{\displaystyle f}
- непрерывна на
[
a
,
b
]
⇒
F
(
x
)
=
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow F(x)=\int _{a}^{x}f(t)dt}
- первообразная
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
на
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
так как
Φ
{\displaystyle \Phi }
тоже первообразная
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
на
[
a
,
b
]
⇒
F
(
x
)
−
Φ
(
x
)
=
C
∀
x
∈
[
a
,
b
]
⇒
∫
a
x
f
(
t
)
=
Φ
(
x
)
+
C
,
∀
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]\Rightarrow F(x)-\Phi (x)=C\quad \forall x\in [a,b]\Rightarrow \int _{a}^{x}f(t)=\Phi (x)+C,\forall x\in [a,b]}
.
при
x
=
a
{\displaystyle x=a}
:
Φ
(
a
)
+
C
=
0
⇒
C
=
−
Φ
(
a
)
⇒
∫
a
x
f
(
t
)
d
t
=
Φ
(
x
)
−
Φ
(
a
)
,
∀
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle \Phi (a)+C=0\Rightarrow C=-\Phi (a)\Rightarrow \int _{a}^{x}f(t)dt=\Phi (x)-\Phi (a),\forall x\in [a,b]}
при
x
=
b
{\displaystyle x=b}
:
∫
a
b
f
(
t
)
d
t
=
Φ
(
b
)
−
Φ
(
a
)
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(t)dt=\Phi (b)-\Phi (a)}
.