Определение. Функция называется непрерывно дифференцируемой на отрезке, если ее производная является непрерывной на этом отрезке. При этом на концах отрезка производная понимается как односторонняя.
Теорема (формула интегрирования по частям). Пусть функции u и v непрерывно дифференцируемы на отрезке [a,b]. Тогда справедливо равенство ∫bau(x)v′(x)dx=u(x)v(x)∣ba—∫bau′(x)v(x)dx.
(u(x)v(x))′=u(x)v′(x)+u′(x)v(x). Из условий теоремы следует, что справа – непрерывная функция, так что непрерывна и левая часть равенства. Интегрируя это равенство и используя формулу Ньютона – Лейбница, получим ∫ba[u(x)v′(x)+u′(x)v(x)]dx=u(x)v(x)∣ba. Каждое из двух слагаемых под знаком интеграла слева – непрерывные, а значит, интегрируемые функции. Поэтому интеграл от суммы этих функций равен сумме интегралов от каждой из них. Отсюда следует требуемое равенство.
Теорема 1 (о замене переменной в определенном интеграле). Пусть функция φ непрерывно дифференцируемая на отрезке [α,β], а функция f непрерывна на некотором отрезке, содержащем область значений функции φ. Пусть φ(α)=a и φ(β)=b. Тогда справедливо равенство ∫baf(x)dx=∫βαf(φ(t))φ′(t)dt.
Пример 1. ∫π0xsinxdx=[u=x,dv=sinxdx du=dx,v=−cosx]==−xcosx∣π0+∫π0cosxdx=π+sinx∣π0=π.
Пример 2. In≡∫π20sinnxdx==∫π20sinn−1xsinxdx=[u=sinn−1x,dv=sinxdxdu=(n−1)sinn−2xcosxdx,v=−cosx]==−sinn−1xcosx∣π20+(n−1)∫π20sinn−2xcos2xdx=0+(n−1)∫π20sinn−2x(1−sin2x)dx==(n−1)∫π20sinn−2xdx−(n−1)∫π20sinnxdx=(n−1)(In−2−In). Отсюда получаем nIn=(n−1)In−2, или In=(n−1)In−2n. Вычислим I0=π2, I1=∫π20sinxdx=−cosx∣π20=1. Если n=2k, то I2k=(2k−1)(2k−3)…12k(2k−2)…2π2=(2k−1)!!(2k)!!π2, а при n=2k+1 имеем I2k+1=(2k)!!(2k+1)!!. Заметим, что sin2k+1x⩽sin2kx⩽sin2k−1x, 0⩽x⩽π2, откуда следует I2k+1⩽I2k⩽I2k−1, так что (2k)!!(2k+1)!!⩽(2k−1)!!(2k)!!π2⩽(2k−2)!!((2k−1)!!. Поэтому справедливо неравенство xk≡((2k)!!(2k−1)!!)212k+1⩽π2⩽((2k)!!(2k−1)!!)212k≡yk. Оценим yk−xk=((2k)!!(2k−1)!!)212k(2k+1)==2k+12k((2k)!!(2k+1)!!)2=2k+12kI22k+1=2k+12k(∫π20sin2k+1xdx)2. Отсюда и из доказанного выше равенства limn→∞∫π20sinnxdx=0 следует, что обе последовательности {xk}∞k=1 и {yk}∞k=1 сходятся к π2.
Таким образом, мы доказали, что π=2limk→∞((2k)!!(2k−1)!!)212k+1. Это равенство называется формулой Валлиса.
Пример 3. Вычислить I≡∫10√1−x2dx. Полагаем x=sint, где 0⩽t⩽π2. Тогда получим I=∫π20√1−sin2tcostdt==∫π20cos2tdt=∫π201+cos2t2dt=π4.
Пример 4. Вычислить I≡∫π0xsinx1+cos2xdx. Полагаем π−x=t, x=π−t, dx=−dt. Тогда получим I=−∫0π(π−t)sint1+cos2tdt=∫π0(π−t)sint1+cos2tdt==π∫π0sint1+cos2tdt−∫π0tsint1+cos2tdt==−π arctg(cost)∣π0−I=π22−I. Отсюда следует, что I=π24.
Теорема 2 (о замене переменной в определенном интеграле). Пусть функция f интегрируема на отрезке [a,b] , а функция φ непрерывно дифференцируема на отрезке [α,β], монотонна на этом отрезке и φ(α)=a, φ(β)=b. Тогда функция f(φ(t))φ′(t) интегрируема на отрезке [α,β] и справедливо равенство ∫baf(x)dx=∫βαf(φ(t))φ′(t)dt.
Теорема (формула Тейлора с остатком в интегральной форме). Пусть функция f имеет на отрезке [a,b] непрерывные производные до порядка (n+1) включительно. Тогда справедливо равенство f(b)=f(a)+f′(a)1!(b−a)+⋯+f(n)(a)n!(b−a)n+1n!∫ba(b−x)nf(n+1)(x)dx.
Примеры решения
- Вычислить определенный интеграл ∫21lnxdx.
Решение
∫e1lnx√xdx=[u=lnx,dv=dx√xdu=dxx,v=2√x]==2√xlnx∣e1−∫e12√xdxx=2√elne−2√1ln1−4√x∣e1==2√e−(4√e−4)=2(2−√e)
- Вычислить определенный интеграл ∫83xdx√x+1.
Решение
Положим √x+1=t или x=t2−1. Тогда dx=2dt. При x=3 t=√3+1=2; при x=8 t=√8+1=3. Имеем:
∫83xdx√x+1=∫322(t2−1)dt=2(t33−t)∣32==2(333−t)∣32−2(233−t)∣32=1023
- Вычислить определенный интеграл ∫30dx(9+x2)32.
Решение
Положим x=3tgt, тогда dx=3dtcos2t. При x=0 t=0; при x=3 t=π4. Имеем:
∫30dx(9+x2)32=∫π403dx(9+9tg2t)32cos2t==327∫π40cos3tcos2tdt=327∫π40costdt=327sint∣π40=√218
- Вычислить определенный интеграл ∫10arccosxdx.
Решение
∫10arccosxdx=[u=arccosx,dv=dxdu=−dx√1−x2,v=x]==xarccosx∣10+∫10xdx√1−x2=
Положим 1−x2=t, тогда dx=−dt2x. При x=0 t=1; при x=1 t=0. Имеем:
=xarccosx∣10−12∫01dt√t=xarccosx∣10+12∫10dt√t==xarccosx∣10+√t∣10=1arccos1−0arccos0+√1−√0=1
Литература
- В.И.Коляда, А.А.Кореновский. Курс лекций по математическому анализу т.1. Одесса, «Астропринт», 2010, стр 209-215.
- Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа : учебник для вузов: В 3 т. Т. 1. Дифференциальное и интегральное исчисления функций одной переменной / Л. Д. Кудрявцев. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва: Дрофа, 2003. — 703 с. — С. 594-596.
- Лысенко З.М. Конспект лекций по математическому анализу.
Дальнейшие свойства интеграла Римана
Для закрепления материала темы, рекомендуется пройти следующий тест.