Теорема 1 (первая теорема о среднем значении). Пусть функции f и g интегрируемы на [a,b]. Причем функция g не меняет знак на [a,b]. Пусть m=infx∈[a,b]f(x),M=supx∈[a,b]f(x). Тогда найдется такое число μ∈[m,M], что ∫baf(x)g(x)dx=μ∫bag(x)dx.
Можем считать, что a<b, т. к. если поменять местами a и b, то знаки обеих частей равенства поменяются на противоположные. Пусть g(x)≥0. Неравенство m≤f(x)≤M умножим на g(x) и проинтегрируем от a до b. В силу монотонности и линейности интеграла получим m∫bag(x)dx≤∫baf(x)g(x)dx≤M∫bag(x)dx. Если ∫bag(x)dx=0, то из этого неравенства видно, что утверждение теоремы справедливо при любом μ. Если же ∫bag(x)dx>0, то положим μ=∫baf(x)g(x)dx∫bag(x)dx. Тогда из полученного выше неравенства следует, что m≤μ≤M, и теорема доказана.
Случай g(x)≤0 рассматривается аналогично.
Следствие. Если в условиях теоремы 1 функция f непрерывна на [a,b], то найдется такая точка ξ∈[a,b], что ∫baf(x)g(x)dx=f(ξ)∫bag(x)dx. Действительно, в этом случае, по теореме Больцано — Коши о промежуточном значении, число μ является значением функции f в некоторой точке ξ∈[a,b].
Лемма. Пусть функция g интегрируема на отрезке [a,b]. Тогда функция G(x)≡∫xag(t)dt(a≤x≤b) равномерно непрерывна на [a,b].
Пусть x′,x′′∈[a,b],x′<x′′. Тогда G(x′′)—G(x′)=∫x′′ag(t)dt—∫x′ag(t)dt= =∫x′ag(t)dt+∫x′′x′g(t)dt—∫x′ag(t)dt=∫x′′x′g(t)dt. Поскольку g интегрируема, то она ограничена, т. е. существует такое M, что |g(t)|≤M для всех t∈[a,b]. Поэтому получаем |G(x′′)—G(x′)|≤∫x′′x′|g(t)|dt≤M(x′′—x′). Отсюда следует, что функция G равномерно непрерывна на [a,b].
Теорема 2 (вторая теорeма о среднем значении). Пусть функции f и g интегрируемы на [a,b], причем функция f монотонна на [a,b]. Тогда существует точка ξ∈[a,b], такая, что∫baf(x)g(x)dx=f(a)∫ξag(x)dx+f(b)∫bξg(x)dx.(7.3)
Сначала предположим, что f убывает на [a,b] и неотрицательна. Возьмем произвольное разбиение a=x0<x1<⋯<xn=b отрезка [a,b]. Тогда, по свойству аддитивности интеграла, I≡∫baf(x)g(x)dx=n−1∑i=0∫xi+1xif(x)g(x)dx= =n−1∑i=0f(xi)∫xi+1xig(x)dx+ +n−1∑i=0∫xi+1xi[f(x)—f(xi)]g(x)dx≡I′+ρ. Для оценки суммы ρ воспользуемся тем, что интегрируемая функция g ограничена, т.е. существует такое M, что |g(x)|≤M,x∈[a,b]. Тогда получим |ρ|≤n−1∑i=0∫xi+1xi|f(x)—f(xi)||g(x)|dx≤Mn−1∑i=0ωiΔxi, где ωi — колебания функции f на [xi,xi+1]. Правая часть стремится к нулю при стремлении к нулю диаметра разбиения в силу критерия интегрируемости Римана. Следовательно, сумма I′ стремится к интегралу I. Оценим I′. Для этого обозначим G(x)=∫xag(t)dt. Получим I′=n−1∑i=0f(xi)[G(xi+1)—G(xi)]=n−1∑i=0f(xi)G(xi+1)− −n−1∑i=0f(xi)G(xi)=n∑i=1f(xi−1)G(xi)—n−1∑i=1f(xi)G(xi)= =f(xn−1)G(xn)+n−1∑i=1[f(xi−1)—f(xi)]G(xi). Мы воспользовались равенством G(x0)=G(a)=0.
Обозначим через L и U соответственно нижнюю и верхнюю грани функции G на [a,b]. Поскольку, в силу леммы, функция G непрерывна на [a,b], то они существуют в силу первой теоремы Вейерштрасса. Учитывая также, что функция f, по предположению, неотрицательна и монотонно убывающая, т.е. f(xi−1—f(xi)≥0, получаем следующее неравенство: L[f(xn−1)+n−1∑i=1[f(xi−1)—f(xi)]]≤ ≤I′≤U[f(xn−1)+n−1∑i=1[f(xi−1)—f(xi)]]. При этом мы использовали неравенство L≤G(xi)≤U. Поскольку, как легко видеть, сумма в квадратных скобках равна f(x0)=f(a), то полученное неравенство принимает вид Lf(a)≤I′≤Uf(a). Но поскольку I′→I при d(Π)→0, то отсюда получаем Lf(a)≤I≤Uf(a). Разделив это неравенство на f(a)>0, получим L≤If(a)≤U. Но поскольку функция G непрерывна на [a,b] в силу леммы, то найдется точка ξ∈[a,b], такая, что G(ξ)=If(a). Отсюда следует, что I=f(a)G(ξ), а учитывая определение функции G, получаем равенство ∫baf(x)g(x)dx=f(a)∫ξag(x)dx(ξ∈[a,b]).(7.4)
Итак, равенство (7.4) доказано нами в предположении, что функция f убывает и неотрицательна. Рассмотрим теперь случай, когда f убывает на [a,b]. Положим ¯f(x)=f(x)−f(b). Тогда ¯f убывает и неотрицательна. По доказанному, найдется точка ¯ξ, такая, что ∫ba¯f(x)g(x)dx=¯f(a)∫¯ξag(x)dx(¯ξ∈[a,b]). Учитывая, что ¯f(x)=f(x)—f(b), отсюда получаем ∫ba[f(x)—f(b)]g(x)dx=[f(a)—f(b)]∫¯ξag(x)dx, или, тоже самое, ∫baf(x)g(x)dx=f(a)∫¯ξag(x)dx+f(b)∫bag(x)dx− −f(b)∫¯ξag(x)dx=f(a)∫¯ξag(x)dx+f(b)∫b¯ξg(x)dx. Этим доказано равенство (7.3).
В случае когда функция f возрастает и неотрицательна на [a,b], аналогично тому, как было доказано равенство (7.4), можно показать что существует такая точка ξ, что ∫baf(x)g(x)dx=f(b)∫bξg(x)dx.(7.5) Далее, из (7.5) легко можно получить (7.3) точно так же, как и (7.3) было получено из (7.4).
Замечание.
Формулы (7.3)−(7.5) называются формулами Бонне. В этих равенствах точки ξ, вообще говоря, разные. В самом деле, мы можем изменить функцию f в точках a и b, сохранив при этом монотонность функции f. При этом левая часть (7.3) не изменится, а изменение множителей f(a) и f(b) перед интегралами справа в (7.3), очевидно, повлечет изменение значения ξ справа в (7.3).
Вторую теорему о среднем иногда записывают в следующем виде: ∫baf(x)g(x)dx=f(a+0)∫ξ′ag(x)dx+f(b—0)∫bξ′g(x)dx. В этом равенстве точка ξ′, вообще говоря, не совпадает со значением ξ в равенстве (7.3).
Примеры применения теорем о среднем
1.Найти limn→∞∫10xn1+xdx.
Оценим 0≤∫10xn1+xdx≤∫10xndx=1n+1. Отсюда получаем limn→∞∫10xn1+xdx=0.
2.Найти limn→∞∫Π20sinnxdx.
Зафиксируем ξ>0. Тогда получим ∫Π20sinnxdx=∫Π2—ξ20sinnxdx+∫Π2Π2—ξ2sinnxdx≤ ≤(sin(Π2—ξ2))nΠ2+ξ2. Поскольку sin(Π2—ξ2)<1, то первое слагаемое справа стермится к нулю при n→∞. Поэтому найдется такое N, что для всех n≥N справедливо неравенство (sin(Π2—ξ2))nΠ2<ξ2. Итак, для заданного ξ>0 мы нашли номер N, начиная с которого ∫Π20sinnxdx<ξ. Это означает, что limn→∞∫Π20sinnxdx=0.
3. Оценить сверху I≡∫10sinx1+x2dx.
Первый способ. Применяя первую теорему о среднем, получаем I=11+ξ2∫10sinxdx=11+ξ2(−cosx)|10= =11+ξ2(1—cos1)≤1−cos1.
Второй способ. В силу первой теоремы о среднем имеем I=sinη∫10dx1+x2=sinηarctgx|10=Π4sinη≤Π4sin1.
4. Оценить интеграл I≡∫BAsinxxdx,0<A<B<+∞.
Первый способ. Применим вторую теорему о среднем. Для этого обозначим f(x)=1x и g(x)=sinx. Функция f монотонна на [A,B], так что во второй формуле Бонне получаем I=1A∫ξAsinxdx=1A(−cosx)|ξA=1A(cosA—cosξ). Отсюда следует, что |I|≤2A.
Второй способ. Применяя первую теорему о среднем, получим I=sinξ∫BAdxx=sinξlnBA. Отсюда следует, что |I|≤lnBA.
5. Показать, что если f∈R[a,b], где R — класс интегрируемых на отрезке, m=inf[a,b]f(x), M=sup[a,b]f(x), то при условии непрерывности f на [a,b] найдется точка ξ∈[a,b], такая что ∫baf(x)dx=f(ξ)(b−a).
Решение
Воспользуемся первой теоремой о среднем, тогда можем представить ∫baf(x)dx=∫baf(x)g(x)dx, где g(x)=1, Тогда ∫baf(x)g(x)dx=f(ξ)∫ba1dx=f(ξ)(b—a),
6. Найти среднее значение функции y=x2−5x+7 на отрезке [2,13].
Решение
Воспользуемся выше упомянутой формулой и подставим в нее известные значения: f(ξ)=∫132(x2—5x+7)dx13—2=111∫132(x2−5x+7)dx= Вычислим интеграл: =111(x33—5x22+7x)|132= Используем формулу Ньютона — Лейбница и найдем значение полученного выражения: =111(1333—51322+7⋅13—(233—5222+7⋅2))= Упростим выражение и вычислим его результат: =111(21973−8452+91—83+10—14)= =111(21893—8452+87)=111⋅4378—2535+5226=236566 Получили среднее значение функции y=x2−5x+7 на отрезке [2,13] равным 236566.
- В. И. Коляда, А. А. Кореновский «Курс лекций по математическому анализу»
- Б. П. Демидович «Сборник задач и упражнений по математическому анализу» 13-е издание, 1997г.
Смотрите также
Теоремы о среднем
Пройдите этот тест чтобы проверить свои знания по теме «теоремы о среднем».