Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js

7.6 Теоремы о среднем

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=μbag(x)dx.

Геометрический смысл первой теоремы о среднем

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 mf(x)M умножим на g(x) и проинтегрируем от a до b. В силу монотонности и линейности интеграла получим mbag(x)dxbaf(x)g(x)dxMbag(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)dxbag(x)dx. Тогда из полученного выше неравенства следует, что mμM, 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(axb) равномерно непрерывна на [a,b].

Пусть x,x[a,b],x<x. Тогда G(x)G(x)=xag(t)dtxag(t)dt= =xag(t)dt+xxg(t)dtxag(t)dt=xxg(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)|xx|g(t)|dtM(xx). 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, чтоbaf(x)g(x)dx=f(a)ξag(x)dx+f(b)bξg(x)dx.(7.3)

Геометрический смысл второй теоремы о среднем

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, Ibaf(x)g(x)dx=n1i=0xi+1xif(x)g(x)dx= =n1i=0f(xi)xi+1xig(x)dx+ +n1i=0xi+1xi[f(x)f(xi)]g(x)dxI+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|n1i=0xi+1xi|f(x)f(xi)||g(x)|dxMn1i=0ωiΔxi, где ωiколебания 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=n1i=0f(xi)[G(xi+1)G(xi)]=n1i=0f(xi)G(xi+1) n1i=0f(xi)G(xi)=ni=1f(xi1)G(xi)n1i=1f(xi)G(xi)= =f(xn1)G(xn)+n1i=1[f(xi1)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(xi1f(xi)0, получаем следующее неравенство: L[f(xn1)+n1i=1[f(xi1)f(xi)]] IU[f(xn1)+n1i=1[f(xi1)f(xi)]]. При этом мы использовали неравенство LG(xi)U. Поскольку, как легко видеть, сумма в квадратных скобках равна f(x0)=f(a), то полученное неравенство принимает вид Lf(a)IUf(a). Но поскольку II при d(Π)0, то отсюда получаем Lf(a)IUf(a). Разделив это неравенство на f(a)>0, получим LIf(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)ξag(x)dx+f(b0)bξg(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 limn10xn1+xdx.

Оценим 010xn1+xdx10xndx=1n+1. Отсюда получаем limn10xn1+xdx=0.

2.Найти limnΠ20sinnxdx.

Зафиксируем ξ>0. Тогда получим Π20sinnxdx=Π2ξ20sinnxdx+Π2Π2ξ2sinnxdx (sin(Π2ξ2))nΠ2+ξ2. Поскольку sin(Π2ξ2)<1, то первое слагаемое справа стермится к нулю при n. Поэтому найдется такое N, что для всех nN справедливо неравенство (sin(Π2ξ2))nΠ2<ξ2. Итак, для заданного ξ>0 мы нашли номер N, начиная с которого Π20sinnxdx<ξ. Это означает, что limnΠ20sinnxdx=0.

3. Оценить сверху I10sinx1+x2dx.

Первый способ. Применяя первую теорему о среднем, получаем I=11+ξ210sinxdx=11+ξ2(cosx)|10= =11+ξ2(1cos1)1cos1.

Второй способ. В силу первой теоремы о среднем имеем I=sinη10dx1+x2=sinηarctgx|10=Π4sinηΠ4sin1.

4. Оценить интеграл IBAsinxxdx,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=1AξAsinxdx=1A(cosx)|ξA=1A(cosAcosξ). Отсюда следует, что |I|2A.

Второй способ. Применяя первую теорему о среднем, получим I=sinξBAdxx=sinξlnBA. Отсюда следует, что |I|lnBA.

5. Показать, что если fR[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)(ba).

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)(ba),

6. Найти среднее значение функции y=x25x+7 на отрезке [2,13].

Решение

Воспользуемся выше упомянутой формулой и подставим в нее известные значения: f(ξ)=132(x25x+7)dx132=111132(x25x+7)dx= Вычислим интеграл: =111(x335x22+7x)|132= Используем формулу Ньютона — Лейбница и найдем значение полученного выражения: =111(133351322+713(2335222+72))= Упростим выражение и вычислим его результат: =111(219738452+9183+1014)= =111(218938452+87)=11143782535+5226=236566 Получили среднее значение функции y=x25x+7 на отрезке [2,13] равным 236566.

Смотрите также

Теоремы о среднем

Пройдите этот тест чтобы проверить свои знания по теме «теоремы о среднем».

4.1 Непрерывные функции. Определение и примеры

Определение. Пусть функция f определена на интервале (a,b) и точка x0(a,b). Говорят, что функция f непрерывна в точке x0, если limxx0f(x)=f(x0).

Замечание. В отличие от определения предела функции f в точке x0, здесь мы требуем, чтобы функция f была определена не только в проколотой окрестности точки x0, а в целой окрестности точки x0. Кроме того, limxx0f(x) не просто существует, а равен определенному значению, а именно, f(x0).

Используя определение предела функции в смысле Коши, определение непрерывности функции f в точке x0 в кванторах можно записать следующим образом: ε>0δ=δ(ε)>0:x(a,b):|xx0|<δ|f(x)f(x0)|<ε.

В этом определении можно не требовать выполнения условия |xx0|>0, т. к. при |xx0|=0 неравенство |f(x)f(x0)|<ε, очевидно, выполнено.

Так как величина limxx0f(x) зависит лишь от тех значений, которые функция f принимает в сколь угодно малой окрестности точки x0, то непрерывность – это локальное свойство функции.

В терминах окрестностей определение непрерывности выглядит следующим образом.

Определение. Функция f называется непрерывной в точке x0, если для любой окрестности V точки f(x0) найдется такая окрестность U точки x0, что для всех xU значение f(x)V, т. е. f(U(a,b))V.

Применяя определение предела функции в смысле Гейне, определение непрерывности можно сформулировать так.

Определение. Функция f, определенная на интервале (a,b), называется непрерывной в точке x0(a,b), если любая последовательность аргументов {xn} (xn(a,b),xnx0) порождает последовательность значений функции {f(xn)}, стремящуюся к f(x0).

Применяя понятие, одностороннего предела (т. е. предела слева и справа) в точке x0, можно дать определения непрерывности слева (справа) в точке x0. Именно, функция f называется непрерывной слева (справа) в точке x0, если limxx00f(x)=f(x0) (limxx0+0f(x)=f(x0)). При этом в определении непрерывности слева достаточно считать, что функция f определена лишь в левой полуокрестности точки x0, т. е. на (a,x0], а для
непрерывности справа – на [x0,b).

Легко видеть, что справедливо следующее

Утверждение. Для того чтобы функция f была непрерывной в точке x0, необходимо и достаточно, чтобы f была непрерывной слева и справа в точке x0.

Определение. Функция f, определенная на интервале (a,b), называется разрывной в точке x0(a,b), если f не является непрерывной в этой точке.

Итак, функция f является разрывной в точке x0, если выполнено одно из двух следующих условий.

  1. Либо не существует limxx0f(x).
  2. Либо предел limxx0f(x) существует, но он не равен f(x0).

Пример 1. f(x)C=Const. Эта функция непрерывна в каждой точке x0R, т. к. для любого xR |f(x)f(x0)|=0.

Пример 2. f(x)=x2, <x<+, x0R. Зададим ε>0. Тогда из неравенства |x2x02|(|x|+|x0|)|xx0| следует, что при |xx0|<δ=min(1,ε2|x0|+1) справедливо неравенство |x2x02|<ε, т. е. limxx0x2=x02, а значит, функция f(x)=x2 непрерывна в любой точке x0R.

Пример 3. f(x)=x, 0x+ Если x0(0,+), то |xx0|=|xx0|x+x01x0|xx0|<ε если только |xx0|<δx0ε. Таким образом, функция f(x)=x непрерывна в каждой точке x0>0. В точке x0=0 можно ставить вопрос о непрерывности справа. Имеем |x0|=x<ε, если только 0x<δε2. Итак, limx0+x=0=0, т. е. функция f(x)=x непрерывна справа в точке 0.

Пример 4. f(x)=sinx, <x<+. Пусть x0R. Тогда |sinxsinx0|=|2cosx+x02sinxx02|2|sinxx02||xx0|, где последнее неравенство в этой цепочке следует из доказанного выше неравенства |sint||t| (0<|t|<π2). Можем считать, что |xx0|<π. Тогда при |xx0|<δmin(π,ε) справедливо |sinxsinx0|<ε, т. е. функция f(x)=sinx непрерывна в каждой точке x0R. Аналогично доказываем, что функция f(x)=cosx непрерывна в каждой точке x0R.

Пример 5. f(x)=xsin1x при x0 и f(0)=0. Покажем, что функция f непрерывна в точке x0=0. Имеем f(0)=0 и limx0f(x)=limx0xsin1x=0 (т. к. |f(x)0|=|xsin1x||x|<ε, если только |x0|=|x|<δε). Итак, limxx0f(x)=f(0), так что f непрерывна в точке 0.

Пример 6. f(x)=signx, xR. Если x00, то функция f постоянна в некоторой окрестности точки x0 и, следовательно, непрерывна в этой точке. Если же x0=0, то не существует предела функции f при x0. Значит, функция f разрывна в точке 0. Более того,limx0+signx=1, limxx0f(x)signx=1, sign0=0, так что функция signx разрывна в точке 0 как слева, так и справа.

Пример 7. Рассмотрим функцию Дирихле D(x)={1,если xQ;0,если xRQ. Пусть x0R. Покажем, что не существует предела функции D при xx0. Для этого выберем последовательность {x} отличных от x0 рациональных чисел, стремящуюся к x0. Тогда D(xn)=1 и, значит, limn+D(xn)=1. Если же взять последовательность xn отличных от x0 иррациональных чисел, стремящуюся к x0, то получим, что D(xn)=0 и limn+D(xn)=0. В силу определения предела функции по Гейне получаем, что функция D не имеет предела в точке x0. Так как x0R – произвольная точка, то это означает, что функция Дирихле разрывна в каждой точке.

Пример 8. f(x)=xD(x), xR. Функция f разрывна в каждой точке x00. В самом деле, если {xn} и {xn} соответственно последовательности рациональных и иррациональных отличных от x0 чисел, стремящиеся к x0, то limnf(xn)=x0 и limnf(xn)=0, так что, в силу определения предела функции по Гейне, функция f не имеет предела в точке x0. Если же x0=0, то limn0f(x)=0=f(0). Действительно, |f(x)|=|xD(x)||x|<ε, если только |x0|=|x|<δε. Это означает, что данная функция непрерывна в единственной точке x0=0.

Пример 9. Дана функция f(x)={sinxx,если x0;1,если x=0. Проверить на непрерывность в точке x0=0.

Решение

limxx00sinxx=limx0+0sinxx=1=f(x0) Отсюда следует, что f(x) непрерывна в точке x0, т. к. для того чтобы функция f была непрерывной в точке x0, необходимо и достаточно, чтобы f была непрерывной слева и справа в точке x0.

Пример 10. Покажите, что функция f(x)=x+3x2 разрывна в точке x0=2.

Решение

Для этого достаточно показать, что предел данной функции при xx0 либо не равен значению функции в точке x0, либо не существует. limx20x+3x2= limx2+0x+3x2=+ Т. к. левосторонний и правосторонний пределы f(x) не совпадают, то предела функция в точке x0 не имеет, следовательно она разрывна в этой точке.

Литература

Непрерывные функции. Определение и примеры

Тест по теме: «Непрерывные функции. Определение и примеры.»


Таблица лучших: Непрерывные функции. Определение и примеры

максимум из 5 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Вычисления площадей плоских областей, ограниченных кривыми, заданными параметрически и в полярных координатах

Параметрическое задание

Пусть границами криволинейной трапеции являются прямые x=a,x=b, ось абсцисс и параметрически заданная кривая

{y=φ(t);x=ψ(t);

Причем: функции x и  y непрерывны на интервале [a,b], a<b; x=φ(t) монотонно возрастает на этом интервале и φ(α)=a,ψ(β)=b.

Тогда площадь криволинейной трапеции находится по формуле S(G)=βαψ(t)φ(t)dt

Эта формула получается из формулы площади криволинейной трапеции S(G)=βαψ(t)φ(t)dt подстановкой: S(G)=βαψ(t)φ(t)dt

Если функция является монотонно убывающей на интервале [β,α],β<α, то формула примет следующий вид: S(G)=αβψ(t)φ(t)dt

Что делать, если нам дана не криволинейная трапеция? Свести данную фигуру к ней. Поделить её на части (прямыми, параллельными абсциссе и ординате), площадь которых уже можно будет посчитать описанным выше способом.

Примеры:

Спойлер

Спойлер

Полярное задание

А что, если функции, ограничивающие нашу область, заданы полярно?
Есть простая формула: S=12βαr2dφ Здесь α и β — значения углов, ограничивающих фигуру, r — расстояние от начала координат до точки, φ — угол. Уравнение функции в полярных координатах — r=f(φ)

Помните: в полярных координатах тоже стоит делить область на простые части.

Пример:

Спойлер

Источники:

Тест

Вычисления площадей плоских областей, заданных параметрически и в полярных координатах

В этом тесте предоставлены упражнения по пройденной теме. Если внимательно изучили материал, следовали всем данным ссылкам и рекомендациям,то вам не составит труда выполнить эти задания.

Таблица лучших: Вычисления площадей плоских областей, заданных параметрически и в полярных координатах

максимум из 14 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Вычисление пути и его длины.

Параметрическое задание:

Дано {y=φ(t);x=ψ(t);

Тогда площадь находится по формуле: S=t2t1(φ(t))2+(ψ(t))2dt

Полярное задание:

Дано r=f(α), где r — расстояние от точки до начала координат, α — угол между радиус-вектором с концом в этой точке и осью OX.

S=α2α1((rcosα))2+((rsinα))2dt

Пример:

Спойлер

Обычное задание:

Дана функция в виде y=f(x).

S=t2t11+(y)2dx

Пример:

Спойлер

Почему эти формулы верны?

Спойлер

Источники:

Фихтенгольц, «Курс дифференциального и интегрального исчисления», 2001 г.,  том 2, стр. 192. Издание 2001 года можно скачать здесь.

Фихтенгольц, «Курс дифференциального и интегрального исчисления», 1964 г.,  том 2, стр. 169. Издание 1964 года можно скачать в меню справа.

Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу», 1997 г., стр. 234-235(примеры задач). Можно также скачать в меню справа.

Теорема о вычислении спрямляемого пути, следствия

Определения

Путем на плоскости называется отображение t(φ(t),ψ(t)) отрезка [α,β] в R2, задаваемое парой непрерывных функций φ и ψ. Это означает, что каждому значению t[α,β] ставится в соответствие точка плоскости с координатами (x,y), где x=φ(t),y=ψ(t).
След пути — множество точек {(φ(t),ψ(t))R2:t[α,β]}.
Длина пути — точная верхняя грань длин ломанных, вписанных в след пути.
Если длина пути конечна, то путь называется спрямляемым.
Если функции φ и ψ непрерывно дифференцируемы на отрезке [α,β], то путь γ=(φ,ψ) называется дифференцируемым.

Теорема

Дан путь γ{x=φ(t)y=ψ(t)

Пусть γ=(φ,ψ) непрерывно дифференцируемый путь на отрезке [α,β].
Тогда L(γ)=βα[φ(t)]2+[ψ(t)]2dt, где L(γ) — длина пути.

Доказательство

Часть 1

◻ Π:α=x0<x1<<xn=β — произвольное разбиение отрезка [α,β]. Возьмём ломаную, проведённую между точками с соседними номерами. Очевидно, её длина:
S=Σn11(xi+1xi)2+(yi+1yi)2 — как сумма расстояний между соседними точками.
По формуле конечных приращений:

  • xi+1xi=φ(ti)(ti+1ti);
  • yi+1yi=ψ(ti)(ti+1ti);

Тогда длина ломаной будет равна: S=Σn11(φ(t))2+(ψ(t))2)(ti+1ti).
Обозначим наибольшие значения производных ψ(t) и φ(t) :
L=sup(|ψ(t)|) и ¯L=sup(|φ(t)|).
Очевидно: SL2+¯L2(Tt0), T и t0  — границы отрезка. Из неравенства делаем вывод, что путь спрямляем, так как длина ломаной ограничена сверху.
Аналогично, можно получить формулу:
Sl2+¯l2(Tt0), где l=inf(|ψ(t)|),¯l=inf(|φ(t)|)

Часть 2

У нас имеются выведенные в части 1 неравенства:

  • SL2+¯L2(Tt0);
  • Sl2+¯l2(Tt0);

Получаем: L2+¯L2(Tt0)Sl2+¯l2(Tt0),p=inf(S)
А теперь возьмём точку a1 на нашей дуге с координатами (t1,y1). Придадим её абсциссе приращение Δt и получим точку a2(t1+Δt,y2). Получили две точки на дуге и часть дуги ограничена этими точками. Применим к этой части наше двойное неравенство.
При Δt0 левая часть стремится к (φ(t))2+(ψ(t))2Δt. Аналогично, для правой.
Получаем (φ(t))2+(ψ(t))2ΔtS(φ(t))2+(ψ(t))2Δt. Преобразуем это двойное неравенство:
(φ(t))2+(ψ(t))2SΔt(φ(t))2+(ψ(t))2.
L(γ)=(φ(t))2+((ψ(t))2.
Тогда L(γ)=βα[φ(t)]2+[ψ(t)]2dt, где L(γ) — длина пути. ◼

Замечание: В первоисточниках, использованных при написании этого материала, доказательство теоремы не разбивается на 2 части. Тем не менее, для большего удобства здесь оно разбито на 2 основных части.

Следствия из теоремы

Из доказанной выше формулы получаются три формулы, описанные здесь и применяемые на практике.

Литература:

  1. Фихтенгольц, «Курс дифференциального и интегрального исчисления», 2001 г.,  том 2, стр. 192 (следствия). Фихтенгольц, «Курс дифференциального и интегрального исчисления», 2001 г.,  том 1, стр. 192 (определения, теорема).
  2. Фихтенгольц, «Курс дифференциального и интегрального исчисления», 1964 г.,  том 2, стр. 169 (следствия). Фихтенгольц, «Курс дифференциального и интегрального исчисления», 1964 г., том 1, стр. 560,562-563 (определения, теорема).

Тест

Таблица лучших: Теорема о вычислении спрямляемого пути, следствия

максимум из 9 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных