Основные свойства определенных интегралов
Наиболее просто и естественно установить эти свойства, опираясь на какой-либо наглядный смысл определенного интеграла. Например, на то, что любой определенный интеграл связан, согласно (3), (5) и (6), с площадями криволинейных трапеций. Но использовать этот геометрический смысл определенного интеграла для вывода его свойств в самом общем случае, то есть в случае знакопеременной функции y = f(x), не очень удобно. Гораздо удобнее и нагляднее установить эти свойства, если, в соответствии с (12), считать определенный интеграл работой А силы f(x) (силы любого направления, а значит, и любого знака), когда точка приложения х этой силы перемещается вдоль оси ох из положения а в положение b (рис. 10).
(22)
Тогда сразу становятся очевидными следующие
Свойства определенных интегралов:
1) – число | (23) |
(число А может быть любого знака).
2) | (24) |
(переменную интегрирования в определенном интеграле можно обозначить как угодно – результат не изменится).
3) | (25) |
(ибо если перемещение точки отсутствует, то работа любой силы f(x) равна нулю).
4) | (26) |
(ибо если сила отсутствует, то и работа отсутствует).
5) | (27) |
(ибо работа постоянной единичной силы численно равна перемещению точки под действием этой силы).
6) | (28) |
7) Для любых трех чисел a,b и c ( при всех возможных их расположениях относительно друг друга, см рисунки ниже ) справедливо равенство
(29) |
8) (30) |
9) | (31) |
10) Если f(x) ≤ g(x) для всех xÎ[a; b], то | (32) |
(физический смысл последних пяти свойств продумать самостоятельно).
11) Пусть m = [f(x)]наим и М = [f(x)]наиб – соответственно наименьшее и наибольшее значения функции f(x) на промежутке [a; b]. Тогда
(33) |
Действительно, так как m ≤ f(x)≤ M для всех xÎ [a; b], то применяя свойство (32) и затем свойства (31) и (27), мы и получим двойное неравенство (33). Это неравенство часто используется для прикидки (грубой оценки) величины .
12) ( теорема о среднем ). Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a; b], то на этом отрезке найдется такая точка , что справедливо следующее равенство:
(34) |
Пример 1. Оценить величину .
Решение. Так как функция монотонно возрастает на отрезке [1; 3], то Поэтому по формуле грубой оценки (33) получаем:
Пример 2. Оценить величину .
Решение. Минимальное m и максимальное M значения функции на промежутке [0; p] не очевидны, так как с возрастанием х в выражении x + cos x первое слагаемое растет, а второе убывает. Чтобы разобраться в поведении функции y, найдем ее производную:
.
Так как sin x ≤ 1 для всех х, то для всех х. А значит, функция убывает на всей области своего определения, в том числе и на отрезке [0; p]. Таким образом, на отрезке [0; p]
Следовательно, оценка (4.18) для данного интеграла имеет вид: