Энциклопедия Кольера - математический анализ интегральное исчисление

К статье МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Площади. При изучении площадей криволинейных плоских фигур открываются новые аспекты математического анализа. Такого рода задачи пытались решать еще древние греки, для которых определение, например, площади круга было одной из труднейших задач. Больших успехов в решении этой проблемы добился Архимед, которому также удалось найти площадь параболического сегмента (рис.12). С помощью весьма сложных рассуждений Архимед доказал, что площадь параболического сегмента составляет 2/3 от площади описанного прямоугольника и, следовательно, в данном случае равна (2/3)(16) = 32/3. Как мы увидим в дальнейшем, этот результат можно легко получить методами математического анализа. Предшественники Ньютона и Лейбница, главным образом Кеплер и Кавальери, решали задачи о вычислении площадей криволинейных фигур с помощью метода, который трудно назвать логически обоснованным, но который оказался чрезвычайно плодотворным. Когда же Валлис в 1655 соединил методы Кеплера и Кавальери с методами Декарта (аналитической геометрией) и воспользовался только что зародившейся алгеброй, сцена для появления Ньютона была полностью подготовлена. Валлис разбивал фигуру, площадь которой требовалось вычислить, на очень узкие полоски, каждую из которых приближенно считал прямоугольником. Затем он складывал площади аппроксимирующих прямоугольников и в простейших случаях получал величину, к которой стремилась сумма площадей прямоугольников, когда число полосок стремилось к бесконечности. На рис.13 показаны прямоугольники, соответствующие некоторому разбиению на полоски площади под кривой y = x2. Основная теорема. Великое открытие Ньютона и Лейбница позволило исключить трудоемкий процесс перехода к пределу суммы площадей. Это было сделано благодаря новому взгляду на понятие площади. Суть в том, что мы должны представить площадь под кривой как порожденную ординатой, движущейся слева направо и спросить, с какой скоростью изменяется заметаемая ординатами площадь. Ключ к ответу на этот вопрос мы получим, если рассмотрим два частных случая, в которых площадь заранее известна. Начнем с площади под графиком линейной функции y = 1 + x, поскольку в этом случае площадь можно вычислить с помощью элементарной геометрии. Пусть A(x) - часть плоскости, заключенная между прямой y = 1 + x и отрезком OQ (рис.14). При движении QP вправо площадь A(x) возрастает. С какой скоростью? Ответить на этот вопрос нетрудно, так как мы знаем, что площадь трапеции равна произведению ее высоты на полусумму оснований. Следовательно, Скорость изменения площади A(x) определяется ее производной Мы видим, что A?(x) совпадает с ординатой у точки Р. Случайно ли это? Попробуем проверить на параболе, изображенной на рис.15. Площадь A (x) под параболой у = х2 в интервале от 0 до х равна A(x) = (1/3)(x)(x2) = x3/3. Скорость изменения этой площади определяется выражением которое в точности совпадает с ординатой у движущейся точки Р. Если предположить, что это правило выполняется в общем случае так, что есть скорость изменения площади под графиком функции y = f(x), то этим можно воспользоваться для вычислений и других площадей. На самом деле, соотношение A?(x) = f(x) выражает фундаментальную теорему, которую можно было бы сформулировать следующим образом: производная, или скорость изменения площади как функции от х, равна значению функции f (x) в точке х. Например, чтобы найти площадь под графиком функции y = x3 от 0 до х (рис.16), положим Возможный ответ гласит: так как производная от х4/4 действительно равна х3. Кроме того, A(x) равна нулю при х = 0, как и должно быть, если A(x) действительно является площадью. В математическом анализе доказывается, что другого ответа, кроме приведенного выше выражения для A(x), не существует. Покажем, что это утверждение правдоподобно с помощью следующего эвристического (нестрогого) рассуждения. Предположим, что существует какое-либо второе решение В(x). Если A(x) и В(x) "стартуют" одновременно с нулевого значения при х = 0 и все время изменяются с одинаковой скоростью, то их значения ни при каком х не могут стать различными. Они должны всюду совпадать; следовательно, существует единственное решение. Как можно обосновать соотношение A?(x) = f(x) в общем случае? На этот вопрос можно ответить, лишь изучая скорость изменения площади как функции от х в общем случае. Пусть m - наименьшее значение функции f (x) в интервале от х до (x + h), а M - наибольшее значение этой функции в том же интервале. Тогда приращение площади при переходе от х к (x + h) должно быть заключено между площадями двух прямоугольников (рис.17). Основания обоих прямоугольников равны h. Меньший прямоугольник имеет высоту m и площадь mh, больший, соответственно, М и Mh. На графике зависимости площади от х (рис.18) видно, что при изменении абсциссы на h, значение ординаты (т.е. площадь) увеличивается на величину, заключенную между mh и Mh. Угловой коэффициент секущей на этом графике находится между m и M. Что происходит, когда h стремится к нулю? Если график функции y = f(x) непрерывен (т.е. не содержит разрывов), то и М, и m стремятся к f(x). Следовательно, угловой коэффициент A?(x) графика площади как функции от х равен f(x). Именно к такому заключению и требовалось придти. Лейбниц предложил для площади под кривой y = f(x) от 0 до а обозначение При строгом подходе этот так называемый определенный интеграл должен быть определен как предел некоторых сумм на манер Валлиса. Учитывая полученный выше результат, ясно, что этот интеграл вычисляется при условии, что мы можем найти такую функцию A(x), которая обращается в нуль при х = 0 и имеет производную A?(x), равную f (x). Нахождение такой функции принято называть интегрированием, хотя уместнее эту операцию было бы называть антидифференцированием, имея в виду, что она является в некотором смысле обратной дифференцированию. В случае многочлена интегрирование выполняется просто. Например, если то в чем нетрудно убедиться, продифференцировав A(x). Чтобы вычислить площадь А1 под кривой y = 1 + x + x2/2, заключенную между ординатами 0 и 1, мы просто записываем и, подставляя х = 1, получаем A1 = 1 + 1/2 + 1/6 = 5/3. Площадь A(x) от 0 до 2 равна A2 = 2 + 4/2 + 8/6 = 16/3. Как видно из рис.19, площадь, заключенная между ординатами 1 и 2, равна A2 - A1 = 11/3. Обычно она записывается в виде определенного интеграла Объемы. Аналогичные рассуждения позволяют удивительно просто вычислять объемы тел вращения. Продемонстрируем это на примере вычисления объема шара, еще одной классической задачи, которую древним грекам, с помощью известных им методов, удалось решить с великим трудом. Повернем часть плоскости, заключенной внутри четверти круга радиуса r, на угол 360? вокруг оси х. В результате мы получим полушарие (рис.20), объем которого обозначим V(x). Требуется определить, с какой скоростью возрастает V(x) с увеличением x. Переходя от х к х + h, нетрудно убедиться в том, что приращение объема меньше, чем объем ?(r2 - x2)h кругового цилиндра радиуса и высотой h, и больше, чем объем ?h цилиндра радиуса и высотой h. Следовательно, на графике функции V(x) угловой коэффициент секущей заключен между ?(r2 - x2) и ?. Когда h стремится к нулю, угловой коэффициент стремится к Следовательно, При x = r мы получаем для объема полушария, и, следовательно, 4?r3/3 для объема всего шара. Аналогичный метод позволяет находить длины кривых и площади искривленных поверхностей. Например, если a(x) - длина дуги PR на рис.21, то наша задача состоит в вычислении a??x). Воспользуемся на эвристическом уровне приемом, который позволяет не прибегать к обычному предельному переходу, необходимому при строгом доказательстве результата. Предположим, что скорость изменения функции а(x) в точке Р такая же, какой она была бы при замене кривой ее касательной PT в точке P. Но из рис.21 непосредственно видно, при шаге h вправо или влево от точки х вдоль РТ значение а(x) меняется на Следовательно, скорость изменения функции a(x) составляет Чтобы найти саму функцию a(x), необходимо лишь проинтегрировать выражение, стоящее в правой части равенства. Оказывается, что для большинства функций выполнить интегрирование довольно трудно. Поэтому разработка методов интегрального исчисления составляет большую часть математического анализа. Первообразные. Каждую функцию, производная которой равна данной функции f(x), называют первообразной (или примитивной) для f(x). Например, х3/3 - первообразная для функции х2, так как (x3/3)? = x2. Разумеется, х3/3 - не единственная первообразная функции х2, так как x3/3 + C также является производной для х2 при любой константе С. Однако мы в дальнейшем условимся опускать такие аддитивные постоянные. В общем случае где n - положительное целое число, так как (xn + 1/(n + 1))? = xn. Соотношение (1) выполняется в еще более общем смысле, если n заменить любым рациональным числом k, кроме -1. Произвольную первообразную функцию для заданной функции f(x) принято называть неопределенным интегралом от f(x) и обозначать его в виде Например, так как (sin x)? = cos x, справедлива формула Из формулы (1) следует, что для n ? -1. Так как (lnx)? = x-1, то . Во многих случаях, когда существует формула для неопределенного интеграла от заданной функции, ее можно найти в многочисленных широко публикуемых таблицах неопределенных интегралов. Табличными являются интегралы от элементарных функций (в их число входят степени, логарифмы, показательная функция, тригонометрические функции, обратные тригонометрические функции, а также их конечные комбинации, получаемые с помощью операций сложения, вычитания, умножения и деления). С помощью табличных интегралов можно вычислить интегралы и от более сложных функций. Существует много способов вычисления неопределенных интегралов; наиболее распространенный из них метод подстановки или замены переменной. Он состоит в том, что если мы хотим в неопределенном интеграле (2) заменить x на некоторую дифференцируемую функцию x = g(u), то, чтобы интеграл не изменился, надо x заменить на g?(u)du. Иначе говоря, справедливо равенство Пример 1. (подстановка 2x = u, откуда 2dx = du). Приведем еще один метод интегрирования - метод интегрирования по частям. Он основан на известной уже формуле Ее можно записать так: Проинтегрировав левую и правую части, и учитывая, что получим Эта формула называется формулой интегрирования по частям. Пример 2. Требуется найти . Так как cos x = (sin x)?, мы можем записать, что Из (5), полагая u = x и v = sin x, получаем А поскольку (-cos x)? = sin x мы находим, что и Пример 3. Следует подчеркнуть, что мы ограничились лишь весьма кратким введением в весьма обширный предмет, в котором накоплены многочисленные остроумные приемы. Функции двух переменных. В связи с кривой y = f(x) мы рассмотрели две задачи: