ò
udv = uv – vdu.
(2)
Формула (2) даёт возможность вычисления
интеграла udv свести к вычислению интеграла vdu
, который, быть может, берётся легче. Этот метод называется интегрированием по
частям.
Примеры.
1) J = хехdх.
Положим и = х, dи = dх, dv = ехdх,
v = ехdх = ех
Следовательно,
J = хех – ехdх
= хех – ех + С.
2) ln хdх .
Положим, u = ln
х, dи = dх/х
dv = dх v = dх = х.
Следовательно,
J = х ln х – dх = х ln х
– х + С..
2.7. Определённый
интеграл как предел интегральной суммы.
Пусть интервал [а,в],
на котором задана функция у = f(х), разбит точками деления
х1< х2
< … < хп – 1 на п частичных
интервалов D1 = [х0,х1],
D2 = [х1,х2],
…, Dn = [хп–1,хп],
где а =х0 , в = хп, причём в каждом
частичном интервале Di
выбрана какая–либо точка ai:
хi–1 £ ai £
хi (i = 1, 2, …, п). Пусть, далее, Dхi – длина
интервала Di,
то есть,
хi
– хi–1 = Dхi
(i = 1, 2, …, п),
а max Dхi – наибольшее
из чисел Dхi.
Требуется найти предел суммы
(1) f(a1) Dх1 + f(a2) Dх2 + … + f(aп) Dхп = å f(ai) Dхi,
когда длины Dхi всех частичных
интервалов Di
стремятся к нулю (при этом с необходимостью число п этих интервалов
будет стремиться к бесконечности). Другими словами, требуется найти предел этой
суммы при max Dхi® 0, так как
условие, что максимальная из длин частичных интервалов Di стремится к нулю,
равносильно условию, что все Dхi® 0.
Итак,
требуется найти
lim
å f(хi)
Dхi.
Определение. Сумму
(1) называют интегральной суммой.
Определение. Функция f(х)
называется интегрируемой на интервале [а,в], если существует конечный
предел
lim
å f(ai) Dхi, (2)
не
зависящий от того, каким образом интервал [а,в] делится на
частичные интервалы и каким образом выбираются точки ai на этих частичных
интервалах, лишь бы длина максимального из них стремилась к нулю. Этот предел
называется определённым интегралом от функции f(х) на интервале
[а,в] и обозначается символом
f(х)dх
= lim å f(ai) Dхi.
Для того чтобы не
оставалось неясностей, сформулируем точно, как следует понимать предел (2).
Определение. Число J называется пределом интегральной
суммы å f(ai)Dхi при max Dхi® 0, если для любого
заданного e > 0 найдётся такое d > 0, что выполняется неравенство:
|å f(ai)Dхi – J |< e
при
любом выборе частных интервалов, D1, D2, …, Dп и точек a1, a2, …, aп на этих
интервалах, лишь бы только выполнялось требование max Dхi® 0, то есть
лишь бы длина наибольшего (а значит, и всех) из частичных интервалов была
меньше d.
Из определения
определённого интеграла отнюдь не следует, что любая функция интегрируема на
любом интервале. Можно подобрать такие функции, для которых определённый
интеграл не существует, то есть для которых интегральная сумма не стремится к определённому
пределу. Существование определённого интеграла от функции, заданной на
интервале [а,в], обеспечивает непрерывность этой функции на [а,в],
поэтому непрерывность функции на [а,в] является достаточным условием её
интегрируемости на этом интервале, то есть
Теорема
1. Если функция f(х) непрерывна на замкнутом интервале [а,в],
то она интегрируема на этом интервале, то есть имеет определённый интеграл
f(х)dх.
Иногда на практике
приходится интегрировать и разрывные функции. Приведём несколько более широкое
достаточное условие существования интеграла.
Теорема
2. Если на интервале [а,в] функция ограничена и имеет лишь
конечное число точек разрыва, то она интегрируема на [а,в].
2.8. Основные
свойства определённого интеграла.
Теорема 1. Пусть с –
промежуточная точка интервала [а,в] (а < с <
в). Тогда имеет место равенство
f(х)dх = f(х)dх + f(х)dх,
если
все эти три интеграла существуют.
Доказательство: Разобьём [а,в] на п частичных интервалов [а,х1],
[х1,х2], …, [хп–1,
в] длиной соответственно Dх1,
Dх2, …, Dхп так, чтобы
точка с была точкой деления. Пусть, например, хт = с
(т < п).
Тогда интегральная сумма
å f(ai)Dхi
соответствующая интервалу [а,в], разобьётся на две суммы:
å f(ai)Dхi = å f(ai)Dхi = å f(ai)Dхi
соответствующие
интервалам [а,с] и [с,в].
Переходя к пределу при
неопределённом уменьшении длины максимального частного интервала Dхi, то есть, при max
Dхi® 0, будем иметь
f(х)dх
= f(х)dх + f(х)dх,
Теорема 2. Постоянный
множитель можно выносить за знак определённого интеграла, то есть
k
f(х)dх = k f(х)dх.
Доказательство:
По определению:
k f(х)dх = lim [k f(a1)Dх1 + k f(a2)Dх2 + … + k f(aп)Dхп] =
= lim å
k f(ai)Dхi.
Но так как, согласно одному из свойств предела,
lim å
k f(ai)Dхi = k lim å f(ai)Dхi,
и так как, по определению, lim å
f(ai)Dхi = f(х)dх
то k f(х)dх = k lim å
f(ai)Dхi = k f(х)dх
Теорема
3. Определённый интеграл от алгебраической суммы нескольких
непрерывных функций равен алгебраической сумме определённы интегралов от этих
функций.
Доказательство: Докажем, например, что
[f1(х)
+ f2(х) – f3(х)]dх =
f1(х)dх + f2(х)dх
– f3(х)dх
в самом деле имеем:
[f1(х) + f2(х) –
f3(х)]dх = lim å [ f1(ai)dх +
f2(ai)dх
– f3(ai)]Dхi =
= lim å
f1(ai)Dхi + lim å f2(ai)Dхi – lim å f3(ai)Dхi =
= f1(х)dх
+ f2(х)dх – f3(х)dх
Теорема 3. (о
среднем значении определённого интеграла)
Если функция f(х)
непрерывна на [а,в], то внутри него найдётся такая точка С.
f(х)dх = (в–а) f(с)
Доказательство: Так как
функция f(х) непрерывна на [а,в], то она достигает своего
наибольшего и наименьшего значений М и т на [а,в].
произведём обычное разбиение интервала [а,в], на п частичных
интервалов Di
длиной Dхi =
х f(ai)
³ т – хi–1
(i = 1, …, п).
Так как f(ai) ³ т при любом ai, то
f(ai)Dхi ³ тDхi
откуда å
f(ai)Dхi ³ т å Dхi
или å
f(ai)Dхi ³ т(в – а)
так как å Dхi = Dх1+Dх2 + … + Dхп = в – а.
Так как, далее, f(ai) £ т, при любом ai, то
f(ai)Dхi £ МDхi
а потому å
f(ai)Dхi £ М åDхi,
то есть, å f(ai)Dхi £ М(в – а).
Таким образом, имеем
т(в
– а) £ å f(ai)Dхi £ М(в – а).
Переходя
к пределу при max Dхi® 0, получим
неравенства
т(в
– а) £ f(х)dх
£ М(в – а)
f(х)dх
(в – а)
Из этих неравенств и
теореме о непрерывной функции на [а,в], принимающей в этом [а,в]
все промежуточные значения между своими наибольшими и наименьшими значениями,
следует, что отношение
f(х)dх
(в – а)
можно принять за значение f(с)
функции f(х) в некоторой промежуточной точке с интервала [а,в]
(т £ f(с)£ М).
Таким образом,
( f(х)dх)
/ (в – а) = f(с)
или
f(х)dх = (в – а)f(с)
2.9. Геометрический смысл определённого
интеграла.
Известно, что площадь криволинейной трапеции, ограниченной сверху
непрерывной кривой у = f(х), снизу – интервалом [а,в]
оси Ох (а £
х £ в) и с
боковых сторон – прямыми х = а, х = в, равна
S = lim å
f(ai)Dхi
Но, по определению,
f(х)dх = lim å f(ai)Dхi
следовательно,
S = f(х)dх
Таким образом, в случае, когда f(х) ³ 0, то есть, когда график
функции у = f(х) располагается над осью Ох, определённый
интеграл численно равен площади S криволинейной трапеции.
Если же f(х) = 0 при а £ х £ в, то есть если
кривая располагается под осью Ох, то сумма
å
f(ai)Dхi
равна сумме площадей криволинейной
трапеции аАВв, взятой со знаком минус (рис. 4)
Тогда с геометрической точки зрения определённый
интеграл от f(х)dх численно равен площади S криволинейной
трапеции, ограниченной интервалом [а,в] оси Ох (а £ х £ в), непрерывной
кривой у = f(х) и отрезками прямых х = а, х =
в, равными f(а) и f(в).
2.10. Теорема
Ньютона–Лейбница.
Пусть функция f непрерывна на [а,в].
тогда она интегрируема на любом отрезке, [а,х], где а £ х £ в, то есть, для
любого х Î [а,в],
существует интеграл
F(х)
= f(t)dt (V)
Если f(t)³0 "
tÎ[а,в], то F(х)
= S(х), где S(х) – площадь криволинейной трапеции аАL(х)
(рис. 5)
Определение. Функция F определённая соотношением (V) на [а,в]
называется интегралом с переменным верхним пределом.
Эта функция непрерывна и дифференцируема на [а,в].
А именно имеет место следующая теорема.
Теорема. (Ньютона–Лейбница)
Производная определённого интеграла от непрерывной
на [а,в] функции f , рассматриваемого как функция его верхнего
предела, существует и равна значению подынтегральной функции в точке
дифференцирования.
F’(х) = ( f(t)dt)
= f(х)1, х Î
[а,в] .
Доказательство: Пусть
х Î [а,в], х
+ Dх Î [а,в]; тогда в силу
теоремы 1 пункта 2.12. получим
F(х +Dх) = f(t)dt
= f(t)dt + f(t)dt
Найдём соответствующее
приращение DF функции F.
Используя равенства (V) и теорему 4 пункта 2.12. имеем
DF
= F(х +Dх)
– F(х) = f(t)dt = f(с)Dх, где
с Î [х, х +Dх]
Вычислим производную функции (V):
F’(х) = lim = lim
= lim f(с)
Если Dх® 0, то х + Dх® 0 и с ® х, так как с Î [х, х+Dх].
Тогда в силу непрерывности f получим
F’(х) = lim f(с) = f(х)
Что и требовалось установить.
Легко вытекает следующее утверждение: всякая
непрерывная на [а,в] функция имеет на этом отрезке первообразную при
этом одной из первообразных является интеграл (V).
Действительно, пусть функция f
непрерывна на [а,в]; тогда она интегрируема на любом на [а,х],
где х Î [а,в],
то есть, существует интеграл (V), который и является первообразной функцией для
f . Следовательно, неопределённый интеграл от непрерывной на [а,в]
функции f можно записать в виде
f(х)dх
= f(t)dt + С, х Î
[а,в]
где С – произвольная постоянная.
2.11. Формула
Ньютона–Лейбница.
Теорема. Если Ф – первообразная для
непрерывной на [а,в] функции f, то определённый интеграл от
функции f вычисляется по формуле
f(х)dх = Ф(в) – Ф(а).
Доказательство: Пусть
Ф некоторая первообразная для функции f . В силу предыдущей теоремы
функция (V) также является первообразной для функции f . Поскольку две
первообразные Ф и F отличаются друг от друга на некоторую постоянную, имеем
f(х)dх
= Ф(х) + С (1)
Положим в последнем
равенстве х = а. Так как
f(х)dх
= 0,
то Ф(а) + С = 0, откуда С = – Ф(а)
Подставляя найденное
значение С в соотношение (1), имеем
f(х)dх
= Ф(х) – Ф(а).
Полагая в последнем соотношении х = в
и обозначая переменную t через х, окончательно получим равенство
указанное в теореме.
Формулу Ньютона–Лейбница в сокращённом
виде принято записывать так:
f(х)dх
= Ф(х)| = Ф(в) – Ф(а)
Примеры.
1)
sin хdх = – cos х| = – cos 2p + cos 0 = 0.
2) 
= ln |x
+ x2+1| = ln (1+Ö2)
– ln 1 = ln (1+Ö2)
2.12. Замены переменных в
определённых интегралах.
Пусть
требуется в определённом интеграле
f(х)dх
применить подстановку х = j(t). Тогда имеет место
следующая формула замены переменных в определённом интеграле:
f(х)dх = f [j(t)]j’(t)dt,
где j(a)
= а, j(b) = в.
Эту формулу мы докажем при
условиях:
1. Функции j(t) и j’(t) непрерывны в [a, b].
2. Функция f(х)
определена и непрерывна для всех значений, которые функция х = j(t) принимает в [a, b].
3. j(a)
= а, j(b) = в.
4.
Доказательство: Обозначим через М и т наибольшее и
наименьшее значения функции х = j(t)
в [a, b]. Пусть
F(х) = f(х)dх,
т £ х £ М.
По теореме о подстановке в неопределённых интегралах для всех t
из [a, b] справедливо равенство
F[j(t)] = f[j(t)]j’(t)dt.
Отсюда
f[j(t)]j’(t)dt = F[j(b)]
– F[j(a)] = F(в) – F(а)
Так как f(х)dх
= F(в) – F(а)
то из сравнения последних
двух равенств получим доказываемую формулу.
Пример.
Вычислить интеграл
J
= х 1+х2 dх
Подставим 1+х2 = t,
то есть, х = t2 –1 . Имеем: t = 1, при х
=0, t = Ö2, при х
= 1. Так как dх = tdt/ t2 –1 , то
J
= t2dt = t3/3| = (2Ö2 – 1)/3.
2.13. Интегрирование по частям.
Пусть функции f(х)
и j(х) непрерывны
вместе со своими производными в интервале [а,в]. Пусть, далее,
F(х)
= f(х) j(х).
Тогда F’(х)
= f(х) j’(х)
f’(х) j(х).
Так как F’(х)dх = F(х)|
,
то [f(х)
j’(х) f’(х)
j(х)]dх = f(х)
j(х)| ,
откуда f(х)
j’(х)dх = f(х)
j(х)| – f’(х)
j(х)dх
Примеры.
1) 
Вычислить интеграл.
х cos
х dх
Положив f(х) = х, j(х)
= sin х получим:
х cos х dх = х sin х| – sin х dх = –2
2) 
Вычислить интеграл
ln х dх.
Положив f(х) = ln х, j(х) = х получим:
ln х dх = [х ln х] – х(dх/х)
=
=
[х ln х] – [х] = 2 ln2 – 1 = ln4 – 1
3.
Исторические сведения о возникновении и развитии основных понятий.
В математике XVII в. самым большим
достижением справедливо считается изобретение дифференциального и интегрального
исчисления. Сформировалось оно в ряде сочинений Ньютона и Лейбница и их
ближайших сотрудников и учеников. Введение в математику методов анализа
бесконечно малых стало началом больших преобразований, быстро изменивших всё
лицо математики и поднявших её роль в системе естественно научных знаний
человечества.
Однако появление анализа бесконечно
малых не было делом рук одного или нескольких учёных, их гениальной догадки.
Оно в действительности было завершением длительного процесса,
внутриматематическая сущность которого состояла в накоплении и выделении
элементов дифференциального и интегрального исчисления и теории рядов.
Для создания исчисления бесконечно
малых внутри математики XVII в. сложились достаточные предпосылки. Это были:
наличие сложившейся алгебры и вычислительной техники; введение в математику
переменной величины и координатного метода; усвоение инфинитезимальных идей
древних, особенно Архимеда; накопление методов решения задач на вычисление
квадратур, кубатур, определение центров тяжести, нахождение касательных,
экстремалей и т.д.
3.1.
Происхождение понятия определённого интеграла и инфинитезимальные методы
Архимеда.
Понятие интеграла и интегральное
исчисление возникли из потребности вычислять площади любых фигур и поверхностей
и объёмы произвольных тем. Предыстория интегрального исчисления восходит к
глубокой древности. Идея интегрального исчисления была древними учёными
предвосхищена в большей мере, чем идея дифференциального исчисления.
Следует особо упомянуть об одном
интегральном методе Архимеда, примененном в следующих его произведениях:
«О шаре и цилиндре», «О спиралях» и
«О коноидах и сфероидах». В последнем произведении рассмотрены объёмы
сегментов, получаемых при сечении плоскостью тел, образованных вращением вокруг
оси эллипса, параболы или гиперболы.
В терминологии Архимеда
«прямоугольный коноид» – это параболоид вращения, «тупоугольный коноид» – одна
полость двуполостного гиперболоида вращения, «сфероид» – элипсоид вращения.
В XIX предложении своего произведения
«О коноидах и сфероидах» Архимед доказывает следующую лемму: «Если дан сегмент
какого–нибудь из коноидов, отсечённый перпендикулярной к оси плоскостью, или же
сегмент какого–нибудь из сфероидов, не больший половины этого сфероида и точно
также отсечённый, то можно вписать в него телесную фигуру и описать около него
другую, состоящих из имеющих равную высоту цилиндров, и притом так, что
описанная фигура больше вписанной на величину, меньшую любой наперёд заданной
телесной величины.»
Эта лемма является ярким примером
метода интегральных сумм, существо которого состоит в следующем: тело вращения
разбивается на части и каждая часть аппроксимируется описанным и вписанным
телами, объёмы которых можно вычислить. Сумма объёмов описанных тел будет больше,
а сумма вписанных тел – меньше объёма тела вращения. Теперь остаётся выбрать
аппроксимирующее сверху и снизу тела таким образом, чтобы разность их объёмов
могла быть сделана сколь угодно малой. Это достигается выбором в качестве
указанных тел соответствующих цилиндриков.
Архимед фактически
вводит понятие интегральных сумм, верхних Vп и нижних vп
и находит объём V полуэллипсоида, как общий предел этих сумм при п ® ¥.
Так же он определяет объём сегментов параболоида и гиперболоида вращения.
Выражаясь современным языком Архимед определил интегралы:
хdх = а2/2,
х2dх = а3/3, (х2 + вх)dх
= а3/3 + а2в/2
В своём произведении «О шаре и цилиндре»
он определил интегралы:
1/2 sin
j dj = 1, sin j dj = – cos a
+ 1.
Конечно у Архимеда нет ещё общих
понятий предела и интеграла, нет и общего алгоритма интегрального исчисления.
Приведённые и другие его выкладки всегда связаны с решением конкретных
геометрических задач без указаний на то, что в основе всех их лежит один и тот
же общий приём арифметического суммирования сколь угодно малых частей фигуры.
Несмотря на то, что квадратура параболы и кубатура сфероида сводятся к
определению одного и того же интеграла, Архимед пользовался для решения этих
задач различными методами.
В виде примера метода интегральных
сумм приведём решение Архимедом задачи вычисления объёма эллипсоида вращения в
сочинении «О коноидах и сфероидах».
Итак, дано тело вращения АВС и
телесная (объёмная) величина Е>0.
Делим ВО на п равных частей и строим описанные и вписанные цилиндры,
суммы объёмов которых, соответственно обозначим, Von и Vвn.
Их разность равна объёму цилиндрика АА1, то есть, pа2(в/п),
который подбором достаточно большего п может быть сделан сколь угодно
малым.
Теперь предположим, что на данном
рисунке изображён сегмент эллипсоида вращения и поставлена задача вычислить его
объём. В таком случае
Vоп = phа2 + ph(х1)2
+ ph(х2)2
+ph(хп-1)2
=
= phå (хk)2, (х0 =
0)
Задача сведена к суммированию
квадратов чисел. Далее Архимед производит геометрические преобразования,
эквивалентные следующим аналитическим преобразованиям:
Так как х2/а2
+ у2/в2 = 1, то х2 = а2/в2(в2
– у2) и далее каждого сечения: (х1)2
= а2/в2(в2 – h2),
(х2)2
= а2/в2(в2 – (2h)2),
…………………………,
(хп-1)2 = а2/в2(в2
– [(п–1)h]2),
откуда Vоп
= åph(хk)2
= (phа2)/в2[пв2
– h2åJ2], где
J – последовательные
натуральные числа. Для нахождение сумм квадратов последних Архимед применил
геометрические оценки вида (п3h2)/3 < å(Jh)2 < ((п+1)3 h3)/3
откуда (так как пh = в)
(в3)/3 < å(Jh)2h < в3/3 + в3/п
+ в3/п2 + в3/3п3
что до известной степени
эквивалентно оценке для ò
х2dх
из этих оценок получается
Vоп
= p(а2/в2)h
[пв2 – h2(п3/3)] = pа2в(1–1/3)
= 2/3pа2в
Аналогично Vвп < 2/3pа2в.
Но так как согласно лемме, Vоп
– Vвп < Е,
то искомый объём сегмента
V < 2/3pа2в,
то есть, равен удвоенному объёму
конуса с тем же основанием и высотой, что и сегмент.
Единственность предела
доказывается, как и во всех других случаях, приведением к противоречию.
Приведённый пример показывает, что
в античной математике сложился ряд элементов определённого интегрирования, в
первую очередь построение верхних и нижних интегральных сумм, аналогичных до
известной степени суммам Дарбу.
3.2.
От Архимеда к Кеплеру и Кавальери.
Первые значительные попытки
развития интеграционных методов Архимеда были предприняты в XVII в. одним из
первых видных учёных, стремившихся к возрождению и развитию интеграционных
методов, был Иоганн Кеплер.
1612 г. был для жителей
австрийского города Линца, в котором жил тогда Кеплер, исключительно урожайным,
особенно изобиловал виноград. Люди заготовляли винные бочки и хотели знать, как
практически определять их объёмы. Этот вопрос как раз и входил в круг идей,
которыми интересовался Кеплер. Так родилась его «Новая стереометрия винных
бочек», вышедшая в свет в 1615 г.
Кеплер вычислил площади плоских
фигур и поверхностей и объёмы тел, основываясь на идее разложения фигур и тел
на бесконечное число бесконечно малых частей, которые он называл «тончайшими
кружочками» или «частями крайне малой ширины»; из этих мельчайших частиц,
суммированных им, он составляет фигуру, эквивалентную первоначальной, но
площадь или объём которой ему известен.
Методы Кеплера в определении
объёмов тел вращения, были нестрогими. Многие учёные посвятили свои работы усовершенствованию
оперативной стороны этого предприятия. Наибольшую известность приобрела
геометрия неделимых, изобретённая Кавальери. Делом его жизни, имевшим
наибольшее значение для развития математики, был метод неделимых.
Метод неделимых изобретён для определения
размеров плоских фигур и тел.
Как фигуры, так и тела
представляются составленными их элементов, имеющих размерность на единицу
меньше. Так, фигуры состоят из отрезков прямых, проведённых параллельно некой
направляющей прямой, называемой регула. Этих воображаемых отрезков бесконечно
много. Они заключены между двумя касательными, параллельными регуле. В
геометрических телах неделимыми являются плоскости, параллельные некоторой
плоскости. Их тоже бесконечно много; границами их совокупности служат две
касательные плоскости, параллельные регуле.
Совокупность всех неделимых,
вводимая Кавальери, по существу вводит понятие определённого интеграла.
Совокупность геометрии неделимых можно сформулировать так: плоские фигуры и
тела относятся друг к другу, как все их неделимые, взятые вместе; если
неделимые находятся в одном и том же отношении друг к другу, то отношение
площадей соответствующих фигур (или объёмов тел) равно этому отношению.
Эти утверждения практически
эквивалентны современным умозаключениям типа: даны две фигуры, ограниченные
осью х, прямыми х = а и х = в
и соответственно у1 = f1(х) и у2
= f2(х). (рис 7).
Отношение площадей
S1/S2
= å у1k /
å у2k
= f1(х)dх / f2(х)dх
Если у1k / у2k
= а = const, для любого k, то и S1/S2
= k.
Кавальери доказал теорему: Сумма квадратов неделимых параллелограмма втрое
больше суммы квадратов неделимых треугольника, образованного в результате
проведения диагонали (рис. 8).
Введём для краткости обозначения:
АС = а, RT = x, TV = y, RS = а/2 = в,
ST = z. Тогда х = в + z, у = в – z
и сумма квадратов частей неделимых х2 + у2
= 2в2 + 2z2.
Суммируем все неделимые, обозначив
сумму квадратов неделимых символом [ ]:
[AEC] + [CGE] = 2[ABFE] + 2[BCM] +
2[FEM].
Заметим, что
[AEC] = [CGE]; [ABFE] = 1/4[ACGE];
[BCM] = [FEM] = 1/8[ACE],
что нетрудно понять, вообразив над
каждым линейным элементом квадрат и рассматривая их совокупности.
Следовательно, [ACE] = 1/4[ACGE] + 1/8[ACE] + 1/8[ACE]; [ACE] = 1/3[ACGE].
В переводе на язык интегрального
исчисления Кавальери доказал, что
х2dх
= 1/3 а2dх
или иначе:
lim [(а/п)2 (12
+ 22 + … + п2)]/па2 =
= lim å
k2/п3 = 1/3.
Эту теорему Кавальери
сумел обобщить на случай суммирования более высоких степеней неделимых, вплоть
до девятой, решив таким образом группу задач, эквивалентных вычислению
определённых интегралов вида:
хпdх
, для п = 1, …, 9.
3.3.
Теорема Паскаля.
Среди последователей Кавальери
самыми видными учёными, подготавливавшими создание интегрального и
дифференциального исчисления, были Дж.Валлик, П.Ферма, Б.Паскаль.
Методы Валлика, изложенные в его «Арифметике бесконечных» (1655),
развивались вслед за методом неделимых Кавальери. Валлик продвинулся
значительно дальше Кавальери. При решении целого ряда геометрических задач
Валлик по существу вычислял определённые интегралы от некоторых других
алгебраических функций; у Валлика также впервые встречается в чётком
виде арифметизированный предельный переход. При этом Валлик исходит уже не из
примитивного понятия всех линий, а из суммы å
f(х)iDхi.
Он рассматривает площадь (определённый интеграл) как общий предел верхних и
нижних интегральных сумм при описании и вписании ступенчатых фигур.
Вычислением интегралов от степеней хr,
или, как говорили в то время, квадратурой «парабол» у = хr,
где r – рациональное число, П.Ферма занимался ещё в 1644 г. позже
Ферма изложил общую теорию всех различных случаев.
Ещё более чётко понятие
определённого интеграла выступает в трудах Б.Паскаля. все его усилия были
направлены на уточнение метода неделимых. Попытка уточнения состоит в том, что
он сумму всех неделимых понимал как сумму элементарных площадок, образуемых
бесконечно близкими, одинаково отстоящими друг от друга ординатами,
ограниченными отрезком оси абсцисс и кривой (то есть сумму вида åуdх). В ряде задач он
вводил сумму всех синусов, определяя её как сумму произведений ординат на
элементы дуги (åуds),
которая в случае окружности единичного радиуса оправдывает своё название (åsinjdj).
Для примера рассмотрим следующую
теорему из «Трактата о синусе четверти круга» (1658) Паскаля:
Сумма синусов какой–нибудь дуги (BF) четверти круга (рис. 9) равна отрезку
основания (АО) между крайними синусами, умноженному на радиус (АВ).
Дуга BF делится на равные части,
отмеченные точками из которых из которых проводятся синусы DI. Точки
пересечения касательных к дуге окружности в точках D обозначены точками Е; из
последних затем опускаются перпендикуляры ER.
Предварительно Паскаль указывает,
что
DI .
EE = RR . AB (1)
Действительно (рис. 10), из
подобных прямоугольников DIA и EKE (ÐЕЕК
= ÐDAI) следует:
AD/DI =
EE/EK
Ввиду того, что AB = AD, получаем
равенство (1).
«Я утверждаю, — пишет после этого
Паскаль, — что сумма синусов DI каждого умноженного на одну из равных дуг DD,
равна прямой АО умноженной на радиус АВ». Заменяя каждую касательную ЕЕ дугой
DD, Паскаль получает в левой части равенства (1) «сумму синусов», а в правой
произведение АВ на сумму отрезков RR, то есть, на АО. Итак, теорема доказана.
Отождествление дуги DD с отрезком касательной Паскаль только подразумевает.
Чтобы перевести доказательство
Паскаля на современный язык введём соответствующую систему декартовых
координат, обозначим «синус DI» через у, элемент дуги DD – через ds, дифференциал
независимого переменного – через dх, радиус АВ – через r. Тогда
равенство (1) можно записать так:
уds =
rdх
Интегрируя согласно содержанию теоремы
Паскаля, получим:
уds
= rdх. (2)
Более сложный интеграл, стоящий в
левой части этого равенства, сводится таким образом к более простому интегралу
правой части, равному rx, а для целой четверти r2.
Положим r = 1 и введём угол DAB = Ð ADI = j. Тогда (рис. 10)
S = rj = j,
у = DI = AD cos j
= cos j, х = sin
j.
Равенство (2) даёт:
cos j dj = х = sin j.
На рассмотренном выше DЕЕК Лейбниц построил своё
дифференциальное исчисление и назвал его характеристическим.
3.4.
«О глубокой геометрии» Лейбница.
С основными достижениями математики XVII в. Лейбниц познакомился в
начале 70–х гг. этого столетия, когда под вниманием голландского учёного Х.
Гюйгенса изучил, кроме его работ, труды Кавальери, Валлиса, Паскаля и др. два
года спустя после опубликования мемуара 1684 г., 1–го печатного труда Лейбница
по дифференциальному исчислению, появился его новый мемуар «О глубокой
геометрии и анализе неделимых, а также бесконечных». Это была первая печатная
работа по интегральному исчислению. Основным понятием для Лейбница была сумма
актуально бесконечных малых треугольников уdх, на которые разбивается
криволинейная фигура, то есть, определённый интеграл. В этом же мемуаре впервые
появляется не только знак , но и запись уdх, причём Лейбниц
предупреждает, что не следует забывать писать под знаком интеграла множитель dх.
Лейбниц, исходя из
«характеристического» треугольника С катетами dх и dу (разности
абсцисс и ординат двух близких точек линии) и гипотенузой ds (бесконечно
малой дуги кривой или бесконечно малого отрезка касательной к дуге), приходит к
равенству (дифференциальному уравнению)
рdу = хdх,
где р – поднормаль (отрезок IA, рис. 10)
«Если, — пишет он, — обратить это
разностное (дифференциальное) уравнение в суммирующее, то будет
рdу
= хdх.
Но из того, что я изложил в своём
методе касательных, явствует, что
1/2 dх2
= хdх;
следовательно, и обратно:
1/2 х2
= хdх,
ибо у нас суммы и разности или и d взаимно
обратны, как в обычном исчислении степени и корни».
Таким образом, исходя из понятия
определённого интеграла, Лейбниц приходит к понятию функции F(х)
первообразной (или примитивной) для данной функции f(х) так, что
F’(х)
= f(х), или dF(х) =f(х)dх.
Отсюда и заключение о том, что
дифференцирование и интегрирование являются двумя взаимно обратными операциями.
3.5.
«Метод флюксий» Ньютона.
Независимо от Лейбница и ещё до
него эти результаты были получены Ньютоном. Последний, однако, нашёл их, идя по
другому пути. Ньютону принадлежат в областях науки первоклассные достижения, в
том числе и разработка дифференциального и интегрального исчисления в форме
метода флюксий.
В своём «Методе флюксий» автор
формулирует две основные проблемы. Первая:
«По данному соотношению между
флюэктами определить соотношение между флюксиями».
Решение этой проблемы приводит
Ньютона к вычислению флюксии (производной) от данной флюэнты (функции) и к
своеобразному обоснованию развитого или дифференциального исчисления. Он вводит
понятие «моментов» текущих величин, соответствующих понятию дифференциалов
функций. Неограниченно малую величину, понимаемую актуально бесконечно малое
приращение независимой переменной (времени), Ньютон обозначает через знак O, напоминающий нуль, но не
являющийся нулём. Момент флюэнты и, например он обозначает так ио,
где и – флюксия. По существу момент флюэнты это её дифференциал.
Вторую проблему Ньютон формулирует
так.
«По данному уравнению содержащему
флюксии, найти соотношение между флюэктами». Это общая проблема объём
интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений, которую Ньютон решает
главным образом с помощью бесконечных рядов, содержит в частности задачу
определения функции F (называемую первообразной), зная её производную F’ =
f. Именно эта задача приводит к понятию неопределённого интеграла.
Многие задачи из механики и физики
ведут к понятию первообразной функции неопределённого интеграла, однако
исторически, в частности у Ньютона, это понятие возникло из геометрии
как задача квадратуры кривой.
Пусть имеем криволинейную трапецию
(рис. 11), ограниченную сверху кривой у = f(х), и пусть
эта функция непрерывна на [а,в] и принимает лишь неотрицательное
значение.
Для нахождения площади Р нашей
трапеции рассмотрим сначала площадь Р(х) фигуры АDLK, отвечающей
промежутку [а, х], где х – произвольно взятое на [а,в]
значение. Для нахождения функции Р(х) построим приращение Dх и соответствующее ему
приращение DР, если т
и М предоставляют минимум, соответственно, максимум f(х) в
промежутке [х, х+Dх],
то, очевидно, будет иметь место неравенство
т Dх < DР
< МDР ,
откуда т < DР/Dх < М.
Вследствие непрерывности функции м
и М будут стремиться к f(х) при стремлении Dх к нулю, и мы получим:
lim DР/Dх = Р’(х) = f(х),
то есть,
производная от переменной Р(х) по конечной абсциссе х
равна конечной ординате у = f(х), или, тоже, площадь Р(х)
криволинейной трапеции есть первообразная функция для функции у = f(х),
представляющей собой кривую ограничивающую трапецию.
Можно теперь записать:
Р(х)
= F(х) +С. (V)
Но так как при х = аР(х)
= 0, получим для значения постоянной С в нашем случае:
0 = F(а)
+ С, или С = – F(а),
подставив это
значение С в (V), будем иметь:
Р(х)
= F(х) – F(а), (W)
Для определения площади Р всей
криволинейной трапеции ABCD следует положить х = в.
Тогда
Р = F(в)
– F(а).
Таким путём исходя из понятия
производной, Ньютон пришёл к понятию первообразной или неопределённого
интеграла. Последний являлся для Ньютона первоначальным понятием при построении
интегрального исчисления.
Равенство (W),
пользуясь современными символами, можно переписать так:
f(х)dх
= F(х) – F(а).
Это и есть так называемая формула
Ньютона–Лейбница. В ней определённый интеграл, рассматриваемый как функция
верхнего переменного предела интегрирования представлен в виде одной из
первообразных F(х) + С подынтегральной функции f(х).
Итак, задача вычисления площади
фигур, то есть, квадратура, ведёт к понятиям как определённого, так и
неопределённого интегралов.
Поэтому вычисление интегралов стали
называть квадратурой.
3.6.
Дифференциальные методы.
В математике XVII в. наряду с
интегральными методами складывались и методы дифференциальные. К
дифференциальным методам мы отнесём те, в которых содержатся элементы будущего
дифференциального исчисления. Вырабатывались эти элементы при решении задач,
которые в настоящее время решаются с помощью дифференцирования. Такие задачи
были в то время трёх видов: определение касательных к кривым, нахождение
максимумов и минимумов функций и отыскивание условий существования
алгебраических уравнений кратных корней.
Накопление элементов
дифференциального исчисления наиболее явную форму приняло у Ферма. В
1638 г. он сообщил в письме Декарту, что решил задачу определения экстремальных
значений f(х) .
Ферма составил уравнение [f(х + h) – f(х)] / h
= 0 и после преобразований в левой части полагал h = 0. Вопреки мнению
позднейших исследователей, которые видели в этом идеи исчисления бесконечно
малых, в действительности Ферма нашёл это условие и аналогичное
[f(у)
– f(х)] / [у–х] = 0
Так же близок к дифференциальному
исчислению метод Ферма отыскания касательных к алгебраическим кривым.
На малой дуге MN
алгебраической кривой f(х) = 0 путём проведения секущей
SMN строится «характеристический» D
MNP.
D
MNP подобен D MRS.
Отсюда SR = (MR . MP)
/ PN, или в более привычных нам символах SP = [f(х)h] / f(х+h)
– f(х).
Затем Ферма переходит от секущей к
касательной, полагая х = 0, получая тем самым St = у /
у1. Позднее он распространил этот метод определения касательных
на случай неявной функции f(х,у) = 0. Полученное им выражение
легко переводится в привычное нам
дf / дх
+ у1 (дf / дх) = 0.
Первый в мире печатный курс
дифференциального исчисления опубликовал в 1696 г. Лопиталь. Этот курс состоит
из предисловия и 10 глав. В предисловии даётся краткий исторический обзор
развития нового исчисления.
В 10 главах книги излагаются
определения постоянных и переменных величин и дифференциала («Бесконечно малая,
часть на которую непрерывно увеличивается или уменьшается переменная величина,
называется её дифференциалом».), объясняются употребляющиеся обозначения dх,
dу и др., выводятся правила дифференцирования алгебраических выражений,
определяется дифференциальное исчисление к нахождению касательных к кривым, к
нахождению максимумов и минимумов и т.п.
Большими достоинствами книги
Лопиталя являются простота и строгая последовательность изложения, обилие
примеров лёгких, средних и более трудных.
Появление анализа бесконечно малых
революционировало всю математику, превратив её в математику переменных
величин.
Литература.
1. Стефан Бонах
«Дифференциальные
и интегральные исчисления».
2. Глаголев А.А., Солнцева Т.В.
«Курс высшей математики».
3. Глейзер Г.И. «История математики
в школе».
4. Рыбников К.А. «История математики».
5. Стройк Д.Я. «Краткий очерк
истории математики».
6. Шестаков А.А. Малышева И.А.
«Курс высшей математики».
7. Хрестоматия по истории математики.
Похожие работы на - Основные понятия дифференциального исчисления и история их развития (Бакалавр)