Основные понятия математического анализа
1. Определение неопред. интеграла. Если ф-ия F(x) – первообр для ф-ии f(x) на промежутке (a,b), то мн-о ф-ий F(x)+C, где С =const, назыв неопред интегр от ф-и f(x) на этом промежутке: ∫f(x)dx=F(x)+C При этом ф-я f(x) назыв подынтегр ф-ей, f(x)dx – подынтегр выр-ем, х – переменной интегр-я.
2.Опред-ие первообр от непрерыв ф-ии. Ф-ия F(x) назыв первообр для ф-ии f(x) на промежутке (a,b), если для всех значений х из этого промежутка вып- я F’(x)=f(x). Если ф-ия f(x), хЄ(a,b) – непрерыв, то для нее сущ-ет первообразная (неопред. Интеграл)
4. Выр-ие (∫f(x)dx). Производная неопред интеграла = подынтегр ф-ии. (∫f(x)dx)’=f(x). Док-во: (∫f(x)dx)’= =(F(x)+C)’= F’(x)= f(x)dx
5. Выр. ∫dF(x)Неопред интеграл от дифф-ла некоторой ф-ии = сумме этой ф-ии и произвольной постоянной ∫dF(x)=F(x)+C.Так как ∫dF(x)= F’(x)dx, то ∫F’(x)dx=F(x)+C. Теорема: Если ф-я F(x) является первообр ф-ии f(x) на отрезке (a,b), то мн-во всех первообр ф-ии f(x) задается формулойF(x)+C, С=const.
Док-во: F(x)+C – первообр, тогда (F(x)+C)’= F’(x)+C’= F’(x)=f(x) Ф(х) – -тоже первообразная: Ф’(х)=f(x), xЄ(a,b). (Ф(х)-F(x))’= Ф’(х)-F’(x)=f(x)- f(x)=0 =>Ф(х)-F(x)=C, С-const. Таким образом Ф(х)=F(x)+С. Ф-ия, производ которой на некотором промежутке Х равна 0, постоянна на этом промежут-ке. φ’(x)=0 => φ(x)=C, для каждого хЄ(a,b), тогда для каждого х1,х2 Є (a,b), х1<х2. По теореме Лангранжа: φ(x2)- φ(x1)=0, φ(x)=С
6. Если k-const, ненулевое число, то ∫kf(x)dx=k∫f(x)dx –k можно вынести из-под знака интеграла. Пусть F(x) – первообр для ф-ии f(x), т.е. F’(x)=f(x), тогда kF(x)-первообр для ф-ии kf(x): (kF(x))’=kF’(x)=kf(x). èk∫f(x)dx=k(C+(x)F)=kF(x)+C1=∫kf(x)dx, где С1=kC 7. Если ∫f(x)dx=F(x)+C, то и ∫f(u)du= F(u)+C, u=φ(x) – произвольная ф-ия, непрерывн, дифферен-я. f(x)-непрерыв. => ∫f(x)dx=F(x)+C, u=φ(x)-непрерыв. дифферен.ф-я. F(u)=F(φ(x)) –согласно инвариантности первого дифф-ла. Инвариантность первого дифф-ла: y=f(x) dy=f’(x)dx y=f(u), u=φ(x)– непрерыв, диф-я dy=f’(x)du dF(u)=F’(u)du= =f(u)du ∫f(u)du=∫d(F(u))=F(u)+C
8. Выражение d(∫f(x)dx)=f(x)dx - Дифференциал от неопред интегр = подынтегр выр-ю. d(∫f(x)dx)=d(F(x)+C) =dF(x)+dC=F’(x)dx+0=f(x)dx
9. Интеграл ∫(f(x)±g(x))dx= ∫f(x)dx±∫g(x)dx –неопред интеграл от алгебраической суммы двух ф-ий равен алгебраической суммe интегр от этих
ф-ий в отдельности: Пусть F(x) и G(x) – первообразные для ф-ий f(x) и g(x): ∫(f(x)+g(x))dx=∫(F’(x)+G’(x))dx=∫(F(x)+G(x))’dx=∫d(F(x)+G(x))= F(x)+G(x)+C= F(x)+G(x)+C1+C2=F(x)+C1+G(x)+C2 =∫f(x)dx+∫g(x)dx.
10. Вывод формулы замены переменного в неопред интегр (подстановка).Пусть ф-я x=φ(t) опред-на и диф-ма на некотором промежутке Т и Х-мн-во значений этой ф-ии, на кот. определена ф-я f(x). Тогда, если на мн-е Х ф-я f(x) имеет первообр, то на мн-ве Т справедлива фор-ла: ∫f(x)dx= ∫f(φ(t))φ’(t)dt Док:Пусть F(x)-первообр для f(x) на мн-ве Х. Рассмотрим на мн-ве Т сложную ф-ю F(φ(t)): (F(φ(t)))’= Fx’(φ(t))φ’(t) =f(φ(t))φ’(t), т.е. ф-я f(φ(t))φ’(t) имеет на мн-ве Т первообр F(φ(t)) >∫f(φ(t))φ’(t)dt=F(φ(t))+C,Замечая что F(φ(t))+C=F(x)+C= ∫f(x)dx, => получаем ∫f(x)dx= ∫f(φ(t))φ’(t)dt.
Дарбу: Mn=sup (f(x)); mn=inf (f(x)), xÎ(xi-1; xi) Sρ=å Mn∆xi – верхний; Sρ=å mn∆xi- нижний; СВ-ВА:
1, "верхняя сумма >=нижней; 2, при изменеии разбиения верхняя не увел, нижняя не умень.; 3, измельчение разбиения-добовлене нескольких точек 0=< Sρ-I 11. Вывод формулы интегрир по частям. Пусть ф-ии u(x) и v(x) определены и диф-мы нанекотором пром-ке Х и пусть ф-я u’(x)v(x) имеет первообр на этом пром-ке. Тогда на пром-ке Х ф-я u(x)v’(x) также имеет перво-ю и справедлива формула: ∫u(x)v’(x)dx=u(x)v(x)-∫v(x)u’(x)dx. Док-во: (u(x)v(x))’= u’(x)v(x)+u(x)v’(x) è u(x)v’(x)=(u(x)v(x))’-u’(x)v(x)Первообр ф-ии (u(x)v(x))’ на пром-ке Х является ф-я u(x)v(x). Ф-я u’(x)v(x) имеет первообр на Х по условию теор. è, и ф-я u(x)v’(x) имеет пер-ю на Х.Интегр-уя последнее рав-во получаем: ∫u(x)v’(x)dx=u(x)v(x)-∫v(x)u’(x)dx. Так как v’(x)dx=dv,u’(x)dx=du, то ее можно записать в виде: ∫udv=uv-∫vdu По лекциям: d(uv)=udv+vdu;∫d(uv)= ∫udv+vdu => ∫udv=∫d(uv)-∫vdu=uv-∫vdu Теорема о существовании конечного. 12. Определение дробно рациональной ф-ии. Понятие правильной и неправильной рациональной фун-ии. Простейшие дроби вида 1-4.Фун-ия вида Pn(x)=anxn+ an-1xn-1 +…+ a1x1+a0, n – натуральное число. ai, i=0, n=const называется мн-ном n-ой степени. Определение: Дробно рацион фун-й (рациональной дробью) назыв фун-ия равная отношению 2-х мн-нов: f(x)= Pm(x)/ Qn(x), Pm(x)-мн-eн степени m, Qn(x)-многочлен степени n. Рацион дробь назыв правильной, если m 1)A/(x-a) 2)A/(x-a)k k>=2 целое 3)(Mx+n)/(x2+px+q) x2+px+q=0, D<0 4) (Mx+n)/(x2+px+q)kk>=2 предела интегральных сумм для непрерывных ф-ий: Пусть сущ f. 13. Если х=а – действит корень кратности k знамен-ля Qn(x) прав-ой рацион дроби, т.е. Qn(x)=(х-а)kÕn-k(x) Тогда дробь будет представляться в виде суммы 2 правильных дробей: Pm(x)/Qn(x)=A/(х-а)k+Rs(x)/(х-а)k-1Õn-k(x) A-некоторая постоянная, s 14. Если Qn(x)= (x2+px+q)µ Тn-µ(x), где 2-4q<0, Тn-µ(x) мн-ен не делится на x2+px+q, то правильную рацион дробь Pm(x)/Qn(x) можно представить в виде суммы 2 правильных: Pm(x)/Qn(x) =(Mx+N)/ (x2+px+q)µ +Фs(x)/( (x2+px+q)µ-1. Тn-µ(x)),µ,N-нек постоянные, s 15. Разложение рацион дроби на простейшие. Если рацион ф-я R(x)/Q(x) имеет степень мн-на в числ-ле < степени мн-на в знамен-ле, а мн-н Q(x) представлен в виде Q(x)= A(x-a)r(x-b)s…(x2+2px+q)t(x2+2ux+v)z…, где a,b,.., p,q,u,v,…-вещественные числа, то эту ф-ю можно единств образом представить в виде:R(x)/Q(x) =A1/(x-a)+A2/(x-a)2+…. An/(x-a)n+…. (M1x+N1) / (x2+2px+q)+ (M2x+N2)/ /(x2+2px+q)2+…+(Mkx+Nk)/(x2+2px+q)k+, где А1,А2,.М1..N1-вещест числа 16. Определение дробно рацион фун-ии. Понятие правильной и неправ-ной рациональной фун-ии. Простейшие дроби вида 1-4.Фун-ия вида Pn(x)=anxn+ an-1xn-1 ++ a1x1+a0, n – натуральное число. ai, i=0, n=const называется мн-ном n-ой степени. Определение: Дробно рацион фун-uей (рациональной дробью) назыв фун-ия равная отн-ю 2-х мн-нов: f(x)= Pm(x)/ Qn(x), Pm(x)-мн-eн степени m, Qn(x)-многочлен степени n. Рацион дробь назыв правильной, если m 1)A/(x-a) 2)A/(x-a)k k>=2 целое 3)(Mx+n)/(x2+px+q) x2+px+q=0, D<0 4) (Mx+n)/(x2+px+q)k k>=2 17. Вычисление интегралов от тригонометрических ф-ий. 1) ∫R(sinx, cosx)dx Замена перем-ных tg(x/2)=t (универ. тригонометр замена) sinx=2t/(1+t2) cosx=(1-t2)/ /(1+t2) dx=2/(1+t2)dt;∫R(2t/(1+t2), (1-t2)/ /(1+t2)) 2/(1+t2)dt=∫Ř(t)dt 2)∫R(sinx) cosxdx=|sinx=t, cosxdx=dt|=∫R(t)dt 3)∫R sinx(cosx)dx=|cosx=t, -sinxdx=dt|=-∫R(t)dt 4) ∫R(tgx)dx=|t=tgx, x=arctgt, dx=dt/(1+t2)|= ∫R(t)dt/(1+t2)5) R(sinx, cosx)= R(-sinx, -cosx) ∫R(sinx, cosx)dx=|t=tgx, dx = dt/(1+ t2)| =∫Ř(t)dt 6) ∫sin m x cos n xdx a)m=2k+1 ∫sin 2k x cos n x sinxdx=∫(1-cos 2 x)k cos n x sinxdx=|t=cosx, dt=-sinxdx|=-∫(1-t 2)k t n dt b)n=2k+1 ∫sin m x cos 2k x cosxdx= ∫sin m x (1-sin 2 x)k dsinx 7) ∫sin 2p x cos 2a xdx sin2x=(1-cos2x)/2 cos2x=(1+cos2x)/2 sinxcosx=(1/2)sin2x 8) m=-µ n=-ν замена t=tgx 1/ sin2x=1+ ctg2x 1/ cos2x=1+tg2x 9) ∫tg m x dx; ∫ctg m x dx, m-целое >0ое tg2x=1/ cos2x-1 сtg2x=1/ sin2x-1 10) ∫sinmxcosnxdx ∫sinmxsinnxdx ∫cosmxcosnxdx sinmxcosnx=(1/2)(sin(m+n)x+sin(m-n)x) sinmxsinnx=(1/2)(cos(m-n)x-cos(m+n)x) Пусть существует f определенная на замкнутом интервале (a,b) => ее интегр суммы стремяться к конечному пределу при ранге разбиения à 0. ax2+bx+c=a(x+b/2a)+(4ac-b2)/(4a2) x+b/2a=t; (ax+b)/(cx+d)=tk=> ax+b= cx tk+ dtk=>x=…; dx=(…)dt Поднесение по знак дифф-ла: Если ∫f(x)dx=F(x)+C, то ∫f(n)dx=F(n)+C интегрир по частям: ∫udv=uv-∫vdu ∫x sin x dx=|u=x; du=dx; dv=sin x dx; v= -cos x|=-xcos x-∫-cos xdx= -xcos x+sin x. Ф-цию вида R(x,mÖ(ax+b)/(cx+d) –называют дробно линейной ирр-тью. С помощью замены t=mÖ(ax+b)/(cx+d) рационализируем интеграл. tm= (ax+b)/(cx+d); x=(b-dtm)/(ctm-a) –рацион ф-ция от t; dx=(mtm-1(ad-bc)dt)/(ctm-a)² Þ òR(x,mÖ(ax+b)/ (cx+d))dx=òR((b-dtm)/ (ctm-a),t) (mtm-1(ad-bc)dt)/(ctm-a)²= òR1(t)dt. R1(t)-рацион-ая. Вида òR(x,Öax²+bx+c)dx, -квадр-ая ирр-ть где а, b, c=const. Если трёхчлен ax²+bx+c имеет действит корни х1 х2 то ax²+bx+c=a(x-x1)(x-x2) и R(x,Öax²+bx+c)=R(x,(x-x1)Ö(x-x2)a/(x-x1)=R1(x,Ö(x-x2)/(x-x1); пусть ax²+bx+c не имеет действит корней и а>0. Тогда подстановка (Эйлера) t=Ö(ax²+bx+c) +xÖa Þax²+bx+c=t²-2xtÖa+ax²; x=(t²-c)/2t(Öa)+b –рацион функ-ция от t Ч.Т.Д; Если а<0 с>0 (ax²+bx+c)>=0) то можно сделать замену Öax²+bx+c=xt+Öc {}{}Опред интеграл. Ограниченность интегрируемой ф-ии. {O}Разбиением t(a,b) называется произвольное мн-во точек xi, I=0,1,…,it удовлетворяющее условию x0=a 18. Равномерная сх-сть ф-ых послед-стей и рядов. Признак Вейерштрасса. Ф-циональную посл-сть {fn)x)} x Î E наз. равномерно сходящейся ф-цией f на м-ж Е, если для Î e >0, сущ номер N, такой, что для " т х Î E и " n >N вып-ся: |fn(x)-f(x)| наз. равномерно сх-ся рядом, если на м-ж Е равномерно сх-ся посл-сть его частичной суммы., т. е. равномерная сх-сть ряда означает:Sn(x) à f(x) Не всякий сходящийся ряд является равномерно сх-ся, но всякий равномерно сх-ся – есть сх-ся Т. (Признак Вейерштрасса равномерной сх-ти ряда): Если числовой ряд: (7), где a >=0 сх-ся и для " x Î E и " n = 1,2… если выполняется нер-во un(x)|<=an(8), ряд (9) наз абс-но и равномерно сх-ся на м-ж Е. Док-ва: Абсолютная сх-сть в каждой т. х следует из неравенства (8) и сх-ти ряда (7). Пусть S(x) – сумма ряда (9), а Sn(x) – его частичная сумма. Зафиксируем произвольное e >0 В силу сх-ти ряда (7) сущ. номера N, " n >N и вып. нерво . Следовательно: |S(x)-Sn(x)| = . Это означает, что Sn(x) à S(x) что означает равномерную сх-сть ряда.. 20. Радиус сх-ти и интервал сх-ти степенного ряда.Рассмотрим степенной ряд: (1) Число (конечное или бесконечное) R>=0 наз радиусом сх-ти ряда (1) если для любого х такого, что |x| На любом отрезке |x-x0|<=r сумма степенного ряда является непрерывной ф-цией. Если ф-ция f(x) на интервале (x0-R, x0+R) является суммой ряда, то она дифференцируема на этом интервале и её производная f’(x) находится дифференцированием ряда. Степенной ряд можно почленно интегрировать на любом отрезке целиком принадлежащем интервалу сходимости при этом полученный степенной ряд имеет тот же радиус сходимости что и исходный ряд. 21. Разложение ф-ций в степенные ряды. Ряды Тейлора и Маклорена. Пусть(1) сх-ся при |x-x0| Пусть дествит. ф-ция f определена в некоторой окрестности т. х0 и имеет в этой точке производные всех порядков, тогда ряд:(6) наз рядом Тейлора ф-ции f в т, х0 При х0=0 ряд Тейлора принимает вид: (6’) и называется ряд Маклорена. Ряд Тейлора может: 1 Расх-ся всюду, кроме х=х0 2 Сх-ся, но не к исходной ф-ции f(x), а к какой-нибудь другой. 3 Сх-ся к исходной ф-ции f(x) Бесконечная дифференцируемость ф-ции f(x) в какой-то т. х0 является необходимым условием разложимости ф-ции в ряд Тейлора, но не является достаточным. Для введения доп-ных условий треб. ф-ла Тейлора. Т2 Если ф-ция f(x) (n+1) дифф-ма на интервале (x0-h, x0+h) h>0, то для всех x Î (x0-h, x0+h) имеет место ф-ла Тейлора: где остаток rn(x) можно записать: (8) (9) Формула (8) наз остаточным членом ф-лы Тейлора в интегральной форме. Ф-ла (9) – формулой Лагранжа. Преобразуя ф-лу Тейлора при х0 = 0 получаем ф-лу Маклорена. Т3 Если ф-ция f(x) имеет в окрестности т х0 производные любого порядка и все они ограниченны одним и тем же числом С, т е " x Î U(x0) |f(n)(x)|<=C, то ряд Тейлора этой ф-ции сх-ся в ф-ции f(x) для всех х из этой окрестности. 22. Разложение элементарных ф-ций в ряд Тейлора (Маклорена). 1 Разложение ф-ции ех ряд Маклорена. радиус сх-ти: R=¥ следовательно ряд абсолютно сх-ся на всей числовой прямой. Разложение sinx и cosx В степенной ряд Маклорена сх-ся на всей числовой оси, сх-ся на всей числовой оси, f(x) = (1+x)a наз. биномиальный ряд с показ-ем a. Разложение ф-ции ln(1+x) сх-ся при –1 5 Разложение arctgx в степенной ряд Маклорена сх-ся при -1<=x<=1.Теорема о существовании конечного предела интегральных сумм для непрерывных ф-ий
Замена переменной: ∫f(x)dx=|x= φ(t); t=g(x); dx= φ’(t)dt |=∫f(φ(t)) φ’(t)dt
19. Степенные ряды. Теорема Абеля. Степенным рядом наз ф-ный ряд вида: a0+a1x+a2x2+… + anxn = (1) xÎR членами которого Степенным рядом наз также ряд: a0+a1(x-x0)+a2(x-x0)2… + an(x-x0)n = (2) Степенной ряд (1) сх-ся абс-но по крайней мере в т. х = 0, а ряд (2) в т х = х0, т.е в этих случаях все кроме 1 равны 0. являются степенные ф-ции. Числа an Î R, наз коэффициентами ряда(1). Ряд (2) сводится к ряду (1) по ф-ле у = х-х0.Т Абеля: 1Если степенной ряд (1) сх-ся в т. х0 ¹ 0, то он сх-ся абсолютно при любом х, для которого |x|<|x0|, Если степеннгой ряд (1) расх-ся в т. х0, то он расх-ся в любой т. х, для которой |x|>|x0|