Пусть функция
определена на отрезке
Произведём разбиение (см. Р5)
отрезка на частичные отрезки
и выберем произвольно точки
Вычислим значения
и составим так называемую интегральную сумму
Определение 3. Если существует конечный предел интегральных сумм:
и если этот предел не зависит от вида разбиения и выбора точек
то его называют определённым интегралом от функции
на отрезке
Обозначение:
При этом саму функцию
называют интегрируемой на отрезке
(заметим, что число называется диаметром разбиения
).
Пусть теперь функция По разбиению
строится ступенчатая фигура (см. Р6), состоящая из прямоугольников
высоты
и длиной основания, равной
Площадь этой ступенчатой фигуры (достройте её самостоятельно) равна интегральной сумме
и эта площадь будет приближённо равна площади криволинейной трапеции[2]
т.е.
причём это равенство будет тем точнее, чем меньше диаметр разбиения
и оно становится точным при
Мы пришли к следующему геометрическому смыслу определённого интеграла:
интеграл численно равен площади
криволинейной трапеции
с верхней границей, описываемой уравнением
Замечание 3. В определении 3 интеграла предполагается, что отрезок интегрирования ориентирован от
до
(т.е.
). В случае противоположной ориентации отрезка
(т.е. при ) полагаем по определению
Также полагаем по определению, что
Перейдём к формулировке свойств определённого интеграла.
Ограниченность подынтегральной функции. Если функция интегрируема на отрезке
то она ограничена на этом отрезке (т.е.
).
Линейность интеграла. Если функции и
интегрируемы на отрезке
то на этом отрезке интегрируема и любая их линейная комбинация
и имеет место равенство
Аддитивность интеграла. Если функция интегрируема на максимальном из отрезков
то она интегрируема и на двух других отрезках, причём имеет место равенство
Далее везде предполагаем, что
Монотонность интеграла. Если функции и
интегрируемы на отрезке
и
то
Интегрируемость модуля. Если функции интегрируема на отрезке
то на этом отрезке интегрируема и функция
причём имеет место неравенство
Теорема о среднем для интеграла.Пусть функция непрерывна на отрезке Тогда существует точка такая, что (геометрический смысл этой теоремы состоит в том, что существует прямоугольник с основанием и высоты равновеликий криволинейной трапеции).
Доказательство. Пусть (по теореме Вейерштрасса значения
и
функцией
достигаются). Имеем
поэтому из свойства монотонности интеграла отсюда получаем
Последние неравенства показывают, что значение является промежуточным для функции
на отрезке
а, значит, по теореме Больцано-Коши существует
такое, что
Теорема доказана.
Рассмотрим ещё несколько примеров, которые демонстрируют простейшие приёмы интегрирования.
[1] Здесь и всюду далее с тем, чтобы не прерывать выкладки, в квадратных скобках будем указывать соответствующие замены переменных или формулы, необходимые для преобразований исходных выражений.
[2] На рис. Р6: – это трапеция ограниченная сверху кривой снизу– осью, с боков– прямыми и