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