РефератыМатематикаНеНекоторые приложения определенного интеграла в математике

Некоторые приложения определенного интеграла в математике

Некоторые приложения определенного интеграла в математике


Курсовая работа студента гр. МТ-21


Нургалиев А.З.


Павлодарский университет


Павлодар 2005 год.


1. Введение.


В курсовой работе рассмотрены вопросы некоторого приложения определенного интеграла. Цель: изучить актуальность применения определенного интеграла и широту его использования в математике, оценить ее практическую и теоретическую значимость.


При разработки данного вопроса, был также рассмотрен несобственный интеграл, как частный случай определенного интеграла, его определение и виды.


2. Определенный интеграл.


Пусть функция f(x) задана в некотором промежутке [a,b]. Разобьем этот промежуток произвольным образом на части, вставив между a и b точки деления: . Наибольшую из разностей


(i=0,1,2, …,n-1) будем впредь обозначать через λ.


Возьмем в каждом из частных промежутков по произволу точку



и составим сумму


.


Говорят, что сумма σ при λ→0 имеет (конечный) предел I, если для каждого числа ε>0 найдется такое число δ>0, что, лишь только λ<δ (т.е. основной промежуток разбит на части, с длинами ), неравенство



выполняется при любом выборе чисел .


Записывают это так:


. (1)


Этому определению «на языке ε-δ», как обычно, противопоставляется определение «на языке последовательностей». Представим себе, что промежуток [α,b] последовательно разбивается на части, сначала одним способом, затем – вторым, третьим и т.д. Такую последовательность разбиений промежутка на части мы будем называть основной, если соответствующая последовательность значений сходится к нулю.


Равенство (1) можно понимать теперь и в том смысле, что последовательность значений суммы σ, отвечающая любой основной последовательности разбиений промежутка, всегда стремится к пределу I, как бы ни выбирать при этом .


Второе определение позволяет перенести основные понятия и предложения теории пределов и на этот новый предел.


Конечный предел I суммы σ при λ→0 называется определенным интегралом функции f(x) в промежутке от α до b и обозначается символом


;


в случае существования такого предела функции f(x) называется интегрируемой в промежутке [α,b].


Числа α и b носят название, соответственно, нижнего и верхнего пределов интеграла. При постоянных пределах определенный интеграл представляет собой постоянное число.


3. Несобственные интегралы.


Пусть f непрерывна на луче на луче и F(x) – первообразная для f на луче . Если существует


,


то этот предел обозначается и называется сходящимся несобственным интегралом.


Несобственные интеграл вида и аналогичный интеграл получаются при замене в интеграле Римана с помощью функции t=t(x), непрерывной и дифференцируемой на полуинтервале [a,b) ( или (a,b] ) и являющейся бесконечно большой определенного знака при (или ).


Здесь существенно, что особой точкой функции t является именно конец (левый или правый) отрезка [a,b]. Если особой точкой t(x) (как в разобранном выше примере) является внутренняя точка с интервала (a,b), то разбивается на и , и переход к аргументу t делается раздельно в каждом из слагаемых.


Пример.


Вычислим .


Пусть ,






Другим видом несобственного интеграла является интеграл , если функция f не ограничена на , но непрерывна на при любом , (или на ), т.е. не ограничена в окрестности точки (точки b).


Этот интеграл существует (сходится), если существует:




Пример.


, если


f(x) непрерывна на [0,1]. После замены получаем


.


не ограничена на [0,1], т.к. первообразная функция на при любом , равна: , то


.


Несобственный интеграл может появится и при интегрировании по частям.



,


т.е.


,


где - первообразная для arcsinx на [0,1].


4.1.Формула Валлиса.


Для вывода формулы Валлиса необходимо вычислить следующий интеграл:


(при натуральном m).


Интегрируя по частям, найдём


.


Двойная подстановка обращает в нуль. Заменяя через , получим



откуда рекуррентная формула:


,


по которой интеграл последовательно приводится к и . Именно, при m=2n имеем


,


если же m=2n+1, то


.


Такие же точно результаты получаются и для .


Для более короткой записи

найденных выражений воспользуемся символом m!!(произведение натуральных чисел, не превосходящих m и одной с ним чётности). Тогда можно будет написать









при m нечетном нечётном.




(1)

Из формулы (1) можно вывести знаменитую формулу Валлиса (J. Wallis).


Предполагая 0<x<, имеем неравенства


.


Проинтегрируем эти неравенства в промежутке от 0 до :



Отсюда, в силу (1), находим



или


.


Так как разность между двумя крайними выражениями


,


очевидно, стремится к 0 при , то является их общим пределом. Итак,



или


.


Отсюда в свою очередь вытекает



Эта формула носит название формулы Валлиса. Она дает довольно простое выражение числа p через натуральные числа. Теоретически этот результат интересен. Что касается ценности этой формулы как средства фактического вычисления p, то она невелика. Именно, чтобы получить удовлетворительную точность, надо взять n довольно большим, а тогда выражение оказывается весьма громоздким.


4.2. Применение формулы Валлиса для интеграла Эйлера-Пуассона.


Интеграл Эйлера-Пуассона имеет вид:


;


Приведём метод его нахождения. Мы знаем что положив:


(т.к. ),


имеем соотношение:


;


отсюда заключаем:


,



что дает:


.


Установив это, замечаем, что предел отношения при бесконечно большом n равен единице; действительно, так как убывает при возрастании n, то мы имеем неравенство:



или:


.


Мы видим, следовательно, что заключается между единицей и дробью , которая также равна единице при бесконечном n.


Установив это, получаем равенство:


,


которое нам дает, если заставим n бесконечно возрастать:


,


и, следовательно:


.


Полагая теперь в интеграле , мы получим следующее новое выражение:


;


заменив затем z на , получаем:



и, следовательно, при бесконечном n


.


Достаточно затем положить , чтобы установить результат, к которому мы стремились:


.


4.3. Вывод формулы Тейлора с остаточным членом в интегральной форме.


Формула интегрирования по частям: ,


а обобщенная формула примет вид:


. (1)


Положим, что в формуле (1). Тогда , , …, , ; при x=b все функции v, v’, …, обращаются в нуль. Пользуясь для u, u’, u’’, … функциональным обозначением f(x), f’(x), f’’(x), …, перепишем (1) в виде



.


Отсюда получается формула Тейлора с дополнительным членом в виде определенного интеграла


.


Заменим здесь b через x, а через :



.


Новое выражение для дополнительного члена, не содержит никаких неизвестных чисел.


Если угодно, из этого выражения можно было бы вывести и уже знакомые нам формы дополнительного члена. Например, воспользовавшись тем, что множитель подинтегральной функции не меняет знака, можно применить к последнему интегралу обобщенную теорему о среднем


,


где с содержится в промежутке . Таким образом, мы вновь получили лангранжеву форму дополнительного члена.


5. Заключение.


В курсовой работе даны определения определенного и несобственного интеграла и его виды, рассмотрены вопросы некоторого приложения определенного интеграла. В частности, формула Валлиса, имеющая историческое значение, как первое представление числа p в виде предела легко вычисляемой рациональной варианты, а также вычисление интеграла Эйлера-Пуассона с помощью этой формулы. Рассмотрен способ получения формулы Тейлора с дополнительным членом в интегральной форме.


Формулой Валлиса в теоретических исследованиях пользуются и сейчас (например, при выведении формулы Стирлинга). Что касается фактического приближенного вычисления p, то существуют методы, гораздо более быстро ведущие к цели.


Интеграл Эйлера-Пуассона применяется при вычислении более сложных несобственных интегралов, встречается в теории вероятности.


Новое выражение для дополнительного члена в формуле Тейлора интересно тем, что оно не содержит никаких неизвестных чисел.


Данную курсовую работу можно использовать в качестве лекционного и справочного материала.


Список литературы


Фихтенгольц Г. М. «Курс дифференциального и интегрального исчисления»(II том) – Москва, 1970г.


Пискунов Н.С. «Дифференциальное и интегральное исчисления»(I том) - Москва, 1970г.


Эрмит Ш. «Курс анализа» - Москва, 1936г.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Некоторые приложения определенного интеграла в математике

Слов:1219
Символов:10341
Размер:20.20 Кб.