ЭСБЕ/Интегральное исчисление

Интегральное исчисление — в сочинении Архимеда «Об измерении длины окружности» рассматривается вопрос об определении площади и длины окружности круга, а в трактате «О шаре и цилиндре» — о поверхностях и объемах тел, ограниченных кривыми поверхностями; эти вопросы представляют первые геометрические задачи, относящиеся к И. исчислению. И в настоящее время основной задачей И. исчисления является нахождение площадей криволинейных фигур. Под площадью криволинейной фигуры $S$ (черт. 1) Шаблон:Inline float разумеется предел, к которому стремится площадь вписанного в фигуру многоугольника по мере увеличения числа его сторон, причем эти стороны могут быть сделаны меньше всякого заранее заданного произвольно малого числа. Указанная задача решается при помощи И. исчисления, если криволинейный контур фигуры $S$ задан уравнением, как это делается в аналитической геометрии (см. Аналитическая геометрия и Дифференциальное исчисление). Пусть уравнение заданной кривой $S$ (черт. 2) Шаблон:Inline float есть $y=f(x)$. Определим площадь $P_0{M}_0{M}_n{P}_n$, образованную отрезком оси $x$-ов $P_0{P}_n$, двумя ординатами $M_0{P}_0$ и $M_n{P}_n$ и дугой $M_0{m}_n$ кривой $S$. Ясно, что нахождение площади всякой криволинейной фигуры может быть сведено к нахождению площадей такого вида (т. е. ограниченным тремя прямыми и дугой кривой). Проведем между крайними ординатами $M_0{P}_0$ и $M_n{P}_n$ $n-1$ ординат $M_1{P}_1,M_2{P}_2,\dots$, соответствующих точкам деления $P_1,P_2,\dots$ отрезка оси $P_0{P}_n$. Эти точки выберем произвольно, с тем лишь ограничением, чтобы по мере увеличения числа $n$ наибольший из отрезков был бесконечно мал (напр. точки $P_1,P_2,\dots$ можно выбрать на равных расстояниях друг от друга). Предполагая, как это имеет место на черт. 2, что ординаты кривой во все время при переходе от $M_0$ к $M_n$ возрастают, легко видеть, что криволинейная площадь фигуры $S$ будет заключаться между следующими двумя суммами:

Шаблон:TrrШаблон:Td$S_n=f(x_0)(x_1-x_0)+f(x_1)(x_2-x_1)+\dots +f(x_{n-1})(x_n-x_{n-1})$Шаблон:Trr и Шаблон:Td${S_n}^{\prime }=f(x_1)(x_1-x_0)+f(x_2)(x_2-x_1)+\dots +f(x_n)(x_n-x_{n-1})$, Шаблон:Trr где Шаблон:Td$x_0=O{P}_0$, $x_1=O{P}_1$, $x_2=O{P}_2$, … $x_n=O{P}_n$, Шаблон:Trr a Шаблон:Td$f(x_0)=M_0{P}_0$, $f(x_1)=M_1{P}_1$, $f(x_2)=M_2{P}_2$, … $f(x_n)=M_n{P}_n$.

Из чертежа очевидно, что

$S_n<S<{S_n}^{\prime }$.

Для обратного случая, т. е. когда ординаты кривой уменьшаются при переходе от $M_0$ к $M_n$, рассуждение будет то же самое, только последнее неравенство изменит знак, т. е. будет:

$S_n>S>{S_n}^{\prime }.$

Докажем, что разность ${S_n}^{\prime }-S_n$ при возрастании числа $n$ может быть сделана как угодно мала. Вычитая на самом деле, имеем:

${S_n}^{\prime }-S_n=[f(x_1)-f(x_0)](x_1-x_0)+[f(x_2)-f(x_1)](x_2-x_1)+\dots +$.$+[f(x_n)-f(x_{n-1})](x_n-x_{n-1}).$

Вследствие непрерывности функции $f(x)$ в границах рассматриваемой площади число $n$ можно подобрать настолько большим, что все разности $f(x_1)-f(x_0)$, $f(x_2)-f(x_1)$, … $f(x_n)-f(x_{n-1})$ выйдут меньше $\epsilon$, где $\epsilon$ произвольно малое число. Тогда

${S_n}^{\prime }-S_n<\epsilon (x_1-x_0)+\epsilon (x_2-x_1)+\dots \epsilon (x_n-x_{n-1}),$ $S_n-S_n<\epsilon (x_n-x_0),$ $S=$ пред. $\{f(x_0)(x_1-x_0)+f(x_1)(x_2-x_1)+\dots +f(x_{n-1})(x_n-x_{n-1})\}$ при $n=\mathrm{\infty }$.

Введем означения:

$x_1-x_0=\mathrm{\Delta }{x}_0,x_2-x_1=\mathrm{\Delta }{x}_1,\dots x_n-x_{n-1}\mathrm{\Delta }{x}_{n-1},$ $S=$ пред. $\{f(x_0)\mathrm{\Delta }{x}_0+f(x_1)\mathrm{\Delta }{x}_1)+\dots +f(x_{n-1})\mathrm{\Delta }{x}_{n-1})\}$ при $n=\mathrm{\infty }$ $S=$ пред. $\sum f(x)\mathrm{\Delta }x$.

Этот предел называется определенным интегралом, взятым от $f(x)$ между границам и $x_0$ и $x_n$; для него употребляют особый знак:

$\underset{x_0}{\overset{x_1}{\int }}f(x)dx$.

Функция $f(x)$ называется подынтегральной, а значки $x_0$ и $x_n$ пределами: $x_0$ — нижним, а $x_n$ — верхним пределами. Знак ∫ произошел от буквы S, выражающей сумму элементов $f(x)dx$; название же интеграл произошло от латинского слова integer — целый. Знак ∫ введен Лейбницем и долгое время его употребляли без означения пределов; указание пределов введено Фурье.

Шаблон:Inline float Шаблон:Razr. Вычислить площадь $\underset{0}{\overset{a}{\int }}{x}^{2}dx$, ограниченную осью $x$-ов (черт. 3) между началом координат и точкой, имеющею абсциссу $a$, между дугой параболы $OM$, уравнение которой есть $y=x^2$, и ординатой $Ma$. Разобьем основание $Oa$ на $n$ равных частей $a/n=h$; тогда площадь $OMa$ будет пределом суммы

$\begin{array}{cc}\sum x^{2}h& =0h+h^{2}h+(2h{)}^{2}h+\dots ((n-1)h{)}^{2}h=\\ & =h^3(1+2^2+\dots +(n-1{)}^2)=\\ & =\frac{a^3}{n^3}\left(\frac{(n-1)n(2n-1)}{6}\right)\end{array}$ $\sum x^{2}h=\frac{a^3}{3}(1-\frac{3}{2n}+\frac{1}{2n^2})$. пред. $\sum x^{2}h=\frac{a^3}{3}$, $\underset{0}{\overset{a}{\int }}{x}^{2}dx=\frac{a^3}{3}$.

Зная, что $aM=a^2$, заключаем, что площадь криволинейной фигуры $OMa$ равна одной трети площади прямоугольника $OKMa$.

Необходимо заметить, что определение интеграла как предела суммы дает возможность вычислить его с любой степенью точности. Для этой цели можно поступать так: разобьем промежуток $x_n-x_0$ (черт. 2) на $n$ равных частей $x_1,x_2,x_3,\dots ,x_{n-1},x_n$; тогда

$x_1=x_0+h,x_2=x_0+2h,\dots x_n=x_0+nh$; $S_n=h\{f(x_0)+f(x_1)+\dots +f(x_{n-1})\}$, ${S_n}^{\prime }=h\{f(x_1)+f(x_2)+\dots +f(x_n)\}$. ${S_n}^{\prime }-S_n=h\{f(x_n)-f(x_0)\}$. ${S_n}^{\prime }-S_n<k$

Здесь указана, конечно, только возможность вычисления определенного интеграла с данной степенью точности. В настоящее время в математике известны различные приемы для приближенного вычисления интегралов (площадей), более удобные, чем прием, получаемый непосредственно из определения интеграла как предела суммы. Приемы эти, принадлежащие Симпсону, Котесу, Эйлеру, Гауссу, Чебышеву, Эрмиту и др., известны под названием формул квадратур, откуда название квадратур дается и самим интегралам, так что, если говорят, что вопрос решается в квадратурах, это значит, что искомую величину можно выразить при помощи интегралов от некоторых функций.

Шаблон:Inline float Из вышеприведенного примера видно, что вычисление определенного интеграла равносильно задаче вычисления площади некоторого криволинейного контура. Оказывается, что вычисление определенного интеграла от любой функции может быть приведено к одной общей задаче, основной в И. исчислении, а именно к интегрированию функций. Эта задача формулируется так: дана функция $f(x)$; найти новую функцию $F(x)$, называемую первообразной (неопределенный интеграл), так, чтобы

$F^{\prime }(x)=f(x)$,

Положение переменной ординаты $MP$, конечно, зависит от абсциссы $x=OP$ точки $M$. Поэтому и площадь $S=ABPM$ есть некоторая функция от $x$; означим ее через $F(x)$. Посмотрим, чему равна производная этой функции. Приращение $\mathrm{\Delta }S=\mathrm{\Delta }F(x)$ есть не что иное, как площадь $MP{P}_1{M}_1$, где $P{P}_1=\mathrm{\Delta }x$. Если в сопредельности с точкой $M$ функция возрастает, как это имеет место на чертеже, то

$PM{N}_1{P}_1<\mathrm{\Delta }S<P{N}_2{M}_1{P}_1$.

Если бы в сопредельности с точкой $M$ функция убывала, то можно написать такое же неравенство, но с обратным знаком. Вводя предыдущие обозначения и видя, что $PM=f(x)$, a $P_1{M}_1=f(x+\mathrm{\Delta }x)$, имеем:

$f(x)\mathrm{\Delta }x<\mathrm{\Delta }F(x)<f(x+\mathrm{\Delta }x)\mathrm{\Delta }x$.

Разделяя все части этого неравенства на $\mathrm{\Delta }x$, получим

$f(x)<\frac{\mathrm{\Delta }F(x)}{\mathrm{\Delta }x}<f(x+\mathrm{\Delta }x)$; откуда, в пределе: пред. $\frac{\mathrm{\Delta }F(x)}{\mathrm{\Delta }x}=F^{\prime }(x)=f(x)$.

Итак, нахождение определенных интегралов сводится к поставленной выше задаче. Очевидно, эта задача неопределенная, потому что существует бесчисленное множество функций, имеющих ту же самую производную. Все эти функции отличаются друг от друга на числа постоянные, так как производная от постоянного числа равна нулю. Если, например, обозначить через $F(x)$ одну из бесчисленного множества функций, имеющих производной заданную функцию $f(x)$, то другие функции будут $F(x)+1$, $F(x)+2$, $F(x)+\pi$ и т. д., вообще говоря, $F(x)+C$, где $C$ — некоторое постоянное число, не зависящее от $x$. Функция $F(x)+C$, заключающая неопределенную постоянную $C$, называется поэтому неопределенным интегралом и обозначается так:

$\int f(x)dx=F(x)+C$.

Что в выражение площади должна входить некоторая произвольная постоянная, ясно из геометрических соображений, ибо площади можно отсчитывать от совершенно произвольной ординаты $AB$ (черт. 4). Выбору некоторой ординаты за начальную будет соответствовать аналитическое указание постоянного числа $C$. Положим, что за начальную ординату счета площадей выбрана ордината, соответствующая некоторому числу а; тогда, если конечную ординату площади означить через $x$ и положить, что $x>a$, то площадь выразится некоторым числом. По мере приближения ординаты $x$ к начальной, а площадь будет уменьшаться, так что при $x=a$ она обратится в нуль. Согласно тому, что уже сказано о пределах определенного интеграла, рассматриваемая площадь может быть обозначена интегралом:

$\underset{a}{\overset{x}{\int }}f(x)dx$.

Рассматривая верхний предел $x$ как переменную величину, легко видеть, что этот интеграл равен $F(x)+C_0$, где $C_0$ подобрано так, что этот интеграл (площадь) обращается в нуль при $x=a$; отсюда

$F(a)+C_0=0$ и $C_0=-F(a)$; $\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx=F(b)-F(a)$.

Этот интеграл назывался Эйлером integrale quod evanescit posito $x=a$, так как Эйлер не употреблял еще знаков пределов.

Отсюда ясно, что всякий определенный интеграл от функции $f(x)$ между пределами $a$ и $b$ может быть вычислен по формуле Шаблон:Eq Шаблон:Noindent

$\phi (x)=F(x)+C$; $\phi (a)=F(a)+C,\phi (b)=F(b)+C$, $\phi (b)-\phi (a)=F(b)-F(a)$ $\underset{a}{\overset{b}{\int }}f(x)dx=\phi (b)-\phi (a)$.

Независимость определенного интеграла от той функции из числа первообразных, которую мы выбираем, следует и из того, что площадь между двумя определенными ординатами не зависит от положения третьей ординаты, принятой за начало счета площадей. — И. исчисление разделяется на следующие большие отделы:

I. Интегрирование функций. Здесь излагаются приемы для нахождения по заданной функции ее первообразной, другими словами — нахождение неопределенного интеграла от заданной функции. — Прежде всего необходимо заметить, что знаки дифференцирования и интегрирования друг друга уничтожают, т. е.

$d\int f(x)dx=f(x)dx$ и $\int df(x)=f(x)+C$. $\int af(x)dx=a\int f(x)dx$; $d(x^a)=a{x}^{a-1}dx$. $\int d(x^a)=\int a{x}^{a-1}dx=a\int x^{a-1}dx$ $x^a+C=a\int x^{a-1}dx$ $\int x^{a-1}dx=\frac{x^a}{a}+C$ $\int x^{a}dx=\frac{x^{a+1}}{a+1}+C$. $\int \frac{dx}{x}=\lg x+C$.

1)	$\int x^a.dx=\frac{x^{a+1}}{a+1}+C$
2)	$\int \frac{dx}{x}=\lg x+C$
3)	$\int e^{x}dx=e^x+C$
4)	$\int a^x.dx=\frac{a^x}{\lg a}+C$
5)	$\int \sin x.dx=-\cos x+C$
6)	$\int \cos x.dx=\sin x+C$
7)	$\int \frac{dx}{{\cos }^{2}x}=\mathrm{t}\mathrm{g}x+C$
8)	$\int \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin x+C$
9)	$\int \frac{dx}{1+x^2}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x+C$

Из этой таблички видно, что интегралы от весьма простых алгебраических функций

$\int \frac{dx}{x}$, $\int \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}$ и $\int \frac{dx}{1+x^2}$

Шаблон:Noindentвыражаются трансцендентными функциями:

$\lg x$, $\arcsin x$ и $\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x$.

Изыскивая же правила для интегрирования более сложных функций, уже первые исследователи в области И. исчисления заметили, что только интегралы немногих функций вообще представляются в конечном виде; для огромного же большинства функций их первообразные представляют новые виды функций, изучение которых и составляет обширное и еще мало разработанное поле исследований. К числу таких новых трансцендентных принадлежат так называемые эллиптические интегралы, теория которых в настоящее время уже хорошо разработана и получила большие приложения. Интегрирование же функций более сложных состоит пока из отдельных попыток, причем рядом преобразований стремятся свести интегрирование рассматриваемой функции к интегрированию функций, помещенных в табличке простейших. Эта часть И. исчисления доставила, однако, весьма важные результаты; так, например, известно, что интеграл от всякой рациональной функции выражается в конечном виде, т. е. при помощи конечного числа знаков функций, встречающихся уже в элементарной математике. Из числа иррациональных функций заслуживает особенного внимания случай, когда иррациональность подынтегральной функции состоит или из дробных степеней переменного независимого, или же представляет квадратный корень из многочлена, степени не выше второй. В этих случаях интегрирование также совершается в конечном виде. Известны, наконец, некоторые интегрируемые классы функций трансцендентных. К числу упомянутых выше основных преобразований относятся:

1) разложение интеграла на части по формуле: Шаблон:Eq 2) введение новой переменной, по формулам: Шаблон:Eq Шаблон:Noindent

$\int f(x)dx=\int f[\phi (t)]{\phi }^{\prime }(t)dt$

и 3) интегрирование по частям по формуле: Шаблон:Eq II. Теория определенных и кратных интегралов. Сюда относятся исследования и нахождения определенных интегралов в тех случаях, когда неопределенный интеграл весьма трудно или вовсе нельзя выразить через известные функции, а потому тут излагаются приемы, дающие возможность вычислять определенные интегралы не пользуясь основной формулой (*); здесь также обобщается понятие об определенном интеграле на случай нескольких независимых переменных.

III. Геометрические приложения интегрального исчисления. В этом отделе рассматриваются четыре основные задачи: 1) квадратура площадей, ограниченных кривыми линиями, 2) вычисление длин дуг кривых линий, 3) вычисление объемов (кубатура) тел, ограниченных кривыми поверхностями, и 4) вычисление площадей криволинейных поверхностей в некоторых контурах, проведенных на этих поверхностях.

Шаблон:Inline float Чтобы дать понятие о геометрических приложениях И. исчисления, а равно о кратных интегралах, рассмотрим задачу об определении объема тел, ограниченных кривыми поверхностями. Такой объем $U$ (черт. 5) можно рассматривать как сумму параллелепипедов, составленных приращениями координат $\mathrm{\Delta }x,\mathrm{\Delta }y$ и $\mathrm{\Delta }z$, распространенную на все пространство, ограниченное заданной поверхностью.

Отсюда общая формула для объема будет:

$U=$ пред. $\sum \mathrm{\Delta }x\mathrm{\Delta }y\mathrm{\Delta }z$

Этот предел обозначается тройным интегралом

$U=\iiint dxdydz$,

Полученная выше формула квадратур $\int ydx$ может быть написана также в виде двойного интеграла

$\iint dx.dy$, $\underset{0}{\overset{y}{\int }}dy=y$.

IV. Интегрирование дифференциальных уравнений (см.).

Исторический очерк развития И. исчисления см. Математика. Укажем здесь еще классические сочинения и руководства по этому предмету. Полная система интегрального исчисления в том виде, как оно излагается в настоящее время, находится в знаменитом трактате Эйлера «Institutiones calculi integralis» (СПб., 4 тома). Затем укажем на Коши: «Oeuvres complètes», Бертрана: «Traité de calcul différentiel et de calcul intégral» (2 тома), Ceppe: «Cours de calcul différentiel et intégral» (2 тома), Поссе: «Курс интегрального исчисления» (СПб., 1891 г.), и курсы, указанные в конце статьи Дифференциальное исчисление (т. X, стр. 705).