และแคลคูลัสอินทิกรัลในการแก้ปัญหาทางกายภาพ” มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาวิชาฟิสิกส์โดยอาศัยการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์
หลักสูตรนี้จะเพิ่มเนื้อหาในหลักสูตรพีชคณิตและการวิเคราะห์ให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในเกรด 10 และ 11 และเผยให้เห็นโอกาสในการรวมเนื้อหาเชิงปฏิบัติในหัวข้อที่รวมอยู่ในหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน ต่อไปนี้เป็นหัวข้อ “กลศาสตร์” “ไฟฟ้าสถิต” “อุณหพลศาสตร์” ในวิชาฟิสิกส์ และบางหัวข้อในพีชคณิตและจุดเริ่มต้นของการวิเคราะห์ เป็นผลให้วิชาเลือกนี้ใช้การเชื่อมโยงสหวิทยาการของพีชคณิตและการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์กับฟิสิกส์
วัตถุประสงค์ของวิชาเลือก
1. ทางการศึกษา: ดำเนินการเสริมเชิงปฏิบัติในหัวข้อ "กลศาสตร์", "ไฟฟ้าสถิต", "อุณหพลศาสตร์" แสดงให้เห็นถึงการดำเนินการของการเชื่อมโยงสหวิทยาการระหว่างการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์และฟิสิกส์
2. การศึกษา: การสร้างเงื่อนไขสำหรับความสำเร็จในการตัดสินใจด้วยตนเองอย่างมืออาชีพของนักเรียนโดยการแก้ปัญหาที่ยากลำบาก การเลี้ยงดูโลกทัศน์และคุณสมบัติส่วนบุคคลหลายประการ ผ่านการศึกษาฟิสิกส์เชิงลึก
3. พัฒนาการ: การขยายขอบเขตของนักเรียน การพัฒนาการคิดทางคณิตศาสตร์ การสร้างความสนใจทางปัญญาในวิชานี้ การพัฒนาความสนใจในวิชาชีพของนักเรียน การพัฒนาทักษะอิสระและการวิจัย การพัฒนาการไตร่ตรองของนักเรียน (การรับรู้ถึงความโน้มเอียงและความสามารถที่จำเป็นสำหรับกิจกรรมทางวิชาชีพในอนาคต ).
ตัวอย่างการแก้ปัญหาทางฟิสิกส์โดยใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์
การประยุกต์ใช้ที่แตกต่างกัน แคลคูลัสในการแก้ปัญหาบางอย่างในกลศาสตร์
1. งาน.ลองหางานที่ทำโดยแรงที่กำหนด เอฟ เมื่อเคลื่อนที่ไปตามส่วนของแกน เอ็กซ์ถ้าความแข็งแกร่ง เอฟ คงที่แล้วก็ทำงาน กเท่ากับสินค้า เอฟ สำหรับความยาวของเส้นทาง หากแรงเปลี่ยนแปลงก็ถือเป็นฟังก์ชันของ เอ็กซ์:เอฟ = เอฟ(x). งานเพิ่ม กบนส่วน [เอ็กซ์,x+ ดีเอ็กซ์] ไม่สามารถคำนวณเป็นผลิตภัณฑ์ได้อย่างแน่นอน เอฟ(x) ดีเอ็กซ์, เนื่องจากแรงเปลี่ยนแปลงในส่วนนี้ แต่ด้วยความที่มีขนาดเล็ก ดีเอ็กซ์ เราสามารถสรุปได้ว่าแรงเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยและผลิตภัณฑ์แสดงถึงส่วนหลักนั่นคือมันคือส่วนต่างของงาน ( ดีเอ = = เอฟ(x) ดีเอ็กซ์). ดังนั้นแรงจึงถือได้ว่าเป็นอนุพันธ์ของงานเกี่ยวกับการกระจัด
2. ค่าใช้จ่าย.อนุญาต ถาม - ประจุที่ถ่ายโอนด้วยกระแสไฟฟ้าผ่านหน้าตัดของตัวนำในช่วงเวลาหนึ่ง ที. หากความแรงของกระแส / คงที่แสดงว่าทันเวลา dt กระแสไฟฟ้าจะมีประจุเท่ากับ รหัสประจำตัว. เมื่อความแรงของกระแสเปลี่ยนแปลงตามเวลาตามกฎหมาย / = /(/) สินค้า ฉัน(ที) dt ให้ส่วนหลักของการชาร์จเพิ่มขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ [ ที, ที+- dt], กล่าวคือ - คือส่วนต่างประจุ: ดีคิว = ฉัน(ที) dt. ดังนั้นกระแสจึงเป็นอนุพันธ์ของเวลาของประจุ
3. มวลของแท่งบางๆให้มีแท่งบางไม่สม่ำเสมอ หากกรอกพิกัดตามภาพ 130 แล้วฟังก์ชัน เสื้อ= เสื้อ(1)- มวลของท่อนไม้จากจุดหนึ่ง เกี่ยวกับชี้ /. ความหลากหลายของแท่งหมายความว่าความหนาแน่นเชิงเส้นไม่คงที่ แต่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของจุด / ตามกฎหมายบางข้อ p = p(/) ถ้าเราสมมุติส่วนเล็กๆ ของแท่งว่าความหนาแน่นคงที่และเท่ากับ p(/) แล้วผลคูณ p(/)d/ จะให้ค่ามวลที่ต่างกัน DM. ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นเชิงเส้นเป็นอนุพันธ์ของมวลเทียบกับความยาว
4. ความร้อน.ลองพิจารณากระบวนการให้ความร้อนแก่สารและคำนวณปริมาณความร้อน ถาม{ ต), ซึ่งจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่สาร 1 กิโลกรัม ตั้งแต่ 0 °C ถึง ต.ติดยาเสพติด ถาม= ถาม(ต) ซับซ้อนมากและถูกกำหนดโดยการทดลอง ถ้าความจุความร้อน กับของสารนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแล้วผลิตภัณฑ์ ซีดีที จะทำให้ปริมาณความร้อนเปลี่ยนแปลงไป นับเฉพาะส่วนเล็กๆ [ ต, ต+ ดีที] ความจุความร้อนคงที่ เราจะได้ปริมาณความร้อนส่วนต่าง ดีคิว = ค(ต) ดีที. ดังนั้นความจุความร้อนจึงเป็นอนุพันธ์ของความร้อนเทียบกับอุณหภูมิ
5. กลับไปทำงาน.พิจารณาการทำงานเป็นฟังก์ชันของเวลา เรารู้ถึงลักษณะของงานที่เป็นตัวกำหนดความเร็วเมื่อเวลาผ่านไป - นี่คือพลัง เมื่อทำงานโดยใช้พลังงานคงที่ เอ็นทำงานเพื่อเวลา dt เท่ากับ Ndt. สำนวนนี้แสดงถึงส่วนต่างของงาน เช่น ดีเอ = เอ็น(ที) dt, และอำนาจทำหน้าที่เป็นอนุพันธ์ของงานเทียบกับเวลา
ตัวอย่างทั้งหมดที่ให้มาถูกสร้างขึ้นตามหลักการเดียวกับที่เราคุ้นเคยจากหลักสูตรฟิสิกส์: งาน การกระจัด แรง; ประจุ, เวลา, กระแส; มวล ความยาว ความหนาแน่นเชิงเส้น เป็นต้น แต่ละครั้งหนึ่งในปริมาณเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนระหว่างส่วนต่างของอีกสองค่า นั่นคือ แต่ละครั้งที่ความสัมพันธ์ของรูปแบบ dy = เค(x) ดีเอ็กซ์. ความสัมพันธ์นี้สามารถใช้เป็นแนวทางในการกำหนดค่าได้ เค(x). แล้ว เค(x) พบ (หรือกำหนด) เป็นอนุพันธ์ ที่โดย เอ็กซ์เราบันทึกข้อสรุปนี้ไว้ในแต่ละตัวอย่าง การกำหนดคำถามแบบย้อนกลับก็เป็นไปได้เช่นกัน: วิธีค้นหาการพึ่งพา ที่จาก เอ็กซ์จากความสัมพันธ์ที่กำหนดระหว่างดิฟเฟอเรนเชียล
การประยุกต์อินทิกรัลจำกัดขอบเขตในการแก้ปัญหาบางประการทางกลศาสตร์
1.โมเมนต์และจุดศูนย์กลางมวลของเส้นโค้งระนาบ ถ้าส่วนโค้งถูกกำหนดโดยสมการ ย= ฉ(x), ก≤ x≤ ขและมีความหนาแน่น = (x) แล้วโมเมนต์คงที่ของส่วนโค้งนี้ มและ ของฉันสัมพันธ์กับแกนพิกัด วัวและ โอคุณเท่าเทียมกัน
https://pandia.ru/text/80/201/images/image004_89.gif" width="215" height="101 src=">และพิกัดจุดศูนย์กลางมวลและ - ตามสูตร ที่ไหน ล- มวลส่วนโค้งเช่น
2. งานทางกายภาพ การประยุกต์อินทิกรัลจำกัดจำนวนบางประการในการแก้ปัญหาทางกายภาพมีการแสดงไว้ในตัวอย่างด้านล่างนี้
ความเร็วของการเคลื่อนไหวร่างกายเป็นเส้นตรงแสดงโดยสูตร (m/s) ค้นหาเส้นทางที่ร่างกายเดินทางใน 5 วินาทีนับจากเริ่มการเคลื่อนไหว
เนื่องจากเส้นทางถูกปกคลุมไปด้วยร่างกายด้วยความเร็ว ( ที) เป็นระยะเวลาหนึ่ง แสดงด้วยอินทิกรัล แล้วเราจะได้:
สมการการเคลื่อนที่ทางกลให้วัตถุมีจุดมวล ตเคลื่อนไหวภายใต้อิทธิพลของกำลัง เอฟ ตามแนวแกน เอ็กซ์มาแสดงกันเถอะ ที เวลาที่มันเคลื่อนไหว และ- ความเร็ว, ก- การเร่งความเร็ว กฎข้อที่สองของนิวตัน, กม = เอฟ จะอยู่ในรูปของสมการเชิงอนุพันธ์ถ้าเราเขียนความเร่งลงไป กเป็นอนุพันธ์อันดับสอง: ก= x’’.
วางแผน
1. ประวัติความเป็นมาของแคลคูลัสอินทิกรัล
2. ความหมายและคุณสมบัติของอินทิกรัล
3. สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง
4. คุณสมบัติของอินทิกรัลจำกัดเขต
5. ชุดรูปภาพมาตรฐาน
6. การประยุกต์อินทิกรัล
ประวัติความเป็นมาของแคลคูลัสอินทิกรัล
ประวัติความเป็นมาของแนวคิดอินทิกรัลมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับปัญหาการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส นักคณิตศาสตร์ของกรีกโบราณและโรมเรียกปัญหาเกี่ยวกับการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของรูปแบนรูปใดรูปหนึ่งเพื่อคำนวณพื้นที่ คำภาษาละติน quadratura แปลว่า "กำลังสอง" ความจำเป็นในการใช้คำศัพท์พิเศษอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในสมัยโบราณ (และต่อมาจนถึงศตวรรษที่ 18) แนวคิดเกี่ยวกับจำนวนจริงยังไม่ได้รับการพัฒนาเพียงพอ นักคณิตศาสตร์ดำเนินการโดยใช้เรขาคณิตที่คล้ายคลึงกันหรือปริมาณสเกลาร์ซึ่งไม่สามารถคูณได้ ดังนั้นจึงต้องกำหนดปัญหาในการหาพื้นที่ เช่น “สร้างสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีขนาดเท่ากับวงกลมที่กำหนด” (โจทย์สุดคลาสสิคนี้ “เรื่องการยกกำลังสองวงกลม”
วงกลม" ไม่สามารถแก้ได้โดยใช้เข็มทิศและไม้บรรทัด)
สัญลักษณ์ ò ถูกนำมาใช้โดยไลบ์นิซ (1675) เครื่องหมายนี้เป็นการดัดแปลงอักษรละติน S (อักษรตัวแรกของคำว่า summa) คำว่าอินทิกรัลนั้นถูกประดิษฐ์ขึ้นโดย J. Bernulli (1690) อาจมาจากภาษาละตินจำนวนเต็มซึ่งแปลว่าการนำไปสู่สถานะก่อนหน้าและการฟื้นฟู (แท้จริงแล้ว การดำเนินการของอินทิกรัล "คืนค่า" ฟังก์ชันโดยการแยกความแตกต่างว่าได้รับอินทิกรัลใดมา) บางทีที่มาของคำว่าอินทิกรัลอาจแตกต่างกันไป คำว่าจำนวนเต็มหมายถึงจำนวนเต็ม
ในระหว่างการติดต่อกัน I. Bernoulli และ G. Leibniz เห็นด้วยกับข้อเสนอของ J. Bernoulli ในเวลาเดียวกันในปี 1696 ชื่อของสาขาคณิตศาสตร์ใหม่ก็ปรากฏขึ้น - แคลคูลัสอินทิกรัล (แคลคูลัสอินทิกรัลลิส) ซึ่งได้รับการแนะนำโดย I. Bernoulli
คำศัพท์อื่นๆ ที่รู้จักกันดีที่เกี่ยวข้องกับแคลคูลัสเชิงปริพันธ์ปรากฏในภายหลังมาก ชื่อที่ใช้อยู่ในปัจจุบันคือ ฟังก์ชันดั้งเดิม แทนที่ "ฟังก์ชันดั้งเดิม" ก่อนหน้านี้ ซึ่งเปิดตัวโดย Lagrange (1797) คำภาษาละติน primitivus แปลว่า "เริ่มต้น": F(x) = ò f(x)dx - ชื่อย่อ (หรือต้นฉบับ หรือแอนติเดริเวทีฟ) สำหรับ f(x) ซึ่งได้มาจาก F(x) โดยการหาความแตกต่าง
ในวรรณคดีสมัยใหม่ เซตของแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดสำหรับฟังก์ชัน f(x) เรียกอีกอย่างว่าอินทิกรัลไม่จำกัด แนวคิดนี้เน้นโดยไลบ์นิซ ซึ่งตั้งข้อสังเกตว่าฟังก์ชันแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดแตกต่างกันตามค่าคงที่ที่กำหนดเอง ข
เรียกว่าอินทิกรัลจำกัด (ชื่อนี้ริเริ่มโดยซี. ฟูเรียร์ (ค.ศ. 1768-1830) แต่ออยเลอร์ได้ระบุขีดจำกัดของการอินทิเกรตไว้แล้ว)
ความสำเร็จที่สำคัญหลายประการของนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกโบราณในการแก้ปัญหาการค้นหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (เช่นการคำนวณพื้นที่) ของตัวเลขเครื่องบินรวมถึงลูกบาศก์ (การคำนวณปริมาตร) ของร่างกายเกี่ยวข้องกับการใช้วิธีหมดแรงที่เสนอโดย Eudoxus of Cnidus (c . 408 - ประมาณ 355 ปีก่อนคริสตกาล .e.) โดยใช้วิธีนี้ Eudoxus พิสูจน์ว่าพื้นที่ของวงกลมสองวงมีความสัมพันธ์กันเป็นกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลาง และปริมาตรของกรวยเท่ากับ 1/3 ของปริมาตรของทรงกระบอกที่มีฐานและความสูงเท่ากัน
วิธีการของ Eudoxus ได้รับการปรับปรุงโดย Archimedes ขั้นตอนหลักที่แสดงลักษณะวิธีการของอาร์คิมิดีส: 1) พิสูจน์ได้ว่าพื้นที่ของวงกลมนั้นน้อยกว่าพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมปกติใด ๆ ที่อธิบายไว้รอบ ๆ แต่มากกว่าพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมที่ถูกจารึกไว้ 2) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเมื่อเพิ่มจำนวนด้านเป็นสองเท่าอย่างไม่จำกัด ความแตกต่างในพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ 3) ในการคำนวณพื้นที่ของวงกลม ยังคงต้องหาค่าที่อัตราส่วนของพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมปกติมีแนวโน้มเมื่อจำนวนด้านเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าไม่จำกัด
อาร์คิมิดีสใช้วิธีหมดแรงและข้อพิจารณาอันชาญฉลาดอื่นๆ หลายประการ (รวมถึงการใช้แบบจำลองทางกลศาสตร์) สามารถแก้ปัญหาได้มากมาย เขาให้ค่าประมาณของจำนวน p (3.10/71
อาร์คิมิดีสคาดการณ์แนวคิดหลายประการเกี่ยวกับแคลคูลัสอินทิกรัลไว้ (เราเสริมว่าในทางปฏิบัติเขาพิสูจน์ทฤษฎีบทแรกเกี่ยวกับขีดจำกัดแล้ว) แต่ต้องใช้เวลานานกว่าหนึ่งพันห้าพันปีก่อนที่แนวคิดเหล่านี้จะแสดงออกอย่างชัดเจนและถูกนำขึ้นสู่ระดับแคลคูลัส
นักคณิตศาสตร์แห่งศตวรรษที่ 17 ซึ่งได้รับผลลัพธ์ใหม่มากมายได้เรียนรู้จากผลงานของอาร์คิมีดีส อีกวิธีหนึ่งก็ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันเช่นกัน - วิธีการแบ่งแยกไม่ได้ซึ่งมีต้นกำเนิดในสมัยกรีกโบราณด้วย (มีความเกี่ยวข้องเป็นหลักกับมุมมองแบบอะตอมมิกของพรรคเดโมคริตุส) ตัวอย่างเช่น พวกเขาจินตนาการถึงสี่เหลี่ยมคางหมูส่วนโค้ง (รูปที่ 1, a) ที่ประกอบด้วยส่วนแนวตั้งที่มีความยาว f(x) ซึ่งพวกเขายังคงกำหนดพื้นที่ให้เท่ากับค่าที่น้อยที่สุด f(x)dx ตามความเข้าใจนี้ พื้นที่ที่ต้องการจะถือว่าเท่ากับผลรวม
พื้นที่ขนาดเล็กอนันต์จำนวนมากอย่างไม่สิ้นสุด บางครั้งก็เน้นย้ำด้วยซ้ำว่าแต่ละพจน์ในผลรวมนี้เป็นศูนย์ แต่เป็นศูนย์ชนิดพิเศษซึ่งเมื่อบวกกับจำนวนอนันต์แล้ว จะให้ผลรวมบวกที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน
บนพื้นฐานที่ดูน่าสงสัยในขณะนี้ เจ. เคปเลอร์ (1571-1630) ในงานเขียนของเขาเรื่อง "ดาราศาสตร์ใหม่"
(1609) และ “สามมิติของถังไวน์” (1615) คำนวณพื้นที่จำนวนหนึ่งอย่างถูกต้อง (เช่น พื้นที่ของร่างที่ล้อมรอบด้วยวงรี) และปริมาตร (ร่างกายถูกตัดเป็นแผ่นบางเฉียบ 6 แผ่น) การศึกษาเหล่านี้ดำเนินต่อไปโดยนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี B. Cavalieri (1598-1647) และ E. Torricelli (1608-1647) หลักการที่กำหนดโดย B. Cavalieri ซึ่งแนะนำโดยเขาภายใต้สมมติฐานเพิ่มเติมบางประการ ยังคงมีความสำคัญในยุคของเรา
ปล่อยให้จำเป็นต้องหาพื้นที่ของรูปที่แสดงในรูปที่ 1,b โดยที่เส้นโค้งที่ล้อมรอบรูปด้านบนและด้านล่างมีสมการ y = f(x) และ y=f(x)+c
เมื่อจินตนาการถึงรูปร่างที่ประกอบด้วยคอลัมน์ที่ "แบ่งแยกไม่ได้" ตามศัพท์เฉพาะของคาวาเลียรี ซึ่งเป็นคอลัมน์ที่บางเป็นอนันต์ เราสังเกตเห็นว่าคอลัมน์ทั้งหมดมีความยาวรวม c เมื่อเคลื่อนพวกมันไปในแนวตั้ง เราก็จะสามารถสร้างพวกมันเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีฐาน b-a และความสูง c ได้ ดังนั้นพื้นที่ที่ต้องการจะเท่ากับพื้นที่ของสี่เหลี่ยมผลลัพธ์นั่นคือ
ส = S1 = ค (ข – ก)
หลักการทั่วไปของ Cavalieri สำหรับพื้นที่ของรูปทรงเครื่องบินมีสูตรดังนี้: ให้เส้นของดินสอแนวขนานตัดกันตัวเลข Ф1 และ Ф2 ตามส่วนที่มีความยาวเท่ากัน (รูปที่ 1c) ดังนั้นพื้นที่ของรูป F1 และ F2 จะเท่ากัน
หลักการที่คล้ายกันนี้ทำงานในสามมิติและมีประโยชน์ในการหาปริมาตร
ในศตวรรษที่ 17 มีการค้นพบมากมายที่เกี่ยวข้องกับแคลคูลัสอินทิกรัล ดังนั้น ในปี 1629 พี. แฟร์มาต์ได้แก้ปัญหาการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของเส้นโค้งใดๆ y = xn โดยที่ n คือจำนวนเต็ม (นั่นคือ เขาจะได้สูตร ò xndx = (1/n+1)xn+1) และ บนพื้นฐานนี้ได้แก้ไขปัญหาต่างๆ เพื่อค้นหาจุดศูนย์ถ่วง I. เคปเลอร์เมื่อสรุปกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์อันโด่งดังของเขานั้นจริง ๆ แล้วอาศัยแนวคิดเรื่องการบูรณาการโดยประมาณ I. Barrow (1630-1677) ครูของนิวตัน เข้าใกล้ความเข้าใจถึงความเชื่อมโยงระหว่างการบูรณาการและความแตกต่าง งานแสดงฟังก์ชันในรูปแบบของอนุกรมกำลังมีความสำคัญอย่างยิ่ง
วลาดิมีร์ 2545
มหาวิทยาลัยแห่งรัฐ Vladimir ภาควิชาฟิสิกส์ทั่วไปและประยุกต์
การแนะนำ
สัญลักษณ์อินทิกรัลถูกนำมาใช้ในปี 1675 และมีการศึกษาคำถามเกี่ยวกับแคลคูลัสอินทิกรัลมาตั้งแต่ปี 1696 แม้ว่านักคณิตศาสตร์จะศึกษาอินทิกรัลเป็นหลัก แต่นักฟิสิกส์ก็มีส่วนสนับสนุนวิทยาศาสตร์นี้เช่นกัน แทบจะไม่มีสูตรทางฟิสิกส์ใดที่สามารถทำได้หากไม่มีแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และอินทิกรัล ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจสำรวจอินทิกรัลและการประยุกต์ของมัน
ประวัติความเป็นมาของแคลคูลัสอินทิกรัล
ประวัติความเป็นมาของแนวคิดอินทิกรัลมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับปัญหาการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส นักคณิตศาสตร์ของกรีกโบราณและโรมเรียกปัญหาเกี่ยวกับการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของรูปแบนรูปใดรูปหนึ่งเพื่อคำนวณพื้นที่ คำภาษาละติน quadratura แปลว่า "กำลังสอง" ความจำเป็นในการใช้คำศัพท์พิเศษอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในสมัยโบราณ (และต่อมาจนถึงศตวรรษที่ 18) แนวคิดเกี่ยวกับจำนวนจริงยังไม่ได้รับการพัฒนาเพียงพอ นักคณิตศาสตร์ดำเนินการโดยใช้เรขาคณิตที่คล้ายคลึงกันหรือปริมาณสเกลาร์ซึ่งไม่สามารถคูณได้ ดังนั้นจึงต้องกำหนดปัญหาในการหาพื้นที่ เช่น “สร้างสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีขนาดเท่ากับวงกลมที่กำหนด” (ดังที่เรารู้กันว่าปัญหาคลาสสิก “เรื่องกำลังสองของวงกลม” ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยความช่วยเหลือของเข็มทิศและไม้บรรทัด)
สัญลักษณ์ ò ถูกนำมาใช้โดยไลบ์นิซ (1675) เครื่องหมายนี้เป็นการดัดแปลงตัวอักษรละติน S (อักษรตัวแรกของคำว่า summ a) คำว่าอินทิกรัลนั้นถูกประดิษฐ์ขึ้นโดย J. Bernulli (1690) อาจมาจากภาษาละตินจำนวนเต็ม ซึ่งแปลว่า นำไปสู่สถานะก่อนหน้า เพื่อฟื้นฟู (แท้จริงแล้ว การดำเนินการของอินทิกรัล "คืนค่า" ฟังก์ชันโดยการแยกความแตกต่างว่าได้รับอินทิกรัลใดมา) บางทีที่มาของคำว่าอินทิกรัลอาจแตกต่างกันไป คำว่าจำนวนเต็มหมายถึงจำนวนเต็ม
ในระหว่างการติดต่อกัน I. Bernoulli และ G. Leibniz เห็นด้วยกับข้อเสนอของ J. Bernoulli ในเวลาเดียวกันในปี 1696 ชื่อของสาขาคณิตศาสตร์ใหม่ก็ปรากฏขึ้น - แคลคูลัสอินทิกรัล (แคลคูลัสอินทิกรัลลิส) ซึ่งได้รับการแนะนำโดย I. Bernoulli
คำศัพท์อื่นๆ ที่รู้จักกันดีที่เกี่ยวข้องกับแคลคูลัสเชิงปริพันธ์ปรากฏในภายหลังมาก ชื่อ "ฟังก์ชันดั้งเดิม" ซึ่งปัจจุบันใช้อยู่ ได้เข้ามาแทนที่ "ฟังก์ชันดั้งเดิม" ก่อนหน้านี้ ซึ่งเปิดตัวโดย Lagrange (1797) คำภาษาละติน primitivus แปลว่า "เริ่มต้น": F(x) = ò f(x)dx - ชื่อย่อ (หรือต้นฉบับ หรือดั้งเดิม) สำหรับ f (x) ซึ่งได้มาจาก F(x) โดยการสร้างความแตกต่าง
ในวรรณคดีสมัยใหม่ เซตของแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดสำหรับฟังก์ชัน f(x) เรียกอีกอย่างว่าอินทิกรัลไม่จำกัด แนวคิดนี้เน้นโดยไลบ์นิซ ซึ่งสังเกตเห็นว่าฟังก์ชันแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดแตกต่างกันตามค่าคงที่ใดๆ ข
เรียกว่าอินทิกรัลจำกัด (ชื่อนี้ริเริ่มโดยซี. ฟูเรียร์ (ค.ศ. 1768-1830) แต่ออยเลอร์ได้ระบุขีดจำกัดของการอินทิเกรตไว้แล้ว)
ความสำเร็จที่สำคัญหลายประการของนักคณิตศาสตร์ของกรีกโบราณในการแก้ปัญหาการค้นหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (เช่นการคำนวณพื้นที่) ของตัวเลขเครื่องบินรวมถึงลูกบาศก์ (การคำนวณปริมาตร) ของร่างกายเกี่ยวข้องกับการใช้วิธีการอ่อนล้าที่เสนอโดย Eudoxus of Cnidus ( ค. 408 - ประมาณ 355 ปีก่อนคริสตกาล .e.) โดยใช้วิธีนี้ Eudoxus พิสูจน์ว่าพื้นที่ของวงกลมสองวงมีความสัมพันธ์กันเป็นกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลาง และปริมาตรของกรวยเท่ากับ 1/3 ของปริมาตรของทรงกระบอกที่มีฐานและความสูงเท่ากัน
วิธีการของ Eudoxus ได้รับการปรับปรุงโดย Archimedes ขั้นตอนหลักที่แสดงลักษณะวิธีการของอาร์คิมิดีส: 1) พิสูจน์ได้ว่าพื้นที่ของวงกลมนั้นน้อยกว่าพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมปกติใด ๆ ที่อธิบายไว้รอบ ๆ แต่มากกว่าพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมที่ถูกจารึกไว้ 2) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเมื่อเพิ่มจำนวนด้านเป็นสองเท่าอย่างไม่จำกัด ความแตกต่างในพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ 3) ในการคำนวณพื้นที่ของวงกลม ยังคงต้องหาค่าที่อัตราส่วนของพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมปกติมีแนวโน้มเมื่อจำนวนด้านเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าไม่จำกัด
อาร์คิมิดีสใช้วิธีหมดแรงและข้อพิจารณาอันชาญฉลาดอื่นๆ หลายประการ (รวมถึงการใช้แบบจำลองทางกลศาสตร์) สามารถแก้ปัญหาได้มากมาย เขาให้ค่าประมาณของจำนวน p (3.10/71
อาร์คิมิดีสคาดการณ์แนวคิดหลายประการเกี่ยวกับแคลคูลัสอินทิกรัลไว้ (เราเสริมว่าในทางปฏิบัติเขาพิสูจน์ทฤษฎีบทแรกเกี่ยวกับขีดจำกัดแล้ว) แต่ต้องใช้เวลานานกว่าหนึ่งพันห้าพันปีก่อนที่แนวคิดเหล่านี้จะแสดงออกอย่างชัดเจนและถูกนำขึ้นสู่ระดับแคลคูลัส
นักคณิตศาสตร์แห่งศตวรรษที่ 17 ซึ่งได้รับผลลัพธ์ใหม่มากมายได้เรียนรู้จากผลงานของอาร์คิมีดีส อีกวิธีหนึ่งก็ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันเช่นกัน - วิธีการแบ่งแยกไม่ได้ซึ่งมีต้นกำเนิดในสมัยกรีกโบราณด้วย (มีความเกี่ยวข้องเป็นหลักกับมุมมองแบบอะตอมมิกของพรรคเดโมคริตุส) ตัวอย่างเช่น พวกเขาจินตนาการถึงรูปทรงสี่เหลี่ยมคางหมูส่วนโค้ง (รูปที่ 1, a) ที่ประกอบด้วยส่วนแนวตั้งที่มีความยาว f(x) ซึ่งถึงกระนั้นพวกเขาก็กำหนดพื้นที่ให้เท่ากับค่าที่น้อยที่สุด f(x)dx ตามความเข้าใจนี้ พื้นที่ที่ต้องการจะถือว่าเท่ากับผลรวม
พื้นที่ขนาดเล็กอนันต์จำนวนมากอย่างไม่สิ้นสุด บางครั้งก็เน้นย้ำด้วยซ้ำว่าแต่ละพจน์ในผลรวมนี้เป็นศูนย์ แต่เป็นศูนย์ชนิดพิเศษซึ่งเมื่อบวกกับจำนวนอนันต์แล้ว จะให้ผลรวมบวกที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน
บนพื้นฐานที่ดูน่าสงสัยในขณะนี้ เจ. เคปเลอร์ (1571-1630) ในงานเขียนของเขาเรื่อง "ดาราศาสตร์ใหม่"
(1609) และ “สามมิติของถังไวน์” (1615) คำนวณพื้นที่จำนวนหนึ่งอย่างถูกต้อง (เช่น พื้นที่ของร่างที่ล้อมรอบด้วยวงรี) และปริมาตร (ร่างกายถูกตัดเป็นแผ่นบางเฉียบ 6 แผ่น) การศึกษาเหล่านี้ดำเนินต่อไปโดยนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี B. Cavalieri (1598-1647) และ E. Torricelli (1608-1647) หลักการที่กำหนดโดย B. Cavalieri ซึ่งแนะนำโดยเขาภายใต้สมมติฐานเพิ่มเติมบางประการ ยังคงมีความสำคัญในยุคของเรา
ปล่อยให้จำเป็นต้องหาพื้นที่ของรูปที่แสดงในรูปที่ 1,b โดยที่เส้นโค้งที่ล้อมรอบรูปด้านบนและด้านล่างมีสมการ y = f(x) และ y=f(x)+c
เมื่อจินตนาการถึงรูปร่างที่ประกอบด้วยคอลัมน์ที่ "แบ่งแยกไม่ได้" ตามศัพท์เฉพาะของคาวาเลียรี ซึ่งเป็นคอลัมน์ที่บางเป็นอนันต์ เราสังเกตเห็นว่าคอลัมน์ทั้งหมดมีความยาวรวม c เมื่อเคลื่อนพวกมันไปในแนวตั้ง เราก็จะสามารถสร้างพวกมันเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีฐาน b-a และความสูง c ได้ ดังนั้นพื้นที่ที่ต้องการจะเท่ากับพื้นที่ของสี่เหลี่ยมผลลัพธ์นั่นคือ
ส = S1 = ค (ข – ก)
หลักการทั่วไปของ Cavalieri สำหรับพื้นที่ของรูปทรงเครื่องบินมีสูตรดังนี้: ให้เส้นของดินสอแนวขนานตัดกันตัวเลข Ф1 และ Ф2 ตามส่วนที่มีความยาวเท่ากัน (รูปที่ 1c) ดังนั้นพื้นที่ของรูป F1 และ F2 จะเท่ากัน
หลักการที่คล้ายกันนี้ทำงานในสามมิติและมีประโยชน์ในการหาปริมาตร
ในศตวรรษที่ 17 มีการค้นพบมากมายที่เกี่ยวข้องกับแคลคูลัสอินทิกรัล ดังนั้น ในปี 1629 พี. แฟร์มาต์ได้แก้ปัญหาการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของเส้นโค้งใดๆ y = xn โดยที่ n คือจำนวนเต็ม (นั่นคือ เขาจะได้สูตร ò xndx = (1/n+1)xn+1) และ บนพื้นฐานนี้ได้แก้ไขปัญหาต่างๆ เพื่อค้นหาจุดศูนย์ถ่วง I. เคปเลอร์เมื่อสรุปกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์อันโด่งดังของเขานั้นจริง ๆ แล้วอาศัยแนวคิดเรื่องการบูรณาการโดยประมาณ I. Barrow (1630-1677) ครูของนิวตัน เข้าใกล้ความเข้าใจถึงความเชื่อมโยงระหว่างการบูรณาการและความแตกต่าง งานแสดงฟังก์ชันในรูปแบบของอนุกรมกำลังมีความสำคัญอย่างยิ่ง
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าผลลัพธ์ที่ได้รับจากนักคณิตศาสตร์ผู้สร้างสรรค์อย่างยิ่งยวดหลายคนในศตวรรษที่ 17 จะมีความสำคัญ แต่แคลคูลัสก็ยังไม่มีอยู่จริง จำเป็นต้องเน้นแนวคิดทั่วไปที่เป็นรากฐานของการแก้ปัญหาเฉพาะหลายประการ ตลอดจนสร้างความเชื่อมโยงระหว่างการดำเนินการของการสร้างความแตกต่างและการบูรณาการ ซึ่งให้อัลกอริธึมที่ค่อนข้างทั่วไป สิ่งนี้ทำโดยนิวตันและไลบ์นิซผู้ค้นพบข้อเท็จจริงที่เรียกว่าสูตรนิวตัน-ไลบนิซอย่างอิสระ ในที่สุดวิธีการทั่วไปก็เกิดขึ้น เขายังต้องเรียนรู้ที่จะค้นหาแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันหลายๆ ฟังก์ชัน คำนวณแคลคูลัสเชิงตรรกะใหม่ ฯลฯ แต่สิ่งสำคัญได้ทำไปแล้ว: แคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และอินทิกรัลได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว
วิธีการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันในศตวรรษหน้า (ประการแรกคือชื่อของ L. Euler ซึ่งเสร็จสิ้นการศึกษาอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับการบูรณาการฟังก์ชันเบื้องต้นและควรกล่าวถึง I. Bernoulli) นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย M.V. Ostrogradsky (1801-1862), V.Ya. Bunyakovsky (1804-1889), P.L. Chebyshev (1821-1894) มีส่วนร่วมในการพัฒนาแคลคูลัสอินทิกรัล สิ่งที่สำคัญที่สุดโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือผลลัพธ์ของ Chebyshev ซึ่งพิสูจน์ว่ามีอินทิกรัลที่ไม่สามารถแสดงออกผ่านฟังก์ชันเบื้องต้นได้
การนำเสนอทฤษฎีอินทิกรัลอย่างเข้มงวดปรากฏเฉพาะในศตวรรษที่ผ่านมาเท่านั้น วิธีแก้ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับชื่อของ O. Cauchy หนึ่งในนักคณิตศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน B. Riemann (1826-1866) นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส G. Darboux (1842-1917)
คำตอบสำหรับคำถามมากมายที่เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของพื้นที่และปริมาตรของตัวเลขได้มาจากการสร้างทฤษฎีการวัดโดย C. Jordan (1838-1922)
แนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับอินทิกรัลเมื่อต้นศตวรรษของเราถูกเสนอโดยนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส A. Lebesgue (1875-1941) และ A. Denjoy (1884-1974) ร่วมกับนักคณิตศาสตร์ชาวโซเวียต A. Ya. Khinchin (1894- 2502)
ความหมายและคุณสมบัติของอินทิกรัล
ถ้า F(x) เป็นหนึ่งในแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชัน f(x) บนช่วง J แล้วแอนติเดริเวทีฟในช่วงนี้จะอยู่ในรูปแบบ F(x)+C โดยที่ CОR
คำนิยาม. เซตของแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดของฟังก์ชัน f(x) บนช่วง J เรียกว่าอินทิกรัลจำกัดเขตของฟังก์ชัน f(x) ในช่วงเวลานี้ และเขียนแทนด้วย ò f(x)dx
ò f(x)dx = F(x)+C โดยที่ F(x) คือแอนติเดริเวทีฟบางค่าในช่วง J
f – ฟังก์ชันปริพันธ์, f(x) – นิพจน์ปริพันธ์, x – ตัวแปรอินทิเกรต, C – ค่าคงที่อินทิเกรต
คุณสมบัติของอินทิกรัลไม่ จำกัด
(ò f(x)dx) ¢ = ò f(x)dx ,
ò f(x)dx = F(x)+C โดยที่ F ¢(x) = f(x)
(ò ฉ(x)dx) ¢= (F(x)+C) ¢= ฉ(x)
ò f ¢(x)dx = f(x)+C – จากคำจำกัดความ
ò k f (x) dx = k ò f¢(x) dx
ถ้า k เป็นค่าคงที่และ F ¢(x)=f(x)
ò k f (x)dx = k F(x)dx = k(F(x)dx+C1)= k ò f¢(x)dx
ò (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = ò f(x)dx + ò g(x)dx +...+ ò h(x)dx
ò (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = ò dx =
= ò ¢dx = F(x)+G(x)+...+H(x)+C=
= ò f(x)dx + ò g(x)dx +...+ ò h(x)dx โดยที่ C=C1+C2+C3+...+Cn
บูรณาการ
วิธีการแบบตาราง
วิธีการทดแทน
ถ้าปริพันธ์ไม่ใช่ปริพันธ์ของตาราง ก็เป็นไปได้ที่จะใช้วิธีนี้ (ไม่เสมอไป) ในการทำเช่นนี้คุณต้องมี:
แบ่งปริพันธ์ออกเป็นสองปัจจัย
กำหนดปัจจัยหนึ่งของตัวแปรใหม่
แสดงปัจจัยที่สองผ่านตัวแปรใหม่
สร้างอินทิกรัล ค้นหาค่าของมัน และทำการทดแทนแบบย้อนกลับ
หมายเหตุ: จะดีกว่าถ้ากำหนดตัวแปรใหม่ให้เป็นฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับนิพจน์ที่เหลือ
1. xÖ(3x2–1)dx;
ให้ 3x2–1=t (t³0) หาอนุพันธ์ของทั้งสองข้าง:
o dt 1 1 ó 1 1 t 2 2 1 ---Ø
ô- เสื้อ 2 = - ô เสื้อ 2dt = – --– + C = -Ö 3x2–1 +C
ò บาป x cos 3x dx = ò – t3dt = – – + C
ให้ cos x = t
วิธีแปลงจำนวนเต็มเป็นผลรวมหรือผลต่าง:
ò บาป 3x cos x dx = 1/2 ò (บาป 4x + บาป 2x) dx = 1/8 cos 4x – ¼ cos 2x + C
หรือ x4+3x2+1 หรือ 1 1
โฮ---- dx = ô(x2+2 – --–) dx = - x2 + 2x – อาร์กแทน x + C
x2+1 x2+1 3
หมายเหตุ: เมื่อแก้ตัวอย่างนี้ เป็นการดีที่จะสร้างพหุนามด้วย "มุม"
ในบางส่วน
หากเป็นไปไม่ได้ที่จะหาอินทิกรัลในรูปแบบที่กำหนด แต่ในขณะเดียวกัน การหาแอนติเดริเวทีฟของปัจจัยหนึ่งและอนุพันธ์ของอีกปัจจัยหนึ่งนั้นทำได้ง่ายมาก คุณสามารถใช้สูตรได้
(คุณ(x)วี(x))^=u^(x)วี(x)+u(x)วี(x)
ยู^(x)วี(x)=(ยู(x)วี(x)+u(x)วี^(x)
มาบูรณาการทั้งสองด้านกัน
ò คุณ^(x)v(x)dx=ò (u(x)v(x))^dx – ò คุณ(x)v^(x)dx
ò คุณ^(x)v(x)dx=u(x)v(x)dx – ò คุณ(x)v^(x)dx
ò x cos (x) dx = ò x dsin x = x sin x – ò sin x dx = x sin x + cos x + C
สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง
คำนิยาม. รูปที่ล้อมรอบด้วยกราฟของฟังก์ชันเครื่องหมายคงที่ต่อเนื่อง f(x) แกนแอบซิสซาและเส้นตรง x=a, x=b เรียกว่า สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง
วิธีการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง
ทฤษฎีบท. ถ้า f(x) เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องและไม่เป็นลบบนเซ็กเมนต์ ดังนั้นพื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งที่สอดคล้องกันจะเท่ากับการเพิ่มขึ้นของแอนติเดริเวทีฟ
ให้ไว้: f(x) – indef ต่อเนื่อง ฟังก์ชันxO
พิสูจน์: S = F(b) – F(a) โดยที่ F(x) คือแอนติเดริเวทีฟของ f(x)
การพิสูจน์:
ให้เราพิสูจน์ว่า S(a) เป็นแอนติเดริเวทีฟของ f(x)
ง(ฉ) = ง(ส) =
S^(x0)= lim(S(x0+Dx) – S(x0) / Dx) โดยมี Dx®0 DS – สี่เหลี่ยมผืนผ้า
Dx®0 พร้อมด้าน Dx และ f(x0)
S^(x0) = lim(Dx f(x0) /Dx) = lim f(x0)=f(x0): เพราะว่า x0 คือจุด จากนั้น S(x) –
Dx®0 Dx®0 คือแอนติเดริเวทีฟของ f(x)
ดังนั้น ตามทฤษฎีบทเกี่ยวกับรูปแบบทั่วไปของแอนติเดริเวทีฟ S(x)=F(x)+C
เพราะ S(a)=0 จากนั้น S(a) = F(a)+C
ส = ส(ข)=ฉ(ข)+C = ฉ(ข)–F(ก)
ขีดจำกัดของผลรวมนี้เรียกว่าอินทิกรัลจำกัดเขต
ผลรวมที่ต่ำกว่าขีดจำกัดเรียกว่าผลรวมอินทิกรัล
อินทิกรัลจำกัดขอบเขตคือขีดจำกัดของผลรวมอินทิกรัลในช่วงที่ n®¥ ผลรวมอินทิกรัลจะได้มาจากขีดจำกัดของผลรวมผลคูณของความยาวของเซ็กเมนต์ที่ได้จากการหารโดเมนของคำจำกัดความของฟังก์ชันที่จุดใดก็ได้ในช่วงเวลานี้
a คือขีดจำกัดล่างของการอินทิเกรต
ข - ด้านบน
สูตรนิวตัน-ไลบนิซ
เมื่อเปรียบเทียบสูตรสำหรับพื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งเราสรุปได้:
ถ้า F เป็นแอนติเดริเวทีฟสำหรับ b on แล้ว
ò ฉ(x)dx = F(b)–F(a)
ò f(x)dx = F(x) ô = F(b) – F(a)
คุณสมบัติของอินทิกรัลจำกัดเขต
ò f(x)dx = ò f(z)dz
ò ฉ(x)dx = F(a) – F(a) = 0
ò ฉ(x)dx = – ò ฉ(x)dx
ò f(x)dx = F(a) – F(b) ò f(x)dx = F(b) – F(a) = – (F(a) – F(b))
ถ้า a, b และ c เป็นจุดใดๆ ของช่วง I ซึ่งฟังก์ชันต่อเนื่อง f(x) มีแอนติเดริเวทีฟ แล้ว
ò f(x)dx = ò f(x)dx + ò f(x)dx
F(b) – F(a) = F(c) – F(a) + F(b) – F(c) = F(b) – F(a)
(นี่คือคุณสมบัติบวกของอินทิกรัลจำกัดจำนวน)
ถ้า l และ m เป็นปริมาณคงที่ แล้ว
ò (lf(x) +m j(x))dx = l ò f(x)dx + ม òj(x))dx –
คือสมบัติเชิงเส้นของอินทิกรัลจำกัดเขต
ò (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = ò f(x)dx+ ò g(x)dx+...+ ò h(x)dx
ò (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = (F(b) + G(b) +...+ H(b)) –
– (F(ก) + G(ก) +...+ H(ก)) +C =
F(ข)–F(ก)+C1 +G(ข)–G(ก)+C2+...+H(ข)–H(ก)+Cn=
= ò f(x)dx+ ò g(x)dx+...+ ò h(x)dx
ชุดรูปภาพมาตรฐาน
|
S=ò ฉ(x)dx + ò ก(x)dx |
การประยุกต์ใช้อินทิกรัล
I. ในวิชาฟิสิกส์
งานแห่งกำลัง (A=FScosa, cosa no. 1)
ถ้าแรง F กระทำต่ออนุภาค พลังงานจลน์จะไม่คงที่ ในกรณีนี้ตาม
การเพิ่มขึ้นในพลังงานจลน์ของอนุภาคเมื่อเวลาผ่านไป dt เท่ากับผลคูณสเกลาร์ Fds โดยที่ ds คือการเคลื่อนที่ของอนุภาคในช่วงเวลา dt ขนาด
เรียกว่างานที่ทำโดยแรง F
ปล่อยให้จุดเคลื่อนที่ไปตามแกน OX ภายใต้อิทธิพลของแรง ซึ่งเส้นโครงบนแกน OX เป็นฟังก์ชัน f(x) (f เป็นฟังก์ชันต่อเนื่อง) ภายใต้อิทธิพลของแรง จุดเคลื่อนจากจุด S1(a) ไปยัง S2(b) ลองแบ่งส่วนออกเป็น n ส่วนซึ่งมีความยาวเท่ากัน Dx = (b – a)/n งานที่ทำโดยแรงจะเท่ากับผลรวมของงานที่ทำโดยแรงบนส่วนที่เป็นผลลัพธ์ เพราะ f(x) มีความต่อเนื่อง ดังนั้นสำหรับงานเล็กๆ ที่ทำโดยแรงบนส่วนนี้จะเท่ากับ f(a)(x1–a) ในทำนองเดียวกันในส่วนที่สอง f(x1)(x2–x1) บนส่วนที่ n - f(xn–1)(b–xn–1) ดังนั้นงานจึงเท่ากับ:
A » An = f(a)Dx +f(x1)Dx+...+f(xn–1)Dx=
= ((b–a)/n)(f(a)+f(x1)+...+f(xn–1))
ความเท่าเทียมกันโดยประมาณจะมีค่าที่แน่นอนเท่ากับ n®¥
A = lim [(b–a)/n] (f(a)+...+f(xn–1))= ò f(x)dx (ตามคำจำกัดความ)
ปล่อยให้สปริงที่มีความแข็ง C และความยาว l ถูกบีบอัดให้เหลือครึ่งหนึ่งของความยาว จงหาค่าของพลังงานศักย์ Ep เท่ากับงาน A ที่กระทำโดยแรง –F(s) ความยืดหยุ่นของสปริงระหว่างการบีบอัด จากนั้น
Ep = A= – ò (–F(s)) dx
จากหลักสูตรกลศาสตร์จะทราบได้ว่า F(s) = –Cs
จากที่นี่เราพบว่า
Ep= – ò (–Cs)ds = CS2/2 | = ค/2 ลิตร2/4
คำตอบ: Cl2/8
พิกัดศูนย์กลางมวล
จุดศูนย์กลางของมวลคือจุดที่แรงโน้มถ่วงผลลัพธ์ผ่านไปสำหรับการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของร่างกาย
ปล่อยให้แผ่นวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน o มีรูปร่างเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง (x;y |a£x£b; 0£y£f(x)) และฟังก์ชัน y=f(x) ต่อเนื่องกัน และพื้นที่ของ รูปสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งนี้มีค่าเท่ากับ S จากนั้นพิกัดของจุดศูนย์กลาง มวลของแผ่น o หาได้จากสูตร:
x0 = (1/S) ò x f(x) dx; y0 = (1/2S) ò ฉ 2(x) dx;
ศูนย์กลางของมวล
ค้นหาจุดศูนย์กลางมวลของครึ่งวงกลมเอกพันธ์ที่มีรัศมี R
ลองวาดครึ่งวงกลมในระบบพิกัด OXY กัน
y = (1/2S) òÖ(R2–x2)dx = (1/pR2) òÖ(R2–x2)dx =
= (1/pR2)(R2x–x3/3)|= 4R/3p
คำตอบ: M(0; 4R/3p)
เส้นทางที่เดินทางโดยจุดวัสดุ
ถ้าจุดวัสดุเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็ว u=u(t) และในช่วงเวลา T= t2–t1 (t2>t1) จุดวัสดุได้ผ่านเส้นทาง S แล้ว
ในเรขาคณิต
ปริมาตรเป็นลักษณะเชิงปริมาณของร่างกายเชิงพื้นที่ ลูกบาศก์ที่มีขอบ 1 มม. (1di, 1m ฯลฯ) ถือเป็นหน่วยวัดปริมาตร
จำนวนลูกบาศก์ของหน่วยปริมาตรที่วางอยู่ในวัตถุที่กำหนดคือปริมาตรของร่างกาย
สัจพจน์ของปริมาตร:
ปริมาณเป็นปริมาณที่ไม่เป็นลบ
ปริมาตรของวัตถุเท่ากับผลรวมของปริมาตรของวัตถุที่ประกอบเป็นวัตถุนั้น
มาหาสูตรคำนวณปริมาตรกัน:
เลือกแกน OX ในทิศทางของตำแหน่งของวัตถุนี้
เราจะกำหนดขอบเขตของตำแหน่งของร่างกายที่สัมพันธ์กับ OX
ขอแนะนำฟังก์ชันเสริม S(x) ที่ระบุความสอดคล้องต่อไปนี้: สำหรับแต่ละ x จากส่วนที่เราเชื่อมโยงพื้นที่หน้าตัดของรูปนี้กับระนาบที่ผ่านจุดที่กำหนด x ตั้งฉากกับแกน OX
ลองแบ่งส่วนออกเป็น n ส่วนเท่าๆ กันและวาดระนาบที่ตั้งฉากกับแกน OX ผ่านแต่ละจุดของพาร์ติชัน และร่างกายของเราจะแบ่งออกเป็นส่วนๆ ตามสัจพจน์
V=V1+V2+...+Vn=lim(S(x1)Dx +S(x2)Dx+...+S(xn)Dx
Dx®0 และ Sk®Sk+1 และปริมาตรของชิ้นส่วนที่อยู่ระหว่างระนาบสองระนาบที่อยู่ติดกันจะเท่ากับปริมาตรของกระบอกสูบ Vc=SmainH
เรามีผลรวมของผลคูณของค่าฟังก์ชันที่จุดพาร์ติชันตามขั้นตอนพาร์ติชัน เช่น ผลรวมปริพันธ์ ตามคำนิยามของอินทิกรัลจำกัดขอบเขตของผลรวมนี้ว่า n®¥ เรียกว่าอินทิกรัล a
V= ò S(x)dx โดยที่ S(x) คือส่วนของระนาบที่ผ่านไป
b เลือกจุดตั้งฉากกับแกน OX
หากต้องการค้นหาระดับเสียงที่คุณต้องการ:
1). เลือกแกน OX ด้วยวิธีที่สะดวก
2). กำหนดขอบเขตของตำแหน่งของวัตถุนี้สัมพันธ์กับแกน
3). สร้างส่วนของร่างกายนี้โดยมีระนาบตั้งฉากกับแกน OX และผ่านจุดที่สอดคล้องกัน
4) แสดงในแง่ของปริมาณที่ทราบฟังก์ชันที่แสดงพื้นที่ของส่วนที่กำหนด
5). เขียนอินทิกรัล
6). หลังจากคำนวณอินทิกรัลแล้ว ให้หาปริมาตร
ปริมาณของตัวเลขการหมุน
วัตถุที่ได้รับจากการหมุนของรูปทรงแบนสัมพันธ์กับแกนบางแกนเรียกว่ารูปทรงของการหมุน
ฟังก์ชัน S(x) ของรูปการหมุนเป็นรูปวงกลม
วินาที(x)=p f 2(x)
ความยาวส่วนโค้งของเส้นโค้งระนาบ
ปล่อยให้ฟังก์ชัน y = f(x) บนเซกเมนต์มีอนุพันธ์ต่อเนื่อง y^ = f ^(x) ในกรณีนี้ความยาวส่วนโค้ง l ของ "ส่วน" ของกราฟของฟังก์ชัน y = f(x), xО สามารถพบได้โดยใช้สูตร
l = ò Ö(1+f^(x)2)dx
บรรณานุกรม
M.Ya.Vilenkin, O.S.Ivashev-Musatov, S.I.Shvartburd, “พีชคณิตและการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์”, มอสโก, 1993
“ การรวบรวมปัญหาเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์”, มอสโก, 2539
I.V. Savelyev, “หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป”, เล่มที่ 1, มอสโก, 2525
เพื่อเตรียมงานนี้ มีการใช้วัสดุจากเว็บไซต์ http://referatovbank.ru/
ส่งผลงานดีๆ ของคุณในฐานความรู้ได้ง่ายๆ ใช้แบบฟอร์มด้านล่าง
นักศึกษา นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ ที่ใช้ฐานความรู้ในการศึกษาและการทำงาน จะรู้สึกขอบคุณเป็นอย่างยิ่ง
บทคัดย่อในหัวข้อ: “อินทิกรัลและการประยุกต์”
นักเรียนหญิง
น้ำผึ้ง. วิทยาลัย
ลำดับที่ 2 203 กลุ่ม
คูลิโควา มาเรีย
เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก 2010
การแนะนำ
สัญลักษณ์อินทิกรัลถูกนำมาใช้ในปี 1675 และมีการศึกษาคำถามเกี่ยวกับแคลคูลัสอินทิกรัลมาตั้งแต่ปี 1696 แม้ว่านักคณิตศาสตร์จะศึกษาอินทิกรัลเป็นหลัก แต่นักฟิสิกส์ก็มีส่วนสนับสนุนวิทยาศาสตร์นี้เช่นกัน แทบจะไม่มีสูตรทางฟิสิกส์ใดที่สามารถทำได้หากไม่มีแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และอินทิกรัล ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจสำรวจอินทิกรัลและการประยุกต์ของมัน
ประวัติความเป็นมาของแคลคูลัสอินทิกรัล
ประวัติความเป็นมาของแนวคิดอินทิกรัลมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับปัญหาการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส นักคณิตศาสตร์ของกรีกโบราณและโรมเรียกปัญหาเกี่ยวกับการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของรูปแบนรูปใดรูปหนึ่งเพื่อคำนวณพื้นที่ คำภาษาละติน quadratura แปลว่า "กำลังสอง" ความจำเป็นในการใช้คำศัพท์พิเศษอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในสมัยโบราณ (และต่อมาจนถึงศตวรรษที่ 18) แนวคิดเกี่ยวกับจำนวนจริงยังไม่ได้รับการพัฒนาเพียงพอ นักคณิตศาสตร์ดำเนินการโดยใช้เรขาคณิตที่คล้ายคลึงกันหรือปริมาณสเกลาร์ซึ่งไม่สามารถคูณได้ ดังนั้นจึงต้องกำหนดปัญหาในการหาพื้นที่ เช่น “สร้างสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีขนาดเท่ากับวงกลมที่กำหนด” (ดังที่เรารู้กันว่าปัญหาคลาสสิก “เรื่องกำลังสองของวงกลม” ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยความช่วยเหลือของเข็มทิศและไม้บรรทัด)
สัญลักษณ์ t ถูกนำมาใช้โดย Leibniz (1675) เครื่องหมายนี้เป็นการดัดแปลงตัวอักษรละติน S (อักษรตัวแรกของคำว่า summ a) คำว่าอินทิกรัลนั้นถูกคิดค้นโดย J. Bernoulli (1690) อาจมาจากภาษาละตินจำนวนเต็มซึ่งแปลว่าการนำไปสู่สถานะก่อนหน้าและการฟื้นฟู (แท้จริงแล้ว การดำเนินการของอินทิกรัล "คืนค่า" ฟังก์ชันโดยการแยกความแตกต่างว่าได้รับอินทิกรัลใดมา) บางทีที่มาของคำว่าอินทิกรัลอาจแตกต่างกันไป คำว่าจำนวนเต็มหมายถึงจำนวนเต็ม
ในระหว่างการติดต่อกัน I. Bernoulli และ G. Leibniz เห็นด้วยกับข้อเสนอของ J. Bernoulli ในเวลาเดียวกันในปี 1696 ชื่อของสาขาคณิตศาสตร์ใหม่ก็ปรากฏขึ้น - แคลคูลัสอินทิกรัล (แคลคูลัสอินทิกรัลลิส) ซึ่งได้รับการแนะนำโดย I. Bernoulli
คำศัพท์อื่นๆ ที่รู้จักกันดีที่เกี่ยวข้องกับแคลคูลัสเชิงปริพันธ์ปรากฏในภายหลังมาก ชื่อ "ฟังก์ชันดั้งเดิม" ซึ่งปัจจุบันใช้อยู่ ได้เข้ามาแทนที่ "ฟังก์ชันดั้งเดิม" ก่อนหน้านี้ ซึ่งเปิดตัวโดย Lagrange (1797) คำภาษาละติน primitivus แปลว่า "เริ่มต้น": F(x) = m f(x)dx - ชื่อย่อ (หรือต้นฉบับ หรือแอนติเดริเวทีฟ) สำหรับ f (x) ซึ่งได้มาจาก F(x) โดยการสร้างความแตกต่าง
ในวรรณคดีสมัยใหม่ เซตของแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดสำหรับฟังก์ชัน f(x) เรียกอีกอย่างว่าอินทิกรัลไม่จำกัด แนวคิดนี้เน้นโดยไลบ์นิซ ซึ่งสังเกตเห็นว่าฟังก์ชันแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดแตกต่างกันโดยค่าคงที่ตามอำเภอใจ b เรียกว่าอินทิกรัลจำกัด (ชื่อนี้ริเริ่มโดยซี. ฟูริเยร์ (1768-1830) แต่ออยเลอร์ได้ระบุขีดจำกัดของการอินทิเกรตไว้แล้ว)
ความสำเร็จที่สำคัญหลายประการของนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกโบราณในการแก้ปัญหาการค้นหาพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (เช่น การคำนวณพื้นที่) ของตัวเลขเครื่องบิน รวมถึงลูกบาศก์ (การคำนวณปริมาตร) ของร่างกาย มีความเกี่ยวข้องกับการใช้วิธีหมดแรงที่เสนอโดย Eudoxus of Cnidus (ค. 408 - ประมาณ 355 ปีก่อนคริสตกาล .e.) โดยใช้วิธีนี้ Eudoxus พิสูจน์ว่าพื้นที่ของวงกลมสองวงมีความสัมพันธ์กันเป็นกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลาง และปริมาตรของกรวยเท่ากับ 1/3 ของปริมาตรของทรงกระบอกที่มีฐานและความสูงเท่ากัน
วิธีการของ Eudoxus ได้รับการปรับปรุงโดย Archimedes ขั้นตอนหลักที่แสดงลักษณะวิธีการของอาร์คิมิดีส: 1) พิสูจน์ได้ว่าพื้นที่ของวงกลมนั้นน้อยกว่าพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมปกติใด ๆ ที่อธิบายไว้รอบ ๆ แต่มากกว่าพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมที่ถูกจารึกไว้ 2) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเมื่อเพิ่มจำนวนด้านเป็นสองเท่าอย่างไม่จำกัด ความแตกต่างในพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ 3) ในการคำนวณพื้นที่ของวงกลม ยังคงต้องหาค่าที่อัตราส่วนของพื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมปกติมีแนวโน้มเมื่อจำนวนด้านเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าไม่จำกัด
อาร์คิมิดีสใช้วิธีหมดแรงและข้อพิจารณาอันชาญฉลาดอื่นๆ หลายประการ (รวมถึงการใช้แบบจำลองทางกลศาสตร์) สามารถแก้ปัญหาได้มากมาย เขาให้ค่าประมาณของจำนวน p (3.10/71
อาร์คิมิดีสคาดการณ์แนวคิดหลายประการเกี่ยวกับแคลคูลัสอินทิกรัลไว้ (เราเสริมว่าในทางปฏิบัติเขาพิสูจน์ทฤษฎีบทแรกเกี่ยวกับขีดจำกัดแล้ว) แต่ต้องใช้เวลานานกว่าหนึ่งพันห้าพันปีก่อนที่แนวคิดเหล่านี้จะแสดงออกอย่างชัดเจนและถูกนำขึ้นสู่ระดับแคลคูลัส
นักคณิตศาสตร์แห่งศตวรรษที่ 17 ซึ่งได้รับผลลัพธ์ใหม่มากมายได้เรียนรู้จากผลงานของอาร์คิมีดีส อีกวิธีหนึ่งก็ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันเช่นกัน - วิธีการแบ่งแยกไม่ได้ซึ่งมีต้นกำเนิดในสมัยกรีกโบราณด้วย (มีความเกี่ยวข้องเป็นหลักกับมุมมองแบบอะตอมมิกของพรรคเดโมคริตุส) ตัวอย่างเช่น พวกเขาจินตนาการถึงสี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง (รูปที่ 1, a) ที่ประกอบด้วยส่วนแนวตั้งที่มีความยาว f(x) ซึ่งถึงกระนั้นพวกเขาก็กำหนดพื้นที่ให้เท่ากับค่าที่น้อยที่สุด f(x)dx ตามความเข้าใจนี้ พื้นที่ที่ต้องการจะถือว่าเท่ากับผลรวม
พื้นที่ขนาดเล็กอนันต์จำนวนมากอย่างไม่สิ้นสุด บางครั้งก็เน้นย้ำด้วยซ้ำว่าแต่ละพจน์ในผลรวมนี้เป็นศูนย์ แต่เป็นศูนย์ชนิดพิเศษซึ่งเมื่อบวกกับจำนวนอนันต์แล้ว จะให้ผลรวมบวกที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน
บนพื้นฐานที่ดูน่าสงสัยในขณะนี้ เจ. เคปเลอร์ (1571-1630) ในงานเขียนของเขาเรื่อง "ดาราศาสตร์ใหม่"
1609 และ "Stereometry of Wine Barrels" (1615) คำนวณพื้นที่ต่างๆ ได้อย่างถูกต้อง (เช่น พื้นที่ของร่างที่ล้อมรอบด้วยวงรี) และปริมาตร (ร่างกายถูกตัดเป็นแผ่นบางเฉียบ 6 แผ่น) การศึกษาเหล่านี้ดำเนินต่อไปโดยนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี B. Cavalieri (1598-1647) และ E. Torricelli (1608-1647) หลักการที่กำหนดโดย B. Cavalieri ซึ่งแนะนำโดยเขาภายใต้สมมติฐานเพิ่มเติมบางประการ ยังคงมีความสำคัญในยุคของเรา
ให้จำเป็นต้องหาพื้นที่ของรูปที่แสดงในรูปที่ 1 ข โดยที่เส้นโค้งที่จำกัดรูปจากด้านบนและด้านล่างมีสมการ
y = f(x) และ y=f(x)+c
เมื่อจินตนาการถึงรูปร่างที่ประกอบด้วยคอลัมน์ที่ "แบ่งแยกไม่ได้" ตามศัพท์เฉพาะของคาวาเลียรี ซึ่งเป็นคอลัมน์ที่บางเป็นอนันต์ เราสังเกตเห็นว่าคอลัมน์ทั้งหมดมีความยาวรวม c เมื่อเคลื่อนพวกมันไปในแนวตั้ง เราก็จะสามารถสร้างพวกมันเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีฐาน b-a และความสูง c ได้ ดังนั้นพื้นที่ที่ต้องการจะเท่ากับพื้นที่ของสี่เหลี่ยมผลลัพธ์นั่นคือ
ส = S1 = ค (ข - ก)
หลักการทั่วไปของ Cavalieri สำหรับพื้นที่ของรูปทรงเครื่องบินมีสูตรดังนี้: ให้เส้นของกลุ่มแนวขนานบางเส้นตัดกันตัวเลข Ф1 และ Ф2 ตามส่วนที่มีความยาวเท่ากัน (รูปที่ 1, c) ดังนั้นพื้นที่ของรูป F1 และ F2 จะเท่ากัน
หลักการที่คล้ายกันนี้ทำงานในสามมิติและมีประโยชน์ในการหาปริมาตร
ในศตวรรษที่ 17 มีการค้นพบมากมายที่เกี่ยวข้องกับแคลคูลัสอินทิกรัล ดังนั้น ในปี 1629 พี. แฟร์มาต์ได้แก้ปัญหาการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของเส้นโค้งใดๆ y = xn โดยที่ n คือจำนวนเต็ม (นั่นคือ เขาจะได้สูตร m xndx = (1/n+1)xn+1) และ บนพื้นฐานนี้ได้แก้ไขปัญหาต่างๆ เพื่อค้นหาจุดศูนย์ถ่วง I. เคปเลอร์เมื่อสรุปกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์อันโด่งดังของเขานั้นจริง ๆ แล้วอาศัยแนวคิดเรื่องการบูรณาการโดยประมาณ I. Barrow (1630-1677) ครูของนิวตัน เข้าใกล้ความเข้าใจถึงความเชื่อมโยงระหว่างการบูรณาการและความแตกต่าง งานแสดงฟังก์ชันในรูปแบบของอนุกรมกำลังมีความสำคัญอย่างยิ่ง
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าผลลัพธ์ที่ได้รับจากนักคณิตศาสตร์ผู้สร้างสรรค์อย่างยิ่งยวดหลายคนในศตวรรษที่ 17 จะมีความสำคัญ แต่แคลคูลัสก็ยังไม่มีอยู่จริง จำเป็นต้องเน้นแนวคิดทั่วไปที่เป็นรากฐานของการแก้ปัญหาเฉพาะหลายประการ ตลอดจนสร้างความเชื่อมโยงระหว่างการดำเนินการของการสร้างความแตกต่างและการบูรณาการ ซึ่งให้อัลกอริธึมที่ค่อนข้างทั่วไป สิ่งนี้ทำโดยนิวตันและไลบ์นิซผู้ค้นพบข้อเท็จจริงที่เรียกว่าสูตรนิวตัน-ไลบนิซอย่างอิสระ ในที่สุดวิธีการทั่วไปก็เกิดขึ้น เขายังคงต้องเรียนรู้วิธีค้นหาแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันหลายๆ ฟังก์ชัน คำนวณเชิงตรรกะใหม่ ฯลฯ แต่สิ่งสำคัญได้ทำไปแล้ว: แคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และอินทิกรัลได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว
วิธีการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันในศตวรรษหน้า (ประการแรกคือชื่อของ L. Euler ซึ่งเสร็จสิ้นการศึกษาอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับการบูรณาการฟังก์ชันเบื้องต้นและควรกล่าวถึง I. Bernoulli) นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย M.V. มีส่วนร่วมในการพัฒนาแคลคูลัสอินทิกรัล Ostrogradsky (1801-1862), V.Ya. Bunyakovsky (2347-2432), P.L. เชบีเชฟ (1821-1894) สิ่งที่สำคัญที่สุดโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือผลลัพธ์ของ Chebyshev ซึ่งพิสูจน์ว่ามีอินทิกรัลที่ไม่สามารถแสดงออกผ่านฟังก์ชันเบื้องต้นได้
การนำเสนอทฤษฎีอินทิกรัลอย่างเข้มงวดปรากฏเฉพาะในศตวรรษที่ผ่านมาเท่านั้น วิธีแก้ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับชื่อของ O. Cauchy หนึ่งในนักคณิตศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ได้แก่ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน B. Riemann (1826-1866) และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส G. Darboux (1842-1917)
คำตอบสำหรับคำถามมากมายที่เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของพื้นที่และปริมาตรของตัวเลขได้มาจากการสร้างทฤษฎีการวัดโดย C. Jordan (1838-1922)
แนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับอินทิกรัลเมื่อต้นศตวรรษของเราถูกเสนอโดยนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส A. Lebesgue (1875-1941) และ A. Denjoy (188 4-1974) นักคณิตศาสตร์ชาวโซเวียต A.Ya. คินชินชิน (พ.ศ. 2437-2502)
ความหมายและคุณสมบัติของอินทิกรัล
ถ้า F(x) เป็นหนึ่งในแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชัน f(x) บนช่วง J แล้วแอนติเดริเวทีฟในช่วงนี้จะอยู่ในรูปแบบ F(x)+C โดยที่ COR
คำนิยาม. เซตของแอนติเดริเวทีฟทั้งหมดของฟังก์ชัน f(x) บนช่วง J เรียกว่าอินทิกรัลจำกัดเขตของฟังก์ชัน f(x) ในช่วงเวลานี้ และเขียนแทนด้วย m f(x)dx
เสื้อ f(x)dx = F(x)+C,
โดยที่ F(x) คือแอนติเดริเวทีฟในช่วง J
f - ฟังก์ชันจำนวนเต็ม, f(x) - นิพจน์จำนวนเต็ม, x - ตัวแปรการรวม, C - ค่าคงที่การรวม
คุณสมบัติของอินทิกรัลไม่ จำกัด
(t f(x)dx) ў = เสื้อ f(x)dx,
t f(x)dx = F(x)+C โดยที่ F ў(x) = f(x)
(t f(x)dx) ў= (F(x)+C) ў= f(x)
t f ў(x)dx = f(x)+C - จากคำจำกัดความ
เสื้อ k f (x)dx = k เสื้อ fў(x)dx
ถ้า k เป็นค่าคงที่และ F ў(x)=f(x)
เสื้อ k f (x)dx = k F(x)dx = k(F(x)dx+C1)= k เสื้อ fў(x)dx
t (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = t f(x)dx + t g(x)dx +...+ t h(x)dx
t (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = t dx = t ўdx = F(x)+G(x)+...+H(x)+C= t f(x)dx + t g(x)dx +...+ t h(x)dx โดยที่ C=C1+C2+C3+...+Cn
บูรณาการ
วิธีการแบบตาราง
วิธีการทดแทน
ถ้าปริพันธ์ไม่ใช่ปริพันธ์ของตาราง ก็เป็นไปได้ที่จะใช้วิธีนี้ (ไม่เสมอไป) ในการทำเช่นนี้คุณต้องมี:
แบ่งปริพันธ์ออกเป็นสองปัจจัย
กำหนดปัจจัยหนึ่งของตัวแปรใหม่
แสดงปัจจัยที่สองผ่านตัวแปรใหม่
สร้างอินทิกรัล ค้นหาค่าของมัน และทำการทดแทนแบบย้อนกลับ
หมายเหตุ: จะดีกว่าถ้ากำหนดตัวแปรใหม่ให้เป็นฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับนิพจน์ที่เหลือ
1. t xTs(3x2-1)dx;
ให้ 3x2-1=t (tі0) หาอนุพันธ์ของทั้งสองข้าง:
ใช่ 1 1 ปี 1 1 t 2 2 1 ---Ш
ฉ- เสื้อ 2 = - ฉ เสื้อ 2dt = - --- + C = -C 3x2-1 +C
เสื้อ บาป x cos 3x dx = t - t3dt = - - + C
ให้ cos x = t
วิธีแปลงจำนวนเต็มเป็นผลรวมหรือผลต่าง:
เสื้อ บาป 3x cos x dx = 1/2 t (บาป 4x + บาป 2x) dx = 1/8 cos 4x - ј cos 2x + C
ใช่ x4+3x2+1 ปี 1 1
φ dx = φ(x2+2 - ---) dx = - x2 + 2x - อาร์กแทน x + C
x x2+1 x x2+1 3
หมายเหตุ: เมื่อแก้ตัวอย่างนี้ เป็นการดีที่จะสร้างพหุนามด้วย "มุม"
ในบางส่วน. หากเป็นไปไม่ได้ที่จะหาอินทิกรัลในรูปแบบที่กำหนด แต่ในขณะเดียวกัน การหาแอนติเดริเวทีฟของปัจจัยหนึ่งและอนุพันธ์ของอีกปัจจัยหนึ่งนั้นทำได้ง่ายมาก คุณสามารถใช้สูตรได้
(คุณ(x)วี(x))"=u"(x)วี(x)+u(x)v(x)
ยู"(x)วี(x)=(ยู(x)วี(x)+u(x)วี"(x)
คุณ"(x)วี(x)dx=t (คุณ(x)v(x))"dx - คุณ(x)v"(x)dx
คุณ"(x)v(x)dx=u(x)v(x)dx - คุณ(x)v"(x)dx
เสื้อ x cos (x) dx = เสื้อ x dsin x = x sin x - t sin x dx = x sin x + cos x + C
สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง
คำนิยาม. รูปที่ล้อมรอบด้วยกราฟของฟังก์ชันเครื่องหมายคงที่ต่อเนื่อง f(x) แกนแอบซิสซาและเส้นตรง x=a, x=b เรียกว่าสี่เหลี่ยมคางหมูส่วนโค้ง
วิธีการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง
ทฤษฎีบท. ถ้า f(x) เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องและไม่เป็นลบบนเซ็กเมนต์ ดังนั้นพื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งที่สอดคล้องกันจะเท่ากับการเพิ่มขึ้นของแอนติเดริเวทีฟ
ให้ไว้: f(x) - indef ต่อเนื่อง ฟังก์ชัน xO
พิสูจน์: S = F(b) - F(a) โดยที่ F(x) คือแอนติเดริเวทีฟของ f(x)
การพิสูจน์:
1) พิจารณาฟังก์ชันเสริม S(x) ให้เรากำหนด xO แต่ละส่วนของเส้นโค้งสี่เหลี่ยมคางหมูที่อยู่ทางด้านซ้ายของเส้นตรง (รูปที่ 2) ที่ผ่านจุดด้วย abscissa นี้และขนานกับแกนกำหนด
ดังนั้น S(a)=0 และ S(b)=Str
ให้เราพิสูจน์ว่า S(a) เป็นแอนติเดริเวทีฟของ f(x)
ง(ฉ) = ง(ส) =
S"(x0)= lim(S(x0+Dx) - S(x0) / Dx) โดยมี Dx®0 DS - สี่เหลี่ยมผืนผ้า
Dx®0 พร้อมด้าน Dx และ f(x0)
S"(x0) = lim(Dx f(x0) /Dx) = lim f(x0)=f(x0): เนื่องจาก x0 เป็นจุด ดังนั้น S(x) -
Dx®0 Dx®0 คือแอนติเดริเวทีฟของ f(x)
ดังนั้น ตามทฤษฎีบทเกี่ยวกับรูปแบบทั่วไปของแอนติเดริเวทีฟ S(x)=F(x)+C
เพราะ S(a)=0 จากนั้น S(a) = F(a)+C
ส = ส(ข)=ฉ(ข)+C = ฉ(ข)-F(ก)
1). ลองแบ่งส่วนออกเป็น n ส่วนเท่าๆ กัน ขั้นตอนการแยก (รูปที่ 3)
Dx=(บี-เอ)/n ในกรณีนี้ Str=lim(f(x0)Dx+f(x1)Dx+...+f(xn))Dx=n®Ґ = lim Dx(f(x0)+f(x1)+... +ฉ (xn))
สำหรับ n®Ґ เราจะได้ว่า Sр= Dx(f(x0)+f(x1)+...+f(xn))
ขีดจำกัดของผลรวมนี้เรียกว่าอินทิกรัลจำกัดเขต
ผลรวมที่ต่ำกว่าขีดจำกัดเรียกว่าผลรวมอินทิกรัล
อินทิกรัลจำกัดเขตคือขีดจำกัดของผลรวมอินทิกรัลบนเซ็กเมนต์ที่ n®Ґ ผลรวมอินทิกรัลจะได้มาจากขีดจำกัดของผลรวมผลคูณของความยาวของเซ็กเมนต์ที่ได้จากการหารโดเมนของคำจำกัดความของฟังก์ชันที่จุดใดก็ได้ในช่วงเวลานี้
a คือขีดจำกัดล่างของการอินทิเกรต
ข - ด้านบน
สูตรนิวตัน-ไลบ์นิซ
เมื่อเปรียบเทียบสูตรสำหรับพื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งเราสรุปได้:
ถ้า F เป็นแอนติเดริเวทีฟสำหรับ b on แล้ว
เสื้อ f(x)dx = F(b)-F(a)
เสื้อ f(x)dx = F(x) f = F(b) - F(a)
คุณสมบัติของอินทิกรัลจำกัดเขต
เสื้อ f(x)dx = เสื้อ f(z)dz
เสื้อ f(x)dx = F(a) - F(a) = 0
เสื้อ f(x)dx = - เสื้อ f(x)dx
เสื้อ f(x)dx = F(a) - F(b) t f(x)dx = F(b) - F(a) = - (F(a) - F(b))
ถ้า a, b และ c เป็นจุดใดๆ ของช่วง I ซึ่งฟังก์ชันต่อเนื่อง f(x) มีแอนติเดริเวทีฟ แล้ว
เสื้อ f(x)dx = เสื้อ f(x)dx + เสื้อ f(x)dx
F(b) - F(a) = F(c) - F(a) + F(b) - F(c) = F(b) - F(a)
(นี่คือคุณสมบัติบวกของอินทิกรัลจำกัดจำนวน)
ถ้า l และ m เป็นปริมาณคงที่ แล้ว
t (lf(x) +ม เจ(x))dx = l t f(x)dx + ม tj(x))dx -
นี่คือสมบัติเชิงเส้นของอินทิกรัลจำกัดเขต
t (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = t f(x)dx+ t g(x)dx+...+ t h(x)dx
t (f(x)+g(x)+...+h(x))dx = (F(b) + G(b) +...+ H(b)) - (F(a) + G(a) +...+ H(a)) +C = F(b)-F(a)+C1 +G(b)-G(a)+C2+...+H(b)-H (a)+Cn=b b b = t f(x)dx+ t g(x)dx+...+ t h(x)dx
ชุดรูปภาพมาตรฐาน (รูปที่ 4, 5, 6, 7, 8)
ข้าว. 4 รูป 5
ข้าว. 6 รูป 7
เพราะ ฉ(x)<0, то формулу Ньютона-Лейбница составить нельзя, теорема верна только для f(x)і0.
จำเป็น: พิจารณาความสมมาตรของฟังก์ชันที่สัมพันธ์กับแกน OX ABCD®A"B"ซีดีข
S(ABCD)=S(A"B"ซีดี) = ม -f(x)dx
S= เสื้อ ฉ(x)dx = เสื้อ ก(x)dx
S = เสื้อ (ฉ(x)-g(x))dx+t(g(x)-f(x))dx
S= ม. (ฉ(x)+มก.(x)-ม)dx =
เสื้อ (f(x)- g(x))dx
เสื้อ ((f(x)-g(x))dx
S= ม. (ฉ(x)+มก.(x)-ม)dx =
T (ฉ(x)- ก(x))dx
หากอยู่บนส่วน f(x)ig(x) พื้นที่ระหว่างกราฟเหล่านี้จะเท่ากับ
เสื้อ ((f(x)-g(x))dx
ฟังก์ชัน f(x) และ g(x) เป็นไปตามอำเภอใจและไม่เป็นค่าลบ
S=t ฉ(x)dx - เสื้อ ก(x)dx = เสื้อ (f(x)-g(x))dx
การประยุกต์ใช้อินทิกรัล
ในวิชาฟิสิกส์
งานแห่งกำลัง (A=FScosa, cosa หมายเลข 1)
ถ้าแรง F กระทำต่ออนุภาค พลังงานจลน์จะไม่คงที่ ในกรณีนี้ตาม
การเพิ่มขึ้นในพลังงานจลน์ของอนุภาคเมื่อเวลาผ่านไป dt เท่ากับผลคูณสเกลาร์ Fds โดยที่ ds คือการเคลื่อนที่ของอนุภาคในช่วงเวลา dt ขนาด
เรียกว่างานที่ทำโดยแรง F
ปล่อยให้จุดเคลื่อนที่ไปตามแกน OX ภายใต้อิทธิพลของแรง ซึ่งเส้นโครงบนแกน OX คือฟังก์ชัน f(x) (f คือฟังก์ชันต่อเนื่อง) ภายใต้อิทธิพลของแรง จุดเคลื่อนจากจุด S1(a) ไปยัง S2(b) ลองแบ่งส่วนออกเป็น n ส่วนซึ่งมีความยาวเท่ากัน Dx = (b - a)/n งานที่ทำโดยแรงจะเท่ากับผลรวมของงานที่ทำโดยแรงบนส่วนที่เป็นผลลัพธ์ เพราะ f(x) มีความต่อเนื่อง ดังนั้นสำหรับงานเล็กๆ ที่ทำโดยแรงบนส่วนนี้จะเท่ากับ f(a)(x1-a) ในทำนองเดียวกันในส่วนที่สอง f(x1)(x2-x1) บนส่วนที่ n - f(xn-1)(b-xn-1) ดังนั้นงานจึงเท่ากับ:
A » An = f(a)Dx +f(x1)Dx+...+f(xn-1)Dx= ((b-a)/n)(f(a)+f(x1)+...+f (xn-1))
ความเท่าเทียมกันโดยประมาณจะกลายเป็นค่าที่แน่นอนเท่ากับ n®Ґ
A = lim [(b-a)/n] (f(a)+...+f(xn-1))= m f(x)dx (ตามคำจำกัดความ)
ปล่อยให้สปริงที่มีความแข็ง C และความยาว l ถูกบีบอัดให้เหลือครึ่งหนึ่งของความยาว จงหาค่าของพลังงานศักย์ Ep เท่ากับงาน A ที่กระทำโดยแรง -F(s) ความยืดหยุ่นของสปริงระหว่างการบีบอัด จากนั้น
Ep = A= - t (-F(s)) dx
จากหลักสูตรกลศาสตร์จะทราบได้ว่า F(s) = -Cs
จากที่นี่เราพบว่า
Ep= - t (-Cs)ds = CS2/2 | = ค/2 ลิตร2/4
คำตอบ: Cl2/8
พิกัดศูนย์กลางมวล
จุดศูนย์กลางของมวลคือจุดที่แรงโน้มถ่วงผลลัพธ์ผ่านไปสำหรับการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของร่างกาย
ปล่อยให้แผ่นวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน o มีรูปร่างเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง (x;y |aЈxЈb; 0ЈyЈf(x)) และฟังก์ชัน y=f(x) ต่อเนื่องกัน และพื้นที่ของรูปสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งนี้เท่ากับ S จากนั้นพิกัดของจุดศูนย์กลางมวลของแผ่น o จะพบได้จากสูตร:
x0 = (1/S) เสื้อ x f(x) dx; y0 = (1/2S) เสื้อ f 2(x) dx;
ศูนย์กลางของมวล
ค้นหาจุดศูนย์กลางมวลของครึ่งวงกลมเอกพันธ์ที่มีรัศมี R
ลองวาดครึ่งวงกลมในระบบพิกัด OXY (รูปที่ 9)
ด้วยเหตุผลของความสมมาตรและเป็นเนื้อเดียวกัน เราสังเกตว่าจุด Abscissa ของจุด M
ฟังก์ชันที่อธิบายครึ่งวงกลมมีรูปแบบดังนี้
ให้ S = pR2/2 เป็นพื้นที่ของครึ่งวงกลม แล้ว
y = (1/2S) TC(R2-x2)dx = (1/pR2) TC(R2-x2)dx = -R -R
R = (1/pR2)(R2x-x3/3)|= 4R/3p
คำตอบ: M(0; 4R/3p)
เส้นทางที่เดินทางโดยจุดวัสดุ
ถ้าจุดวัสดุเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็ว u=u(t) และในช่วงเวลา T= t2-t1 (t2>t1) จุดวัสดุได้ผ่านเส้นทาง S แล้ว
ในเรขาคณิต
ปริมาตรเป็นลักษณะเชิงปริมาณของร่างกายเชิงพื้นที่ ลูกบาศก์ที่มีขอบ 1 มม. (1di, 1m ฯลฯ) ถือเป็นหน่วยวัดปริมาตร
จำนวนลูกบาศก์ของหน่วยปริมาตรที่วางอยู่ในวัตถุที่กำหนดคือปริมาตรของร่างกาย
สัจพจน์ของปริมาตร:
ปริมาณเป็นปริมาณที่ไม่เป็นลบ
ปริมาตรของวัตถุเท่ากับผลรวมของปริมาตรของวัตถุที่ประกอบเป็นวัตถุนั้น
มาหาสูตรคำนวณปริมาตรกัน (รูปที่ 10):
เลือกแกน OX ในทิศทางของตำแหน่งของวัตถุนี้
เราจะกำหนดขอบเขตของตำแหน่งของร่างกายที่สัมพันธ์กับ OX
ขอแนะนำฟังก์ชันเสริม S(x) ที่ระบุความสอดคล้องต่อไปนี้: สำหรับแต่ละ x จากส่วนที่เราเชื่อมโยงพื้นที่หน้าตัดของรูปนี้กับระนาบที่ผ่านจุดที่กำหนด x ตั้งฉากกับแกน OX
ลองแบ่งส่วนออกเป็น n ส่วนเท่าๆ กันและวาดระนาบที่ตั้งฉากกับแกน OX ผ่านแต่ละจุดของพาร์ติชัน และร่างกายของเราจะแบ่งออกเป็นส่วนๆ ตามสัจพจน์
V=V1+V2+...+Vn=lim(S(x1)Dx +S(x2)Dx+...+S(xn)Dx
Dx®0 และ Sk®Sk+1 และปริมาตรของชิ้นส่วนที่อยู่ระหว่างระนาบสองระนาบที่อยู่ติดกันจะเท่ากับปริมาตรของกระบอกสูบ Vc=SmainH
เรามีผลรวมของผลคูณของค่าฟังก์ชันที่จุดพาร์ติชันตามขั้นตอนพาร์ติชัน เช่น ผลรวมปริพันธ์ ตามคำจำกัดความของอินทิกรัลจำกัดขอบเขตของผลรวมนี้ในชื่อ n®Ґ เรียกว่าอินทิกรัล a
V= t S(x)dx โดยที่ S(x) คือส่วนของระนาบที่แล่นผ่าน
b เลือกจุดตั้งฉากกับแกน OX
หากต้องการค้นหาระดับเสียงที่คุณต้องการ:
1). เลือกแกน OX ด้วยวิธีที่สะดวก
2). กำหนดขอบเขตของตำแหน่งของวัตถุนี้สัมพันธ์กับแกน
3). สร้างส่วนของร่างกายนี้โดยมีระนาบตั้งฉากกับแกน OX และผ่านจุดที่สอดคล้องกัน
4) แสดงในแง่ของปริมาณที่ทราบฟังก์ชันที่แสดงพื้นที่ของส่วนที่กำหนด
5). เขียนอินทิกรัล
6). หลังจากคำนวณอินทิกรัลแล้ว ให้หาปริมาตร
ปริมาณของตัวเลขการหมุน
วัตถุที่ได้รับจากการหมุนของรูปทรงแบนสัมพันธ์กับแกนบางแกนเรียกว่ารูปทรงของการหมุน
ฟังก์ชัน S(x) ของรูปการหมุนเป็นรูปวงกลม
วินาที(x)=p f 2(x)
ความยาวส่วนโค้งของเส้นโค้งระนาบ
ปล่อยให้ฟังก์ชัน y = f(x) บนเซ็กเมนต์มีอนุพันธ์ต่อเนื่อง y" = f "(x) ในกรณีนี้ความยาวส่วนโค้ง l ของ "ส่วน" ของกราฟของฟังก์ชัน y = f(x), xО สามารถพบได้โดยใช้สูตร
l = ม Ts(1+f"(x)2)dx
บรรณานุกรม
1. ม.ย. Vilenkin, OS อิวาเชฟ-มูซาตอฟ, S.I. Shvartsburg, “พีชคณิตและการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์”, มอสโก, 1993
2. “ การรวบรวมปัญหาเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์”, มอสโก, 2539
3. ไอ.วี. Savelyev, “หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป”, เล่มที่ 1, มอสโก, 1982
4. เพื่อเตรียมงานนี้ มีการใช้วัสดุจากเว็บไซต์ http://referatovbank.ru/
เอกสารที่คล้ายกัน
แนวคิดเกี่ยวกับแคลคูลัสเชิงปริพันธ์ในงานของนักคณิตศาสตร์สมัยโบราณ คุณสมบัติของวิธีหมดแรง ประวัติความเป็นมาของการค้นหาสูตรปริมาตรของพรูเคปเลอร์ เหตุผลทางทฤษฎีของหลักการของแคลคูลัสอินทิกรัล (หลักการของ Cavalieri) แนวคิดของอินทิกรัลจำกัดเขต
การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 07/05/2016
ประวัติความเป็นมาของแคลคูลัสอินทิกรัล ความหมายและคุณสมบัติของอินทิกรัลสองเท่า การตีความทางเรขาคณิต การคำนวณในพิกัดคาร์ทีเซียนและพิกัดเชิงขั้ว ลดการทำซ้ำ การประยุกต์ทางเศรษฐศาสตร์และเรขาคณิตในการคำนวณปริมาตรและพื้นที่
งานหลักสูตร เพิ่มเมื่อ 10/16/2013
คำจำกัดความของอินทิกรัลจำกัดขอบเขตคุณสมบัติของมัน ความยาวของส่วนโค้ง พื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง พื้นที่ผิวของการหมุน พื้นที่ของตัวเลขที่ล้อมรอบด้วยกราฟของฟังก์ชันที่ล้อมรอบด้วยเส้นที่กำหนดโดยสมการ การคำนวณปริมาตรของร่างกาย
ทดสอบเพิ่มเมื่อ 02/10/2017
ประวัติความเป็นมาของการเกิดขึ้นของแนวคิดเรื่องแคลคูลัส "อินทิกรัล" และอินทิกรัล คุณลักษณะและความสำคัญของมัน อินทิกรัลเป็นหนึ่งในเครื่องมือหลักสำหรับการทำงานกับฟังก์ชัน เหตุผลของความจำเป็นในการแสดงปรากฏการณ์ทางกายภาพทั้งหมดในรูปแบบของสูตรทางคณิตศาสตร์
การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 19/05/2014
คำจำกัดความของอินทิกรัลส่วนโค้งเหนือพิกัด คุณสมบัติพื้นฐาน และการคำนวณ เงื่อนไขสำหรับความเป็นอิสระของอินทิกรัลส่วนโค้งจากเส้นทางของการอินทิเกรต การคำนวณพื้นที่ของตัวเลขโดยใช้อินทิกรัลคู่ โดยใช้สูตรของกรีน
ทดสอบเพิ่มเมื่อ 23/02/2554
วิธีการคำนวณอินทิกรัล สูตรและการทวนสอบอินทิกรัลไม่จำกัด พื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง อินทิกรัลไม่แน่นอน แน่นอน และซับซ้อน การประยุกต์อินทิกรัลเบื้องต้น ความหมายทางเรขาคณิตของอินทิกรัลแน่นอนและอินทิกรัลไม่แน่นอน
การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 15/01/2014
การแก้ปัญหาการหาพื้นที่สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง ความหมายและคุณสมบัติของอินทิกรัลจำกัดเขต เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการบูรณาการและเกณฑ์ Darboux บูรณาการของฟังก์ชันต่อเนื่องและโมโนโทน บทพิสูจน์สูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซ
ทดสอบเพิ่มเมื่อ 25/03/2554
การคำนวณพื้นที่ของรูปเครื่องบิน การหาอินทิกรัลที่แน่นอนของฟังก์ชัน การกำหนดพื้นที่ใต้เส้นโค้ง พื้นที่ของรูปที่อยู่ระหว่างเส้นโค้ง การคำนวณปริมาตรของการหมุนตัว ขีดจำกัดของผลรวมอินทิกรัลของฟังก์ชัน การกำหนดปริมาตรของกระบอกสูบ
การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 18/09/2013
แนวคิดเรื่องอินทิกรัลจำกัดขอบเขต การคำนวณพื้นที่ ปริมาตรของวัตถุและความยาวส่วนโค้ง โมเมนต์คงที่และจุดศูนย์ถ่วงของเส้นโค้ง การคำนวณพื้นที่ในกรณีพื้นที่โค้งเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า การประยุกต์เส้นโค้ง พื้นผิว และอินทิกรัลสามชั้น
งานหลักสูตร เพิ่มเมื่อ 19/05/2554
ประวัติความเป็นมาของแคลคูลัสอินทิกรัลและดิฟเฟอเรนเชียล การประยุกต์อินทิกรัลจำกัดขอบเขตในการแก้ปัญหาบางประการทางกลศาสตร์และฟิสิกส์ โมเมนต์และจุดศูนย์กลางมวลของเส้นโค้งระนาบ ทฤษฎีบทของกุลเดน สมการเชิงอนุพันธ์. ตัวอย่างการแก้ปัญหาใน MatLab
แคลคูลัสอินทิกรัลเป็นสาขาหนึ่งของการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่ศึกษาปริพันธ์ คุณสมบัติของมัน วิธีการคำนวณ และการประยุกต์ เมื่อรวมกับแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์แล้ว จะเป็นพื้นฐานของเครื่องมือการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์
วันที่กำเนิดของสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์บางอย่าง
ความหมาย |
เมื่อเข้าป้ายแล้วให้ระบุปี |
||
สัญญาณวัตถุ |
|||
อนันต์ |
เจ. วาลลิส |
||
อัตราส่วนของเส้นรอบวงต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง |
|||
รากที่สองของ |
|||
ปริมาณที่ไม่ทราบหรือแปรผัน |
อาร์. เดการ์ตส์ |
||
สัญญาณการดำเนินงาน |
|||
ส่วนที่เพิ่มเข้าไป |
นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน |
ปลายศตวรรษที่ 15 |
|
การลบ |
|||
การคูณ |
ว. เอาท์เรด |
||
การคูณ |
ก. ไลบ์นิซ |
||
ก. ไลบ์นิซ |
|||
อาร์. เดการ์ตส์ |
|||
เอ็กซ์. รูดอล์ฟ |
|||
ลอการิทึม |
ไอ. เคปเลอร์ |
||
บี. คาวาเลียรี |
|||
อาร์คซีน |
เจ. ลากรองจ์ |
||
|
ส่วนต่าง |
ก. ไลบ์นิซ |
|
บูรณาการ |
ก. ไลบ์นิซ |
||
อนุพันธ์ |
ก. ไลบ์นิซ |
||
อินทิกรัลที่แน่นอน |
|||
แฟกทอเรียล |
|||
ดับเบิลยู. แฮมิลตัน นักคณิตศาสตร์หลายคน |
|||
ไอ. เบอร์นูลลี่ |
|||
สัญญาณความสัมพันธ์ |
|||
ความเท่าเทียมกัน |
อาร์เรคคอร์ด |
||
ที. การ์ริออตต์ |
|||
ความสามารถในการเปรียบเทียบ |
|||
ความเท่าเทียม |
ว. เอาท์เรด |
||
ความตั้งฉาก |
พี. เอริกอน |
แคลคูลัสอินทิกรัลเกิดขึ้นจากการพิจารณาปัญหาจำนวนมากในสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติและคณิตศาสตร์ ปัญหาที่สำคัญที่สุดคือปัญหาทางกายภาพในการกำหนดเส้นทางที่เดินทางในช่วงเวลาที่กำหนดโดยใช้ความเร็วของการเคลื่อนที่ที่ทราบแต่อาจแปรผันได้ และปัญหาการคำนวณพื้นที่และปริมาตรของรูปทรงเรขาคณิตที่เก่าแก่กว่ามาก (ดูปัญหาสุดขีดทางเรขาคณิต) .
แคลคูลัสจากศูนย์กลางถึงอินทิกรัลคือแนวคิดเกี่ยวกับอินทิกรัลซึ่งมีการตีความที่แตกต่างกันสองแบบ ซึ่งนำไปสู่แนวคิดเกี่ยวกับอินทิกรัลไม่กำหนดและอินทิกรัลจำกัดตามลำดับ
ในแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์ ได้มีการแนะนำการดำเนินการหาอนุพันธ์ของฟังก์ชัน การดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่พิจารณาในแคลคูลัสอินทิกรัลซึ่งผกผันกับการหาอนุพันธ์ เรียกว่าอินทิกรัล หรือที่เจาะจงกว่านั้นคือ อินทิกรัลไม่จำกัด
การดำเนินการผกผันนี้ประกอบด้วยอะไร และความไม่แน่นอนของมันคืออะไร?
การดำเนินการหาความแตกต่างเชื่อมโยงฟังก์ชันที่กำหนดกับอนุพันธ์ของมัน สมมติว่าเราต้องการตามฟังก์ชันที่กำหนด เพื่อค้นหาฟังก์ชันที่มีอนุพันธ์เป็นฟังก์ชัน เช่น ฟังก์ชันดังกล่าวเรียกว่าฟังก์ชันแอนติเดริเวทีฟ
ซึ่งหมายความว่าการดำเนินการผกผันของการหาอนุพันธ์—การอินทิเกรตไม่จำกัด—ประกอบด้วยการค้นหาแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันที่กำหนด
โปรดทราบว่า นอกจากฟังก์ชันแล้ว แอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันก็จะเป็นฟังก์ชันใดๆ ด้วยเช่นกัน ซึ่งแตกต่างจากคำคงที่: ท้ายที่สุดแล้ว
.
ดังนั้น ตรงกันข้ามกับการหาความแตกต่าง ซึ่งเปรียบเทียบฟังก์ชันกับฟังก์ชันอื่นฟังก์ชันเดียว - อนุพันธ์ของฟังก์ชันแรก การอินทิเกรตแบบไม่มีกำหนดไม่ได้นำไปสู่ฟังก์ชันเฉพาะเพียงฟังก์ชันเดียว แต่นำไปสู่ชุดฟังก์ชันทั้งหมด และนี่คือความไม่แน่นอนของมัน
อย่างไรก็ตาม ระดับของความไม่แน่นอนนี้ไม่ได้มากนัก จำไว้ว่าถ้าอนุพันธ์ของฟังก์ชันหนึ่งมีค่าเท่ากับศูนย์ที่ทุกจุดของช่วงใดช่วงหนึ่ง นี่คือฟังก์ชันที่คงที่ในช่วงเวลาที่พิจารณา (ในช่วงที่อัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรเท่ากับศูนย์ทุกแห่ง มันไม่เปลี่ยนแปลง) ซึ่งหมายความว่าหากในบางช่วงเวลา ฟังก์ชันจะคงที่ในช่วงเวลานี้ เนื่องจากอนุพันธ์ของมันจะเท่ากับศูนย์ที่ทุกจุดของช่วงเวลา
ดังนั้นแอนติเดริเวทีฟสองตัวของฟังก์ชันเดียวกันอาจแตกต่างกันในช่วงเวลาเพียงเทอมคงที่เท่านั้น
ฟังก์ชันแอนติเดริเวทีฟจะแสดงด้วยสัญลักษณ์
โดยที่ป้ายอ่านว่า: อินทิกรัล นี่คือสิ่งที่เรียกว่าอินทิกรัลไม่ จำกัด ตามสิ่งที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว อินทิกรัลไม่ จำกัด แสดงถึงช่วงเวลาที่พิจารณาไม่ใช่ฟังก์ชันเฉพาะหนึ่งฟังก์ชัน แต่เป็นฟังก์ชันใด ๆ ของแบบฟอร์ม
, (1)
โดยที่ คือแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันในช่วงเวลาที่กำหนด และเป็นค่าคงที่ตามใจชอบ
เช่น บนเส้นจำนวนเต็ม
;
;
.
ในที่นี้ เราระบุข้อโต้แย้งของปริพันธ์ด้วยสัญลักษณ์ต่างกันโดยเฉพาะ เพื่อดึงความสนใจไปที่ความเป็นอิสระของแอนติเดริเวทีฟในฐานะฟังก์ชันจากการเลือกตัวอักษรที่ใช้แทนข้อโต้แย้งของมัน
การตรวจสอบความเท่าเทียมกันที่เป็นลายลักษณ์อักษรนั้นดำเนินการโดยการแยกความแตกต่างอย่างง่าย ๆ ของด้านขวามือซึ่งเป็นผลมาจากฟังก์ชัน , ซึ่งอยู่ทางด้านซ้ายมือใต้เครื่องหมายอินทิกรัลตามลำดับ
นอกจากนี้ ยังมีประโยชน์ที่ต้องคำนึงถึงความสัมพันธ์ที่ชัดเจนต่อไปนี้ ซึ่งตามมาจากคำจำกัดความของแอนติเดริเวทีฟ อนุพันธ์ ดิฟเฟอเรนเชียล และจากความสัมพันธ์ (1) สำหรับอินทิกรัลไม่จำกัดโดยตรง:
,
,
,
.
การค้นหาแอนติเดริเวทีฟมักจะได้รับความสะดวกจากคุณสมบัติทั่วไปบางประการของอินทิกรัลไม่จำกัด:
(การบวกตัวคูณคงที่);
(การรวมผลรวม); ถ้า
,
(การแทนที่ตัวแปร)
ความสัมพันธ์เหล่านี้ยังได้รับการตรวจสอบโดยตรงโดยใช้กฎการสร้างความแตกต่างที่เหมาะสม
ให้เราค้นหากฎการเคลื่อนที่ของวัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระในความว่างเปล่า โดยอาศัยข้อเท็จจริงเพียงอย่างเดียวที่ว่า เมื่อไม่มีอากาศ ความเร่งของการตกอย่างอิสระใกล้พื้นผิวโลกจะคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัตถุที่ตกลงมา แก้ไขแกนพิกัดแนวตั้ง เราเลือกทิศทางบนแกนไปทางโลก ให้เป็นพิกัดของร่างกายเราในขณะนั้น เราจึงรู้สิ่งนั้นและเป็นความสม่ำเสมอ จำเป็นต้องค้นหาฟังก์ชัน - กฎการเคลื่อนที่
เนื่องจาก , โดยที่ , จากนั้น , การอินทิเกรตตามลำดับ เราจึงพบ
ดังนั้นเราจึงพบว่า
, (3)
ที่ไหน และ เป็นค่าคงที่บางส่วน แต่ร่างกายที่ล้มลงยังคงปฏิบัติตามกฎการเคลื่อนที่เฉพาะข้อหนึ่งซึ่งไม่มีความเด็ดขาดอีกต่อไป ซึ่งหมายความว่ายังมีเงื่อนไขอื่นๆ บางอย่างที่เรายังไม่ได้ใช้ ในบรรดากฎหมาย "ที่แข่งขันกัน" (3) พวกเขาอนุญาตให้เลือกกฎหมายที่สอดคล้องกับการเคลื่อนไหวเฉพาะ เงื่อนไขเหล่านี้ระบุได้ง่ายหากคุณเข้าใจความหมายทางกายภาพของค่าคงที่ และ หากเราเปรียบเทียบเงื่อนไขสุดขั้วของความสัมพันธ์ (2) สำหรับ ปรากฎว่า และจาก (3) ปรากฎว่า . ดังนั้นคณิตศาสตร์จึงเตือนเราว่ากฎการเคลื่อนที่ที่ต้องการ
จะถูกกำหนดอย่างสมบูรณ์หากคุณระบุตำแหน่งเริ่มต้นและความเร็วเริ่มต้นของร่างกาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ถ้า และ เราได้รับ
ให้เราสังเกตว่าระหว่างการดำเนินการค้นหาอนุพันธ์ (ความแตกต่าง) และการดำเนินการค้นหาแอนติเดริเวทีฟ (การรวมไม่ จำกัด ) นอกเหนือจากที่กล่าวมาข้างต้นยังมีความแตกต่างพื้นฐานอีกจำนวนหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรระลึกไว้ว่าหากอนุพันธ์ของการรวมกันของฟังก์ชันพื้นฐานใด ๆ แสดงออกมาในรูปของฟังก์ชันพื้นฐาน เช่น เป็นฟังก์ชันมูลฐาน ดังนั้นแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันมูลฐานจึงไม่ใช่ฟังก์ชันมูลฐานเสมอไป ตัวอย่างเช่น แอนติเดริเวทีฟ
ฟังก์ชันเบื้องต้น (เรียกว่าอินทิกรัลไซน์และเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์พิเศษ ) ดังที่สามารถพิสูจน์ได้ ไม่ได้แสดงในฟังก์ชันเบื้องต้น ดังนั้น ไม่ควรสับสนคำถามทางคณิตศาสตร์พื้นฐานของการมีอยู่ของแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันที่กำหนดกับปัญหาที่ไม่สามารถแก้ไขได้เสมอไปในการค้นหาแอนติเดริเวทีฟในฟังก์ชันเบื้องต้น การบูรณาการมักเป็นที่มาของการแนะนำฟังก์ชันพิเศษที่สำคัญและใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งมีการศึกษาไม่เลวร้ายไปกว่าฟังก์ชัน "โรงเรียน" ดังกล่าวแม้ว่าจะไม่รวมอยู่ในรายการฟังก์ชันพื้นฐานก็ตาม
สุดท้ายนี้ เราสังเกตว่าการค้นหาแอนติเดริเวทีฟ แม้ว่าจะแสดงออกในฟังก์ชันเบื้องต้นก็ตาม ก็เป็นเหมือนศิลปะมากกว่าอัลกอริธึมการคำนวณแบบบัญญัติ เช่น อัลกอริธึมการสร้างความแตกต่าง ด้วยเหตุนี้ แอนติเดริเวทีฟที่พบของฟังก์ชันที่เกิดขึ้นบ่อยที่สุดจึงถูกรวบรวมไว้ในรูปแบบของตารางค้นหาอินทิกรัลไม่จำกัด ไมโครเทเบิลประเภทนี้ต่อไปนี้เทียบเท่ากับไมโครเทเบิลของอนุพันธ์ของฟังก์ชันพื้นฐานพื้นฐานที่เกี่ยวข้องอย่างชัดเจน:
ขณะที่เรากำลังพูดถึงการกลับตัวของการดำเนินการหาอนุพันธ์ เรามาเกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องอินทิกรัลแบบต้านอนุพันธ์และอินทิกรัลไม่จำกัด และให้คำจำกัดความเบื้องต้นของแนวคิดเหล่านี้
ตอนนี้เราจะระบุแนวทางที่แตกต่างและเก่าแก่กว่ามากสำหรับอินทิกรัล ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาเริ่มต้นหลักของแคลคูลัสอินทิกรัล และนำไปสู่แนวคิดเกี่ยวกับอินทิกรัลหรืออินทิกรัลจำกัดในความหมายที่ถูกต้องของคำนี้ วิธีการนี้มองเห็นได้ชัดเจนอยู่แล้วในนักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวกรีกโบราณ Eudoxus แห่ง Cnidus (ประมาณ 408-355 ปีก่อนคริสตกาล) และ Archimedes เช่น มันเกิดขึ้นมานานแล้วก่อนการกำเนิดของแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และการดำเนินการของการหาความแตกต่าง
คำถามที่ Eudoxus และ Archimedes พิจารณาโดยการสร้าง "วิธีการอ่อนล้า" ในการแก้ปัญหาซึ่งคาดการณ์แนวคิดเรื่องอินทิกรัลคือคำถามในการคำนวณพื้นที่ของรูปร่างโค้ง ด้านล่างเราจะพิจารณาคำถามนี้ แต่ตอนนี้เราจะทำตาม I. Newton งานต่อไปนี้: ใช้ความเร็วของร่างกายที่ทราบ ณ เวลาใด ๆ ในช่วงเวลาหนึ่งค้นหาปริมาณการเคลื่อนไหวของร่างกายในช่วงเวลานี้ ของเวลา
หากทราบกฎการเคลื่อนที่นั่นคือ ขึ้นอยู่กับพิกัดของร่างกายตรงเวลา ดังนั้นคำตอบก็จะแสดงออกมาอย่างชัดเจนด้วยความแตกต่าง ยิ่งกว่านั้น ถ้าเรารู้แอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันในช่วงเวลา ดังนั้น เนื่องจาก ที่ไหน เป็นค่าคงที่ จึงเป็นไปได้ที่จะค้นหาค่าการกระจัดที่ต้องการในรูปแบบของผลต่าง ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับผลต่าง นี่เป็นการสังเกตที่มีประโยชน์มาก แต่ถ้าไม่สามารถระบุแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันที่กำหนดได้ เราก็จะต้องกระทำการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง
เราจะให้เหตุผลดังนี้
หากแบ่งช่วงเวลาด้วยช่วงเวลาที่แยกจากกัน จนเป็นช่วงเวลาที่สั้นมาก ดังนั้น ในแต่ละช่วงเวลาสั้น ๆ ความเร็วของร่างกายจะไม่มีเวลาเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด เมื่อกำหนดโมเมนต์ตามอำเภอใจแล้ว เราสามารถประมาณได้ว่าในช่วงเวลาหนึ่งการเคลื่อนไหวเกิดขึ้นด้วยความเร็วคงที่ ในกรณีนี้ สำหรับระยะทางที่เดินทางในช่วงเวลาหนึ่ง เราจะได้ค่าประมาณ โดยที่ เมื่อบวกค่าเหล่านี้ เราจะได้ค่าโดยประมาณ
สำหรับทุกการเคลื่อนไหวในช่วงเวลานั้น
ค่าโดยประมาณที่พบนั้นยิ่งแม่นยำยิ่งขึ้น การหารช่วงเวลาที่เราทำก็จะยิ่งละเอียดมากขึ้นเท่านั้น เช่น ค่าของช่วงที่ใหญ่ที่สุดของช่วงที่มีการแบ่งช่วงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น
ซึ่งหมายความว่าปริมาณการกระจัดที่เรากำลังมองหาคือขีดจำกัด
(5)
ผลรวมของแบบฟอร์ม (4) เมื่อค่ามีแนวโน้มเป็นศูนย์
ผลรวมของรูปแบบพิเศษ (4) เรียกว่าผลรวมอินทิกรัลสำหรับฟังก์ชันในช่วงเวลา และขีดจำกัด (5) ที่ได้จากการแบ่งพาร์ติชั่นอย่างละเอียดไม่ จำกัด เรียกว่าอินทิกรัล (หรืออินทิกรัลที่แน่นอน) ของฟังก์ชันบน ช่วงเวลา อินทิกรัลแสดงด้วยสัญลักษณ์
โดยที่ตัวเลขเรียกว่าขีดจำกัดของการรวม และ - ล่างและ - ขีดจำกัดบนของการรวม ฟังก์ชันใต้เครื่องหมายอินทิกรัลเรียกว่าปริพันธ์ - นิพจน์อินทิกรัล - ตัวแปรอินทิเกรต
ดังนั้น ตามคำนิยามแล้ว
. (6)
ซึ่งหมายความว่าจำนวนการเคลื่อนไหวของร่างกายที่ต้องการในช่วงเวลาหนึ่งด้วยความเร็วการเคลื่อนที่ที่ทราบนั้นแสดงโดยอินทิกรัล (6) ของฟังก์ชันในช่วงเวลานั้น
เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์นี้กับผลลัพธ์ที่ระบุไว้ในภาษาต่อต้านอนุพันธ์เมื่อเริ่มต้นการพิจารณาตัวอย่างนี้ เรามาถึงความสัมพันธ์ที่มีชื่อเสียง:
ถ้า . ความเท่าเทียมกัน (7) เรียกว่าสูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซ ทางด้านซ้ายมีอินทิกรัลที่เข้าใจว่าเป็นขีด จำกัด (6) และทางด้านขวาจะมีความแตกต่างของค่า (ที่ส่วนท้ายและช่วงการรวม) ของฟังก์ชัน , แอนติเดริเวทีฟของปริพันธ์. ดังนั้น สูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซจึงเชื่อมโยงอินทิกรัล (6) และแอนติเดริเวทีฟ ดังนั้น สูตรนี้จึงสามารถใช้ในสองทิศทางที่ตรงกันข้าม คือ คำนวณอินทิกรัลโดยการหาแอนติเดริเวทีฟ หรือหาส่วนเพิ่มของแอนติเดริเวทีฟโดยหาอินทิกรัลจากความสัมพันธ์ (6) เราจะเห็นด้านล่างว่าการใช้สูตรนิวตัน-ไลบ์นิซทั้งสองนี้มีความสำคัญมาก
โดยหลักการแล้ว อินทิกรัล (6) และสูตร (7) จะช่วยแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในตัวอย่างของเรา ดังนั้น ถ้า (ดังกรณีของการตกอย่างอิสระโดยเริ่มจากสภาวะนิ่ง เช่น ด้วย ) เมื่อพบแอนติเดริเวทีฟแล้ว ฟังก์ชั่นตามสูตร (7) เราได้ค่า
ความเคลื่อนไหวในช่วงเวลาที่ผ่านไปเป็นช่วงๆ
จากปัญหาทางกายภาพที่เพิ่งวิเคราะห์ ซึ่งนำเราไปสู่อินทิกรัลและสูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซ โดยสรุปการสังเกตที่เกิดขึ้น ตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่าหากให้ฟังก์ชันในช่วงเวลาหนึ่ง จากนั้นให้หารช่วงเวลาด้วยจุด เขียนเป็น ผลรวมปริพันธ์
โดยที่ , , และผ่านไปยังขีดจำกัดที่ , โดยที่ เราได้รับตามคำนิยามอินทิกรัล
(6")
จากฟังก์ชันตามช่วงเวลา หากในเวลาเดียวกันบน นั่นคือ คือแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันในช่วงเวลา จากนั้นสูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซจะมีค่าดังนี้:
. (7)
ลีโอนาร์ด ยูเลอร์
ออยเลอร์ นักคณิตศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งศตวรรษที่ 18 เกิดที่ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ในปี 1727 ตามคำเชิญของ Academy of Sciences แห่งเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก เขามาที่รัสเซีย ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ออยเลอร์พบว่าตัวเองอยู่ในกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่มีความโดดเด่น ไม่ว่าจะเป็นนักคณิตศาสตร์ นักฟิสิกส์ นักดาราศาสตร์ และได้รับโอกาสดีๆ ในการสร้างและเผยแพร่ผลงานของเขา เขาทำงานด้วยความหลงใหลและในไม่ช้าก็กลายเป็นนักคณิตศาสตร์คนแรกของโลกตามการยอมรับอย่างเป็นเอกฉันท์ของคนรุ่นเดียวกัน มรดกทางวิทยาศาสตร์ของออยเลอร์มีความโดดเด่นในด้านปริมาณและความสามารถรอบด้าน รายชื่อผลงานของเขามีมากกว่า 800 เรื่อง ผลงานที่รวบรวมโดยนักวิทยาศาสตร์มีทั้งหมด 72 เล่ม ในบรรดาผลงานของเขามีตำราเรียนเล่มแรกเกี่ยวกับแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และอินทิกรัล. ในทฤษฎีจำนวน ออยเลอร์ยังคงทำงานของนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พี. แฟร์มาต์ และพิสูจน์ข้อความจำนวนหนึ่ง เช่น ทฤษฎีบทเล็กของแฟร์มาต์ ทฤษฎีบทอันยิ่งใหญ่ของแฟร์มาต์สำหรับเลขชี้กำลัง 3 และ 4 (ดูทฤษฎีบทอันยิ่งใหญ่ของแฟร์มาต์) เขากำหนดปัญหาที่กำหนดขอบเขตอันไกลโพ้นของทฤษฎีจำนวนมานานหลายทศวรรษ ออยเลอร์เสนอให้ใช้เครื่องมือวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ในทฤษฎีจำนวนและก้าวแรกตามเส้นทางนี้ เขาตระหนักว่าเมื่อก้าวไปไกลกว่านี้ ก็เป็นไปได้ที่จะประมาณจำนวนจำนวนเฉพาะที่ไม่เกิน และเขาได้สรุปข้อความที่จะพิสูจน์ได้ในศตวรรษที่ 19 นักคณิตศาสตร์ P. L. Chebyshev และ J. Hadamard ออยเลอร์ทำงานหนักมากในด้านการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ ที่นี่เขาใช้จำนวนเชิงซ้อนอยู่ตลอดเวลา สูตรมีชื่อของเขา นักวิทยาศาสตร์เป็นคนแรกที่พัฒนาหลักคำสอนทั่วไปของฟังก์ชันลอการิทึม โดยที่จำนวนเชิงซ้อนทั้งหมดยกเว้นศูนย์จะมีลอการิทึม และแต่ละตัวเลขสอดคล้องกับค่าลอการิทึมจำนวนอนันต์ ในเรขาคณิต ออยเลอร์ได้วางรากฐานสำหรับการวิจัยสาขาใหม่ ซึ่งต่อมาได้เติบโตเป็นวิทยาการอิสระ - โทโพโลยี ชื่อของออยเลอร์ถูกกำหนดให้กับสูตรที่เชื่อมจำนวนจุดยอด (B), ขอบ (P) และด้าน (G) ของรูปทรงหลายเหลี่ยมนูน: แม้แต่ผลลัพธ์หลักของกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์ของออยเลอร์ก็ยังยากที่จะระบุ นี่คือเรขาคณิตของเส้นโค้งและพื้นผิว และการนำเสนอครั้งแรกของแคลคูลัสของการแปรผันพร้อมผลลัพธ์ที่เป็นรูปธรรมใหม่ๆ มากมาย เขาเขียนผลงานเกี่ยวกับระบบชลศาสตร์ การต่อเรือ ปืนใหญ่ ทัศนศาสตร์เรขาคณิต และแม้แต่ทฤษฎีดนตรี เป็นครั้งแรกที่เขานำเสนอกลศาสตร์เชิงวิเคราะห์แทนการนำเสนอทางเรขาคณิตของนิวตัน และสร้างกลไกของจุดแข็งหรือแผ่นแข็ง ความสำเร็จที่โดดเด่นที่สุดประการหนึ่งของออยเลอร์เกี่ยวข้องกับดาราศาสตร์และกลศาสตร์ท้องฟ้า เขาสร้างทฤษฎีการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ที่แม่นยำ โดยคำนึงถึงแรงดึงดูดไม่เพียงแต่โลกเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงดวงอาทิตย์ด้วย นี่เป็นตัวอย่างการแก้ปัญหาที่ยากมาก ช่วง 17 ปีสุดท้ายของชีวิตของออยเลอร์ประสบกับการสูญเสียการมองเห็นเกือบทั้งหมด แต่เขายังคงสร้างสรรค์อย่างเข้มข้นเหมือนในวัยเยาว์ ตอนนี้เขาไม่ได้เขียนเองอีกต่อไป แต่บอกให้นักเรียนของเขาทำการคำนวณที่ยุ่งยากที่สุดสำหรับเขา ออยเลอร์เป็นครูมาหลายชั่วอายุคน คนหลายรุ่นศึกษาจากคู่มือคณิตศาสตร์ หนังสือเกี่ยวกับกลศาสตร์และฟิสิกส์ของเขา เนื้อหาหลักของหนังสือเหล่านี้รวมอยู่ในหนังสือเรียนสมัยใหม่ |
ดังนั้น แนวคิดที่สำคัญที่สุดของแคลคูลัสอินทิกรัลจึงถูกกำหนดไว้ และได้รับสูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซที่เชื่อมโยงอินทิเกรตและการหาความแตกต่าง
เช่นเดียวกับในแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์ แนวคิดของอนุพันธ์ไม่เพียงแต่นำไปสู่ปัญหาในการกำหนดความเร็วของการเคลื่อนที่ในทันทีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปัญหาของการวาดแทนเจนต์ด้วย ดังนั้นในแคลคูลัสเชิงปริพันธ์ แนวคิดของอินทิกรัลจึงไม่เพียงนำโดย ปัญหาทางกายภาพในการกำหนดระยะทางที่เดินทางด้วยความเร็วในการเคลื่อนที่ที่กำหนด แต่ยังรวมถึงปัญหาอื่นๆ อีกมากมาย และหนึ่งในนั้นคือปัญหาเรขาคณิตโบราณเกี่ยวกับการคำนวณพื้นที่และปริมาตร
สมมติว่าเราต้องค้นหาพื้นที่ที่แสดงในรูปที่ 1 ตัวเลข 1 รูป (เรียกว่าสี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง) ซึ่ง "ด้าน" ด้านบนเป็นกราฟของฟังก์ชันที่ระบุบนเซ็กเมนต์ เราใช้คะแนนเพื่อแบ่งส่วนออกเป็นส่วนเล็ก ๆ โดยแต่ละส่วนเราจะกำหนดจุดที่แน่นอน ให้เราแทนที่พื้นที่ของสี่เหลี่ยมคางหมูโค้งแคบซึ่งอยู่เหนือส่วนโดยประมาณด้วยพื้นที่ของสี่เหลี่ยมที่สอดคล้องกันด้วยฐานและความสูง . ในกรณีนี้ ค่าโดยประมาณของพื้นที่ของรูปทั้งหมดจะได้รับจากผลรวมอินทิกรัลที่คุ้นเคย และค่าที่แน่นอนของพื้นที่ที่ต้องการจะได้รับเป็นขีดจำกัดของผลรวมดังกล่าวเมื่อความยาวของส่วนที่ใหญ่ที่สุดของ พาร์ติชันมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ ดังนั้นเราจึงได้:
ตอนนี้เราลองทำตามอาร์คิมิดีสเพื่อดูว่าพาราโบลาแบ่งพื้นที่ที่แสดงในรูปที่ 2 เป็นอัตราส่วนเท่าใด สี่เหลี่ยมจัตุรัส 2 หน่วย ในการทำเช่นนี้ เราเพียงคำนวณพื้นที่ของสามเหลี่ยมพาราโบลาด้านล่างตามสูตร (8) ในกรณีของเรา และ . เรารู้ค่าแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชัน ซึ่งหมายความว่าเราสามารถใช้สูตรนิวตัน-ไลบ์นิซ (7") และหาค่าได้โดยง่าย
.
ดังนั้น พาราโบลาจะแบ่งพื้นที่ของสี่เหลี่ยมจัตุรัสเป็นอัตราส่วน 2:1
เมื่อต้องจัดการกับปริพันธ์ โดยเฉพาะการใช้สูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซ คุณสามารถใช้คุณสมบัติทั่วไปของปริพันธ์ไม่กำหนด ซึ่งมีชื่ออยู่ที่ตอนต้นของบทความ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎสำหรับการเปลี่ยนตัวแปรในอินทิกรัลไม่ จำกัด โดยมีเงื่อนไขว่า , โดยคำนึงถึงสูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซ ทำให้เราสรุปได้ว่า
ดังนั้นจึงได้สูตรที่มีประโยชน์มากสำหรับการเปลี่ยนตัวแปรในอินทิกรัลจำกัดเขต:
. (9)
ปริมาตรของวัตถุยังคำนวณโดยใช้อินทิกรัลด้วย ถ้าแสดงในรูป. สี่เหลี่ยมคางหมูโค้ง 1 อันหมุนรอบแกน คุณจะได้เนื้อความของการปฏิวัติซึ่งสามารถพิจารณาได้ว่าประกอบด้วยทรงกระบอกแคบ (รูปที่ 3) ซึ่งได้จากการหมุนสี่เหลี่ยมที่สอดคล้องกัน ด้วยการใช้สัญกรณ์เดียวกัน เราจะเขียนปริมาตรของทรงกระบอกแต่ละอันในรูปแบบ (ผลคูณของพื้นที่ฐานและความสูง) ผลรวมจะให้ค่าโดยประมาณของปริมาตรของตัวการหมุนที่พิจารณา จะได้ค่าที่แน่นอนเป็นขีดจำกัดของจำนวนเงินดังกล่าวที่ วิธี,
. (10)
โดยเฉพาะการคำนวณปริมาตรที่แสดงในรูป กรวย 4 อันก็เพียงพอที่จะใส่สูตร (10) และ โดยที่สัมประสิทธิ์เชิงมุมของเส้นตรงที่หมุนคือที่ไหน เมื่อพบแอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชันแล้วจึงได้สูตรของนิวตัน-ไลบ์นิซ
โดยที่พื้นที่ของวงกลมที่ฐานกรวยคือที่ไหน
ในตัวอย่างที่วิเคราะห์ เราได้ใช้รูปทรงเรขาคณิตจนหมดด้วยตัวเลขที่สามารถคำนวณพื้นที่หรือปริมาตรได้ จากนั้นจึงผ่านไปจนถึงขีดจำกัด เทคนิคนี้มาจาก Eudoxus และพัฒนาโดย Archimedes เรียกว่าวิธีหมดแรง นี่เป็นวิธีการหาเหตุผลที่ใช้กันทั่วไปในการประยุกต์อินทิกรัลส่วนใหญ่
“เนื่องจากถังเชื่อมต่อกับวงกลม กรวย และทรงกระบอก ซึ่งเป็นตัวเลขปกติ พวกมันจึงคล้อยตามการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตได้” ไอ. เคปเลอร์
ความหมายคือที่ที่งูมีอยู่ ระหว่างตัวเลขและตัวอักษร ระหว่าง และ! V. Ya. Bryusov