Геометрический смысл интеграла

Признаки сравнения несобственных интегралов по бесконечному промежутку Вопрос о сходимости несобственного интеграла по бесконечному промежутку эквивалентен вопросу о существовании предельного значения функции   при . Для существования предельного значения функции  при  необходимо и достаточно, чтобы она удовлетворяла следующему условию Коши: для любого  можно указать такое А>0, что для любых  и , удовлетворяющих соотношению  выполняется неравенство: .

График функции нескольких переменных

Пусть областью определения функции нескольких переменных $ f(x)$ служит некоторая область $ {\Omega}\sbs\mathbb{R}^n$ .

Графиком функции $ f$ называется подмножество $ (n+1)$ -мерного пространства $ \mathbb{R}^{n+1}$ с координатами $ (x_1;x_2;\dots;x_n;y)$ , заданное уравнением $ y=f(x)$ , то есть множество

$\displaystyle {\Gamma}_f=\{(x_1;x_2;\dots;x_n;f(x_1;x_2;\dots;x_n))\}$

(последняя координата $ y$ точки $ (x;y)$ , принадлежащей графику $ {\Gamma}_f$ , равна значению функции в точке $ x$ ).

Рис.7.7.



Изобразить график функции $ n$ переменных на чертеже можно лишь в случае $ n+1\leqslant 3$ (мы не можем изобразить на бумаге пространство большей размерности) и, следовательно, лишь при $ n=1$ (что соответствует функциям одной вешественной переменной) или при $ n=2$ , то есть для функции двух переменных. В последнем случае, при $ n=2$ , график $ {\Gamma}_f$ обычно изображают в виде некоторой поверхности, расположенной над (или под) областью определения $ {\Omega}=\mathcal{D}(f)$ , а область определения располагают в горизонтальной плоскости чертежа -- плоскости $ \mathbb{R}^2=x_1Ox_2$ . Вертикальная координатная ось тогда соответствует оси значений функции, $ Oy$ . Точки $ M$ , лежащие на графике, имеют тогда три координаты: $ M(x_1;x_2;y)$ , причём $ y=f(x_1;x_2)$ .

Полное приращение и полный дифференциал.

            Определение. Для функции f(x, y) выражение Dz = f( x + Dx, y + Dy) – f(x, y) называется полным приращением.

            Если функция f(x, y) имеет непрерывные частные производные, то

    

Применим теорему Лагранжа (см. Теорема Лагранжа) к выражениям, стоящим в квадратных скобках.

здесь

            Тогда получаем

Т.к. частные производные непрерывны, то можно записать равенства:

            Определение. Выражение  называется полным приращением функции f(x, y) в некоторой точке (х, у), где a1 и a2 – бесконечно малые функции при Dх ® 0 и Dу ® 0 соответственно.

            Определение: Полным дифференциалом функции z = f(x, y) называется главная линейная относительно Dх и Dу приращения функции Dz в точке (х, у).

            Для функции произвольного числа переменных:

            Пример. Найти полный дифференциал функции .

            Пример. Найти полный дифференциал функции

Градиент.

            Определение: Если в некоторой области D задана функция u = u(x, y, z) и некоторый вектор, проекции которого на координатные оси равны значениям функции u в соответствующей точке

,

то этот вектор называется градиентом функции u.

            При этом говорят, что в области D задано поле градиентов.

21.5. Связь градиента с производной по направлению.

            Теорема: Пусть задана функция u = u(x, y, z) и поле градиентов

.

Тогда производная  по направлению некоторого вектора  равняется проекции вектора gradu на вектор .

            Доказательство: Рассмотрим единичный вектор  и некоторую функцию u = u(x, y, z) и найдем скалярное произведение векторов  и gradu.

            Выражение, стоящее в правой части этого равенства является производной функции u по направлению s.

            Т.е. .  Если угол между векторами gradu и  обозначить через j, то скалярное произведение можно записать в виде произведения модулей этих векторов на косинус угла между ними. С учетом того, что вектор  единичный, т.е. его модуль равен единице, можно записать:

            Выражение, стоящее в правой части этого равенства и является проекцией вектора grad u на вектор .

Теорема доказана.

            Для иллюстрации геометрического и физического смысла градиента скажем, что градиент – вектор, показывающий направление наискорейшего изменения  некоторого скалярного поля u в какой- либо точке. В физике существуют такие понятия как градиент температуры, градиент давления и т.п. Т.е. направление градиента есть направление наиболее быстрого роста функции.

            С точки зрения геометрического представления  градиент перпендикулярен поверхности уровня функции.

 Задание 6. Найти радиус, интервал и область сходимости ряда:

Решение. Запишем коэффициент данного ряда: . Найдём радиус сходимости данного ряда: . Интервал сходимости данного ряда будет . Проверим поведение ряда в конечных точках данного интервала.

Пусть . Получим ряд . Проверим его сходимость по признаку Даламбера. . Ряд расходится, следовательно, точка  не принадлежит области сходимости.

Пусть  . Получим ряд . Получили знакочередующийся ряд, расходимость которого легко устанавливается с помощью признака Лейбница (не выполняется первое условие). То есть, точка  также не входит в область сходимости. Итак, область сходимости данного ряда - .

Приложения определённого интеграла к геометрическим вычислениям