定积分把区间切成很多小段,用“小段上的函数值 × 小段长度”近似总量,再让分割无限细。微积分基本定理进一步说明:这种累计运算恰好是求导的逆运算。
从曲边梯形到 Riemann 和
在 [a,b] 上取分割
T:a=x0<x1<⋯<xn=b,
记
Δxi=xi−xi−1,
并在每个小区间 [xi−1,xi] 中任取
ξi。Riemann 和为
i=1∑nf(ξi)Δxi.
分割的细度定义为
∥T∥=imaxΔxi.
若当 ∥T∥→0 时,不论怎样分割、怎样选取 ξi,Riemann 和总趋向同一个数 I,则
f 在 [a,b] 上可积,并记
I=∫abf(x)dx.
“不论怎样取样”非常关键。若只有某一种特殊等分方式收敛,还不能直接说明 Riemann 可积。
Darboux 上和与下和
在第 i 个小区间上定义
Mi=supf,mi=inff.
上和、下和为
S(T)=i=1∑nMiΔxi,s(T)=i=1∑nmiΔxi.
任意 Riemann 和都被夹住:
s(T)≤i=1∑nf(ξi)Δxi≤S(T).
分割加细时,上和不增、下和不减。Darboux 判据:
f 可积⟺∀ε>0, ∃T, S(T)−s(T)<ε.
它表示小区间内部的总振荡可以压到任意小。
哪些函数可积
可积函数必须有界。无界函数不能作为通常意义下的 Riemann 可积函数;第九章会用广义积分重新定义某些无界情形。
常用充分条件:
- 连续函数在闭区间上可积;
- 单调函数在闭区间上可积;
- 只有有限个间断点的有界函数可积;
- 分段连续函数可积。
“有界”本身不够。Dirichlet 函数
f(x)={1,0,x∈Q,x∈/Q
在任何小区间内的上确界为 1、下确界为 0,所以所有分割都满足
S(T)−s(T)=b−a,
因此不可积。
定积分的基本性质
线性:
∫ab(αf+βg)=α∫abf+β∫abg.
区间可加:
∫abf=∫acf+∫cbf.
交换上下限:
∫baf=−∫abf.
保序性:
f(x)≤g(x)⟹∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx.
估计:
∫abf(x)dx≤∫ab∣f(x)∣dx.
若 m≤f(x)≤M,则
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a).
积分中值定理
若 f 在 [a,b] 连续,则存在 ξ∈[a,b] 使
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a).
也就是说,函数在区间上的平均值
b−a1∫abf(x)dx
能被函数在某一点真正取到。
更一般地,若 f 连续,g 可积且不变号,则存在 ξ 使
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx.
g 不变号是把加权平均控制在 f 的最小值和最大值之间的关键。
积分上限函数

令
F(x)=∫axf(t)dt.
若 f 可积,则 F 连续;若 f 在 x 连续,则
F′(x)=f(x).
直观上,
F(x+h)−F(x)=∫xx+hf(t)dt≈f(x)h.
若上限是复合函数 g(x):
dxd∫ag(x)f(t)dt=f(g(x))g′(x).
上下限都变化时:
dxd∫u(x)v(x)f(t)dt=f(v(x))v′(x)−f(u(x))u′(x).
Newton-Leibniz 公式
若 f 在 [a,b] 连续,F 是 f 的任一原函数,则
∫abf(x)dx=F(b)−F(a).
逻辑链是:
- 积分上限函数 Φ(x)=∫axf(t)dt 满足
Φ′=f;
- Φ 与任一原函数 F 的导数相同,因此只差常数;
- 代入 x=a,b 得到公式。
定积分的值与原函数中常数 C 无关,所以计算时不写 +C。
定积分换元与分部积分
若 x=φ(t) 将 [α,β] 对应到 [a,b],则
∫abf(x)dx=∫αβf(φ(t))φ′(t)dt.
换元后必须同时更换上下限。若 φ 不是一一对应,要检查它在参数区间上的实际取值路径,必要时分段。
分部积分:
∫abudv=uv∣ab−∫abvdu.
和不定积分相比,边界项必须完整代入。
对称性
在对称区间 [−a,a]:
- 奇函数积分为 0;
- 偶函数积分为两倍半区间积分。
f(−x)=−f(x)⇒∫−aaf(x)dx=0,
f(−x)=f(x)⇒∫−aaf(x)dx=2∫0af(x)dx.
周期函数若周期为 T,则长度为一个周期的积分与起点无关:
∫aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx.
用定积分定义识别数列极限
若和式可以写成
k=1∑nf(nk)n1,
则它是 [0,1] 上右端点 Riemann 和:
n→∞limn1k=1∑nf(nk)=∫01f(x)dx.
若采样点、区间长度不同,先识别
Δx 和采样位置,再确定积分区间,不能机械套 [0,1]。
易错点
- 定积分存在首先要求通常意义下的有界性。
- Riemann 和中的 Δxi 不能漏。
- 换元后上下限和变量必须成套改变。
- 积分上限函数的积分变量应使用 t 等哑变量,不能和外部变量混淆。
- 积分中值定理给出的 ξ 一般无法显式求出,结论是存在性。