第 7 讲:定积分与微积分基本定理

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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

[a,b][a,b] 上取分割

T:a=x0<x1<<xn=b,T:\quad a=x_0<x_1<\cdots<x_n=b,

Δxi=xixi1,\Delta x_i=x_i-x_{i-1},

并在每个小区间 [xi1,xi][x_{i-1},x_i] 中任取 ξi\xi_i。Riemann 和为

i=1nf(ξi)Δxi.\sum_{i=1}^{n}f(\xi_i)\Delta x_i.

分割的细度定义为

T=maxiΔxi.\|T\|=\max_i\Delta x_i.

若当 T0\|T\|\to0 时,不论怎样分割、怎样选取 ξi\xi_i,Riemann 和总趋向同一个数 II,则 ff[a,b][a,b] 上可积,并记

I=abf(x)dx.I=\int_a^b f(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 ii 个小区间上定义

Mi=supf,mi=inff.M_i=\sup f,\qquad m_i=\inf f.

上和、下和为

S(T)=i=1nMiΔxi,s(T)=i=1nmiΔxi.S(T)=\sum_{i=1}^nM_i\Delta x_i,\qquad s(T)=\sum_{i=1}^nm_i\Delta x_i.

任意 Riemann 和都被夹住:

s(T)i=1nf(ξi)ΔxiS(T).s(T) \le\sum_{i=1}^nf(\xi_i)\Delta x_i \le 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.f\text{ 可积} \iff \forall\varepsilon>0,\ \exists T,\ S(T)-s(T)<\varepsilon.

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,xQ,0,xQf(x)= \begin{cases} 1,&x\in\mathbb Q,\\ 0,&x\notin\mathbb Q \end{cases}

在任何小区间内的上确界为 11、下确界为 00,所以所有分割都满足

S(T)s(T)=ba,S(T)-s(T)=b-a,

因此不可积。

定积分的基本性质

线性:

ab(αf+βg)=αabf+βabg.\int_a^b(\alpha f+\beta g) =\alpha\int_a^bf+\beta\int_a^bg.

区间可加:

abf=acf+cbf.\int_a^bf =\int_a^cf+\int_c^bf.

交换上下限:

baf=abf.\int_b^af=-\int_a^bf.

保序性:

f(x)g(x)abf(x)dxabg(x)dx.f(x)\le g(x) \quad\Longrightarrow\quad \int_a^bf(x)\,dx\le\int_a^bg(x)\,dx.

估计:

abf(x)dxabf(x)dx.\left|\int_a^bf(x)\,dx\right| \le\int_a^b|f(x)|\,dx.

mf(x)Mm\le f(x)\le M,则

m(ba)abf(x)dxM(ba).m(b-a)\le\int_a^bf(x)\,dx\le M(b-a).

积分中值定理

ff[a,b][a,b] 连续,则存在 ξ[a,b]\xi\in[a,b] 使

abf(x)dx=f(ξ)(ba).\int_a^bf(x)\,dx=f(\xi)(b-a).

也就是说,函数在区间上的平均值

1baabf(x)dx\frac1{b-a}\int_a^bf(x)\,dx

能被函数在某一点真正取到。

更一般地,若 ff 连续,gg 可积且不变号,则存在 ξ\xi 使

abf(x)g(x)dx=f(ξ)abg(x)dx.\int_a^bf(x)g(x)\,dx =f(\xi)\int_a^bg(x)\,dx.

gg 不变号是把加权平均控制在 ff 的最小值和最大值之间的关键。

积分上限函数

变上限积分把从 a 到 x0 的曲线下面积累积成函数

F(x)=axf(t)dt.F(x)=\int_a^x f(t)\,dt.

ff 可积,则 FF 连续;若 ffxx 连续,则

F(x)=f(x).F'(x)=f(x).

直观上,

F(x+h)F(x)=xx+hf(t)dtf(x)h.F(x+h)-F(x)=\int_x^{x+h}f(t)\,dt \approx f(x)h.

若上限是复合函数 g(x)g(x)

ddxag(x)f(t)dt=f(g(x))g(x).\frac{d}{dx}\int_a^{g(x)}f(t)\,dt =f(g(x))g'(x).

上下限都变化时:

ddxu(x)v(x)f(t)dt=f(v(x))v(x)f(u(x))u(x).\frac{d}{dx}\int_{u(x)}^{v(x)}f(t)\,dt =f(v(x))v'(x)-f(u(x))u'(x).

Newton-Leibniz 公式

ff[a,b][a,b] 连续,FFff 的任一原函数,则

abf(x)dx=F(b)F(a).\int_a^bf(x)\,dx=F(b)-F(a).

逻辑链是:

  1. 积分上限函数 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x)=\int_a^xf(t)\,dt 满足 Φ=f\Phi'=f
  2. Φ\Phi 与任一原函数 FF 的导数相同,因此只差常数;
  3. 代入 x=a,bx=a,b 得到公式。

定积分的值与原函数中常数 CC 无关,所以计算时不写 +C+C

定积分换元与分部积分

x=φ(t)x=\varphi(t)[α,β][\alpha,\beta] 对应到 [a,b][a,b],则

abf(x)dx=αβf(φ(t))φ(t)dt.\int_a^bf(x)\,dx =\int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi'(t)\,dt.

换元后必须同时更换上下限。若 φ\varphi 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=uvababvdu.\int_a^bu\,dv =\left.uv\right|_a^b-\int_a^bv\,du.

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][-a,a]

  • 奇函数积分为 00
  • 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) \Rightarrow \int_{-a}^af(x)\,dx=0, f(x)=f(x)aaf(x)dx=20af(x)dx.f(-x)=f(x) \Rightarrow \int_{-a}^af(x)\,dx=2\int_0^af(x)\,dx.

周期函数若周期为 TT,则长度为一个周期的积分与起点无关:

aa+Tf(x)dx=0Tf(x)dx.\int_a^{a+T}f(x)\,dx=\int_0^Tf(x)\,dx.

用定积分定义识别数列极限

若和式可以写成

k=1nf(kn)1n,\sum_{k=1}^n f\left(\frac{k}{n}\right)\frac1n,

则它是 [0,1][0,1] 上右端点 Riemann 和:

limn1nk=1nf(kn)=01f(x)dx.\lim_{n\to\infty} \frac1n\sum_{k=1}^n f\left(\frac{k}{n}\right) =\int_0^1f(x)\,dx.

若采样点、区间长度不同,先识别 Δx\Delta x 和采样位置,再确定积分区间,不能机械套 [0,1][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\Delta x_i 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 tt 等哑变量,不能和外部变量混淆。
  • 积分中值定理给出的 ξ\xi 一般无法显式求出,结论是存在性。

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