定积分
定积分是积分的一种,是函数f(x)在区间[a,b]上的积分和的极限。这里应注意定积分与不定积分之间的关系:若定积分存在,则它是一个具体的数值(曲边梯形的面积),而不定积分是一个函数表达式,它们仅仅在数学上有一个计算关系(牛顿-莱布尼茨公式),其它一点关系都没有!一个函数,可以存在不定积分,而不存在定积分,也可以存在定积分,而不存在不定积分。一个连续函数,一定存在定积分和不定积分;若只有有限个间断点,则定积分存在;若有跳跃间断点,则原函数一定不存在,即不定积分一定不存在。
积分分类
即已知导数求原函数。若,那么.(,C为常数).也就是说,把f(x)积分,不一定能得到F(x),因为的偏导数也是f(x)(C是任意常数)。所以f(x)积分的结果有无数个,是不确定的。所以一律用代替,这就称为不定积分。即如果一个导数有原函数,那么它就有无限多个原函数。
定积分(definite integral)
定积分就是求函数f(X)在区间[a,b]中的图像包围的面积。即由 所围成图形的面积。这个图形称为曲边梯形,特例是曲边三角形。
定义
设函数f(x)在区间[a,b]上连续,将区间[a,b]分成n个子区间,其中。可知各区间的长度依次是:,在每个子区间(xi-1,xi]中任取一点,作和式。该和式叫做积分和,设(即λ是最大的区间长度),如果当时,积分和的极限存在,则这个极限叫做函数f(x) 在区间[a,b]的定积分,记为,并称函数f(x)在区间[a,b]上可积。
其中:a叫做积分下限,b叫做积分上限,区间[a, b]叫做积分区间,函数f(x)叫做被积函数,x叫做积分变量,叫做被积表达式,∫ 叫做积分号。
之所以称其为定积分,是因为它积分后得出的值是确定的,是一个常数,而不是一个函数。
根据上述定义,若函数f(x)在区间[a,b]上可积分,则有n等分的特殊分法:
特别注意,根据上述表达式有,当[a,b]区间恰好为[0,1]区间时,则[0,1]区间积分表达式为:
性质
1、当时,
2、当时,
3、常数可以提到积分号前。
4、代数和的积分等于积分的代数和。
5、定积分的可加性:如果积分区间[a,b]被c分为两个子区间[a,c]与[c,b]则有
又由于性质2,若f(x)在区间D上可积,区间D中任意c(可以不在区间[a,b]上)满足条件。
6、如果在区间[a,b]上,,则
7、积分中值定理:设f(x)在[a,b]上连续,则至少存在一点ε在(a,b)内使
常用积分法
换元积分法
如果
(1) ;
(2)上单值、可导;
(3)当时,,且,则
分部积分法
设u=u(x),v=v(x)均在区间[a,b]上可导,且u′,v′∈R([a,b]),则有分部积分公式:
分点问题
定积分是把函数在某个区间上的图象[a,b]分成n份,用平行于y轴的直线把其分割成无数个矩形,再求当时所有这些矩形面积的和。习惯上,人们用等差级数分点,即相邻两端点的间距Δx是相等的。但是必须指出,即使Δx不相等,积分值仍然相同。假设这些“矩形面积和”
那么当时,Δx的最大值趋于0,所以所有的Δx趋于0,所以S仍然趋于积分值.
利用这个规律,在了解牛顿-莱布尼兹公式之前,便可以对某些函数进行积分。
例如:证明对于函数 有
且
“矩形面积和”为
提取,则有
利用等比级数公式,得到
其中 设 令,则
令n增加,则s,q都趋于1,因而N的极限为。
黎曼积分
定积分的正式名称是黎曼积分。用伯恩哈德·黎曼自己的话来说,就是把直角坐标系上的函数的图象用平行于y轴的直线把其分割成无数个矩形,然后把某个区间[a,b]上的矩形累加起来,所得到的就是这个函数的图象在区间[a,b]的面积。实际上,定积分的上下限就是区间的两个端点a,b.
可以看到,定积分的本质是把图象无限细分,再累加起来,而积分的本质是求一个导函数的原函数。它们看起来没有任何的联系,那么为什么定积分要写成积分的形式呢?
定理
一般定理
定理1:设f(x)在区间[a,b]上连续,则f(x)在[a,b]上可积。
定理2:设f(x)区间[a,b]上有界,且只有有限个间断点,则f(x)在[a,b]上可积。
定理3:设f(x)在区间[a,b]上单调,则f(x)在[a,b]上可积。
牛顿-莱布尼茨公式
定积分与不定积分看起来风马牛不相及,但是由于一个数学上重要的理论的支撑,使得它们有了本质的密切关系。把一个图形无限细分再累加,这似乎是不可能的事情,但是由于这个理论,可以转化为计算积分。这个重要理论就是大名鼎鼎的牛顿-莱布尼兹公式,它的内容是:
如果f(x)是[a,b]上的连续函数,并且有,那么
用文字表述为:一个定积分式的值,就是原函数在上限的值与原函数在下限的值的差。
正因为这个理论,揭示了积分与伯恩哈德·黎曼积分本质的联系,可见其在微积分学以至更高等的数学上的重要地位,因此,牛顿-莱布尼兹公式也被称作微积分基本定理。
应用
解决求曲边图形的面积问题
例:求由抛物线 与直线 围成的平面图形D的面积S.
求变速直线运动的路程
做变速直线运动的物体经过的路程s,等于其速度函数在时间区间[a,b]上的定积分。
变力做功
某物体在变力的作用下,在位移区间[a,b]上做的功等于在[a,b]上的定积分。(见图册“应用”)
数列求和的极限
若函数在[a,b]上连续,则有:
若函数在[a,b]上连续,则有:
若函数在[0,1]上连续,则有:
以上三个结论。