在初等數學中學習了三角形,四邊形,多邊形的面積計算:
現在來學習曲邊梯形的面積是如何定義的,以及如何計算的:
1 抛物線下的曲邊梯形
1.1 問題
之前介紹過,要求 , 之間的曲邊梯形的面積 :
可以把 均分為 份,以每一份線段為底,以這一份線段的右側的函數值為高做矩形:
當n→∞ 的時候,矩形面積和就是曲面下的面積:
那麼,能不能以這一份的線段的左側的函數值為高做矩形?
1.2 計算
把坐标組成兩個集合:
因此,以左側的函數值為高的矩形和可以如下計算:
同樣的道理,可以得到以右側的函數值為高的矩形和:
當 n→∞ 的時候,兩者是相等的,它們都是曲邊梯形的面積:
2 狄利克雷函數的曲邊梯形
之前介紹連續的時候就介紹過狄利克雷函數:
也見識過它的古怪性質。這裡也要把它拉出來作一個反面典型。D(x) 的圖像是沒有辦法畫的,非要畫也就是這樣的:
假設要求 内的曲邊梯形面積,嘗試對 進行 等分,那麼等分點必然為有理數點(下圖為了演示方便,調整了下 坐标的比例):
所以這些等分點的函數值必然為1。以1為高,以等分區間長度為底作矩形,可以得到:
這些矩形的和必然為1,可以想象進行 n 等分也依然為1,所以有:
下面換一種劃分方式,以鄰近的兩個無理數作為端點劃分區間,這些區間的端點的函數值必然為0,以區間長度為底,0為高,得到的矩形和為:
可見,對于 而言,不同的劃分區間、不同的高的取法,會導緻不同的矩形和:
3 黎曼和
格奧爾格·弗雷德裡希·波恩哈德·黎曼(1826-1866)是德國數學家,黎曼幾何學創始人,複變函數論創始人之一。在數學界搞風搞雨的黎曼猜想也是他的傑作。
基于對剛才兩種情況:
的思考,看到不同劃分帶來的效果,黎曼先發明了黎曼和,進而定義了曲邊梯形的面積,也就是定積分。
3.1 任意劃分
[a,b] 不一定需要均分為n份,可以任意分割:
很顯然用于分割區間的點符合:
3.2 任意高度
那麼矩形的高度也可以是任意的:
3.3 黎曼和
根據剛才的講解,可以得到如下定義:
4 定積分
随着[a,b] 的劃分不斷變細,所有子區間的長度趨于0時,黎曼和不斷地逼近曲邊梯形的面積:
這個過程的嚴格化如下:
其中,S 代表英文中的求和(“sum”),拉長的 ∫ 則表明積分是和的極限(“limits of sums”)。這個符号相當精練,可以表達非常豐富的信息:
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