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黎曼積分是怎麼回事

圖文 更新时间:2025-01-02 03:33:26

在初等數學中學習了三角形,四邊形,多邊形的面積計算:

黎曼積分是怎麼回事(什麼是黎曼和什麼是定積分)1

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:

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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 :

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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:

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當n→∞ 的時候,矩形面積和就是曲面下的面積:

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那麼,能不能以這一份的線段的左側的函數值為高做矩形?

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1.2 計算

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把坐标組成兩個集合:

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因此,以左側的函數值為高的矩形和可以如下計算:

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同樣的道理,可以得到以右側的函數值為高的矩形和:

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當 n→∞ 的時候,兩者是相等的,它們都是曲邊梯形的面積:

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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:

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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:

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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):

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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:

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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:

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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:

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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:

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3 黎曼和

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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:

  • 抛物線下的曲邊梯形
  • 狄利克雷函數下的曲邊梯形

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:

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很顯然用于分割區間的點符合:

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3.2 任意高度

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那麼矩形的高度也可以是任意的:

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3.3 黎曼和

根據剛才的講解,可以得到如下定義:

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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:

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這個過程的嚴格化如下:

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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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