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定積分到底是不是求面積

圖文 更新时间:2024-07-26 07:20:54

這是一個很有意思的問題。但從應用方面來說為了求一個圖形的面積,我們可能會使用定積分來求;有時候求一個長方形的面積,直接套用一個公式,又完全看不到定積分的影子。

試想一下古人們搶領地的時候,并不會用定積分算一下我家的領地大還是你家的領地大,而是直觀上比較看誰家的領地大;而後才有了長方形、三角形等常規圖形面積的計算,其實這個時候面積的概念就出現了。

随着人們要求越來越精确,一些不規則圖形的面積計算不了,就慢慢有了定積分來解決這一難以直觀計算的問題。


再舉一個例子來說明定積分和面積應用的問題:

假設小明的媽媽讓小明數100塊糖,一種方法是一塊一塊地數,另一種方法是先稱一塊糖的重量,另外計算出100塊糖的重量,直接稱出來,免去一塊一塊數的麻煩。

其實這個例子中第一種方法就是定積分的定義方法;第二種就是面積的方法。

如此一來,我們便可以引出定積分的定義

定積分定義的通俗解釋:利用無限多個矩形面積來代替

定積分到底是不是求面積(定積分和面積有什麼關系)1

定積分的定義說了好多,大概意思是說:

定積分其實是一個函數與坐标軸、有限區間範圍[a,b]所圍的面積(有正負号區别,下述),正如下圖左側陰影部分的面積,它的近似計算,也即定義式是将所圍面積劃分成等寬,以每個矩形左側或者右側的橫坐标所對應的函數值為高的無數個矩形求和得到,這樣一來可以通過計算矩形面積的累加求和即可計算定積分的值。

定積分到底是不是求面積(定積分和面積有什麼關系)2

之所以近似是因為矩形來代替定積分計算存在一定的誤差,正如下圖計算定積分的方式所示,誤差正由于紅色陰影部分的面積産生的,因此要想足夠精确,隻能将下圖的矩形寬度無限縮小,用更多的矩形來等效。

定積分到底是不是求面積(定積分和面積有什麼關系)3

定積分的精确計算:牛頓-萊布尼茨公式

上面給出了由定積分的定義來計算定積分,也說明了對于“不規則圖形”用定義來計算定積分的值是非常麻煩的,畢竟如此之多的矩形求和是不現實的。

這個時候,牛頓-萊布尼茨公式很好地解答了這個問題,可以直接計算一個函數(原函數)的兩次函數值,再作差就可以得出定積分的值。下面給出了牛頓-萊布尼茨公式:

定積分到底是不是求面積(定積分和面積有什麼關系)4

這個公式的關鍵之處在于準确求得函數f(x)的原函數F(x),反過來也可以說F(x)的導函數是f(x).

如此一來,我們可以接着思考一下:

我們在計算定積分的時候,使用牛頓-萊布尼茨公式可以得出,而計算長方形的面積,直接套用面積公式也可以得出,是不是也可以理解為:牛頓-萊布尼茨公式其實也是一種給出圖形面積的方法,有所不同的是,積分上下限的置換,定積分的值可能還需要加一個正負号。

定積分到底是不是求面積(定積分和面積有什麼關系)5

定積分與面積的關系

以上的情形是在二維坐标系-平面下,因此定積分可以用來求一個二維圖形的面積;同樣的,在三維坐标系下,三重積分則可以用來求一個物體的體積。

但是這裡面有一個優先級的問題,如果一個定積分或者三重積分可以直接用面積公式或者體積公式計算得到,則可以直接計算得出,而不必再一步步求解這個定積分或者三重積分。

除了計算面積之外,定積分還可以用在物理中計算路程-速度速度-加速度問題。換句話說,兩個物理量之間如果滿足導數關系,即可以用定積分來計算原函數


定積分到底是不是求面積(定積分和面積有什麼關系)6

因此路程-速度問題可以解釋為路程是速度與時間軸所圍成的面積;而速度-加速度問題則可以解釋為速度是加速度與時間軸所圍成的面積。

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