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定積分計算的基本思路

生活 更新时间:2024-11-23 12:40:07

定積分計算的基本思路(數學分析之定積分)1

前面不定積分是求原函數,而今天的定積分是求和式極限,将兩者關聯起來的是牛頓-萊布尼茲公式。定積分常用于求平面圖形的面積,變速直線運動路程和變力做的功。

第1節:定積分的概念和性質

  • 定義:設函數f(x)在區間[a,b]上有定義,J∈R,若對任意ε>0 都存在σ>0,使得對[a,b]的任何分割T:a=x0<x1<x2<...<xn-1<xn=b,以及取任意介點值{ξi|xi-1≤ξi≤xi},隻要||T||<σ,就有|Σ(f(ξi)Δxi)-J|<ε,那麼就稱f(x)在[a,b]上可積,區間稱為積分區間,a,b分别稱為積分下,上限。也有稱為黎曼可積,黎曼積分,黎曼和。
  • 可積的必要條件定理:f(x)在[a,b]上可積,則函數在該區間必有界
  • 定積分線性性質定理,與不定積分很像:設f(x) ,g(x)在I上都在[a,b]上可積,α,β為兩任意實常數,則αf(x) βg(x)在區間上也可積 且∫[αf(x) βg(x)]dx =α∫f(x)dx β∫g(x)dx |積分上限b,積分下限a
  • 可積的充要條件定理:f(x)在[a,b]上可積 <==>對任意c∈(a,b),f(x)在[a,c]與[c,b]上都可積,此時有等式∫f(x) dx |a->b = ∫f(x) dx |a->c ∫f(x) dx |c->b。這個也叫積分區間的有限可加性
  • 定理:滿足可積條件下,|∫f(x) dx |a->b | = ∫|f(x)| dx |a->b ,即積分的絕對值 = 函數值的絕對值的積分

定積分計算的基本思路(數學分析之定積分)2

第2節:微積分基本定理 ,在這節内容,會感受到函數連續性的重要性

  • 變上限定積分與變下限定積分,簡單來說就是積分上限 或者下限 是變量 。型如,F(x)=∫f(t) dt |a->x ,x∈[a,b]
  • 定理:若f(x)在[a,b]上可積,則其變上限積分所定義的函數F(x) 在[a,b]上連續。關聯了可積與連續性
  • 原函數存在定理:設f(x)在[a,b]上連續,則變上限定積分所定義的函數F(x)是f(x)在[a,b]上的原函數,即F`(x)=d*∫f(t) dt |a->x /dx = f(x) x∈[a,b]。 關聯了原函數與連續性
  • 推論:設f(x)在[a,b]上連續,則d*∫f(t) dt |x->b /dx = -f(x)。
  • 連續函數的可導且複合函數是有意義的。即積分上限是一個關于x的函數
  • 微積分基本定理-牛頓萊布尼茲公式:設f(x)在[a,b]上連續,F(x)是f(x)在[a,b]上的一原函數,即F`(x)=f(x),則∫f(x) dx |a->b = F(b)-F(a)

定積分計算的基本思路(數學分析之定積分)3

第3節:定積分的計算,主要講常見的定積分計算的類型,沒有太多理論性的東西。可以對比不定積分的計算

  • 換元法定理:類比不定積分,不過此處條件為,函數f(x)在閉區間[a,b]連續
  • 分部積分定理:同樣類比不定積分的分部積分法,此處條件為u(x),v(x)都是在閉區間[a,b]有連續的導函數

第4節:讨論定積分存在的條件

  • 布達和的概念,包括布達上和S,布達下和s。其實就是同一分割下,最大 與 最小 的積分和
  • 上下和性質定理1:滿足條件的同一分割下,上和是所有積分和的上确界,下和是所有積分和的下确界
  • 上下和性質定理2:在分割T下增加分割點所得新分割T`,相比以前,下和遞增,上和遞減
  • 上下和性質定理3:任意兩分割組合成一個新分割,新上和不超過之前的任意一個分割的上和,新下和≥之前的任意一個分割的下和
  • 上下和性質定理4:對任意兩分割,總有下和不超過上和
  • 布達定理:lim s(T)=s ||T||->0 ;lim S(T)=S ||T||->0
  • 可積準則1:設f(x)在[a,b]上有界,則f(x)在[a,b] 可積<==> f(x)在[a,b]的上積分=下積分,即S=s
  • 可積準則2:設f(x)在[a,b]上有界,則f(x)在[a,b] 可積<==>對任意ε>0,總存在一分割T,使得 S(T)-s(T)<ε
  • 可積準則3:設f(x)在[a,b]上有界,則f(x)在[a,b] 可積<==>對任意正數ε,η,總存在一分割T,使得屬于T的所有小區間中,對應于振幅wk`≥ε的那些小區間的總長ΣΔxk`<η
  • 可積函數類1:在閉區間連續的函數可積
  • 可積函數類2:在閉區間單調的函數可積
  • 可積函數類3:在閉區間隻有有限個間斷點的有界函數可積

第5節:積分中值定理

  • 積分第一中值定理:設f(x)在[a.b]上連續,則至少存在一點ξ∈(a,b),使得∫f(x) dx |a->b = f(ξ)(b-a)
  • 推廣的積分第一中值定理:設f(x)在[a.b]上連續,g(x)在[a.b]可積且不變号,則至少存在一點ξ∈[a,b],使得
  • ∫f(x)g(x) dx |a->b = f(ξ)∫g(x)dx |a->b
  • 積分第二中值定理:設f(x)在[a.b]上可積,g(x)在[a.b]上遞增且g(x)≥0,則存ξ∈[a,b],使得
  • ∫f(x)g(x) dx |a->b = g(b)∫f(x)dx |ξ->b
  • 推廣的積分第二中值定理:設f(x)在[a.b]上可積,g(x)在[a.b]單調函數,則存在ξ∈[a,b],使得
  • ∫f(x)g(x) dx |a->b = g(a)∫f(x)dx |a->ξ g(b)∫f(x)dx |ξ->b

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