5.1 定积分的概念与性质
5.1.1 定积分的定义
定义(黎曼积分):设函数 f(x) 在 [a,b] 上有界,在 [a,b] 中任意插入 n−1 个分点 a=x0<x1<x2<⋯<xn−1<xn=b,把区间 [a,b] 分成 n 个小区间 [xi−1,xi],记 Δxi=xi−xi−1,在每个小区间 [xi−1,xi] 上任取一点 ξi,作和式
S=∑i=1nf(ξi)Δxi
记 λ=max{Δx1,Δx2,⋯,Δxn}。如果无论对 [a,b] 怎样分法,也不论 ξi 在 [xi−1,xi] 上怎样取法,只要当 λ→0 时,和 S 总趋于确定的极限 I,则称这个极限 I 为函数 f(x) 在区间 [a,b] 上的定积分,记作
∫abf(x)dx=limλ→0∑i=1nf(ξi)Δxi
5.1.2 定积分的几何意义
定积分 ∫abf(x)dx 表示由曲线 y=f(x)、直线 x=a、x=b 以及 x 轴所围成的曲边梯形的代数面积(x 轴上方为正,下方为负)。
5.1.3 可积条件
充分条件:
- 在闭区间上连续的函数必可积
- 在闭区间上只有有限个间断点的有界函数必可积
5.1.4 定积分的性质
线性性质:
∫ab[kf1(x)±lf2(x)]dx=k∫abf1(x)dx±l∫abf2(x)dx
区间可加性:
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
有界性估值:若 m≤f(x)≤M(x∈[a,b]),则
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a)
积分中值定理:若函数 f(x) 在闭区间 [a,b] 上连续,则在积分区间 [a,b] 上至少存在一点 ξ,使下式成立
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
5.2 微积分基本公式
5.2.1 变上限积分函数
定义:如果函数 f(x) 在区间 [a,b] 上连续,则积分上限函数
Φ(x)=∫axf(t)dt
在 [a,b] 上可导,且其导数为
Φ′(x)=dxd∫axf(t)dt=f(x)
定理:如果函数 F(x) 是连续函数 f(x) 在区间 [a,b] 上的一个原函数,则
∫abf(x)dx=F(b)−F(a)=[F(x)]ab
5.3 定积分的换元法和分部积分法
5.3.1 换元积分法
定理:设函数 f(x) 在区间 [a,b] 上连续,函数 x=φ(t) 满足:
- φ(α)=a,φ(β)=b
- φ(t) 在 [α,β](或 [β,α])上具有连续导数,且其值域 Rφ⊂[a,b]
则有换元公式
∫abf(x)dx=∫αβf(φ(t))φ′(t)dt
使用说明:换元必换限,无需回代原变量。
5.3.2 分部积分法
公式:
∫abudv=[uv]ab−∫abvdu
5.3.3 奇偶性与周期性
奇偶性:
- 若 f(x) 在 [−a,a] 上连续且为奇函数,则 ∫−aaf(x)dx=0
- 若 f(x) 在 [−a,a] 上连续且为偶函数,则 ∫−aaf(x)dx=2∫0af(x)dx
周期性:若 f(x) 是以 T 为周期的连续函数,则
∫aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx
5.4 反常积分 (Improper Integral)
5.4.1 无穷限的反常积分
定义:设函数 f(x) 在 [a,+∞) 上连续,取 t>a,如果极限 limt→+∞∫atf(x)dx 存在,则称此极限为函数 f(x) 在无穷区间 [a,+∞) 上的反常积分,记作 ∫a+∞f(x)dx,即
∫a+∞f(x)dx=limt→+∞∫atf(x)dx
类似地定义 ∫−∞bf(x)dx 和 ∫−∞+∞f(x)dx。
5.4.2 无界函数的反常积分(瑕积分)
定义:设函数 f(x) 在 (a,b] 上连续,而在点 a 的右邻域内无界。取 ε>0,如果极限 limε→0+∫a+εbf(x)dx 存在,则称此极限为函数 f(x) 在 (a,b] 上的反常积分,记作 ∫abf(x)dx,即
∫abf(x)dx=limε→0+∫a+εbf(x)dx
类似地定义其他情形。
5.4.3 反常积分的审敛法(比较审敛法)
极限审敛法:设函数 f(x) 在区间 [a,+∞) 上连续,且 f(x)≥0。如果存在常数 M>0 及 p>1,使得 f(x)≤xpM(a≤x<+∞),则反常积分 ∫a+∞f(x)dx 收敛。
P-积分:∫1+∞xp1dx 当 p>1 时收敛,当 p≤1 时发散。