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第五章 定积分

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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)f(x)[a,b][a, b] 上有界,在 [a,b][a, b] 中任意插入 n1n-1 个分点 a=x0<x1<x2<<xn1<xn=ba = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_{n-1} < x_n = b,把区间 [a,b][a, b] 分成 nn 个小区间 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i],记 Δxi=xixi1\Delta x_i = x_i - x_{i-1},在每个小区间 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i] 上任取一点 ξi\xi_i,作和式 S=i=1nf(ξi)ΔxiS = \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_iλ=max{Δx1,Δx2,,Δxn}\lambda = \max\{\Delta x_1, \Delta x_2, \cdots, \Delta x_n\}。如果无论对 [a,b][a, b] 怎样分法,也不论 ξi\xi_i[xi1,xi][x_{i-1}, x_i] 上怎样取法,只要当 λ0\lambda \to 0 时,和 SS 总趋于确定的极限 II,则称这个极限 II 为函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的定积分,记作 abf(x)dx=limλ0i=1nf(ξi)Δxi\int_a^b f(x)dx = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i


5.1.2 定积分的几何意义#

定积分 abf(x)dx\int_a^b f(x)dx 表示由曲线 y=f(x)y = f(x)、直线 x=ax = ax=bx = b 以及 xx 轴所围成的曲边梯形的代数面积(xx 轴上方为正,下方为负)。


5.1.3 可积条件#

充分条件


5.1.4 定积分的性质#

线性性质ab[kf1(x)±lf2(x)]dx=kabf1(x)dx±labf2(x)dx\int_a^b [kf_1(x) \pm lf_2(x)]dx = k\int_a^b f_1(x)dx \pm l\int_a^b f_2(x)dx

区间可加性abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx\int_a^b f(x)dx = \int_a^c f(x)dx + \int_c^b f(x)dx

有界性估值:若 mf(x)Mm \leq f(x) \leq Mx[a,b]x \in [a, b]),则 m(ba)abf(x)dxM(ba)m(b-a) \leq \int_a^b f(x)dx \leq M(b-a)

积分中值定理:若函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a, b] 上连续,则在积分区间 [a,b][a, b] 上至少存在一点 ξ\xi,使下式成立 abf(x)dx=f(ξ)(ba)\int_a^b f(x)dx = f(\xi)(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)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上连续,则积分上限函数 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x) = \int_a^x f(t)dt[a,b][a, b] 上可导,且其导数为 Φ(x)=ddxaxf(t)dt=f(x)\Phi'(x) = \frac{d}{dx} \int_a^x f(t)dt = f(x)


5.2.2 牛顿-莱布尼茨公式 (Newton-Leibniz Formula)#

定理:如果函数 F(x)F(x) 是连续函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的一个原函数,则 abf(x)dx=F(b)F(a)=[F(x)]ab\int_a^b f(x)dx = F(b) - F(a) = [F(x)]_a^b


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)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上连续,函数 x=φ(t)x = \varphi(t) 满足:

  1. φ(α)=a\varphi(\alpha) = aφ(β)=b\varphi(\beta) = b
  2. φ(t)\varphi(t)[α,β][\alpha, \beta](或 [β,α][\beta, \alpha])上具有连续导数,且其值域 Rφ[a,b]R_\varphi \subset [a, b]

则有换元公式 abf(x)dx=αβf(φ(t))φ(t)dt\int_a^b f(x)dx = \int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi'(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]ababvdu\int_a^b u dv = [uv]_a^b - \int_a^b v du


5.3.3 奇偶性与周期性#

奇偶性

周期性:若 f(x)f(x) 是以 TT 为周期的连续函数,则 aa+Tf(x)dx=0Tf(x)dx\int_a^{a+T} f(x)dx = \int_0^T f(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)f(x)[a,+)[a, +\infty) 上连续,取 t>at > a,如果极限 limt+atf(x)dx\lim_{t \to +\infty} \int_a^t f(x)dx 存在,则称此极限为函数 f(x)f(x) 在无穷区间 [a,+)[a, +\infty) 上的反常积分,记作 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)dx,即 a+f(x)dx=limt+atf(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)dx = \lim_{t \to +\infty} \int_a^t f(x)dx

类似地定义 bf(x)dx\int_{-\infty}^b f(x)dx+f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty} 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)f(x)(a,b](a, b] 上连续,而在点 aa 的右邻域内无界。取 ε>0\varepsilon > 0,如果极限 limε0+a+εbf(x)dx\lim_{\varepsilon \to 0^+} \int_{a+\varepsilon}^b f(x)dx 存在,则称此极限为函数 f(x)f(x)(a,b](a, b] 上的反常积分,记作 abf(x)dx\int_a^b f(x)dx,即 abf(x)dx=limε0+a+εbf(x)dx\int_a^b f(x)dx = \lim_{\varepsilon \to 0^+} \int_{a+\varepsilon}^b f(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)f(x) 在区间 [a,+)[a, +\infty) 上连续,且 f(x)0f(x) \geq 0。如果存在常数 M>0M > 0p>1p > 1,使得 f(x)Mxpf(x) \leq \frac{M}{x^p}ax<+a \leq x < +\infty),则反常积分 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)dx 收敛。

PP-积分1+1xpdx\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^p}dxp>1p > 1 时收敛,当 p1p \leq 1 时发散。