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定积分的定义

定积分的定义是积分理论的基础,它通过黎曼和的概念给出了积分的严格数学定义。

黎曼和的定义

定义:设函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a, b] 上有定义,将区间 [a,b][a, b] 任意分割为 nn 个子区间:

a=x0<x1<x2<<xn=ba = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_n = b

在每个子区间 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i] 上任取一点 ξi\xi_i,作和式:

Sn=i=1nf(ξi)ΔxiS_n = \sum_{i=1}^n f(\xi_i) \Delta x_i

其中 Δxi=xixi1\Delta x_i = x_i - x_{i-1}。如果当最大子区间长度 max{Δxi}0\max\{\Delta x_i\} \to 0 时,和式 SnS_n 的极限存在,则称此极限为函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的定积分,记作:

abf(x)dx=limmax{Δxi}0i=1nf(ξi)Δxi\int_a^b f(x) dx = \lim_{\max\{\Delta x_i\} \to 0} \sum_{i=1}^n f(\xi_i) \Delta x_i

定积分的几何意义

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 = bxx 轴围成的曲边梯形的面积。

注意

  • f(x)0f(x) \geq 0 时,定积分表示面积
  • f(x)<0f(x) < 0 时,定积分表示面积的负值
  • f(x)f(x) 有正有负时,定积分表示面积的代数和

定积分的存在性

定理:如果函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a, b] 上连续,则 f(x)f(x)[a,b][a, b] 上可积。

推论

  1. 连续函数在闭区间上可积
  2. 有界且只有有限个间断点的函数在闭区间上可积
  3. 单调函数在闭区间上可积

练习题

  1. 根据黎曼和的定义,计算 01xdx\int_0^1 x dx 的近似值(取 n=4n=4,每个子区间取中点)。
参考答案

解题思路: 将区间 [0,1][0,1] 分成 4 等份,每个子区间长度为 14\frac{1}{4}

详细步骤

  1. 分割点:x0=0,x1=14,x2=12,x3=34,x4=1x_0=0, x_1=\frac{1}{4}, x_2=\frac{1}{2}, x_3=\frac{3}{4}, x_4=1
  2. 子区间:[0,14],[14,12],[12,34],[34,1][0,\frac{1}{4}], [\frac{1}{4},\frac{1}{2}], [\frac{1}{2},\frac{3}{4}], [\frac{3}{4},1]
  3. 取中点:ξ1=18,ξ2=38,ξ3=58,ξ4=78\xi_1=\frac{1}{8}, \xi_2=\frac{3}{8}, \xi_3=\frac{5}{8}, \xi_4=\frac{7}{8}
  4. 黎曼和:S4=i=14f(ξi)Δxi=1814+3814+5814+7814=14(18+38+58+78)=14168=12S_4 = \sum_{i=1}^4 f(\xi_i) \Delta x_i = \frac{1}{8} \cdot \frac{1}{4} + \frac{3}{8} \cdot \frac{1}{4} + \frac{5}{8} \cdot \frac{1}{4} + \frac{7}{8} \cdot \frac{1}{4} = \frac{1}{4}(\frac{1}{8} + \frac{3}{8} + \frac{5}{8} + \frac{7}{8}) = \frac{1}{4} \cdot \frac{16}{8} = \frac{1}{2}

答案12\frac{1}{2}

  1. 解释定积分 11xdx\int_{-1}^1 x dx 的几何意义。
参考答案

解题思路: 分析函数 f(x)=xf(x) = x 在区间 [1,1][-1,1] 上的图像和定积分的几何意义。

详细步骤

  1. 函数 f(x)=xf(x) = x[1,0][-1,0] 上为负,在 [0,1][0,1] 上为正
  2. 11xdx\int_{-1}^1 x dx 表示由曲线 y=xy=x、直线 x=1x=-1x=1x=1xx 轴围成的面积的代数和
  3. [1,0][-1,0] 上的面积为负:12-\frac{1}{2}
  4. [0,1][0,1] 上的面积为正:12\frac{1}{2}
  5. 总面积:12+12=0-\frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 0

答案:定积分表示面积的代数和,结果为 0

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