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
黎曼和是由德国数学家 伯恩哈德·黎曼(Bernhard Riemann,1826-1866) 在 19 世纪中叶提出的。黎曼是 19 世纪最重要的数学家之一,他在复分析、微分几何、数论等多个领域都有重大贡献。黎曼和的概念为定积分的严格定义奠定了基础,使得积分理论更加严谨和完整。
定义:设函数 f(x) 在闭区间 [a,b] 上有定义,将区间 [a,b] 任意分割为 n 个子区间:
a=x0<x1<x2<⋯<xn=b
在每个子区间 [xi−1,xi] 上任取一点 ξi,作和式:
Sn=i=1∑nf(ξi)Δxi
符号说明:ξi 是希腊字母”xi”(读作”克西”),表示在第 i 个子区间 [xi−1,xi] 内任意选择的一个点。这个点的选择是任意的,可以是子区间的左端点、右端点、中点,或者区间内的任何其他点。不同的选择方式会得到不同的黎曼和,但当分割越来越细时,这些不同的黎曼和都会收敛到同一个极限值。
其中 Δxi=xi−xi−1。如果当最大子区间长度 max{Δxi}→0 时,和式 Sn 的极限存在,则称此极限为函数 f(x) 在区间 [a,b] 上的定积分,记作:
∫abf(x)dx=max{Δxi}→0limi=1∑nf(ξi)Δxi
符号说明:积分符号 ∫ 来源于拉丁语”summa”(和)的首字母 S 的拉长形式,由德国数学家莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)在 17 世纪末引入。
读法:∫abf(x)dx 读作”从 a 到 b 对 f(x) 积分”或”f(x) 从 a 到 b 的定积分”。
定积分的几何意义
几何意义:定积分 ∫abf(x)dx 表示由曲线 y=f(x)、直线 x=a、x=b 和 x 轴围成的曲边梯形的面积。
注意:
- 当 f(x)≥0 时,定积分表示面积
- 当 f(x)<0 时,定积分表示面积的负值
- 当 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) 在闭区间 [a,b] 上连续,则 f(x) 在 [a,b] 上可积。
推论:
- 连续函数在闭区间上可积
- 有界且只有有限个间断点的函数在闭区间上可积
- 单调函数在闭区间上可积
练习题
- 根据黎曼和的定义,计算 ∫01xdx 的近似值(取 n=4,每个子区间取中点)。
参考答案
解题思路:
将区间 [0,1] 分成 4 等份,每个子区间长度为 41。
详细步骤:
- 分割点:x0=0,x1=41,x2=21,x3=43,x4=1
- 子区间:[0,41],[41,21],[21,43],[43,1]
- 取中点:ξ1=81,ξ2=83,ξ3=85,ξ4=87
- 黎曼和:S4=∑i=14f(ξi)Δxi=81⋅41+83⋅41+85⋅41+87⋅41=41(81+83+85+87)=41⋅816=21
答案:21
- 解释定积分 ∫−11xdx 的几何意义。
参考答案
解题思路:
分析函数 f(x)=x 在区间 [−1,1] 上的图像和定积分的几何意义。
详细步骤:
- 函数 f(x)=x 在 [−1,0] 上为负,在 [0,1] 上为正
- ∫−11xdx 表示由曲线 y=x、直线 x=−1、x=1 和 x 轴围成的面积的代数和
- 在 [−1,0] 上的面积为负:−21
- 在 [0,1] 上的面积为正:21
- 总面积:−21+21=0
答案:定积分表示面积的代数和,结果为 0