9.2 知识点复习

9.2.1 定积分的概念

重要概念回顾

(1)

Riemann和:设P:a=x0<x1<⋯<xn−1<xn=b为[a,b]的一个划分,选定区间的标志点ξk∈Ik=[xk−1,xk],则f在[a,b]上的Riemann和为(1)S(f,P,ξ)=∑k=1nf(ξk)(xk−xk−1)⏟=Δxk=|Ik|

(2)

Riemann可积:设f:[a,b]→R,若∃I∈R,使得∀ε>0,∃δε>0,使得对任意划分P,(2)∥P∥:=max1≤k≤n|xk−xk−1|<δε⟹∀ξ={ξk∣ξk∈Ik},|S(f,P,ξ)−I|<ε 则称f在[a,b]上Riemann可积,I为f在[a,b]上的Riemann积分(定积分),记作(3)I=∫abf(x)dx

(3)

Darboux上下和:设f:[a,b]→R有界,给定划分P,定义(4)S―(f,P)=∑k=1nsupx∈Ikf(x)|Ik|,S―(f,P)=∑k=1ninfx∈Ikf(x)|Ik| 则显然有(5)S―(f,P)≤S(f,P,ξ)≤S―(f,P)

(4)

Darboux可积:设f:[a,b]→R,若∃I∈R,使得∀ε>0,存在划分P,使得(6)I−ε<S―(f,P)≤I≤S―(f,P)<I+ε⟺S―(f,P)−S―(f,P)<2ε 则称f在[a,b]上Darboux可积。

(5)

零测集:设D⊆R,若∀ε>0,∃可数个区间{Ik},使得(7)D⊆⋃k=1+∞Ik∧∑k=1+∞|Ik|<ε 则称D为零测集。

重要定理回顾

(1)

以下三个命题等价:

  • (Riemann)f在[a,b]上Riemann可积;
  • (Darboux)f在[a,b]上Darboux可积;
  • (Lebesgue)f在[a,b]上有界,且f的间断点集是零测集。
(2)

Riemann可积的振幅表述:记ωf(I):=supx,y∈I|f(x)−f(y)|,则f在[a,b]上Riemann可积当且仅当∀ε>0,∃[a,b]的划分P:a=x0<x1<⋯<xn=b,使得(8)∑k=1nωf(Ik)Δxk<ε

(3)

[a,b]上的所有连续函数可积,[a,b]上的所有(分段)单调函数可积。

应用

(1)

由速度计算路程、由密度计算质量、曲边梯形的面积。

(2)

Riemann函数Riemann可积性、Dirichlet函数Riemann不可积。

注

(1)

Riemann可积的定义不需要对函数值f(x)比大小,所以这个定义可以适用于复数值的函数f:[a,b]→C,甚至是向量值的映射f:[a,b]→Rn(此时需要将绝对值改为Rn中的范数)。

(2)

用Riemann可积的定义检验一个函数的可积性是不大现实的,因为它需要检验所有划分和所有标志点;但是,如果已知一个函数可积,那么这个定义给出了计算积分近似值的一个方便的办法,可以任取足够细的划分和标志点集来计算Riemann和。

9.2.2 定积分的性质

重要定理回顾

(1)

线性:设f,g∈R[a,b],λ,μ∈R,则λf+μg∈R[a,b],且(9)∫ab[λf(x)+μg(x)]dx=λ∫abf(x)dx+μ∫abg(x)dx

(2)

保序性:设f,g∈R[a,b],若∀x∈[a,b]都有f(x)≤g(x),则(10)∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx 进一步地,若f,g均在x0∈[a,b]处连续且f(x0)<g(x0),则(11)∫abf(x)dx<∫abg(x)dx

(3)

三角不等式:设f,g∈R[a,b],则(12)|∫abf(x)dx|≤∫ab|f(x)|dx

(4)

第一积分中值定理(积分平均值定理):设f∈C[a,b],g∈R[a,b]且在[a,b]上不变号,则∃ξ∈(a,b),使得(13)∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx 简证:不妨设g(x)≥0,则(14)m∫abg(x)dx≤∫abf(x)g(x)dx≤M∫abg(x)dx⟹m≤∫abf(x)g(x)dx∫abg(x)dx≤M 由介值定理知结论成立。

(5)

Cauchy-Schwarz不等式:设f,g∈R[a,b],则(15)(∫abf(x)g(x)dx)2≤∫abf2(x)dx∫abg2(x)dx

(6)

*第二积分中值定理:设f∈R[a,b],g在[a,b]上单调,则∃ξ∈(a,b),使得(16)∫abf(x)g(x)dx=g(a)∫aξf(x)dx+g(b)∫ξbf(x)dx

注 ∫abf(x)g(x)dx定义了函数空间中f和g的内积,从而可以定义f和g的正交性。

9.2.3 微积分基本定理与Newton-Leibniz公式

重要概念回顾

(1)

积分的有向性:设f∈R[a,b],定义∫baf(x)dx:=−∫abf(x)dx。

重要定理回顾

(1)

积分区域的可加性:设f∈R(I),则∀a,b,c∈I,都有(17)∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx 或者记为(18)∫abf(x)dx+∫bcf(x)dx+∫caf(x)dx=0

(2)

微积分基本定理I:设f在区间I的任何有界闭子区间上可积,a∈I。记F(x)=∫axf(t)dt,则

  • F:I→R连续;
  • 若f在x0∈I处连续,则F在x0处可微,且F′(x0)=f(x0)。
  • 若f∈C(I),则F∈C1(I),且F′(x)=f(x)。
(3)

在一个区间上,所有连续函数都有原函数。

(4)

微积分基本定理II(Newton-Leibniz公式):设f∈R[a,b],F是f的一个原函数,则(19)∫abf(x)dx=F(b)−F(a)

应用

(1)

设f在区间I上连续,u,v:[α,β]→I可导,则F(x):=∫u(x)v(x)f(t)dt在[α,β]上可导,且(20)F′(x)=f(v(x))v′(x)−f(u(x))u′(x)

(2)

定积分的数值计算:设f足够光滑,F(h)=∫a−h/2a+h/2f(x)dx,则以下近似公式的精度为:

  • 矩形公式:F(h)=hf(a)+O(h3);
  • 梯形公式:F(h)=hf(a−h2)+f(a+h2)2+O(h3);
  • Simpson公式:F(h)=hf(a−h2)+4f(a)+f(a+h2)6+O(h5)。

注

(1)

微积分基本定理I针对的问题是:哪些函数会有原函数,以及如何给出一个原函数?答案是:连续函数都有原函数,连续函数的变上限积分给出一个原函数。但是,不是只有连续函数才有原函数,也不是所有函数都有原函数。

(2)

微积分基本定理II针对的问题是:如何计算积分?答案是:如果被积函数有原函数,则定积分计算可以归结为寻找原函数,也就是不定积分。然而,并非每个函数都有原函数;对有原函数的函数,其原函数也未必是初等函数。

9.2.4 积分计算

重要定理回顾

(1)

换元公式:设f∈R(I),φ∈C1[a,b]满足φ[a,b]=[α,β]⊆I,则(21)∫abf(φ(t))φ′(t)dt=∫φ(a)φ(b)f(x)dx 进一步地,若φ是单射,则(22)∫[a,b]f(φ(t))|φ′(t)|dt=∫[α,β]f(x)dx

(2)

分部积分:设f,g∈C1[a,b],则(23)∫abf(x)g′(x)dx=f(x)g(x)|ab−∫abf′(x)g(x)dx

注 换元公式不仅为定积分计算提供了一个转化手段,更重要的是它表明定积分不仅可以看成是一个函数在区间上的积分,也可以看成在一维直线上沿一条路径的积分。