定积分与黎曼和

有了前面的铺垫,我们可以来学习“积分”的严格定义了,其更正式的称呼是定积分。

1 定积分的定义
设函数,在中任意插入若干个分点:

分成个小区间:

各个小区间的长度依次为:

在每个小区间上任取一点,作函数值与小区间长度的乘积,并作出和:

,若当时,这和的极限总存在,且与闭区间的分法及点的取法无关,则称这个极限为函数在区间上的 定积分 (Definite integral),简称 积分 ,记作,即:

其中叫做 被积函数 叫做 被积表达式 叫做 积分变量 叫做 积分下限 叫做 积分上限 叫做 积分区间

如果函数在区间上的定积分存在,那么就说函数在区间 可积

上述定义涉及到的符号较多,这里用下图来总结一下。

定积分定义中的各种符号

除了符号复杂外,该定义本身也很复杂,可说是本课程中最复杂的定义,让我们通过举例来仔细解释下。

2 黎曼和

如下图所示,函数

函数上有界

中任意插入若干个分点:

这些分点把分成个小区间,每个小区间的长度为,如下图所示(为了展示方便,下图中的分点都是均匀插入的)。

分成个小区间,每个小区间的长度为

在每个小区间上任取一点,其函数值为,如下图所示。

在小区间上任取,其函数值为

以各个小区间作底,作高,可以得到个小矩形,如下图所示。容易知道每个小矩形的面积都是

以小区间作底,作高,可得个小矩形

值得注意的是,上述的小区间是可以任意划分的,点也是在小区间上任意选取的,所以小矩形是会不断变化的,如下图所示。

小区间可任意划分,点也是任取的,小矩形会不断变化

将这些可以变化的小矩形的面积加起来,得到的就是定义中提到的和,该和也称为 黎曼和 (Riemann sum),以其发明者德国数学家黎曼命名,如下图所示。

格奥尔格·弗雷德里希·波恩哈德·黎曼(1826-1866)

3 黎曼和的极限就是定积分

如果恰当地(而不是任意地)在中插入更多的分点,那么就可以看到小矩形在不断增多,不断逼近以函数为曲边的曲边梯形,如下图所示。该操作用代数来表示就是,记,不断缩小

不断缩小时,小矩形会不断增多并逼近以函数为曲边的曲边梯形

随着的缩小,如果最终这些小矩形的和存在极限,该极限就是定积分,即:

如果同学们还觉得有点抽象的话,来看下一节的例题吧。

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