定积分

  • 定义
    • 函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上有定义,用分点 a=x0<x1<x2<<xn1<xn=ba=x_0<x_1<x_2<\cdots<x_{n-1}<x_n=b[a,b][a,b] 分成 nn 个小区间,第 ii 个小区间 [xi1,xi][x_{i-1},x_i] 的长度记为 Δxi=xixi1 (i=1,2,,n)\Delta x_i=x_i-x_{i-1}\ (i=1,2,\dots,n),任取 ξi[xi1,xi]\xi_i\in[x_{i-1},x_i],做乘积 f(ξi)Δxi (i=1,2,,n)f(\xi_i)\Delta x_i\ (i=1,2,\dots,n),将这些乘积相加得到和式 i=1nf(ξi)Δxi\sum\limits_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i,令 λ=max1in{Δxi}\lambda=\max\limits_{1\le i\le n}\{\Delta x_i\},如果不论小区间怎样划分以及点 ξi\xi_i 怎样取,和式 i=1nf(ξi)Δxi\sum\limits_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i极限都存在且为同一个数,则称函数 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积,而此极限值称为函数 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的定积分,记作 abf(x)dx\int_a^bf(x)\mathrm dx,即 abf(x)dx=i=1nf(ξi)Δxi\int_a^bf(x)\mathrm dx=\sum\limits_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i
    • 其中 f(x)f(x) 称为被积函数,xx 称为积分变量,f(x)dxf(x)\mathrm dx 称为被积分式,[a,b][a,b] 称为积分区间,a,ba,b 分别称为积分下限和积分上限,\int 为积分符号。
    • 规定当 a>ba>b 时,abf(x)dx=baf(x)dx\int_a^b f(x)\mathrm dx=-\int_b^a f(x)\mathrm dx。由此可以得出 aaf(x)dx=0\int_a^a f(x)\mathrm dx=0
  • 性质
    • 定积分存在定理:
      • 函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上的必要条件是在区间 [a,b][a,b] 上有界。
      • 如果函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上连续,则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积。
      • 如果函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上有界,且只有有限个间断点,则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积。
    • 定积分不存在的定义法判定:如果函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上按照两个不同划分区间方法、不同取点方法计算得到的和式的极限不同,则 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上不可积。
    • 线性性质:ab(C1f(x)dx+C2g(x)dx)=C1abf(x)dx+C2abg(x)dx\int_a^b\left(C_1f(x)\mathrm dx+C_2g(x)\mathrm dx\right)=C_1\int_a^b f(x)\mathrm dx+C_2\int_a^b g(x)\mathrm dx
    • 积分区间可加性:a,b,cR,abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx\forall a,b,c\in \mathrm R,\int_a^b f(x)\mathrm dx=\int_a^c f(x)\mathrm dx+\int_c^b f(x)\mathrm dx
    • 比较性质:
      • 如果在 [a,b][a,b] 上,f(x)g(x)f(x)\ge g(x),则 abf(x)dxabg(x)dx\int_a^b f(x)\mathrm dx\ge\int_a^b g(x)\mathrm dx
      • 在以上性质基础上,如果 f(x),g(x)f(x),g(x) 在区间 [a,b][a,b] 上连续,且至少存在一点 x0x_0 使得 f(x0)>g(x0)f(x_0)>g(x_0),则 abf(x)dx>abg(x)dx\int_a^b f(x)\mathrm dx>\int_a^b g(x)\mathrm dx
    • 绝对值性质:如果函数 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积,则 f(x)|f(x)| 也在 [a,b][a,b] 上可积,并且 abf(x)dxabf(x)dx\left|\int_a^b f(x)\mathrm dx\right|\le\int_a^b |f(x)|\mathrm dx
    • 估值定理:如果在 [a,b][a,b]mf(x)Mm\le f(x)\le M,则 m(ba)abf(x)dxM(ba)m(b-a)\le\int_a^b f(x)\mathrm dx\le M(b-a)
    • 积分中值定理:如果函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上连续,则在 [a,b][a,b] 上至少存在一点 ξ\xi,使得 abf(x)dx=f(ξ)(ba)\int_a^b f(x)\mathrm dx=f(\xi)(b-a)
  • 微积分基本定理
    • 变上限积分
      • 定义
        • f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积,则 x[a,b]\forall x\in [a,b]Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x)=\int_{a}^x f(t)\mathrm dt 存在,Φ(x)\Phi(x) 就是 f(x)f(x) 的变上限积分。
        • 变下限的积分和上下限均改变的积分都可以转化为变上限积分。
        • 如果出现 axf(x)dx\int_{a}^x f(x)\mathrm dx,那么积分上限的 xx 与被积分式中的 xx 应视为不同的量,尽管使用重复的变量名是不好的。
      • 性质
        • 微积分第一基本定理:如果 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,则 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x)=\int_a^x f(t)\mathrm dt[a,b][a,b] 上可导,Φ(x)=f(x)\Phi'(x)=f(x)。如果 xx 为区间端点,则改为单侧导数。
        • 如果 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,则 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x)=\int_a^x f(t)\mathrm dtf(x)f(x)[a,b][a,b] 上的一个原函数。
        • ddxh(x)g(x)f(t)dt=f(g(x))g(x)f(h(x))h(x)\frac{\mathrm d}{\mathrm dx}\int_{h(x)}^{g(x)} f(t)\mathrm dt=f(g(x))g'(x)-f(h(x))h'(x)
    • 牛顿-莱布尼茨公式 / 微积分第二基本定理
      • 如果 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,F(x)F(x)f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的任意一个原函数,则 abf(x)dx=F(b)F(a)=F(x)ab\int_a^b f(x)\mathrm dx=F(b)-F(a)=F(x)\big|_a^b
      • 这个公式被称为牛顿-莱布尼茨公式,或微积分基本公式。
  • 特殊求解方法
    • 换元法
      • 如果 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,x=g(t)x=g(t)[a,b][a,b] 上的导数连续,g(α)=a,g(β)=bg(\alpha)=a,g(\beta)=b,则 abf(x)dx=αβf(g(t))g(t)dt\int_a^b f(x)\mathrm dx=\int_\alpha^\beta f(g(t))g'(t)\mathrm dt
      • 换元公式也可以逆向使用。
    • 分部积分法
      • u(x),v(x)u(x),v(x)[a,b][a,b] 上有连续导数,则 abu(x)v(x)dx=u(x)v(x)ababu(x)v(x)dx\int_a^b u(x)v'(x)\mathrm dx=u(x)v(x)\big|_a^b-\int_a^b u'(x)v(x)\mathrm dx
    • 常用结论
      • f(x)f(x)[a,a][-a,a] 上连续:
        • f(x)f(x) 是奇函数,则 aaf(x)dx=0\int_{-a}^a f(x)\mathrm dx=0。若 f(x)f(x) 是偶函数,则 aaf(x)dx=20af(x)dx\int_{-a}^a f(x)\mathrm dx=2\int_0^a f(x)\mathrm dx
          • 寻找函数的对称轴或对称中心,换元转化为奇偶函数。
        • f(x)f(x) 的周期为 TT,则 aa+Tf(x)dx=0Tf(x)dx\int_a^{a+T}f(x)\mathrm dx=\int_0^T f(x)\mathrm dx
      • f(x)f(x)[0,1][0,1] 上连续:
        • 0π2f(sinx)dx=0π2f(cosx)dx\int_0^{\frac{\pi}{2}}f(\sin x)\mathrm dx=\int_0^{\frac{\pi}{2}}f(\cos x)\mathrm dx
        • 0πxf(sinx)dx=π20πf(sinx)dx\int_0^{\pi}xf(\sin x)\mathrm dx=\frac{\pi}{2}\int_0^{\pi}f(\sin x)\mathrm dx
      • f(x),g(x)f(x),g(x) 连续,abf(tx)g(x)dx=abf(x)g(tx)dx\int_a^b f(t-x)g(x)\mathrm dx=\int_a^b f(x)g(t-x)\mathrm dx
        • 01x(1x)17dx=01x17(1x)dx\int_0^1 x(1-x)^{17}\mathrm dx=\int_0^1 x^{17}(1-x)\mathrm dx
      • 0π2sinnxdx=0π2cosnxdx={π2(n1)!!n!!,n=2k(n1)!!n!!,n=2k+1\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^n x\mathrm dx=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^n x\mathrm dx=\left\{\begin{matrix} \frac{\pi}{2}\cdot\frac{(n-1)!!}{n!!}, & n=2k\\ \frac{(n-1)!!}{n!!}, & n=2k+1\\\end{matrix}\right.
  • 反常积分
    • 无穷积分
      • 定义
        • 无穷积分分为三种:
          • 设函数 f(x)f(x) 在区间 [a,+)[a,+\infty) 上连续,定义 a+f(x)dx=limb+abf(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx=\lim\limits_{b\to +\infty}\int_a^b f(x)\mathrm dx
          • 设函数 f(x)f(x) 在区间 (,b](-\infty,b] 上连续,定义 bf(x)dx=limaabf(x)dx\int_{-\infty}^b f(x)\mathrm dx=\lim\limits_{a\to -\infty}\int_a^b f(x)\mathrm dx
          • 设函数 f(x)f(x) 在区间 (,+)(-\infty,+\infty) 上连续,定义 +f(x)dx=cf(x)dx+c+f(x)dx (cR)\int_{-\infty}^{+\infty} f(x)\mathrm dx=\int_{-\infty}^c f(x)\mathrm dx+\int_c^{+\infty} f(x)\mathrm dx\ (c\in \mathrm R)
        • 若以上极限存在,则无穷积分存在或收敛。
        • 注意 (,+)(-\infty,+\infty) 上的无穷积分不等于 limt+ttf(x)dx\lim\limits_{t\to +\infty}\int_{-t}^t f(x)\mathrm dx,收敛需要拆分出的两个部分都收敛。
      • 性质
        • a+xpdx (a>0,p>0)\int_a^{+\infty}x^{-p}\mathrm dx\ (a>0,p>0) 的敛散性:
          • p>1p>1 时收敛;
          • 0<p10<p\le 1 时发散。
    • 瑕积分
      • 定义
        • limxx0f(x)=\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=\inftylimxx0+f(x)=\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)=\infty,则 x0x_0f(x)f(x) 的瑕点。在包含瑕点的区间上的积分就是瑕积分。
        • 瑕积分分为三种:
          • 设函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b)[a,b) 上连续,x=bx=b 是瑕点,定义 abf(x)dx=limtbatf(x)dx\int_a^b f(x)\mathrm dx=\lim\limits_{t\to b^-}\int_a^t f(x)\mathrm dx
          • 设函数 f(x)f(x) 在区间 (a,b](a,b] 上连续,x=ax=a 是瑕点,定义 abf(x)dx=limta+tbf(x)dx\int_a^b f(x)\mathrm dx=\lim\limits_{t\to a^+}\int_t^b f(x)\mathrm dx
          • 设函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上连续,x=c[a,b]x=c\in[a,b] 是瑕点,定义 abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx\int_a^b f(x)\mathrm dx=\int_a^c f(x)\mathrm dx+\int_c^b f(x)\mathrm dx
        • 若以上极限存在,则瑕积分存在或收敛。
        • 瑕点在区间内时,收敛需要拆分的区间的瑕积分都收敛。
      • 性质
        • 0bxpdx (b>0,p>0)\int_0^b x^{-p}\mathrm dx\ (b>0,p>0) 的敛散性:
          • 0<p<10< p<1 时收敛;
          • p1p\ge 1 时发散。
    • 性质
      • 无穷积分、瑕积分都可以像正常的定积分一样使用换元法、分部积分法。
      • 无穷积分、瑕积分都可以先应用牛顿-莱布尼茨公式再求极限:
        • a+f(x)dx=F(x)a+=limb+F(b)F(a)\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx=F(x)\big|_a^{+\infty}=\lim\limits_{b\to+\infty} F(b)-F(a)
        • 其他类似。
      • 无穷积分、瑕积分敛散性判断(以积分上限为 ++\infty 的无穷积分为例):
        • f(x),g(x)f(x),g(x)[a,+)[a,+\infty) 上连续,0f(x)g(x)0\le f(x)\le g(x),则:
          • a+g(x)dx\int_a^{+\infty} g(x)\mathrm dx 收敛,则 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx 收敛;
          • a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx 发散,则 a+g(x)dx\int_a^{+\infty} g(x)\mathrm dx 发散。
        • f(x),g(x)f(x),g(x)[a,+)[a,+\infty) 上连续,f(x)0,g(x)>0f(x)\ge 0,g(x)>0,且 limx+f(x)g(x)=λ\lim\limits_{x\to +\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lambda 为常数或 ++\infty,则:
          • λ=0\lambda=0a+g(x)dx\int_a^{+\infty} g(x)\mathrm dx 收敛时 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx 收敛;
          • 0<λ<+0<\lambda<+\inftya+g(x)dx\int_a^{+\infty} g(x)\mathrm dxa+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx 同时收敛或发散;
          • λ=+\lambda=+\inftya+g(x)dx\int_a^{+\infty} g(x)\mathrm dx 发散时 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx 发散。
        • f(x)f(x)[a,+)[a,+\infty) 上连续,若 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} |f(x)|\mathrm dx 收敛,则 a+f(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\mathrm dx 收敛。
  • 应用
    • 面积
      • 曲线与坐标轴包围形成的曲边梯形的面积:
        • 平面直角坐标系 y=f(x)y=f(x)abf(x)dx\int_a^b |f(x)|\mathrm dxabf(y)dy\int_a^b |f(y)|\mathrm dy
        • 参数方程 {x=φ(t)y=ψ(t)\left\{\begin{matrix} x=\varphi(t) \\ y=\psi(t) \end{matrix}\right.abydx=αβψ(t)φ(t)dt\int_a^b |y|\mathrm dx=\int_\alpha^\beta |\psi(t)\varphi'(t)|\mathrm dt
      • 曲线与极点包围形成的曲边扇形的面积:αβ12(ρ(θ))2dθ\int_\alpha^\beta \frac{1}{2}(\rho(\theta))^2\mathrm d\theta
    • 体积
      • 沿一个方向,平行截面面积为 S(x)S(x)V=abS(x)dxV=\int_a^b S(x)\mathrm dx
      • 旋转体体积求解:
        • 薄片法:沿旋转轴叠加垂直于轴的薄片
          • 旋转轴为 xx 轴时:V=abπy2dxV=\int_a^b \pi y^2\mathrm dx
          • 旋转轴为 yy 轴时:V=abπx2dyV=\int_a^b \pi x^2\mathrm dy
        • 柱壳法:叠加旋转轴相同、半径不断增加的圆柱壳
          • 旋转轴为 yy 轴时:V=ab2πxydxV=\int_a^b 2\pi xy\mathrm dx
          • 旋转轴为 xx 轴时:V=ab2πyxdyV=\int_a^b 2\pi yx\mathrm dy
    • 弧长
      • 弧微分积分,s=dss=\int \mathrm ds