教材 · 数学 Course 2 · 数列与微积分 · 积分法

定积分的各种问题

定積分の種々の問題

20 積分法 / 積分とその基本的な性質
一句话结论

上下限是常数的定积分是一个数,记作 kk;上限含 xx 的定积分是 xx 的函数,对 xx 求导就去掉积分号。和的极限提出 1n\dfrac1n、把第 kk 项写成 f ⁣(kn)f\!\left(\dfrac kn\right),就是 ∫01f(x) dx\int_0^1f(x)\,dx;比较长方形与曲线的上下位置,可以用积分夹住和。

把定积分的上限换成 xx,∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,dt 就随 xx 变化,成了新的函数;反过来,长方形面积之和的极限也能写成一个定积分。EJU Course 2 的积分大题最常见的就是这两种转化:给一个含积分的等式求 f(x)f(x),或把一串和的极限化成积分。

为什么是这样

∫axf(t) dt=F(x)−F(a)\int_a^xf(t)\,dt=F(x)-F(a),F(a)F(a) 是常数,对 xx 求导得 f(x)f(x):面积增长的速度等于右边那条竖线的高。上限是 g(x)g(x) 时 F(g(x))F(g(x)) 要按合成函数求导,多乘 g′(x)g'(x)。积分变量是 tt,xx 在积分里只是常数,被积函数含 xx 就先提到外面。

上下限都是常数的 ∫01f(t) dt\int_0^1f(t)\,dt 是一个数。所以 f(x)=x2+∫01f(t) dtf(x)=x^2+\int_0^1f(t)\,dt 这种等式,先把积分记作 kk,写出 f(x)=x2+kf(x)=x^2+k,再代回去求 kk。

把 [0,1][0,1] 等分成 nn 份,第 kk 个长方形宽 1n\dfrac1n、高 f ⁣(kn)f\!\left(\dfrac kn\right),面积和在 n→∞n\to\infty 时逼近曲线下的面积(图左)。同一张图反过来读:长方形在曲线下方,和就比积分小,这就是用积分估计和的不等式(图右)。

左:把 [0, 1] 分成 n 份,长方形面积和在 n→∞ 时趋于定积分;右:长方形在 y = 1/x² 下方,所以 1/2² + … + 1/n² 小于从 1 到 n 的积分区分求积:y = 1/(1 + 2x)011高 f(k/n)宽 1/n面积和 (1/n)Σ f(k/n),n → ∞ 时趋于 ∫₀¹ f(x) dx = (1/2) log 3用面积夹住和:y = 1/x²123456(1, 1)高 1/2²长方形都在曲线下方,所以1/2² + … + 1/n² < 1 − 1/n

定量表达

区分求积的操作:从和里提出 1n\dfrac1n,把第 kk 项写成 kn\dfrac kn 的函数,然后 ∑→∫\sum\to\int,kn→x\dfrac kn\to x,1n→dx\dfrac1n\to dx。积分区间由 kn\dfrac kn 的范围决定,项数是 2n2n 就积到 22。

区间上 f(x)≥g(x)f(x)\ge g(x),则 ∫abf(x) dx≥∫abg(x) dx\int_a^bf(x)\,dx\ge\int_a^bg(x)\,dx;只要两者不恒相等,就是严格不等号。积分算不出来时,找两个夹住被积函数、又好积的函数,积分值就被夹住。

ddx∫axf(t) dt=f(x)ddx∫h(x)g(x)f(t) dt=f(g(x)) g′(x)−f(h(x)) h′(x)\dfrac{d}{dx}\int_a^xf(t)\,dt=f(x)\qquad \dfrac{d}{dx}\int_{h(x)}^{g(x)}f(t)\,dt=f(g(x))\,g'(x)-f(h(x))\,h'(x)
f(t)f(t)
被积函数,连续
tt
积分变量;对 tt 积分时 xx 当常数
aa
常数下限
g(x), h(x)g(x),\ h(x)
含 xx 的上限、下限,可导
g′(x), h′(x)g'(x),\ h'(x)
上限、下限对 xx 的导数
适用条件
  • 被积函数里不能含 xx。含 xx 时(如 ∫0x(x−t)f(t) dt\int_0^x(x-t)f(t)\,dt)先把 xx 提到积分号外,再用积的求导
  • 上下限都是常数时,积分是一个数,对 xx 求导得 00
  • 在第一式里代 x=ax=a 得 ∫aaf(t) dt=0\int_a^af(t)\,dt=0,常用来定未知常数

怎么用

先看积分限:都是常数,设为 kk;含 xx,对 xx 求导,再代 x=ax=a 用「积分为 00」定常数。问 F(x)=∫0xf(t) dtF(x)=\int_0^xf(t)\,dt 的极值,F′(x)=f(x)F'(x)=f(x) 直接给出增减表。要使 ∫01(ex−tx)2 dx\int_0^1(e^x-tx)^2\,dx 最小,先把 tt 当常数积出来,得到 tt 的二次函数再配方。

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