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[定积分计算公式和性质
第二节 定积分计算公式和性质
一、变上限函数
设函数在区间上连续,并且设x为上的任一点,于是,在区间上的定积分为
这里x既是积分上限,又是积分变量,由于定积分与积分变量无关,故可将此改为
如果上限x在区间上任意变动,则对于每一个取定的x值,定积分有一个确定值与之对应,所以定积分在上定义了一个以x为自变量的函数,我们把称为函数在区间上变上限函数
记为
图 5-10 从几何上看,也很显然。因为X是上一个动点,从而以线段为底的曲边梯形的面积,必然随着底数端点的变化而变化,所以阴影部分的面积是端点x的函数(见图5-10)
定积分计算公式
利用定义计算定积分的值是十分麻烦的,有时甚至无法计算。因此,必须寻求计算定积分的简便方法。
我们知道:如果物体以速度作直线运动,那么在时间区间上所经过的路程s为
图 5-11
另一方面,如果物体经过的路程s是时间t的函数,那么物体从t=a到t=b所经过的路程应该是(见图5-11)
即
由导数的物理意义可知:即是一个原函数,因此,为了求出定积分,应先求出被积函数的原函数,再求在区间上的增量即可。
如果抛开上面物理意义,便可得出计算定积分的一般方法:
设函数在闭区间上连续,是的一个原函数,即,则
这个公式叫做牛顿-莱布尼兹公式。
为了使用方便,将公式写成
牛顿-莱布尼兹公式通常也叫做微积分基本公式。它表示一个函数定积分等于这个函数的原函数在积分上、下限处函数值之差。它揭示了定积分和不定积分的内在联系,提供了计算定积分有效而简便的方法,从而使定积分得到了广泛的应用。
例1 计算
因为是的一个原函数所以
例 2 求曲线 和直线x=0、x= 及y=0所围成图形面积A(5-12)
解 这个图形的面积为
图 5-12
二、定积分的性质
设、在相应区间上连续,利用前面学过的知识,可以得到定积分以下几个简单性质:
性质1 被积函数的常数因子可以提到定积分符号前面,即(A为常数)
性质2 函数的代数和的定积分等于它们的定积分的代数和,即
这个性质对有限个函数代数和也成立。
性质3 积分的上、下限对换则定积分变号,即
以上性质用定积分的定义及牛顿-莱布尼兹公式均可证明,此处证明从略。
性质4 如果将区间分成两个子区间及那么有
这个于区间分成有限个的情形也成立。
下面用定积分的几何意义,对性质4加以说明。
当acb时,从图5-13a可知,由y=f与和x=a x=b及x轴围成的曲边梯形面积:
图 5-13a
图 5-13b
因为所以
即性质4成立。
当abc时,即点c在外,由图5-13b可知,
显然,性质4也成立。
总之,不论c点在内还是外,性质4总是成立的。
例3 求
例 4 求
解 =
例 5 求
解
所以
例 6 求
解
于是,
例 7 设 求
解 因为
所以
=
==
例8 火车以v=72km/h的速度在平直的轨道上行驶,到某处需要减速停车。设火车以加速度a=-5m/刹车。问从开始刹车到停车,火车走了多少距离?
解 首先要算出从开始刹车到停车经过时间。当 时火车速度
刹车后火车减速行驶。其速度为当火车停住时,速度,故从
解得
于是在这段时间内,火车走过的距离为
=
即在刹车后,火车需走过40m才能停住。
习题 5-2
1 求下列定积分:
(1) (2)
(3) (4)
(5) (6)
(7)
(8) (9) (10)
(11)设
2.求由与直线x=1,x=2及x轴所成的图形的面积。
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