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定积分及不定积分
第三章 定积分及其应用
§3-1 定积分的概念
变速直线运动的路程
例1 设某物体作变速直线运动,其速度是时间段上的连续函数,求物体在该时间段内所经过的路程S.
解 由于物体的运动速度不是常量,故不能直接按匀速直线运动的路公式来计算路程。但我们可以先设法求出路程的近似值,再通过极限逼近精确值。
我们先将时间等分为小段
其中,每个小时间段的跨度,我们在时间段的左端点读取速度,由于分段较密,可以认为每个时间段内速度近似不变,这样第段内的路程可以近似表示为(。 图3-1(需修改)
将n个小段时间上的路程相加,就得总路程S的近似值,即
当时,上述路程逼近物体运动总路程的精确值,即
注1 由于速度函数是连续的,可以证明,当我们将时间段任意分割成若干小段且在每一小时间段内任选一个时间节点来读取速度,上述和式的极限是相等的。
注2 上述变速直线运动路程计算也可理解为由曲线所围成曲边梯形的面积。
二、定积分的概念
定义1 设是定义在区间上的有界函数,将区间任意分割成个小区间其中。记,在小区间上任取一点,令,如果存在,则称其极限值为从到的定积分,记作
其中“”称为积分符号,称为积分下限,称为积分上限,称为积分区间,称为被积函数,称为被积表达式,称为积分变量, 称为积分微元。
根据定积分的定义,例1变速直线运动的路程S可表示为
,
关于定积分的定义,需说明下列几点:
(1)定积分与被积函数及积分区间有关,而与积分变量的记号无关,即
(2)规定,
(3)若在上连续或只有有限个第一类间断点,则在上可积.
三、定积分的几何意义
从前面的讨论中已经知道,若在上,则定积分表示由曲线、直线、以及轴所围成的图形的面积(图3-1).若在上,由定积分的定义,有
图3-1
若在上,有正有负,则由曲线、直线、以及轴所围成的平面图形,既有在轴上方,又有在轴下方,这时,定积分表示[a,b]上各个曲边梯形面积的代数和.
(图3-2)。
图3-2
例2试用定积分表示由直线,,以及轴所围成的平面图形的面积.
解 由图3-3可知
图3-3
四、定积分的性质
设函数、在上可积,则有以下性质.
性质1 (为常数)
性质2
此性质可推广到有限多个函数代数和的情形
性质3 对任意三个实数,总有
当点位于区间之外时,可以证明此性质仍然成立. 图3-4
性质4 如果在上,则
性质5 如果在区间上恒有,则
例3比较与
解 因为在区间上,,,所以
性质6 (估值定理)设M与分别是函数在上的最大值与最小值,则
例4估计定积分值的所在范围.
解 因为在区间上,,所以
性质7(积分中值定理) 如果函数在闭区间上连续,则在上至少存在一点,使得下式成立:
积分中值定理的几何解释是:设,则在区间上至少存在一点,使得以为底,为高的矩形面积正好等于区间上以为曲边的曲边梯形的面积(图3-5).
称为在区间上的平均值.
图3-5(需修改)
习题3-1
用定积分表示由曲线所围成的平面图形的面积A.
利用定积分的几何意义说明下列等式成立
(1) (2)
3.利用定积分的性质比较下列各组定积分值的大小
(1)与 (2)与
4.估计下列定积分的值
(1) (2)
§3-2 不定积分
一、不定积分的概念
例1 曲线上任意一点处的切线斜率为,且经过点,求此曲线方程。
解 设所求曲线方程为,由题意知
因为(C为任意常数),故可得曲线方程为
将条件代入,得
定义1 设函数是已知函数,如果存在函数,满足,则称函数
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