微積分 · 定積分

定積分

從a到b,f的圖像與x軸之間的帶符號面積:軸上方面積記正,軸下方面積記負,上下限交換時符號也反轉。

這個視覺化中的定積分

對可積分函數ff與上下限a<ba < b,定積分∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx就是圖像與x軸之間,軸上方面積減去軸下方面積。這裡將a到b的區域一塊塊畫出來:記正的塗實色,記負的畫斜線,顯示欄則把積分寫成實色減去斜線。旁邊是上下限之間的面積∫min⁡(a,b)max⁡(a,b)∣f(x)∣ dx\int_{\min(a,b)}^{\max(a,b)} |f(x)|\,dx,每一塊都記正;只有曲線都在軸上方時,兩者才會相同。積分的定義是黎曼和的極限;對本頁的多項式,則透過反導函數精確算出。

為什麼軸下方要記負

黎曼和的每一項,都是高度乘上寬度f(xi) Δxf(x_i)\,\Delta x。軸下方的高度為負,因此這一條會從總量中扣掉。寬度也有符號:從a走向b時,Δx=(b−a)/n\Delta x = (b - a)/n,所以b若在a左邊,每一塊都會變號。這就是為什麼∫baf(x) dx=−∫abf(x) dx\int_b^a f(x)\,dx = -\int_a^b f(x)\,dx,為什麼軸下區域從右往左走時反而記正,以及為什麼∫aaf(x) dx=0\int_a^a f(x)\,dx = 0。

把區間分開

對任意三點,都有∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx=∫abf(x) dx\int_a^c f(x)\,dx + \int_c^b f(x)\,dx = \int_a^b f(x)\,dx。c在a與b之間時,就是把區域切成兩塊;c在外面也成立:超出區間的那一段先走到c,再走回來,各以正負符號算一次,正好抵消。這一段只畫輪廓、不著色,讓著色部分始終代表上下限之間的面積。

把曲線抬高

給f加上常數mm,就多出一條高m、寬b−ab - a的帶:∫ab(f(x)+m) dx\int_a^b (f(x) + m)\,dx=∫abf(x) dx+m(b−a)= \int_a^b f(x)\,dx + m(b - a)。這條帶雖然沿著曲線彎曲,帶符號面積卻與長方形一樣;虛線曲線表示原本的f。

平均高度

將積分除以寬度,就得到平均高度:在a≠ba \ne b時為fˉ=1b−a∫abf(x) dx\bar{f} = \frac{1}{b - a}\int_a^b f(x)\,dx。區間上高fˉ\bar{f}的長方形,具有與曲線相同的帶符號面積。它通常不是兩端高度的平均。若f連續,曲線就會在a與b之間某處取到fˉ\bar{f};這就是積分的均值定理。

值得留意

  • 奇函數在以0為中心的區間上的積分是0,例如x³ − 4x從−2到2的積分;這也是本頁該曲線的初始區間。
  • 沿時間前進的方向積分速度,得到的是位移,不是行走距離;距離是速率∣v∣|v|的積分。
  • 只在有限個點改變可積分函數,不會改變它的積分。

操作方法

  • 沿x軸拖動a、b,或按「交換a與b」。上下拖動曲線,或使用「整體上移」滑桿。
  • 使用鍵盤時,按Tab移到控制點,再用左右方向鍵;按住Shift可一次移動1。

相關概念