微积分 · 定积分

定积分

从a到b,f的图像与x轴之间的有向面积:x轴上方的面积算正,下方的算负,积分限反过来时符号也反过来。

定积分与本页画面

对可积的函数ff和积分限a<ba < b,定积分∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx是图像与x轴之间、x轴上方的面积减去x轴下方的面积。画面把a到b的区域一块一块画出来:算正的画实心,算负的画斜线,读数把积分写成“实心 − 斜线”。旁边是积分限之间的面积∫min⁡(a,b)max⁡(a,b)∣f(x)∣ dx\int_{\min(a,b)}^{\max(a,b)} |f(x)|\,dx,每一块都算正;只有曲线一直在x轴上方时两者才相等。定积分定义为黎曼和的极限;本页的函数都是多项式,用原函数精确算出。

为什么x轴下方算负

黎曼和的每一项是高乘宽f(xi) Δxf(x_i)\,\Delta x。在x轴下方高是负的,这一条就从总数里减去。宽也有符号:从a到b,Δx=(b−a)/n\Delta x = (b - a)/n,b在a左边时每一块都变号。所以∫baf(x) dx=−∫abf(x) dx\int_b^a f(x)\,dx = -\int_a^b f(x)\,dx,x轴下方的区域从右往左积时算正,而且∫aaf(x) dx=0\int_a^a f(x)\,dx = 0。

把区间分开

对任意三个点,∫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、b之间时,这只是把区域切成两块。c在外面也成立:区间外多出的那一截先积到c、再积回来,正负各一次,互相抵消。画面只画出这一截的轮廓、不涂色,所以涂色始终表示积分限之间的面积。

把曲线抬高

给f加上常数mm,就多出一条高m、宽b−ab - a的带子:∫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)。带子顺着曲线弯,有向面积却和矩形一样;虚线是f原来的位置。

平均高度

积分除以宽度就是平均高度fˉ=1b−a∫abf(x) dx\bar{f} = \frac{1}{b - a}\int_a^b f(x)\,dx(a≠ba \ne b)。区间上高为fˉ\bar{f}的矩形,有向面积和曲线下的相同。它一般不等于两端高度的平均。f连续时,曲线在a、b之间某处正好取到fˉ\bar{f},这就是积分中值定理。

值得注意

  • 奇函数在关于0对称的区间上积分为0:x³ − 4x从−2到2,正是这条曲线在本页的起点。
  • 按时间先后积,速度的积分是位移,不是走过的路程;路程是速率∣v∣|v|的积分。
  • 改变可积函数在有限个点上的值,不改变它的积分。

操作

  • 沿x轴拖动a、b,或按“交换a和b”;上下拖动曲线,或推“上移”推子。
  • 用键盘时,按Tab选中一个把手,用左右方向键移动;按住Shift每步1。

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