定积分的定义
设函数 f(x) 在 [a,b] 上有界,在 [a,b] 中任意插入若干个分点
a=x0<x1<x2<⋯<xn−1<xn=b
把区间 [a,b] 分成 n 个小区间:
[x0,x1],[x1,x2],…,[xn−1,xn]
各个小区间的长度依次为:
Δx1=x1−x0,Δx2=x2−x1,…,Δxn=xn−xn−1
在每个小区间 [xi−1,xi] 上任选一点 ξi (xi−1≤ξi≤xi),作函数值 f(ξi) 与小区间长度 Δxi 的乘积 f(ξi)Δxi (i=1,2,⋯,n),并作出和:
S=i=1∑nf(ξi)Δxi
记 λ=max{Δx1,Δx2,⋯,Δxn},如果当 λ→0 时,这和的极限总存在,且与闭区间 [a,b] 的分法及点 ξi 的取法无关,那么称这个极限 I 为函数 f(x) 在区间 [a,b] 上的 定积分 (简称 积分 ),记作:
∫abf(x)dx 即:
∫abf(x)dx=I=λ→0limi=1∑nf(ξi)Δxi
其中 f(x) 叫做 被积函数 ,
f(x)dx 叫做被积表达式 ,
x 叫做 积分变量 ,
a 叫做 积分下限 ,
b 叫做 积分上限 ,
[a,b] 叫做积分区间 。
定理 1
设 f(x) 在区间 [a,b] 上连续,则 f(x) 在 [a,b] 上可积。
定理 2
设 f(x) 在区间 [a,b] 上有界,且只有有限个间断点,则 f(x) 在 [a,b] 上可积。
定积分的性质
为了以后计算及应用方便起见,对定积分作以下两点补充规定:
-
当 b=a 时, ∫aaf(x)dx=0 ;
-
当 a>b 时, ∫abf(x)dx=−∫baf(x)dx 。
由上述可知,交换定积分的上、下限时,定积分的绝对值不变而符号相反。
下面讨论定积分的性质。
下列各性质中积分上、下限的大小,如不特别指明,均不加限制,并假定各性质中所出现的被积函数在积分区间上都是可积的。
性质 1
设 α 与 β 均为常数,则
∫ab[αf(x)+βg(x)]dx=α∫abf(x)dx+β∫abg(x)dx
性质 2
设 a<c<b,则
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
性质 3
如果在区间 [a,b] 上 f(x)≡1,那么
∫ab1dx=∫abdx=b−a
性质 4
如果在区间 [a,b] 上 f(x)≥0,那么
∫abf(x)dx≥0(a<b)
推论 1
如果在区间 [a,b] 上 f(x)≤g(x),那么
∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx(a<b)
推论 2
∫abf(x)dx≤∫ab∣f(x)∣dx(a<b)
性质 5
设 M 及 m 分别是函数 f(x) 在区间 [a,b] 上的最大值及最小值,则
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a)(a<b)
性质 6 (定积分中值定理)
如果函数 f(x) 在积分区间 [a,b] 上连续,那么在 [a,b] 上至少存在一个点 ξ,使下式成立:
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)(a≤ξ≤b)