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定积分的概念与性质

定积分的定义

定义

设函数 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上有界,在 [a,b][a,b] 中任意插入若干个分点

a=x0<x1<x2<<xn1<xn=ba = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_{n-1} < x_n = b

把区间 [a,b][a,b] 分成 nn 个小区间:

[x0,x1],[x1,x2],,[xn1,xn][x_0, x_1], \quad [x_1, x_2], \quad \dots, \quad [x_{n-1}, x_n]

各个小区间的长度依次为:

Δx1=x1x0,Δx2=x2x1,,Δxn=xnxn1\Delta x_1 = x_1 - x_0, \quad \Delta x_2 = x_2 - x_1, \quad \dots, \quad \Delta x_n = x_n - x_{n-1}

在每个小区间 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i] 上任选一点 ξi (xi1ξixi)\xi_i \ (x_{i-1} \leq \xi_i \leq x_i),作函数值 f(ξi)f(\xi_i) 与小区间长度 Δxi\Delta x_i 的乘积 f(ξi)Δxi (i=1,2,,n)f(\xi_i) \Delta x_i \ (i=1, 2, \cdots, n),并作出和:

S=i=1nf(ξi)ΔxiS = \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i

λ=max{Δx1,Δx2,,Δxn}\lambda = \max \{ \Delta x_1, \Delta x_2, \cdots, \Delta x_n \},如果当 λ0\lambda \to 0 时,这和的极限总存在,且与闭区间 [a,b][a,b] 的分法及点 ξi\xi_i 的取法无关,那么称这个极限 II 为函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上的 定积分 (简称 积分 ),记作: abf(x)dx\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d} x 即:

abf(x)dx=I=limλ0i=1nf(ξi)Δxi\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d} x = I = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i

其中 f(x)f(x) 叫做 被积函数f(x)dxf(x) \mathrm{d} x 叫做被积表达式xx 叫做 积分变量aa 叫做 积分下限bb 叫做 积分上限[a,b][a,b] 叫做积分区间

定理 1

f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上连续,则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积。

定理 2

f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上有界,且只有有限个间断点,则 f(x)f(x)[a,b][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:

  1. b=ab = a 时, aaf(x)dx=0\int_a^a f(x) \, \mathrm{d} x = 0

  2. a>ba > b 时, abf(x)dx=baf(x)dx\int_a^b f(x) \, \mathrm{d} x = - \int_b^a f(x) \, \mathrm{d} x

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

α\alphaβ\beta 均为常数,则

ab[αf(x)+βg(x)]dx=αabf(x)dx+βabg(x)dx\int_a^b \left[ \alpha f(x) + \beta g(x) \right] \mathrm{d} x = \alpha \int_a^b f(x) \mathrm{d} x + \beta \int_a^b g(x) \mathrm{d} x

性质 2

a<c<ba < c < b,则

abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx\int_a^b f(x) \mathrm{d} x = \int_a^c f(x) \mathrm{d} x + \int_c^b f(x) \mathrm{d} x

性质 3

如果在区间 [a,b][a,b]f(x)1f(x) \equiv 1,那么

ab1dx=abdx=ba\int_{a}^{b} 1 \mathrm{d} x = \int_{a}^{b} \mathrm{d} x = b - a

性质 4

如果在区间 [a,b][a,b]f(x)0f(x) \geq 0,那么

abf(x)dx0(a<b)\int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x \geq 0 \quad (a < b)

推论 1

如果在区间 [a,b][a,b]f(x)g(x)f(x) \leq g(x),那么

abf(x)dxabg(x)dx(a<b)\int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x \leq \int_{a}^{b} g(x) \mathrm{d} x \quad (a < b)

推论 2

abf(x)dxabf(x)dx(a<b)\left| \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x \right| \leq \int_{a}^{b} |f(x)| \mathrm{d} x \quad (a < b)

性质 5

MMmm 分别是函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上的最大值及最小值,则

m(ba)abf(x)dxM(ba)(a<b)m(b - a) \leq \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x \leq M(b - a) \quad (a < b)

性质 6 (定积分中值定理)

如果函数 f(x)f(x) 在积分区间 [a,b][a,b] 上连续,那么在 [a,b][a,b] 上至少存在一个点 ξ\xi,使下式成立:

abf(x)dx=f(ξ)(ba)(aξb)\int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x = f(\xi) (b - a) \quad (a \leq \xi \leq b)