《微积分入门(大学版)》是一本专为大学生设计的基础教材,系统介绍了微积分的核心概念和基本技巧,旨在帮助学生掌握分析数学问题的能力。
### 大学微积分入门——定积分的概念与性质
#### 一、定积分的基本概念
在微积分中,定积分是一种重要的数学工具,用于解决多种实际问题,例如计算曲边梯形的面积、求解变速直线运动的路程等。本章节将详细介绍定积分的基本概念及其性质。
#### 二、曲边梯形面积的近似计算
考虑一个由连续曲线 \(y = f(x)\)(其中\(f(x) \geq 0\))、x轴以及两条直线 \(x = a\) 和 \(x = b\) 围成的曲边梯形。为了估算该曲边梯形的面积,可以采用分割的方法将其划分为多个矩形,并利用这些矩形的面积之和来近似曲边梯形的面积。
具体步骤如下:
1. **分割**:在区间\[a, b\]内插入若干个分点,将原区间分割为n个小区间。
2. **近似**:在每个小区间上选取一点 \(\xi_i\),用以该点的函数值 \(f(\xi_i)\) 作为高,小区间的长度 \(\Delta x_i\) 作为底,构造一个矩形。所有矩形的面积之和可以用来近似整个曲边梯形的面积。
3. **求极限**:随着分割越来越细,即 \(\lambda \to 0\)(其中\(\lambda\)表示小区间的最大长度),矩形面积之和趋于稳定值,即曲边梯形的真实面积。
数学表达为:
\[ A = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i \]
其中,\(\Delta x_i = x_i - x_{i-1}\),\(\lambda = \max{\{\Delta x_1, \Delta x_2, \ldots, \Delta x_n\}}\)。
#### 三、变速直线运动的路程计算
假设有一个物体沿直线运动,其速度 \(v(t)\) 在时间间隔\[T_1, T_2\]内是关于时间 \(t\) 的连续函数,并且 \(v(t) \geq 0\)。要求解该物体在这段时间内经过的总路程,可以通过以下步骤进行:
1. **分割**:将时间间隔\[T_1, T_2\]分割为n个小的时间段。
2. **近似**:在每个时间段内假设物体的速度保持不变,从而计算出每一段的小路程。
3. **求极限**:随着时间段划分越来越细,各个小路程之和的极限值就是物体在\[T_1, T_2\]内的总路程。
数学表达为:
\[ s = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} v(\tau_i) \Delta t_i \]
其中,\(\Delta t_i = t_i - t_{i-1}\),\(\lambda = \max{\{\Delta t_1, \Delta t_2, \ldots, \Delta t_n\}}\)。
#### 四、定积分的定义
对于有界函数 \(f(x)\) 在闭区间\[a, b\]上,无论如何进行分割和选取 \(\xi_i\),只要当分割越来越细时(\(\lambda \to 0\)),所有小矩形面积之和的极限值存在且唯一,那么这个极限值称为函数 \(f(x)\) 在区间\[a, b\]上的定积分,记作:
\[ \int_a^b f(x) dx \]
这里,\(f(x)\) 称为被积函数,\(dx\) 称为积分变量,\([a, b]\) 称为积分区间,\(a\) 和 \(b\) 分别称为积分下限和积分上限,而 \(\sum_{i=1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i\) 称为积分和。
#### 五、定积分的性质
- **线性性**:若函数 \(f(x)\) 和 \(g(x)\) 在区间\[a, b\]上均可积,且 \(\alpha\) 和 \(\beta\) 是常数,则
\[ \int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)] dx = \alpha \int_a^b f(x) dx + \beta \int_a^b g(x) dx \
- **区间可加性**:若函数 \(f(x)\) 在区间\[a, c\] 和 \([c, b]\] 上均可积,则 \(f(x)\) 在 \([a, b]\] 上也一定可积,且
\[ \int_a^