定积分

基本概念

定积分的定义

设 f(x)f(x) 定义于 [a,b][a,b] ,若存在数 I∈RI\in R 使得任意分割法 Δ:a=x0<x1<⋯<xn=b\Delta:a=x_0<x_1<\dots<x_n=b ,任意取点法 pi∈[xi−1,xi]p_i\in [x_{i-1},x_i] ,只要 ∣∣Δ∣∣=λΔ=max⁡{xi}→0||\Delta||=\lambda_{\Delta}=\max\{x_i\}\to 0 ,就有 ∑i=1nf(pi)Δxi→I\sum\limits_{i=1}^n f(p_i)\Delta x_i\to I ,则称 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] (Riemann) 可积,记为

I=∫abf(x)dxI=\int_a^b f(x)dx

连续函数的可积性

f(x)∈C[a,b]⇒f(x)∈R[a,b]f(x)\in C[a,b]\Rightarrow f(x)\in R[a,b]

Newton-Leibniz

设 f(x)∈R[a,b]f(x)\in R[a,b] 且存在 F(x)F(x) 使 F′(x)=f(x)F'(x)=f(x) ,则 ∫abf(x)dx=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)dx=F(b)-F(a)

可积性问题

可积的必要条件

f(x)∈R[a,b]⇒∃M>0s.t.∣f(x)∣≤M,x∈[a,b]f(x)\in R[a,b]\Rightarrow \exists M>0\quad\text{s.t.} |f(x)|\le M,x\in [a,b] 即 f(x)f(x) 有界

可积的 Darboux 理论

记 Mi=max⁡x∈Δxif(x),mi=min⁡x∈Δxif(x)M_i=\max\limits_{x\in \Delta x_i}f(x),m_i=\min\limits_{x\in \Delta x_i}f(x)

记 ∑i=1nMiΔxi\sum\limits_{i=1}^n M_i\Delta x_i 为 S‾(Δ)\overline{S}(\Delta) (f(x)f(x) 于 [a,b][a,b] 上相应于分划 Δ\Delta 的 Darboux 上和)

记 ∑i=1nmiΔxi\sum\limits_{i=1}^n m_i\Delta x_i 为 S‾(Δ)\underline{S}(\Delta) (f(x)f(x) 于 [a,b][a,b] 上相应于分划 Δ\Delta 的 Darboux 下和)

S‾(Δ)=sup⁡p∑i=1nf(pi)Δxi\overline{S}(\Delta)=\sup \limits_{p}\sum\limits_{i=1}^nf(p_i)\Delta x_i

$ \underline{S}(\Delta)=\inf \limits_{p}\sum\limits_{i=1}^n f(p_i)\Delta x_i$

定理:对任意两个划分 Δ′,Δ′′\Delta',\Delta'' ,都有 S‾(Δ′)≤S‾(Δ′′)\underline{S}(\Delta')\le \overline{S}(\Delta'')

∫ab‾f(x)dx=inf⁡ΔS‾(Δ)\overline{\int_a^b}f(x)dx=\inf\limits_{\Delta} \overline{S}(\Delta) 为 f(x)f(x) 于 [a,b][a,b] 的上积分

∫ab‾f(x)dx=sup⁡ΔS‾(Δ)\underline{\int_a^b}f(x)dx=\sup\limits_{\Delta} \underline{S}(\Delta) 为 f(x)f(x) 于 [a,b][a,b] 的下积分

[Darboux 定理] lim⁡∣∣Δ∣∣→0S‾(Δ)=∫ab‾f(x)dx\lim\limits_{||\Delta||\to 0}\overline{S}(\Delta)=\overline{\int_a^b}f(x)dx ;lim⁡∣∣Δ∣∣→0S‾(Δ)=∫ab‾f(x)dx\lim\limits_{||\Delta||\to 0}\underline{S}(\Delta)=\underline{\int_a^b}f(x)dx

我们设 wi=Mi−miw_i=M_i-m_i 。以下条件等价:

  1. f(x)∈R[a,b]f(x)\in R[a,b]

  2. f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 的上、下积分相等。

  3. lim⁡∣∣P∣∣→0∑i=1nwiΔxi=0\lim\limits_{||P||\to 0}\sum\limits_{i=1}^n w_i\Delta x_i=0

  4. 任给 ϵ>0\epsilon>0 ,存在某个划分 PP 使得 S‾(P)−S‾(P)<ϵ\overline{S}(P)-\underline{S}(P)<\epsilon

  5. ∀ϵ>0,∀σ>0,∃Δ\forall \epsilon>0,\forall \sigma>0,\exists \Delta 使得 ∑wi>ϵΔxi<σ\sum\limits_{w_i>\epsilon}\Delta x_i<\sigma

推论: f(x)∈R[a,b]⇒f(x)∈R[c,d]f(x)\in R[a,b]\Rightarrow f(x)\in R[c,d] ,其中 [c,d]⊆[a,b][c,d]\subseteq [a,b]

推论:f(x)∈R[a,b]∧f(x)∈R[b,c]⇒f(x)∈R[a,c]f(x)\in R[a,b]\land f(x)\in R[b,c]\Rightarrow f(x)\in R[a,c]\

推论:若 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 单调,则 f(x)∈R[a,b]f(x)\in R[a,b]

[零测集,Lebesgue 定理]

零测集:设 E⊂RE\subset R 满足 ∀ϵ>0\forall \epsilon>0 ,均存在至多可列个开区间组成的 EE 的开覆盖 {(ai,bi)}\{(a_i,b_i)\} 满足 ∑(bi−ai)<ϵ\sum\limits (b_i-a_i)<\epsilon

Lebesgue 定理: f(x)∈R[a,b]⇔f(x)\in R[a,b]\Leftrightarrow f(x)f(x) 的间断点集为零测集。

[闭区间上的连续函数、单调函数、分段单调函数、间断点个数有限的函数、
间断点集聚点有限的函数、间断点集为零测集的函数,都是可积的]

原函数的存在性与定积分的计算

对 f∈R[a,b]f\in R[a,b] ,定义 F(x)=∫axf(t)dtF(x)=\int_a^ xf(t)dt 是 f(x)f(x) 变上限的积分。

f∈R[a,b]→F∈C[a,b]f\in R[a,b]\to F\in C[a,b] ,FF 在 ff 所有连续点处可导。

f∈C[a,b]→F∈D[a,b]f\in C[a,b]\to F\in D[a,b] 且 F′(x)=f(x),∀x∈[a,b]F'(x)=f(x),\forall x\in [a,b]

ddx(∫ϕ(x)ψ(x)f(t)dt)=f(φ(x))φ′(x)−f(ψ(x))ψ′(x)\frac{d}{dx}(\int_{\phi(x)}^{\psi(x)}f(t)dt)=f(\varphi(x))\varphi'(x)-f(\psi(x))\psi'(x)

换元积分:设 f(x)∈C[a,b],φ′(t)∈C[α,β],φ(α)=a,φ(β)=bf(x)\in C[a,b],\varphi'(t)\in C[\alpha,\beta],\varphi(\alpha)=a,\varphi(\beta)=b

则 ∫abf(x)dx=∫aβf(φ(t))φ′(t)dt\int_a^b f(x)dx=\int_a^\beta f(\varphi(t))\varphi'(t)dt 。

分部积分:设 u,v∈D[a,b],u′,v′∈R[a,b]u,v\in D[a,b],u',v'\in R[a,b] ,则 ∫abu(x)dv(x)=u(x)v(x)∣ab−∫abv(x)du(x)\int_a^b u(x)dv(x)=u(x)v(x)|_a^b-\int_a^b v(x)du(x)

积分中值定理

第一中值定理:

设 g∈R[a,b]g\in R[a,b] 不变号,f∈R[a,b]f\in R[a,b] ,m,Mm,M 是 f(x)f(x) 下、上界

则 ∫abf(x)g(x)dx=μ(∫abg(x)dx)\int_a^b f(x)g(x)dx=\mu(\int_a^b g(x)dx) ,其中 μ∈[m,M]\mu \in [m,M]

第二中值定理:

设 g∈R[a,b],fg\in R[a,b],f 于 [a,b][a,b] 非负递减

则存在 p∈[a,b]p\in [a,b] 使得 ∫abf(x)g(x)dx=f(a)(∫apg(x)dx)\int_a^b f(x)g(x)dx=f(a)(\int_a^p g(x)dx) 。

广义分部积分:

设 f,g∈R[a,b]f,g\in R[a,b] ,F,GF,G 是 f,gf,g 的变上限积分

那么 ∫abF(x)g(x)dx=F(x)G(x)∣ab−∫abG(x)f(x)dx\int_a^b F(x)g(x)dx=F(x)G(x)|_a^b -\int_a^b G(x)f(x)dx 。

泰勒公式的积分余项:

f(x)=∑i=0nf(n)(x0)i!(x−x0)i+Rn(x)f(x)=\sum\limits_{i=0}^n \frac{f^{(n)}(x_0)}{i!}(x-x_0)^i+R_n(x)

其中 Rn(x)=1n!∫x0xf(n+1)(t)(x−t)ndtR_n(x)=\frac{1}{n!}\int_{x_0}^x f^{(n+1)}(t)(x-t)^n dt 。

Riemann-Lebesgue引理:

设 f∈R[a,b]f\in R[a,b] ,gg 有周期 TT 且 g∈R[0,T]g\in R[0,T]

则 lim⁡n→+∞∫abf(x)g(nx)dx=1T(∫0Tg(x)dx)(∫abf(x)dx)\lim\limits_{n\to+\infty}\int_a^b f(x)g(nx)dx=\frac{1}{T}(\int_0^T g(x)dx)(\int_a^bf(x)dx) 。