定积分的概念.ppt

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1、引 言,从历史上说,定积分的概念产生于计算平面上封闭曲线围成区域的面积.为了计算计算这类区域的面积,最后把问题归结为计算具有特定结构的和式的极限.人们在实践中逐渐认识到这种特定结构的和式的极限,不仅是计算区域面积的数学工具,而且也是计算其它许多实际问题(如变力作功、水的压力、立体体积等)的数学工具.因此,无论在理论上或实践中,定积分这种特定结构的和式的极限具有普遍意义.于是它成为数学分析的重要组成部分.本章就从解决曲边梯形面积计算入手,给出定积分的概念,讨论定积分的性质和计算等问题.,Chapt 8.定积分,背景来源面积的计算,在初等几何中,我们只会计算由直线段和圆弧围成的平面区域的面积.,长

2、方形 长宽 ab 正方形 边长边长 aa 平行四边形 底高 ah 三角形 底高2 ah2 梯形(上底下底)高2(ab)h2圆,扇形等,如何计算由任意形状的闭曲线所围成的平面区域的面积?这是一个一般的几何问题,这个问题只有用极限的方法才能得到圆满的解决.,一条封闭曲线围成的平面区域,常常可用相互垂直的两组平行线将它分成若干部分,总的说来,他们可以看作以下三类区域:(1)是矩形(已知的),(2)是曲边三角形(曲边梯形的特殊情况),(3)是曲边梯形。所以,只要会计算曲边梯形的面积就可以了.曲边梯形面积的计算问题就产生了定积分,实例1:(求曲边梯形的面积),一、问题的提出,8.1 定积分的概念,图形.

3、,我们如何求曲边梯形的面积A=?,圆面积是用一系列边数无限增多的内接(或外切)正多边形面积的极限来定义的.,在初等数学里,,现在我们仍用类似的办法来定义曲边梯形的面积.,这里我们借助矩形的面积来定义曲边梯形的面积。,用矩形面积近似取代曲边梯形面积,显然,小矩形越多,矩形总面积 越接近曲边梯形面积,(四个小矩形),(九个小矩形),基本思想(以直代曲),具体做法(如下),1.分割,分法任意,(化整为零),在区间a,b内任意插入(n-1)个分点,称为区间a,b的一个分法(分割),记为T.,分法T将区间a,b分成n个小区间,,过每个分点作x轴的垂线,这些垂线与曲线f(x)相交,相应地把大曲边梯形分为

4、n 个小曲边梯形,其面积分别记为Ai(i=1,2,n),把一个大曲边梯形分割成n个小曲边梯形,2.代替,(化曲为直),在每个小区间 xi-1,xi 上任取一点i,于是,以为底,为高的小矩形面积 应为小曲边梯形面积的近似值,即,取法任意,用小矩形的面积替代相应小曲边梯形的面积,,3.求和,(积零为整),将n个矩形面积加起来,应该是大曲边梯形面积近似值.曲边梯形面积A的近似值为:,将a,b逐次分下去,使小区间的长越来越小,则不论 怎样选取,n个矩形面积之和应该越来越趋近于曲边梯形的面积.不难看到,在任何有限的过程中,n个矩形面积之和总是曲边梯形面积的近似值,只有在无限过程中,应用极限方法才能转化为

5、曲边梯形的面积.,求n个小矩形面积之和.,4.取极限,(化直为曲),于是,就相当于分割无限加细,让每个小区间的长度都无限趋近于零,即n个小区间之长的最大者.,如果当 时,n个矩形面积之和 存在极限,设,则称A是曲边梯形面积.,由此可见,曲边梯形面积A是一个特定结构和式的极限.这个定义给出了计算曲边梯形面积的方法.不过按此定义计算曲边梯形的面积,要进行复杂的运算.在后面一节中,将进一步讨论这个和式极限的计算方法.,由近似值过渡到精确值,求曲边梯形的面积体现了化曲为直、化直为曲的辩证思想。这个计算过程,就是一个先微分后积分的过程。也就是说,把曲边梯形分割成许多小曲边梯形,在每个小曲边梯形中,把曲边

6、看成直边,用这些小“矩形”面积的和近似地表示原来大曲边梯形的面积,从而实现了局部的曲转化为局部的直,即“以直代曲”。,然后,再把分割无限加细,通过取极限,就使小矩形面积的和,转化为原来大曲边梯形的面积。这样局部的直又反过来转化为整体的曲。这种曲转化为直,直转化为曲,以及由此所反映出来的化整为零、积零为整的思想方法,是微积分乃至整个高等数学的一个重要方法。,实例2:(求变速直线运动的路程),思路:把整段时间分割成若干小段,每小段上速度看作不变,求出各小段的路程再相加,便得到路程的近似值,最后通过对时间的无限细分过程求得路程的精确值,以恒代变,(1)分割,(3)求和,(4)取极限,路程的精确值,(

7、2)代替,路程的近似值,从上面例子看出,不管是求曲边梯形的面积或是计算物体运动的路程,尽管他们的实际意义完全不同,但从抽象的数量关系来看,他们的分析结构完全相同,它们都归结为对问题的某些量进行“分割、近似 求和、取极限”,或者说都归结为形如 的具有特定结构和式极限问题。我们把这些问题从具体的问题中抽象出来,作为一个数学概念提出来就是今天要讲的定积分。由此我们可以给定积分下一个定义:,二、定积分的定义,定义:设函数 f(x)在 a,b 上有定义,在 a,b内任意插入(n-1)分点 使,T=x0,x1,xn=1,2,n,将 a,b 分成 n个小区间i=xi-1,xi i=1,2,n 这些分点构成a

8、,b 的一个分法(分割),记为T,x1,xn-1,分法任意,各小区间的长度依此记为xi=xi-xi-1,(i=1,2,,n),在 上任取点i i,i=1,2,n,作和,称此和式为 f(x)在 a,b 上的一个积分和,也称为黎曼(Riemann)和.,(Rienann和),注:显然函数 f(x)在 a,b 的积分和 与分法(割)T 有关,也与一组=(i i,i=1,n)的取法有关.,取法任意,记,如果不论对a,b怎样的分法(分割);,也不论在小区间 上,点 怎样的取法,,只要 时,积分和 存在确定的有限极限,则称函数 f(x)在 a,b 上(黎曼)可积;数 I 称为 f 在 a,b 上的定积分.

9、亦称黎曼积分,记为,且数与分法T无关,也与 在 的取法无关.,在定积分符号中,各部分的名称如下:,(Rienann积分),注意:,规定当 a=b 时,规定当 a b 时,函数f(x)在区间a,b的定积分的定义要求ab且ab,定积分没有意义,为了运算的需要,,时必定同时有,(3)一般不能用,因为,来代替,时未必有,但,唯一重要的是分割的细度,极限的存在,,与分割T的形式无关,与,的选择也无关;,当,足够小时,,总能使积分和与某一确定的数I无限接近.,把定积分定义的,说法和函数极限的,说法相对照,,便会发现两者有相似的陈述方式,,因此我们也常用极限符号来表达定积分,,(4)积分和的极限与函数的极限

10、有很大的区别,积分和的极限与函数的极限之间其实有着很大的区别:,然而,,在函数极限,中,对每一个变量x来说,,f(x)的值是唯一确定的;由于积分和与函数f(X),分法T,取法有关。而对于积分和的极限而言,它不是分法T的函数,每一个 并不唯一对应积分和的一个值.它的要求条件很强,即必须是“任意分法”和“任意取法”下,各种各样的积分和都无限趋近于同一个有限常数,才能说定积分存在。这使得积分和的极限要比通常的函数极限复杂得多.,(5),不定积分和定积分是积分学中的两大基本问题.,定积分则是某种特殊和式的极限,,求不定积分是求导数的逆运算,,1.曲线 y=f(x)0,直线 x=a,x=b,所围成的曲边

11、梯形面积可用定积分表示为,根据定积分的定义,可以看出,前面所举的两个实例,都是定积分.,2.物体运动的路程s是速度函数v(t)在时间间隔 的定积分,即,黎曼(Georg Friedrich Bernhard Riemann,1826-1866)19世纪富有创造性的德国数学家、物理学家。对数学分析和微分几何做出了重要贡献。,举例,2,-2,-2,2,0,A,三、函数可积的必要条件,证明:(用反证法),假设函数f(x)在a,b无界,对于a,b的任意分割T,必至少有一个小区间,不妨设在 函数f(x)无界.,即积分和无界,从而,积分和不存在极限,这与函数f(x)在a,b可积矛盾.,注:,函数f(x)在

12、a,b有界仅是函数f(x)在a,b可积的必要条件,不是充分条件.,即,有的函数虽然有界,但也不可积.例如:狄利克雷(Dirichlet)函数,,X是0,1的有理函数,X是0,1的无理函数,D(x)在0,1内有界,但它在0,1不可积.,若能构造出两个不同方式的积分和,使它们的极限不相同,则该函数在所论区间上是不可积的.,分析:,证明:,对于0,1的任意分法T,因为在0,1的有理函数与无理函数是处处稠密的,所以,在每个小区间上既存在有理函数又存在无理函数.若每个 取为无理函数,则积分和,若每个 取为无理函数,则积分和,于是,当 时,积分和不存在极限,即D(x)在0,1不可积.,D(x)在0,1不可

13、积.,1、当 f(x)0,定积分,的几何意义就是曲线 y=f(x)直线 x=a,x=b,y=0 所围成的曲边梯形的面积,四、定积分的几何意义,2、当函数 f(x)0,xa,b 时定积分,几何意义就是位于 x 轴下方的曲边梯形面积的相反数.即,几何意义:,a,b,曲边梯形的面积,曲边梯形的面积的负值,a,b,五、小结,定积分的实质:特殊和式的极限,定积分的思想和方法:,求近似以直(不变)代曲(变),取极限,3.定积分的几何意义,例 利用定义计算定积分,解,人物简介,黎曼(18261866)Riemann,Georg Friedrich Bernhard德国数学家,物理学家。,1826年9月17日

14、生于汉诺威布列斯伦茨,1866年7月20日卒于意大利塞那斯加。1846年入格丁根大学读神学与哲学,后来转学数学,在大学期间有两年去柏林大学就读,受到 C.G.J.雅可比和P.G.L.狄利克雷的影响。1849年回格丁根。1851 年获博士学位。1854 年成为格丁根大学的讲师,1859年接替狄利克雷成为教授。,1851 年论证 了复变 函数 可导的 必要充分 条件(即柯西-黎曼方程)。借助狄利克雷原理阐述了黎曼映射定理,成为函数的几何理论的基础。1853年定义了黎曼积分并研究了三角级数收敛的准则。1854年发扬了高斯关于曲面的微分几何研究,提出用流形的概念理解 空间的实质,用微分弧长度的平方所确定的正定二次型理解度量,建立了黎曼空间的概念,把欧氏几何、非欧几何包进了他的体系之中。1857年发表的关于阿贝尔函数的研究论文,引出黎曼曲面的概念,将阿贝尔积分与阿贝尔函数的理论带到新的转折点并做系统的研究。其中对黎曼曲面从拓扑、分析、代数几何各角度作了深入研究。创造了一系列对代数拓扑发展影响深远的概念,阐明了后来为G.罗赫所补足的黎曼-罗赫定理。,

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