定积分的精确定义
∫abf(x)dx=n→∞limi=1∑nf(a+nb−ai)nb−a
提示
这里的a+nb−ai,是取矩形的右端点对应的f值为高,如果取左端高,只需让i从0到n−1
当a=0,b=1时,可得
∫01f(x)dx=n→∞limi=1∑nf(ni)n1
凑定积分定义
一般步骤:
- 先提出n1
- 再凑出ni
- ni可读作0到1 上的 x,n1读作0 到 1 上的dx
例题:
n→∞lim(n2+1n+1+n2+4n+2+n2+9n+3+⋯+n2+n2n+n)=n→∞limi=1∑nn2+i2n+i=1n→∞limi=1∑nn2+i2n2+ni⋅n12n→∞limi=1∑n1+(ni)21+ni⋅n13∫011+x21+xdx=4π+21ln2.
序号对应上面的三条步骤
数列n项和极限
先提出n1,如果能凑出ni就用定积分定义来做,不能就用夹逼定理
存在定理
充分条件:
- 若f(x)在[a,b]上连续,则∫abf(x)dx存在
- 若f(x)在[a,b]上单调,则∫abf(x)dx存在
- 若f(x)在[a,b]上有界,且只有有限个间断点,则∫abf(x)dx存在
必要条件:
可积函数必有界,若定积分∫abf(x)dx存在,则f(x)在[a,b]上必有界
性质
1. 积分的保号性
若在区间[a,b]上f(x)≤g(x),则有
∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx
特殊地,有
∫abf(x)dx≤∫ab∣f(x)∣dx
注意
事实上,设f(x)是[a,b]上非负的连续函数,只要f(x)不恒等于零,就必有
∫abf(x)dx>0
同理对于f(x)≤g(x),只要不是恒等于,就必有
∫abf(x)dx<∫abg(x)dx
2. 中值定理
设f(x)在闭区间[a,b]上连续,则在(a,b)上至少存在一点ξ,使得
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
推广的积分中值定理
设f(x),g(x)在[a,b]上连续且g(x)不变号,则至少存在一点ξ∈(a,b),使得
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx
证明:
变限积分
变限积分的性质
- 函数f(x)在[a,b]上可积,则函数F(x)=∫axf(t)dt在[a,b]上连续
- 函数f(x)在[a,b]上连续,则函数F(x)=∫axf(t)dt在[a,b]上可导
提示
变限积分F(x)=∫axf(t)dt只要他存在,就必然是连续的
变限积分的求导公式
设F(x)=∫φi(x)φi(x)f(t)dt,其中f(x)在[a,b]上连续,可导函数φ1(x)和φ2(x)的值域在[a,b]上,则在函数φ1(x)和φ2(x)的公共定义域上,有
F′(x)=dxd[∫φi(x)φi(z)f(t)dt]=f[φ2(x)]φ2′(x)−f[φ1(x)]φ1′(x)
注意
我们称上面公式中的x为"求导变量",t为"积分变量"."求导变量"x只出现在积分的上、下限时才能使用变限积分求导公式,若"求导变量"x出现在被积函数中,必须通过恒等变形(比如变量代换等)将其移出被积函数,才能使用变限积分求导公式,
定积分计算
左端定积分的被积函数含有变限积分,考虑分部积分法.
计算定积分的一些结论
- 奇偶性,连续的奇函数一切原函数都是偶函数,连续的偶函数的原函数中仅有一个原函数是奇函数
- 周期性
- 区间再现公式,f(x)为连续函数,∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx,
积分等式与不等式
见基础 30 讲中的第十讲
一、积分等式
1.用中值定理
见中值定理中拓展的中值定理
2.用夹逼准则
例题
(1) 比较 ∫01∣lnt∣[ln(1+t)]ndt 与 ∫01tn∣lnt∣dt(n=1,2,⋯) 的大小, 说明理由.
(2) 记 un=∫01∣lnt∣[ln(1+t)]ndt(n=1,2,⋯), 求 limn→∞un.
解 (1) 当 0⩽t⩽1 时, 0⩽ln(1+t)⩽t, 所以
0⩽∣lnt∣[ln(1+t)]n⩽tn∣lnt∣,
根据积分的保号性, 得
∫01∣lnt∣[ln(1+t)]ndt⩽∫01tn∣lnt∣dt.
(2) 由 (1) 知,
0⩽un=∫01∣lnt∣[ln(1+t)]ndt⩽∫01tn∣lnt∣dt.
又因为
∫01tn∣lnt∣dt=−∫01tnlntdt=−n+1tn+1lnt01+n+11∫01tndt=(n+1)21,
所以 limn→∞∫01tn∣lnt∣dt=0, 于是由夹逼准则得 limn→∞un=0.
3.用积分法
例题
设 f(x) 是连续的偶函数, 且是以 T 为周期的周期函数.
(1) 证明: ∫0nTxf(x)dx=2n2T∫0Tf(x)dx(n=1,2,3,⋯);
(2)利用 (1) 的结论计算 I=∫0nπx∣sinx∣dx.
解:(1)
∫0nTxf(x)dxx=nT−tnT∫0nTf(t)dt−∫0nTtf(t)dt,∫0nTxf(x)dx=2nT∫0nTf(x)dx
又 f(x+T)=f(x), 则
∫0nTf(x)dx=n∫0Tf(x)dx
故
∫0nTxf(x)dx=2n2T∫0Tf(x)dx(n=1,2,3,⋯).
(2) 解 ∣sinx∣ 是连续的以 π 为周期的偶函数, 故
I=∫0nπx∣sinx∣dx=2n2π∫0π∣sinx∣dx=2n2π∫0πsinxdx=n2π.
二、积分不等式
1. 用函数的单调性
提示
通常的做法:首先将某一积分限(通常取上限)变量化,然后移项构造辅助函数,由辅助函数的单调性来证明不等式,此方法多用于所给条件为“f(x)在[a,b]上连续”的情形
例题
设 f(x)在[a,b]上连续,且 f(x)>0,证明:∫abf(x)dx∗∫abf(x)1dx⩾(b−a)2
令F(x)=∫axf(t)dt⋅∫axf(t)1dt−(x−a)2(a⩽x⩽b),则F′(x)=f(x)∫axf(t)dt+f(x)1∫axf(t)dt−2(x−a)=∫ax[f(t)f(x)+f(x)f(t)−2]dt⩾∫ax(2−2)dt=0.从而,F(x)单调增加.故F(b)⩾F(a)=0,得证.
2.用拉格朗日中值定理
提示
此方法多用于所给条件为“f(x)一阶可导”且某一端点值较简单(甚至为0)的题目.
例题
设 f(x) 在 [0,1] 上具有一阶连续导数, 且 f(0)=f(1)=0. 证明:
∫01f(x)dx⩽41x∈[0,1]max{∣f′(x)∣}.
证明:将大区间 [0,1] 分成两个小区间 [0,x] 和 [x,1].
在 [0,x] 上对 f(x) 使用拉格朗日中值定理, 得 f(x)−f(0)=f(x)=f′(ξ1)x, 其中 ξ1∈(0,x), 于是
∣f(x)∣=∣f′(ξ1)∣x.
在 [x,1] 上对 f(x) 用拉格朗日中值定理, 得 f(1)−f(x)=−f(x)=f′(ξ2)(1−x), 其中ξ2∈(x,1), 于是
∣f(x)∣=∣f′(ξ2)∣(1−x).
当 x∈[0,1] 时, 记 M=max{∣f′(x)∣}, 则
∣f(x)∣⩽Mx,∣f(x)∣⩽M(1−x),
于是
∫01f(x)dx=∫0xf(t)dt+∫x1f(t)dt
⩽M∫0xtdt+M∫x1(1−t)dt=M[2x2+2(1−x)2],
其中, 根据基本不等式, min{2x2+2(1−x)2}=41, 故得证.
3. 用泰勒公式
提示
此方法多用于所给条件为“f(x)二阶可导”且某一端点值较简单(甚至为 0)的题目
例题
设 f(x) 在 [0,2] 上二阶导数连续, 且 f(1)=0. 当 x∈[0,2] 时, 记 M=max{∣f′′(x)∣}, 证明 ∫02f(x)dx⩽31M.
证明: 根据题设, 选取基点 x0=1 展开成泰勒公式,
f(x)=f(1)+f′(1)(x−1)+2f′′(ξ)(x−1)2 (其中 ξ 介于 x,1 之间)
⇒∫02f(x)dx=f′(1)∫02(x−1)dx+∫022f′′(ξ)(x−1)2dx=21∫02f′′(ξ)(x−1)2dx
⇒∫02f(x)dx⩽21∫02∣f′′(ξ)∣(x−1)2dx⩽21M∫02(x−1)2dx=31M,
故得证.
4. 用积分法
例题
设 f(x) 的二阶导数 f′′(x) 在 [0,1] 上连续, 且 f(0)=f(1)=0, 证明:
(1) ∫01f(x)dx=21∫01x(x−1)f′′(x)dx;
(2) ∫01f(x)dx⩽121max0<x<1{∣f′′(x)∣}.
证明:
(1)
21∫01x(x−1)f′′(x)dx=21∫01x(x−1)d[f′(x)]
=21x(x−1)f′(x)01−21∫01f′(x)(2x−1)dx
=−21∫01(2x−1)d[f(x)]
=−21(2x−1)f(x)01+∫01f(x)dx.
由条件 f(0)=f(1)=0 知结论成立.
(2) 记 M=max0<x<1{∣f′′(x)∣}, 则由 (1) 有
∫1f(x)dx⩽2M∫01x(1−x)dx=2M(21−31)=12M.
结论
等价积分
∫02πf(sinx)dx=∫02πf(cosx)dx
华里士公式:
∫0π/2sinnxdx=∫0π/2cosnxdx=⎩⎨⎧nn−1⋅n−2n−3⋅⋯⋅21⋅2π,nn−1⋅n−2n−3⋅⋯⋅32,当 n 为正偶数, I0=2π.当 n 为大于1的正奇数, I1=1.
∫02πsinnx=⎩⎨⎧0,2∫0πsinnxdxn为正奇数n为正偶数
为偶数时
2∫0πsinnxdx=2(∫02πsinndx+∫2ππsinndx)(第二个积分令 x=π−t)=2[∫02πsinnxdx+∫2π0sinn(π−t)(−dt)]=2(∫02πsinnxdx+∫02πsinntdt)=4∫02πsinnxdx=4⋅nn−1⋅n−2n−3⋅⋯⋅21⋅2π
即
∫02πsinndx={0,4⋅nn−1⋅n−2n−3⋅⋯⋅21⋅2π,n 为正奇数,n 为正偶数.
∫02πcosnxdx=∫−ππcosnxdx=2∫0πcosnxdx=2(∫02πcosnxdx+∫2ππcosnxdx)(第二个积分令 x=π−t)=2[∫02πcosnxdx+∫2π0cosn(π−t)(−dt)]=2[∫02πcosnxdx+∫02π(−cost)ndt].
n为正奇数时,(−cost)n=−cosnt,于是原积分为0
n为正偶数时,原积分=4∫02πcosnxdx
综上,有
∫02πcosnxdx=∫02πsinnxdx=⎩⎨⎧0,4⋅nn−1⋅n−2n−3⋅⋯⋅21⋅2π,n 为正奇数,n 为正偶数.