單變量微積分筆記14——微積分第一基本定理


微積分第一基本定理

  如果F’(x) = f(x),那么:

  如果將F用不定積分表示,F =∫f(x)dx,微積分第一基本定理可以看作為是兩個不定積分賦予特定的值,再用符號連接起來,計算具體的數值。

  這里引入一個新符號:

  於是:

示例1

 

示例2

  

示例3

  f(x) = sinx,求下圖陰影部分的面積

  這實際上是積分的幾何意義。

再看積分的幾何意義

  如果s = S(t)是距離關於時間的函數,那瞬時速度就是S’(t) = ds/dt = V(t),從時間a到時間b所經過的距離是:

  dt = 1秒,用黎曼和表示:

  V(t)就是汽車儀表盤上的速度, 就是行駛的里程。

  如果行駛一段時間后掉頭,再回到出發點,按照黎曼和表示法將會出現相反的速度,最后的結果是0。這樣看來, 表示的就是位移而不是行駛里程,其里程應當是   再來看一個例子,曲線是sinx,0 ≤ x ≤ 2π,求曲線和x軸間兩個駝峰的面積。

 

  這肯定不對了,原因是上篇文章提到的概念:“是y=0,x=a,x=b,y=f(X)所圍成圖形的面積”並不完全正確。當曲線在x軸上方是,定積分才是面積;在下方是,面積(積分值)是負的。之前的幾何解釋是不完全的,它掩蓋了某些事實,關於定積分真正的幾何解釋是:定積分是x軸上方的面積減去x軸下方的面積。

定積分的性質

定積分的換元法

  變量替換是定積分的另一個性質,這個性質結合了不定積分的換元法(關於換元法的描述:數學筆記11——微分和不定積分)。定積分換元法性質:

  這個性質僅在u’在積分限上不變號時才有效,即u’(x)和u(x)在[x1, x2]上必須同號。

示例1

示例2

  這是正確答案。如果使用換元法:

  答案是錯誤的,其違反了定積分換元法的約束條件,u = x2, u’ = 2x,當x = -1時,u’ = -2,當x = 1時, u' = 2, u’不同號。對於此例,du = 2xdx實際上應該是 dx =± u-1/2du/2

再看第一定理

  微積分第一基本定理:如果F’(x) = f(x)

  這是定理的標准形式,用F去解釋f。現在換個角度,用f去理解F,可以寫成:

  僅僅是反過來寫了一遍,但這種形式對以后的理解至關重要。現在,

   等式的右邊可以看作f的均值:

  average(f)需要用黎曼和解釋。如果a = 0, b = n,Δx=1,

  等式左邊是離散情況下的均值,右邊是連續情況下的均值,如果是計算面積,右邊要更加精確。如果用ΔF = Average(F’) Δx理解第一基本定理,就是F的該變量等於其微小改變的平均值乘以流逝的時間。

中值定理

  之前介紹過中值定理:f(x)在[a, b]上連續,f(x)在(a,b)內可導,且 a < c < b,

  換成上一節的寫法就是

  F’(C)是不確定的,而第一基本定理得到了一個確定的值。可以將中值定理看作第一基本定理的泛化,第一基本定理要比中值定理更“強”。事實上,只要能夠使用第一基本定理,就不去使用中值定理。

  既然是中值定理,就一定存在:

第一基本定理與中值定理結合

示例

  F’(x) = 1/(1 + x), F(0) = 1, F(4)的取值范圍?

 

  解法一:用中值定理求解

  解法二:用微積分求解

  綜上,4/5 < F(4) < 5

  可以用畫圖法理解微積分求解, 被積函數是y=1,  被積函數是y=1/5

 

  如上圖所示,∫dx/(1+x)計算的是 y = 1/(1+x)在[0,4]內與x軸的面積;最大值和最小值是將曲線變成一個矩形,這可以看作是朴素的黎曼和。微積分之所以更加精確,正是因為將曲線分成了更多的矩形。

綜合示例

示例1

  第二個式子也可以用上述方法計算,但是可以使用更簡單的方法直接得到答案。

  如上圖所示,tanx 在[-π/3, π/3]上是關於原點對稱的,根據定積分的幾何意義,x軸上方的面積減去x軸下方的面積,故可以直接得出答案0。

  注:

示例2


   出處:微信公眾號 "我是8位的"

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