積分上限函數


設函數 $f(x)$ 在區間 $[a,b]$ 上可積,對任意的 $x \in [a,b]$,做變上限積分

$$\Phi (x) = \int_{a}^{x}f(t)dt$$

這個積分稱為函數 $f(x)$ 的積分上限函數。

當 $f(x) > 0$ 時,$\Phi (x)$ 在幾何上表示為右側鄰邊可以變動的曲邊梯形的面積。

 

性質1:函數 $\Phi (x)$ 在區間 $[a,b]$ 上連續

   直觀上看,當 $f(x) > 0$ 時,函數 $\Phi (x)$ 代表的是圖形在區間 $[a,x]$ 上的面積,很明顯,面積隨 $x$ 的變化是連續的。

   使用 $\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\Delta y = 0$ 來證明。

$$\Delta y = \Phi(x + \Delta x) - \Phi(x) = \int_{x_{0}}^{x + \Delta x}f(t)dt - \int_{x_{0}}^{x}f(t)dt = \int_{x}^{x + \Delta x}f(t)dt$$

   因為 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上可積,所以 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上有界,設 $|f(x)| \leq M$,於是

$$|\Delta y | = |\int_{x}^{x + \Delta x}f(t)dt \;| \leq \int_{x}^{x + \Delta x}|f(t)|dt \leq M\cdot \Delta x$$

   由夾逼准則可得

$$\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\Delta y = 0$$

 

性質2:若函數 $f(x)$ 在區間 $[a,b]$ 上連續,則 $\Phi (x)$ 在區間 $[a,b]$ 上可導,且 $\Phi^{'}(x) = f(x)$

   由 1 可知:

$$\Delta y = \int_{x}^{x + \Delta x}f(t)dt$$

   再由定積分中值定理,得

$$\Delta y = \int_{x}^{x + \Delta x}f(t)dt = f(\xi)\cdot \Delta x$$

   所以有

$$\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\xi)\cdot \Delta x}{\Delta x} = \lim_{\Delta x\rightarrow 0}f(\xi) = f(x)$$

   故:變上限積分函數是 $f(x)$ 的一個原函數

   可以看出,當 $f(x) > 0$ 時,它的原函數 $\Phi(x)$ 在某一點的函數值就是 $f(x)$ 在該點左側圖形的面積。

   $f(x)$ 的任意一個原函數 $F(x)$ 滿足,每一個原函數之間都相差一個常數 $C$。

$$F(x) = \Phi(x) + C$$

 


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