Mathematics - 积分(Integral)

正文

积分是微积分学与数学分析里的一个核心概念。通常分为定积分不定积分两种。

1 基本定义

1.1 定积分

对于一个给定的正实值函数 \(f(x)\)\(f(x)\) 在一个实数区间 \([a,b]\) 上的定积分
\[ \int_a^b f(x)\, dx \]
可以在数值上理解为在 \(O_{xy}\) 坐标平面上,由曲线 \((x, f(x))(x\in [a,b])\),直线 \(x=a\)\(x=b\) 以及X轴围成的曲边梯形的面积值(一种确定的实数值)。

其中的 \(\mathrm{d}x\) 称为积分变量,表示要求面积的范围是用坐标轴横轴的刻度计算; \(\int_a^b\) 则表示从a开始算起,到b为止,称为积分范围积分域,其中a称为积分下界,b称为积分上界\(\int\) 叫做积分号,是从拉长的字母S(拉丁文中的summa (ſumma):求和的首字母)演变过来的。函数 \(f(x)\) 写在中间,称为被积函数

1.2 不定积分

\(f(x)\) 的不定积分(或原函数)是指任何满足导数是函数 \(f(x)\) 的函数 \(F(x)\)。一个函数 \(f(x)\) 的不定积分不是唯一的:只要 \(F(x)\)\(f(x)\) 的不定积分,那么与之相差一个常数的函数 \(F(x)+C\) 也是 \(f(x)\) 的不定积分。

无说明的情况下,下文中的“积分”一词均指“定积分”

1.3 黎曼积分

在实分析中,由黎曼创立的黎曼积分(英语:Riemann integral)首次对函数在给定区间上的积分给出了一个精确定义。黎曼积分在技术上的某些不足之处可由后来的黎曼-斯蒂尔杰斯积分和勒贝格积分得到修补。

黎曼积分的基本概念就是对 x-轴的分割越来越细,则其所对应的矩形面积和也会越来越趋近图形 S 的面积(如下图) 。

1.3.1 区间的分割

一个闭区间 \([a,b]\) 的一个分割 \(P\) 是指在此区间中取一个有限的点列 \(a=x_{0}<x_{1}<x_{2}<\ldots <x_{n}=b\)。每个闭区间 \([x_{i},x_{i+1}]\) 叫做一个子区间。定义 \(\lambda\) 为这些子区间长度的最大值:\(\lambda =\max(x_{i+1}-x_{i})\),其中 \(0\leq i\leq n-1\)

一个闭区间 \([a,b]\) 的一个取样分割是指在进行分割后,于每一个子区间中取出一点 \(x_{i}\leq t_{i}\leq x_{i+1}\)

1.3.2 黎曼和

对一个在闭区间 \([a,b]\) 有定义的实值函数 \(f\)\(f\) 关于取样分割 \(x_{0}, \cdots, x_{n}\)\(t_{0}, \cdots, t_{n-1}\) 的黎曼和(积分和)定义为以下和式:

\[ \sum_{i=0}^{n-1}f(t_{i})(x_{i+1}-x_{i}) \]
和式中的每一项是子区间长度 \(x_{i+1}-x_{i}\) 与在 \(t_{i}\) 处的函数值 \(f(t_{i})\) 的乘积。直观地说,就是以标记点 \(t_{i}\) 到X轴的距离为高,以分割的子区间为长的矩形的面积。

1.4 勒贝格积分

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