数学

定积分的应用

2026-06-08 #定积分#几何应用

第十章 定积分的应用

一、 定积分的定义与基本概念

1. 定积分的定义

任给 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ>0\delta > 0,对区间 [a,b][a, b] 的任何分割 T:a=x0<x1<⋯<xn=bT: a = x_0 < x_1 < \cdots < x_n = b,及任意在 [xi−1,xi][x_{i-1}, x_i] 上的点 ξi\xi_i (i=1,2,⋯ ,ni = 1, 2, \cdots, n),只要 ∥T∥=max⁡1≤i≤n{Δxi}<δ\|T\| = \max\limits_{1 \le i \le n} \{\Delta x_i\} < \delta 时,必有:

∣∑i=1nf(ξi)Δxi−J∣<ε\left| \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i - J \right| < \varepsilon

则称 JJ 为 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上的定积分,记作:

J=∫abf(x)dx=lim⁡∥T∥→0∑i=1nf(ξi)ΔxiJ = \int_a^b f(x)dx = \lim_{\|T\| \to 0} \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i

2. 牛顿-莱布尼茨公式 (Newton-Leibniz Formula)

设 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上连续,且存在原函数 F(x)F(x),即 F′(x)=f(x)F'(x) = f(x),则:

  1. f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上可积。

  2. ∫abf(x)dx=F(x)∣ab=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)dx = F(x) \Big|_a^b = F(b) - F(a)


二、 可积条件

设 A⇒A \Rightarrow 可积 ⇒B\Rightarrow B,其中 AA 是充分条件,BB 是必要条件。

1. 可积 ⇒B\Rightarrow B (必要条件)

  • 有界性:若函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上可积,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上必定有界。

2. A⇒A \Rightarrow 可积 (充分条件)

  • 连续:若 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上连续,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上可积。

  • 有限个间断点:若 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上是有界函数,且只有有限个间断点,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上可积。

  • 单调:若 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上单调,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上可积。


三、 定积分的性质

  • 线性可积性:积分运算具有线性性质(即齐次性与可加性)。

  • 积分中值定理:设 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上连续,则至少存在一点 ξ∈[a,b]\xi \in [a, b],使得:

    ∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)\int_a^b f(x)dx = f(\xi)(b - a)

  • 推论(广义积分中值定理):设 f(x),g(x)f(x), g(x) 在 [a,b][a, b] 上连续,g(x)g(x) 在 [a,b][a, b] 上不变号(同侧),则至少存在一点 ξ∈[a,b]\xi \in [a, b],使得:

    ∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx\int_a^b f(x)g(x)dx = f(\xi)\int_a^b g(x)dx


四、 变限积分

若 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上连续,定义变上限积分函数 Φ(x)=∫axf(t)dt\Phi(x) = \int_a^x f(t)dt,则 Φ(x)\Phi(x) 在 [a,b][a, b] 上可导,且:

Φ′(x)=ddx∫axf(t)dt=f(x)(x∈[a,b])\Phi'(x) = \frac{d}{dx} \int_a^x f(t)dt = f(x) \quad (x \in [a, b])


五、 积分第二中值定理

(注:手写笔记中列出了此标题,未记录具体公式)


六、 积分计算方法

1. 换元法 (Substitution Method)

公式:

∫αβf[ψ(t)]ψ′(t)dt=∫abf(x)dx\int_{\alpha}^{\beta} f[\psi(t)]\psi'(t)dt = \int_a^b f(x)dx

例1

计算:∫02x1+x2dx\int_0^2 \frac{x}{\sqrt{1+x^2}} dx

解题步骤:

  1. 变形积分项:

    ∫0211+x2d(12x2)\int_0^2 \frac{1}{\sqrt{1+x^2}} d\left(\frac{1}{2}x^2\right)

  2. 统一成 (1+x2)−12(1+x^2)^{-\frac{1}{2}} 和 12x2\frac{1}{2}x^2 的形式:

    d(12x2)=12dx2=12d(x2+1)d\left(\frac{1}{2}x^2\right) = \frac{1}{2}dx^2 = \frac{1}{2}d(x^2+1)

  3. 令 t=1+x2t = 1+x^2,当 x∈[0,2]x \in [0, 2] 时,t∈[1,5]t \in [1, 5]:

    原式=12∫02(1+x2)−12d(x2+1)=12∫15t−12dt\text{原式} = \frac{1}{2} \int_0^2 (1+x^2)^{-\frac{1}{2}} d(x^2+1) = \frac{1}{2} \int_1^5 t^{-\frac{1}{2}}dt

  4. 计算最终结果:

    12⋅[2t12]15=5−1\frac{1}{2} \cdot \left[ 2t^{\frac{1}{2}} \right]_1^5 = \sqrt{5} - 1

2. 分部积分法 (Integration by Parts)

公式:

∫abu(x)dv(x)=u(x)v(x)∣ab−∫abv(x)du(x)\int_a^b u(x)dv(x) = u(x)v(x) \Big|_a^b - \int_a^b v(x)du(x)

例2
计算:∫012arcsin⁡xdx\int_0^{\frac{1}{2}} \arcsin x dx

解题步骤:

  1. 设 u=arcsin⁡xu = \arcsin x,dv=dxdv = dx:

    • 则 du=11−x2dxdu = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx,v=xv = x
  2. 带入公式:

    原式=xarcsin⁡x∣012−∫012x1−x2dx\text{原式} = x \arcsin x \Big|_0^{\frac{1}{2}} - \int_0^{\frac{1}{2}} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx


定积分的应用

一、 体积(旋转体)

设函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a, b] 上连续。由平面图形 A={(x,y)∣0≤∣y∣≤∣f(x)∣,a≤x≤b}A = \{ (x, y) \mid 0 \le |y| \le |f(x)|, a \le x \le b \} 绕 xx 轴旋转一周所得的旋转体体积:

V=π∫abf2(x) dxV = \pi \int_{a}^{b} f^2(x) \, dx

二、 弧长

1. 参数方程形式

若曲线由参数方程表示:

{x=x(t)y=y(t)t∈[α,β]\begin{cases} x = x(t) \\ y = y(t) \end{cases} \quad t \in [\alpha, \beta]

其弧长公式为:

s=∫αβx′2(t)+y′2(t) dts = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} \, dt

2. 极坐标形式

若曲线由极坐标方程表示:

ρ=r(θ),θ∈[α,β]\rho = r(\theta), \quad \theta \in [\alpha, \beta]

其弧长公式为:

s=∫αβr2(θ)+r′2(θ) dθs = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{r^2(\theta) + r'^2(\theta)} \, d\theta


三、 曲率

1. 参数方程形式

对于参数方程表示的曲线,其曲率 kk 的计算公式为:

k=∣x′y′′−x′′y′∣(x′2+y′2)32k = \frac{|x'y'' - x''y'|}{(x'^2 + y'^2)^{\frac{3}{2}}}

2. 直角坐标形式

若曲线方程为 y=f(x)y = f(x),则其曲率 kk 的计算公式为:

k=∣y′′∣(1+y′2)32k = \frac{|y''|}{(1 + y'^2)^{\frac{3}{2}}}


四、 旋转曲面的面积

1. 直角坐标形式

若曲线 y=f(x)y = f(x) 绕 xx 轴旋转,所围成的旋转曲面面积为:

S=2π∫ab∣f(x)∣1+f′2(x) dxS = 2\pi \int_{a}^{b} |f(x)| \sqrt{1 + f'^2(x)} \, dx

2. 参数方程形式

若曲线由参数方程表示:

{x=x(t)y=y(t)t∈[α,β]\begin{cases} x = x(t) \\ y = y(t) \end{cases} \quad t \in [\alpha, \beta]

该曲线绕 xx 轴旋转一周所得的旋转曲面面积为:

S=2π∫αβ∣y(t)∣x′2(t)+y′2(t) dtS = 2\pi \int_{\alpha}^{\beta} |y(t)| \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} \, dt

附录:常用不定积分基本公式表

序号 积分公式 序号 积分公式
1 ∫0dx=C\int 0 dx = C 2 ∫xαdx=xα+1α+1+C(α≠−1)\int x^\alpha dx = \frac{x^{\alpha+1}}{\alpha+1} + C \quad (\alpha \neq -1)
3 ∫axdx=axln⁡a+C\int a^x dx = \frac{a^x}{\ln a} + C 4 ∫1xdx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{1}{x} dx = \ln|x| + C
5 ∫sin⁡xdx=−cos⁡x+C\int \sin x dx = -\cos x + C 6 ∫cos⁡xdx=sin⁡x+C\int \cos x dx = \sin x + C
7 ∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C\int \sec^2 x dx = \tan x + C 8 ∫csc⁡2xdx=−cot⁡x+C\int \csc^2 x dx = -\cot x + C
9 ∫sec⁡x⋅tan⁡xdx=sec⁡x+C\int \sec x \cdot \tan x dx = \sec x + C 10 ∫csc⁡x⋅cot⁡xdx=−csc⁡x+C\int \csc x \cdot \cot x dx = -\csc x + C
11 ∫dx1−x2=arcsin⁡x+C=−arccos⁡x+C\int \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \arcsin x + C = -\arccos x + C 12 ∫dx1+x2=arctan⁡x+C=−arccot x+C\int \frac{dx}{1+x^2} = \arctan x + C = -\text{arccot } x + C

特别地:

  • ∫12xdx=x+C\int \frac{1}{2\sqrt{x}} dx = \sqrt{x} + C

  • ∫−1x2dx=1x+C\int -\frac{1}{x^2} dx = \frac{1}{x} + C

  • ∫exdx=ex+C\int e^x dx = e^x + C

  • ∫1dx=∫dx=x+C\int 1 dx = \int dx = x + C


返回总目录

评论
分享

评论