当前课程知识点:微积分(先修课) > 第五章 定积分 > 5.3 定积分的基本性质 > 5.3.1 定积分的性质(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们讲
第五章
定积分
第三节
定积分的基本性质
前面我们已经学习了
定积分的概念
知道定积分是反映
函数整体性质的一个量
在了解了定积分存在的
必要条件和充分条件之后
计算定积分的值和
讨论定积分之间的关系
就是需要进一步关注的问题
本讲将介绍
定积分运算的几个常用性质
我们首先介绍
定积分的几个运算性质
第一个性质
定积分的方向性
在介绍定积分定义时
我们的积分区间是a到b
所以说我们的积分下限a
是小于积分上限的
但是在处理具体的
定积分计算问题时
我们也会碰到
积分下限大于积分上限的情况
那如何理解积分下限
大于积分上限的定积分
我们规定a到b的定积分
与b到a的定积分是差一个负号的
这样我们就利用
积分下限小于积分上限的定积分
得到了积分下限
大于积分上限的定积分
它的值的大小
类似的在处理
定积分的具体问题时
我们还会碰到积分变量
用不同记号表示的情况
我们知道根据定积分的定义
定积分反映的应该是被积函数
在积分区间上的一个整体性质
当被积函数与积分区间确定后
定积分值的大小就完全确定了
也就是说
定积分的值它的大小
与积分变量用什么记号表示
并没有关系
所以f(x)从a到b的定积分与
f(t)从a到b的定积分以及与
f(u)从a到b的定积分
表示的都是同一个值
接下来我们看第二个性质
也就是定积分的线性运算性质
我们写成定理
定理5
如果函数f(x)和g(x)
都在区间[a,b]上是可积的
那么对于任意的实数α β
α乘上f(x)加上β乘g(x)
也在区间[a,b]上可积
而且他们的定积分
有下面的等式关系
也就是α乘上f(x)
加上β乘上g(x)
他的定积分
就等于α乘上f的定积分
加上β乘上g(x)的定积分
这就是所谓的
定积分的线性运算性质
关于这个结论我们利用
定积分的定义
可以给出一个简短的证明
对于[a,b]的任意划分
以及在每个小区间上任取的一点
我们就得到α乘上f(x)加上
β乘上g(x)在这个划分
和这个取点方式下的一个积分和
因为积分和是有限个数求和
所以我们利用加法的交换律以及
加法和乘法的分配律
我们就可以将这个积分和写成
f(ξk)乘上Δxk
对k从1到n求和
求完和之后乘上α
再加上g(ξk)乘上Δxk
对k从1到n求和完之后再乘上β
因为我们的条件是f(x)和g(x)
在区间[a,b]上都是可积的
所以他们的积分和
在划分直径趋向于0时
极限就是他们
在[a,b]区间上的定积分
根据极限的线性运算性质
这样我们就知道
α乘上f(x)加上β乘上g(x)
它的积分和
在划分直径趋向于0时
它的极限是存在的
而且他的极限值
就等于f(x)
在[a,b]上的定积分值乘上α
再加上g(x)
在[a,b]区间上的定积分值乘上β
这样我们利用
定积分的定义就证明了
我们定积分的线性运算性质
对于函数运算来说
我们最基本的运算
应该是函数的和差积商运算
有了定积分的线性运算性质之后
我们知道两个可积函数
做加法运算和减法运算
他们得到的和函数和差函数
仍然是可积的
同样的我们可以证明
两个可积函数经过乘法运算之后
得到的乘积函数也是可积的
但是两个可积函数
经过除法运算之后
得到的商函数不见得还是可积的
譬如说f(x)等于1
和g(x)等于x这个函数
在[0,1]区间上
他们都是可积函数
但是f(x)除上g(x)
也就是x分之1
在[0,1]区间上是一个无界函数
当然他的定积分是不存在的
这是关于可积函数
他们的和差积商函数
是否是可积的
我们得到的结论
也就是说可积函数的
和函数 差函数
乘积函数仍然是可积函数
但商函数不见得还是可积函数
下面我们看定积分的第三条性质
定积分的区间可加性
定理6
我们假设f(x)
在区间[a,b]上可积
c是a b之间的一个点
那么我们就会得到f(x)
在区间[a,c]
与区间[c,b]上都是可积的
而且f(x)
在[a,b]区间上的定积分值
就等于他在
[a,c]区间上的定积分值
再加上f(x)
在[c,b]区间上的定积分值
这就是所谓的
定积分的区间可加性
当然这个结论
反过来也是可以的
也就是说如果
c是大于a小于b的
而且我们知道
f(x)在区间[a,c]
与区间[c,b]上都是可积的
那么f(x)在区间
[a,b]上也是可积的
同样的f(x)
在三个区间上的定积分值
仍然满足同样的等式关系
关于定积分的区间可加性
它的严格证明
我们不做讨论
我们只是从几何上来解释一下
这个性质所表示的情形
从几何上看
如果f(x)在[a,b]区间上可积
也就说我们图中这个
大的四边形的面积是存在的
那么我们知道
这两块小的四边形
它的面积也是存在的
而且大四边形的面积应该就等于
两块小四边形面积之和
反过来从面积上讲
这个关系还是成立的
关于定积分的区间可加性
在我们具体应用时
我们还需要说明的是
只要在我们讨论的等式中
牵扯到的定积分是存在的
实际上c介于a到b之间
并不是一个必要的条件
换句话说即使c小于a
或者是c大于b
我们这三个定积分之间
还是存在同样的等式关系
下面我们来介绍
定积分的第四条性质
这条性质是关于特殊函数
求定积分时
我们需要注意的一个性质
定理7
我们假设函数f(x)在[-a,a]
这个关于原点对称的
区间上是可积的
如果f(x)是奇函数
那么f(x)在[-a,a]的
定积分值就等于0
如果f(x)是偶函数
那么f(x)在[-a,a]
这个区间上的定积分
就等于f(x)在[0,a]区间上
定积分的两倍
实际上关于奇函数和偶函数
定积分的这个性质从几何上
我们可以很容易的得到解释
因为奇函数的图像
关于原点是对称的
所以说它对应的面积的代数和
应该等于0
而偶函数的图像
关于y轴是对称的
所以说他们对应的
面积的代数和
应该是[0,a]上
对应的面积的两倍
下面我们从定积分的定义出发
给出定理7的一个证明
我们为了用上
奇函数和偶函数的定义
我们就做特殊的划分
我们利用关于原点对称的点
将-a到a这个区间给他分成2n份
分点分别用x0 x1到xn
以及x负n一直到x负1来表示
其中x负k就等于xk的负值
也就是说我们的分点
是关于原点对称的
同样的我们取
ξk属于[xk-1,xk]
我们再取ξ负k就等于负的ξk
他应该就属于x负k到x负k加1
所以说我们的取点
也是关于原点对称的
在这种划分和这种取点方式下
我们就得到了
f(x)在[-a,a]上的
积分和应该就等于
f(ξi)加上f(-ξi)再乘上Δxi
i从1到n求和
最后让划分直径趋向于0
这样我们就知道
当f(x)是奇函数时
f(ξi)加上f(-ξi)是等于0的
所以我们那个积分和
极限是等于0的
也就是证明了奇函数
在关于原点对称的区间上
定积分值是等于0的
类似的当f(x)是偶函数时
f(ξi)加上f(-ξi)
他应该等于两倍的f(ξi)
所以我们那个积分和的极限值
就应该等于f(x)
在0到a区间上定积分的两倍
这就是偶函数
在关于原点对称区间上
定积分的性质
下面我们来看一下周期函数
定积分的一个性质
定理8
假设f(x)是可积的
而且他是以T为周期的周期函数
那么对于任意的实数a
我们都有f(x)
在a到a加T上的定积分值
等于f(x)在0到T上的定积分值
也就是说周期函数
在可积的前提下
他在任何一个
以周期为长度的区间上
它的定积分值是个常数
关于周期函数的这个性质
我们只给出证明的大概想法
具体的细节
请同学们在课后补充
首先我们利用
定积分的区间可加性
我们知道f(x)
从a到a加T的定积分
就等于f(x)
从a到0的定积分加上
f(x)从0到T的定积分
在加上f(x)
从T到a加T的定积分
因为f(x)是一个
以T为周期的周期函数
大家可以证明
他在T到a加T上的定积分值
就等于他在0到a上的定积分值
也就是说a到0它的定积分值
加上T到a加T它的定积分值
是等于0的
这样我们就得到了
我们要证的结果
也就是f(x)在a到a加T上的定积分
等于f(x)在0到T上的定积分
上面我们介绍的
定积分的这四个性质
主要就是来处理
定积分的有关计算问题时
我们常用的几条性质
通过具体的题目
大家可以对这些性质
作进一步的理解和掌握
下面我们看两道具体的题目
例1
我们计算下面这个定积分的值
也就是e的x的绝对值次方
在-1到1上的定积分
我们利用偶函数定积分的性质
我们知道
我们要求的定积分
也就是e的x次方
在0到1上定积分的两倍
在前面我们曾经用定义求出过
e的x次方在0到1上的定积分的值
是等于e减1的
所以我们要求的定积分的值
就等于两倍的括号里面是e减1
下面我们看第二道例题
我们计算下面这个定积分的值
被积函数是1加上x乘上cosx
括起来再乘上根下1减x方
积分区间是-1到1
首先这个定积分
是两个函数求和再求定积分
所以大家可以利用
定积分的线性运算性质
把他处理成两个定积分之和
也就是我们要求值的定积分
就等于根下1减x方
在-1到1上的定积分
再加上x乘上cosx
再乘上根下1减x方
在-1到1上的定积分
对第一个定积分来说
大家利用定积分的几何意义
可以知道这个定积分就等于
圆心在原点半径为1的
上半圆的面积
也就等于2分之π
而对第二个定积分来说
大家注意到
被积函数是一个奇函数
所以说他在-1到1上的
定积分值是等于0的
这样就得到了
我们要求的定积分值
就等于2分之π
在这一讲中我们介绍了
定积分的方向性
定积分的线性运算性质
以及定积分的区间性
也介绍了特殊函数
尤其是奇函数 偶函数
周期函数定积分的性质
这是定积分
常用的几个运算性质
应注意他们
在定积分计算问题中的具体应用
下一讲将介绍
定积分的其它几个常用性质
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试