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变上限积分

下一节:复合变限积分

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变上限积分课程教案、知识点、字幕

好今天我们开始一个新的内容

变限积分

第一部分我们来讨论变上限的积分

我们假设f是[a,b]区间上的可积函数

既然在[a,b]区间上可积

那么我们考虑这么一个积分

从a到xf(t)dt

要注意x用过了

所以里面那个

通常我为了区别起见

通常用另外一个变量

所以我不写f(x)dx

而写f(t)dt

因为我们知道定积分的积分值

是跟上限和下限的值

以及被积函数有关系

跟中间的积分变量实际上没有关系

用t也可以

用其他变量也可以

那么我们用了一个t

我们知道给了一个x

那么a到x上f的定积分

是不就有了一个固定值和它对应

我们回过头就再去想想

我们函数的定义

所谓函数就是一个对应法则

给了一个x

只要这个x的范围是在[a到b]上

给了一个x

就有唯一的一个数和它对应

恰好满足了我们原来函数的定义

所以这个积分

实际上我们把x当成变量的话

它就是一个函数

我们把这个函数叫变上限积分

我们把它叫做F(x)

这就是我们的定义

变上限积分

变上限是什么东西

假如说我们把x看成变量的话

那变上限积分

实际是一个函数

它的定义域是[a到b]

也就是变上限积分

对可积函数而言

变上限积分实际上定义了

在[a,b]这个区间里面的一个函数

我们来看一下

F(x)实际上由f(x)生成的

所以我们想F(x)的所有的性质

什么性质

我们讲

微积分的话

我们就讨论函数的这么一些性质

连续不连续

可导不可导

二阶导数有没有

它的单调性如何

它的凸性如何

它的极值

它的泰勒展开

等等等等这一套东西

这是我们微积分所研究的东西

那么对于这么一个变上限积分

所定义的函数

我们也要来研究F(x)的性质

而F(x)这个函数

是由f(x)这个函数生成的

所以F(x)这个函数的性质

从原则上来讲

应该是由f(x)这个函数决定的

那么f(x)的哪些性质决定了

F(x)的哪些性质

我们可以给以下这么几个定理

第一个定理

如果f(x)是一个可积函数

那么由f

而我们现在定义

所生成的变上限积分F(x)

是一个连续函数

我们来证明一下

我们讲过可积函数

所谓可积函数

首先是应该是一个有界函数

有界函数

在有界闭区间

我们才能讨论它的定积分的问题

所有的只要是可积函数

那么它一定是一个有界函数

一定存在一个m,M

使得m小于等于f(x)小于等于M

x属于[a,b]这个区间内

一定是个有界函数

好那么我们来看一看

对于x0属于[a,b]

我们要讨论F(x)这个函数

在x0点的连续性

那么这时候

我们就要分开情况了

如果x0是在a点或者b点

那么这个连续性是一种单侧连续

在a点的连续性指的是右连续

在b点的连续性

指的是左连续

所以它是指的是一个单侧连续

那么如果x0是在(a,b)开区间里面

是一个内点

那么这种连续实际上是左右双侧连续

那么我们不妨假设它是内点

因为单侧连续的话

证明方法完全都是一样的

所以不妨假设

x0是在(a,b)的内点

我们来看看如果说

Δx的范围是很小很小的一个小量

使得x0加上Δx含在(a,b)区间内

那么我们来看看

由于自变量的微小变化

那么F(x0+Δx)减去

变限积分F(x0)

什么情况就能说明

F这个函数是连续函数

如果说我们能证明

limΔx趋于0的时候

F在(x0+Δx)的取值点

减去F在x0点的取值点

如果趋于0的话

我们就说明F这个函数是连续函数

那么我们来看看

根据定义

F在x0+Δx的值

就是从a点到x0+Δx

f(t)dt

减去a到x0

f(t)dt

我们这里面

又要用到定积分关于积分区域的可加性

我们把前面那个积分拆开

拆分成a点到x0点的积分

f(t)dt

加上从x0到x0+Δx

f(t)dt

再减去从a到x0点

f(t)dt

我们把这两个消掉之后

我们可以发现

它就等于

从x0到x0+Δx

f(t)dt

所以我们可以知道

绝对值F(x0+Δx)减去F(x0)

实际上就等于

绝对值x0到x0+Δx

f(t)dt这个函数的取值

同样我们也可以知道

因为f这个函数是有界函数

是在m和M之间的

所以我们可以至少可以知道

|f(t)|一定小于等于

max{|m|,|M|}取大的那个

所以又根据定积分它的性质

可以知道

它小于等于f的绝对值的积分

从x0到x0+Δx

绝对值f(t)的积分dt绝对值

那么根据保序关系

我们可以知道

小于等于max

大的那个

m的绝对值

M的绝对值

这是一个常数

给了m给了M之后

它就是一个常数

乘上我们把这个拿出来了之后

就是1的积分

1的积分

当然就等于区间长度差

就等于Δx

就是等于Δx的绝对值

一定是趋于0的

当Δx趋于0的时候

所以下面就有结论了

刚才我们讲过

怎么样才能说明F这个函数

是一个连续函数呢

就是F(x0+Δx)减去F(x0)

如果说当Δx趋于0的时候

这个值趋于0的话

我们就可以证明

它就是一个连续函数

那么我们现在已经证明了

当Δx趋于0的时候

这个差的绝对值趋于0

本身当然也应该趋于0

所以F(x)这个函数

一定是在a、b这个区间上

是一个连续函数

那么我们再来看一看变上限积分

变上限积分告诉我们

如果f(x)是一个可积函数

F(x)就是一个连续函数

从性质上来讲

连续函数一定可积

但反过来我们也可以举出例子

可积函数不一定连续

所以连续函数是比可积函数更

性质更好的一个函数

那么变上限积分

把一个可积函数变成了一个连续函数

所以变上限积分越做

这个函数的性质越好

好我们来看另外一个定理

如果我们给f(x)加更强的条件

f属于连续函数

那么由f所确定的F(x)

等于从a到x的f(t)dt

是一个C(1)类的函数

连续可导函数

并且

F(x)的倒数等于f(x)

那么跟刚才定理比较起来

刚才告诉我们

f是一个可积函数

F就是一个连续函数

现在我们告诉

如果f是连续函数

F就是一个C(1)类的函数

所以C(1)类的函数比

连续函数又高了一级

所以我们可以知道

变上限积分所定义的函数

从光滑性的角度上来讲

比原来的f(x)要高一级

我们证明这件事情

我们取x0属于[a,b]这个区间

我们在x0这一点来求它的导数

来证明它是可导的

并且导函数是一个连续函数

导函数就等于f(x)本身

又要分跟刚才那个情况一样

x0如果是在a点和b点的话

要分两种情况

在a点的话应该是右导数

在b点的话应该是左导数

而x0如果属于[a,b]内点的话

那就是左右同时的一个导数

所以我们不妨假设x0是内点

因为左导和右导的方法

和我们下面要讲的方法

证明的方法是一样的

所以我们就不再重复了

我们取Δx足够小

小到什么程度

小到x0加Δx0还在[a,b]区间里

那么我们来看看

由于自变量的微小变化

所引起的函数值的变化

除以Δx

就准备求F(x)的导数了

看看极限有没有

如果有的话就求导数

我们根据定义

就等于Δx分之一

从a到x0+Δx

f(t)d(t)

减去从a到x0

f(t)d(t)

跟刚才一样

关于积分关于区域的可加性

我们就可以发现

它就等于Δx分之一

从x0到x0加上Δx

f(t)d(t)

下面又运用到我们刚才的性质

刚才我们讲性质的时候我们讲过

如果f是个被积函数

是个连续函数

那么定积分那就有中值定理

定积分的中值定理告诉我们

一定存在一个ξ属于哪个区间

属于在x0到x0+Δx之间

刚才我本来想写区间

为什么我不敢写区间

我不知道Δx大于0还是小于0

所以我不知道这两点

哪一点在左边哪一点在右边

索性我们就写ξ是在

x0到x0+Δx之间

使得这个积分值

实际上就等于

f在ξ点的取值乘上

f拿出去之后

就是1的积分

1的积分就是区间的长度

这个区间的长度就是

上限减下限

就是Δx

还有一个Δx分之一

ΔxΔx抵消

就等于f在ξ点的取值

其中我们一定要记住

ξ是在x0到x0+Δx之间的

那么我们来求极限

limΔx趋于0

这个都加极限都加极限

这个加极限Δx趋于0

我们来看看当Δx趋于0的时候

ξ是夹在x0x0+Δx之间

Δx趋于0ξ一定是趋于x0

而f又是一个连续函数

那么连续函数的极限值就是等于f(x0)

所以这时候实际上

我们已经证了两件事情

第一件事情

F这个函数是一个可导函数

第二件事情

F(x)的导数是不是就等于f(x)

而我们知道

F的导数等于f(x)

而f(x)又是一个连续函数

那么对F(x)这么一个变上限积分而言

那么它的导数是一个连续函数

所以F(x)是一个C1类的函数

实际上我们这一步的话

把我们这一个定理的几个结论

实际上同时统统证出来了

从这两个定理上

我们也可以看出来

变上限积分的光滑性

比原来的函数的光滑性要好一些

这是我们讨论的变上限积分

那么我们再来看看其他变限积分

我们看看变下限的积分

同样我们可以把它写成变下限的积分

f(t)dt

我们把这个变下限积分叫做G(x)的话

条件是一样的

只要f是在a,b这个区间上

是一个可积函数就行

那么这个变下限积分

依然是根据定义来讲

依然是一个很好的一个定义了的函数

那么对于变下限积分来讲

我们可以发现

G(x)就等于负的从b到xf(t)dt

那么这样的话

所有的性质是不就都是一样了

变成了负号的变上限积分

我们有几条性质

第一条性质

f如果是一个可积函数

一定能够得到G是一个连续函数

f如果是一个连续函数

一定可以推出G是一个C1类的函数

而且我们还可以知道

G(x)如果f是一个连续函数

G(x)作为C1类的函数

它的导数就等于负的f(x)

变下限积分求导数

我们再来看看所谓变限积分求导数

这个导数的法则就是

一个函数如果是一个变上限积分

求导数之后

实际上来讲就是

被积函数把上限放进去

如果说是一个变下限积分

就是一个被积函数

把那个x放进去之后

在前面添一个负号

那么这就是变下限积分

所以在这个意义上来讲

变下限积分可以

把它转化成为变上限积分

那么变下限积分

所有的问题跟变上限积分一样

微积分——极限理论与一元函数课程列表:

序言

-序言

--序言

第一章 实数与函数

-第一节 实数集的界与确界

--实数集的界

--实数集的确界

-第一节思考与练习

--思考题

--练习题

-第二节 函数的概念

--函数定义与函数图形

--分段函数与隐函数

-第二节思考与练习

--思考题

--练习题

-第三节 函数的运算

--函数的四则运算与复合运算

--函数的反函数

-第三节思考与练习

--思考题

--练习题

-第四节 函数的初等性质

--函数的有界性,奇偶性

--函数的周期性,单调性

--函数的凸性

-第四节思考与练习

--思考题

--练习题

-第五节 初等函数

--初等函数

-第五节思考与练习

--思考题

--练习题

-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线

--极坐标系与点的极坐标,极坐标方程表示的几种曲线

--参数方程表示的几种曲线

第二章 极限论

-第一节 数列极限的概念与性质

--数列的概念,数列极限的概念(1)

--数列极限的概念(2)

--数列极限的性质及四则运算法则

--无穷大量

-第一节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第一节思考与练习

-第二节 数列极限存在的充分条件

--数列极限存在的充分条件

--单调有界收敛定理

-第二节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第二节思考与练习

-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则

--Bolzano定理与Cauchy收敛准则

--区间套定理与Bolzano定理

--Cauchy收敛准则

-第三节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第三节思考与练习

-第四节 函数极限的概念与性质

--函数极限的概念

--函数极限的性质

-第四节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第四节思考与练习

-第五节 函数极限的运算

--函数极限的四则运算与复合函数的极限

--夹逼定理与重要极限

-第五节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第五节思考与练习

-第六节 无穷小量及其(阶的)比较

--无穷小量与无穷大量的概念与性质

--无穷小量的比较

-第六节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第六节思考与练习

第三章 连续函数

-第一节 连续函数的概念与性质

--函数在一点连续的概念

--间断点的分类

--连续函数的性质

--连续函数的运算与初等函数的连续性

-第一节 思考与练习

--思考题

--第三章 连续函数--第一节 思考与练习

-第二节 闭区间上连续函数的性质

--闭区间上连续函数的性质

-第二节 思考与练习

--思考题

--第三章 连续函数--第二节 思考与练习

-第三节 函数的一致连续性

--一致连续的概念

--一致连续的必要条件

--闭区间上连续与一致连续的等价性

-第三节 思考与练习

--思考题

--第三章 连续函数--第三节 思考与练习

第四章 导数与微分

-第一节 导数与微分的概念

--导数的概念

--单侧导数、可导与连续的关系

--导数的几何意义

--微分概念

-第一节 思考与练习

--思考题

--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习

-第二节 导数与微分的运算

--导数的四则运算

--复合函数的求导法(链导法则)

--反函数求导法

-第二节 思考与练习

--思考题

--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习

-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数

--几种特殊函数的求导法

--参数方程求导法与对数求导法

--高阶导数

-第三节 思考与练习

--思考题

--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习

第五章 导数应用

-第一节 微分中值定理

--Fermat定理

--Rolle定理

--Lagrange中值定理

--Cauchy中值定理

-第一节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第一节 思考与练习

-第二节 L'Hospital 法则

--0/0型不定式

--∞/∞型不定式

--其他形式的不定式

-第二节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第二节 思考与练习

-第三节 函数的单调性与极值

--函数的单调性

--函数的极值

--函数最值的求法

-第三节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第三节 思考与练习

-第四节 函数的凸性与拐点

--函数凸性的判别法

--拐点

--曲线的渐近性

-第四节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第四节 思考与练习

-第五节 Taylor 公式

--带有Peano型余项的Taylor 公式

--带有Lagrange型余项的Taylor公式

--Maclaurin公式

--Taylor公式的应用(一)

--Taylor公式的应用(二)

-第五节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第五节 思考与练习

第六章 原函数与不定积分

-第一节 概念与性质

--原函数的概念

--原函数存在的充分条件

--6-1视频纠正

--原函数存在的必要条件

--不同原函数之间的关系

--不定积分的概念与性质

--简单函数求不定积分

-第一节思考与练习

--思考题

--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习

-第二节 换元积分法

--第一换元法

--第二换元法

-第二节思考与练习

--思考题

--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习

-第三节 分部积分法

--分步积分法

-第四节 有理函数的积分

--四个特殊函数的不定积分

--有理分式函数的化简

--html

--有理分式函数的不定积分

--三角有理函数化成分式有理函数

--三角有理函数的不定积分

--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习

-第五节 简单无理式的积分

--无理函数的有理化

--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习

第七章 定积分

-第一节 积分概念与积分存在条件

--定积分的概念

-- 函数的可积性

--第七章 定积分--第一节思考与练习

-第二节 定积分的性质

--定积分的性质

--定积分性质的应用

-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式

--变上限积分

--复合变限积分

--变限积分所定义的函数

--Newton-Leibniz公式

--定积分的计算

--第七章 定积分--第三节思考与练习

-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法

--定积分的计算-换元法

--定积分的计算-分部积分法

--分段函数定积分的计算

--第七章 定积分--第四节思考与练习

-第五节 定积分的几何应用

--平面区域的面积

--曲线的弧长

--平面曲线的曲率

--旋转体体积与表面积

--第七章 定积分--第五节思考与练习

-第六节 定积分的物理应用

--物理应用简介

-第七节 反常积分

--反常积分

--非负函数无穷积分的收敛性

--一般函数无穷积分的收敛性

--其他无穷积分

--无界函数的反常积分---瑕积分

--无界函数、无界区间上的反常积分

--第七章 定积分--第七节思考与练习

第八章 级数

-第一节 数项级数的概念与性质

--8-1 数项级数的概念

--8-2 级数收敛的概念

--8-3 级数收敛的性质

--8-4 级数收敛的Cauchy准则

--8-5 正项级数的概念

--8-6 正项级数的比较判别法

--8-7 正项级数的比阶判别法

--8-8 正项级数的比值判别法

--第八章 级数--第一节 思考与练习

-第二节 正项级数的收敛判别法

--正项级数的根式判敛法

--正项级数的积分判别法

--第八章 级数--第二节 思考与练习

-第三节 任意项级数

--交错项级数

--交错项级数判敛举例

--绝对值判敛法

--绝对收敛与条件级数收敛的性质

--绝对收敛级数的交换律

--条件收敛级数的Riemann定理

--第八章 级数--第三节 思考与练习

-第四节 函数级数

--函数项级数的概念、逐点收敛性

--函数项级数的一致收敛性-概念

--函数项级数的一致收敛性-判断

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(1)

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(2)

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(3)

--第八章 级数--第四节 思考与练习

-第五节 幂级数

--Abel判别法

--收敛半径与收敛域

--幂级数的分析性质

--无穷可导函数的幂级数展开

--幂级数求和

--第八章 级数--第五节思考与练习

-第六节 傅里叶级数

--三角函数的正交性

--奇函数与偶函数的形式Fourier展开和周期开拓

--其他函数的周期函数的形式Fourier展开

--Fourier级数的收敛性

--第八章 级数--第六节思考与练习

变上限积分笔记与讨论

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