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漫步微積分三十一——定積分的直觀含義

前面的文章中,我們完成了兩個主要目的。首先,我們將面積近似為給定曲線下的面積,並利用他們和的極限求出確切的面積值。第二,通過使用更強大的方法微積分基本定理,我們學會了如何計算極限的數值解。幾乎前幾篇文章的整個內容可以被壓縮成下面的命題:如果f(x)[a,b]上是連續的,那麼

limmaxΔx0k=1nf(xk)Δxk=baf(x)dx=F(x)ba=F(b)F(a)(1)

其中F(x)f(x)的任何一個不定積分。

在幾何和物理中有許多其他量本質上可以用相同的方法來處理,例如體積、弧長、表面積和一些基本物理量。每種情況的處理過程都是相同的:獨立變數的區間被劃分成小的子區間,求解量用某種對應的和來近似,這些和的極限用定積分的形式得到確切值,它可以用基本定理來評估。

在求解曲線下面積的過程中,我們已經知道了極限和的細節,這就是前面文章講到的。我們沒有必要對所有遇到的量都考慮這些細節。所需要的符號既複雜又重複,阻礙了我們對它的直觀理解。

本著這種精神,我們將其簡化為圖1的形式,並用簡單與直觀的方式來重建(1)中定積分的定義。我們認為曲線下的面積是由許多細長的垂直矩形組成的。在圖中,典型的就是高為y寬為dx的窄帶,因此面積為

dA=ydx=f(x)dx(2)

其中y=f(x)。這個面積叫做面積的微分單元,或者簡稱為面積的單元;它可以是區域的任何一個位置,只要確保xa,b 之間的值即可。現在我們將區域面積A看做這些面積單元dA的總和。這個加法用符號表示就是

A=dA(3)

因為面積單元穿過了ab的所有區域,我們可以將(3)表示成更準確的形式

A=dA=ydx=_abf(x)dx(4)

(4)中的最後一步我們得到了定積分,此時寫出積分變數和積分極限。用這種方式我們省掉了繁瑣的細節,直接得到面積的定積分,而且一點都不用考慮和的極限。

從這個角度來看,積分就是一個數值,我們可以將它分成很多個方便的小塊,然後再將他們全部加起來即可。這就是積分過程的直觀萊布尼茨方法,我們將在下篇文章中詳細說明和加強對它的理解。


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圖1