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漫步微積分二十九——微積分基本定理

目前為止,我們通過逼近和的極限,得到了一個相當複雜的連續函式定積分的定義,

baf(x)dx=limmaxΔxkk=1nf(xk)Δxk(1)

之前我們已經用這個定義計算了一些簡單的積分,例如

b0xdx=b22,b0x2dx=b33,andb0x3dx=b44(2)

這些計算有兩個目的:通過提供一些逼近和的直觀經驗來強調積分的基本性質,並且這種方法得到的極限值可以作為計算其他積分的實用工具。那麼,我們可以利用極限和的方方求解下面更復雜的積分嗎?

10x47+x53dxand21(1+1x)4dxx2(3)

這顯然是不可能的,所以我們該何去何從呢?顯然我們需要的是一種更高效、更強大的計算積分方法,而這種方法就是牛頓和萊布尼茲的想法。

牛頓-萊布尼茲解決(1)那樣積分問題的計算方法乍一看似乎是自相矛盾的。為了解決這個問題,我們用更難的問題來替換它。我們不求解圖1左那樣固定的面積,而是圖1右邊變化的面積,影象右邊的邊界是可以移動的,這樣的話面積就是x 的函式。面積函式用A(x)表示,那麼顯然左邊圖中A(a)=0,A(b)表示固定的面積。我們的目標是找到一個A(x)的顯示公式,然後通過設定x=b來確定所需的面積。在這個過程中有幾個步驟,為了清楚起見,我們單獨考慮。


這裡寫圖片描述
圖1

步驟1:我們通過建立重要的事實

dAdx=f(x)(4)

開始。這是說面積A關於x的變化率等於區域右邊界的長度。為了證明這個命題,我們必須考慮導數的定義

dAdx=limΔx0A(x+Δx)A(x)Δx

現在A(x)是影象下邊a,x之間的面積,A(x+Δx)a,x+Δx之間的面積。因此,分子A(x+Δx)A(x)a,x+Δx之間的面積(看圖2中陰影部分的面積)。很容易看出面積等於有著相同底,高為f(x¯)的矩形面積,其中x¯x,x+Δx之間的某個點。由它我們繼續(4)的證明:

dAdx=limΔx0A(x+Δx)A(x)Δx=limΔx0f(x¯)ΔxΔx=limΔx0f(x¯)=

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