定积分:设函数 $f(x)$ 在区间 $[a,b]$ 有定义,用分点 $a = x_0 < x_1 < \cdots < x_n = b$,分成 $n$ 个小区间。设 $\lambda = \max\limits_{1 \le i \le n} |\Delta x_i|$,任取 $\xi \in [x_{i-1},x_i]$,若

$$I = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i = \int_a^b f(x)\mathrm dx$$

存在,那么称 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 可积。并称 $I$ 为 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 的定积分

小部分名称

  • $a,b$:定积分的上限和下限
  • $[a,b]$:积分区间
  • $f(x)$:被积函数。

由定义可知,当 $\lambda$ 确定,由小区间的分法和 $\xi_i$ 的取法,和式的值(记为 $\sigma$)不是唯一决定的,因此该和式不是一个严格的函数,通常称其为 $f(x)$ 的黎曼和。

下面用 $\epsilon - \delta$ 给出更严格的定义:

定积分是黎曼和的极限:设函数 $f(x)$ 在区间 $[a,b]$ 有定义,$I$ 是常数,$\forall \epsilon > 0, \exists \delta > 0$,使得 $[a,b]$ 的任意分法和 $\xi \in [x_{i-1},x_i]$ 的任意取法,只要 $\max\limits_{1 \le i \le n} |\Delta x_i| < \delta$,均有

$$|\sigma - I| = \left|\sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i - I\right| < \epsilon$$

则称 $\sum\limits_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i$ 的极限为 $I$,因此 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 的定积分为 $I$

关于定积分的三点说明:

  • 定积分是对应函数曲边梯形的代数和:$x$ 轴以上的面积减去 $x$ 轴以下的面积。

  • 定积分是一个数,它的值和取决于被积函数和积分的上下限,与积分变量采用什么字母、小区间分法和 $\xi_i$ 的取法无关。

  • 若积分上下限有 $a>b$,那么分法为 $a = x_0 > x_1 > \cdots >x_n = b$,取法为 $\xi_i \in [x_{i}, x_{i-1}]$,但此时 $\Delta x_i < 0$,那么有

    $$\int_a^b f(x) \mathrm dx = - \int_b^a f(x) \mathrm dx$$

  • 当 $a=b$ 时,我们规定

    $$\int_a^b f(x) \mathrm dx = 0$$

如果我们已知函数在指定区间上可积,说明黎曼和的极限存在,那么我们直接找其中一种小区间的分法和 $\xi_i$ 的取法和计算极限即可。