积分在不同的背景下有不同的意义:一方面,积分可以视作微分的逆运算,即给定函数的导函数,求原函数的过程;另一方面,积分可以视作自变量在一个范围内被分割为无穷多个小的“微元”后,函数值相加得到的极限。
积分公式一般指微积分中用于计算积分表达式的一系列公式。这包括了一元实函数的不定积分、一元实函数的定积分、多元实函数的定积分等。借由积分公式,人们可以将微积分应用于实际情形做具体的计算。
对积分的具体计算而言,一般只关注黎曼积分,故本词条所述积分均为在黎曼积分的意义下。
微积分简史
自古以来,数学家们在探索图形面积、曲线长度等问题的过程中,逐步孕育了微积分的思想萌芽。古希腊时期,阿基米德巧妙运用“穷竭法”,成功解决了抛物线、弓形等复杂曲边图形的面积计算难题。同时,欧几里得的《几何原本》与阿波罗尼奥斯的《圆锥曲线论》作为数学史上的经典之作,对后世产生了深远的影响2。
在中国古代,魏晋时期的数学家刘徽,在继承前人智慧的基础上,独创“割圆术”,通过计算正3072边形的面积来逼近圆面积,进而得出圆周率的近似值 。随后,南北朝时期的祖冲之将其精度提升至 ,领先当时世界一千多年水平1。
然而,这些研究大多聚焦于具体问题的解决,尚未形成系统化的微积分理论框架。直至17世纪,在以牛顿与莱布尼兹为代表的科学家的努力下,微积分正式脱离了单一的几何问题范畴,发展成一门独立的学科。他们不仅发现了微积分基本定理(亦称“牛顿-莱布尼兹公式”)这一重要的公式,还提出了链式法则、无穷级数等,为微积分广泛应用于计算奠定了坚实的基础。尽管这一时期微积分理论取得了巨大进展,但仍遗留下了关于“无穷小量是否存在”等悬而未决的问题。
随后的几个世纪里,数学家们不断努力,致力于将微积分构建为一个更加严谨、系统的学科体系。18世纪的欧拉与泰勒等人,将无穷级数应用于指数函数、三角函数中,还给出了著名的泰勒展开公式。19世纪,柯西、黎曼、魏尔斯特拉斯等数学家则对微积分中的基本概念给出了更为严谨、可靠的定义,如柯西将“无穷小量”定义为“以零为极限的变量”,从而解决了长期以来关于无穷小量存在性的争议。此外,这一时期还涌现出了如“狄利克雷函数”等关于函数连续性和可微性的反直觉反例,促进了数学家们对数学理论体系构建过程的反思。
进入20世纪,“勒贝格积分”的提出标志着实函数积分概念在近代的最后一次重大飞跃。这一理论在更弱的前提条件下推广了传统的积分概念。同时,鲁滨逊提出的“非标准分析”则为前期“无穷小量”概念的使用提供了坚实的逻辑基础。
不定积分常用公式
不定积分
不定积分是微分的逆运算。对于一元函数和
,如果满足:
那么有:
由于常数函数求导后为0,结合求导运算的线性性,一般地,可以写为:
常用公式
求不定积分常用的公式包括下面这些,应用这些公式有时可以将待积函数变换为更容易找出原函数的形式3:
第一类换元公式
如果待积函数中具有“整体”特点较强的部分,可以对该部分进行整体的代换。具体地,如果,那么有:
例如,令
,则有:
第二类换元公式
如果待积函数中具有形如等的部分,可以将函数自变量替换为更便于利用三角恒等式的形式。具体地,令
,那么如果下式右侧存在,则有:
例如,令
,则有:
最后利用
可得:
,
。从而可以将上式结果最终写为关于
的形式:
分部积分公式
利用函数乘积的求导公式,可以推出分部积分公式。设函数和
,则有:
例如,当
时,由上述公式有:
积分表
为了更方便地计算不定积分,大量已知的不定积分结果被汇总成积分表,以便使用者查阅。由于积分表包含的内容较多,此处将省略其具体内容。
应用中可以通过前述的公式,将原积分表达式变换为积分表中的形式,再直接套用积分表中的结果。
一元实函数定积分常用公式
定积分
考虑在实数区间上有定义的函数
,并在
上给出满足
的区间族
作为其剖分,称
为剖分的最大直径。
取,那么称函数
在区间
上的黎曼和为:
当极限
存在时,定积分有定义:
从几何角度,在函数性质足够好时,定积分描述了函数图像和直线
,
,
轴围成的曲边梯形的正向面积——即,在
轴上方部分的面积被记为正,在
轴下方部分的面积被记为负。利用定积分可以计算含曲边几何体的面积,变速运动的路程,变力做功等。
常用公式
求定积分常用的公式包括下面这些:
微积分基本定理(牛顿-莱布尼兹公式)
这是求定积分最常用的方法之一,也是分析学的一个基本公式4。只要能够计算出待积函数的一个原函数,就可以通过该公式计算出定积分。具体地,对于一元函数和
,如果满足:
那么有:
上式右侧有时也被记作
。即:
例如对于,在
上
满足
,那么可以得到:
这意味着函数图像 与直线
,
,
轴围成的曲边梯形的面积为
。
另外,如果待积区间涉及无穷,同时
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