數學分析第九章《定積分》備考指南

2020-12-20 大表哥考研數學

偉大的無產階級革命導師馬克思認為,理論研究是為了實踐需要。數學理論的提出和發展,總是有實際問題作為原始的推動力。比如,物理上,變力做功問題如何解決?幾何上,很多特殊的平面圖像的都有相應的面積公式,大家熟悉的矩形,平行四邊形,梯形等。如果現在把梯形的一條邊變成曲線,那如何求曲邊梯形的面積?

圍繞上述的幾何實際問題,整個第九章的理論就變得有血有肉,不再顯得空洞抽象。沒有公式,於是,立即創造曲邊梯形的面積公式!這也是數學強大生命力的具體表現。

同學們首先要明確問題本身的提法:設函數f在[a,b]上非負連續,計算由x=a,x=b,y=f(x)以及y=0(即x軸)所圍成的封閉圖形的面積!下面給出定積分的嚴格的分析定義。

對於注1中的極限式(4),同學們從以下四個角度深化理解:

1 很多高等數學的教材中簡化了定積分的定義,把(4)式中的‖T‖→0,而直接寫成n→∞去替代。公共數學的角度這樣是可以的,但作為數學專業,我們必須明確,這種替代是不嚴謹的,因為n→∞時不能保證‖T‖→0,而‖T‖→0時必定同時有n→∞。

2 極限(4)的存在,與分割T的形式無關,與點集{克森i}的選擇也無關。唯一重要的是分割的細度‖T‖,當‖T‖足夠小時,總能使積分和(也稱黎曼和)與某一確定的數J無限接近。反之,如果能構造出兩個不同方式的積分和,使它們的極限不相同,那麼就可斷言該函數在所論區間上是不可積的。例如狄利克雷函數D(x)分別取有理點和無理點,得到的黎曼和不同,所以D(x)在[0,1]上不可積。

3 如果已知函數f在[a,b]上可積,那麼對於每個特殊的分割T,以及點集{克森i}的每種特殊選擇,所得的那個積分和,當‖T‖→0時必以f(x)在[a,b]上的定積分值為極限.

4 定積分作為積分和的極限值,如果存在,則唯一。故它的值只與被積函數

f以及積分區間[a,b]本身有關,而與積分變量所用的文字無關,即

定積分的定義是分析中較複雜的一個定義,理解了它,就理解了幾乎整個積分家族(尤其是重積分,第一型線積分,第一型面積分)。而如果用定義去計算曲邊梯形的面積,顯然是不現實的,我們需要牛萊(Newton-Leibnitsz,簡記為NL)公式!

同學們對牛萊公式比較熟悉,而往往是我們熟悉的人或事,卻常常會忽略ta的美和特質!原本要解決的是,曲邊梯形的面積問題,即函數在整個閉區間[a,b]上的積分,而牛頓和萊布尼茨卻把這個問題歸結為閉區間的邊界,即兩個端點處的問題。NL公式是最人類偉大的公式,沒有之一(只是個人主觀評價哦)!而下冊的格林、高斯公式都是NL公式的高維形式(後面詳談)!

定理9.1的條件實際上是比較強的,教材也給出了詳細的削弱,大表哥列舉部分。

注2告訴我們,可將連續削弱為可積,那麼問題又自然而然地來了,函數f在什麼條件下是可積的?於是緊接著討論可積條件!

大表哥這裡順帶科普下數學的一個套路。數學上討論某對象存在的條件,即考慮它存在的充分條件,必要條件,充要條件!比如第二章討論數列極限存在的條件(充分條件:單調有界;必要條件:極限唯一;充要條件:柯西收斂準則),第三章討論函數極限存在的條件等等都是如此!

可積的必要條件有:

可積的一個必要條件和三大充分條件都是比較好操作的,因為函數的單調性、有界性、連續性都是容易驗證的。例如下面的分段函數是單調遞增的,從而在[0,1]上可積。

但理論上,數學家們更喜歡充要條件!

可積的充要條件:

這些充要條件的證明,技術難度較大,要藉助達布上和下和以及相應的性質才能完成!如果你的目標院校是985、及部分211(數學有博士點的),請同學們複習的時候認真琢磨充要條件的結論本身及證明過程!當然,還有必要條件、充分條件的結論本身及證明過程!這些理論都是典型的分析語言、分析模式、分析套路,是個人段位提升的最好訓練營地!

教材上再次涉及到了黎曼函數,請同學們務必給予黎曼函數高度重視!如下

黎曼函數在[0,1]上可積,然而並不能通過簡單地驗證單調性、有界性、連續性(可積的三大充分條件)加以證明,需要用可積準則證明。

例3的難度,達到了考研證明題20分的標準,請同學們仔細體會證明中如何找到分割T的細度‖T‖,尤其把握m小於等於2k這個細節!

黎曼函數在[0,1]上可積,並的例子在分析中有重要作用,說明可積函數也可以有無限多個不連續點。

如果我們的思維再研究生一點,把上述例子一般化,考慮這麼一個問題:一個有界函數在[a,b]上所具有的間斷點究竟多到何種程度時,會導致它的積分不存在!這也為後繼課程實變函數(實分析)中引入「勒貝格測度(Lebesgue Measure)」埋下了伏筆。大表哥嘗試用可積第三充要條件來解釋,

即如果f在[a,b]上的所有間斷點放在一起,其總長度小於任意小的開區間的長度,則f在[a,b]是不可積的。同學們可對比照狄利克雷函數與黎曼函數的可積性來加以體會。

大表哥囉嗦下,數學分析複習到第九章,你應該有點知覺了,盤點下重要的、大的結論:數列極限存在的單調有界原理、柯西收斂準則、函數極限的海涅歸結原理、柯西收斂準則、閉區間連續函數的五大性質、泰勒定理、實數的完備性定理,尤其第七章較晦澀,大表哥心疼你,說如果覺得太難,可以先緩緩。而第九章,可積性理論,大表哥不敢再心疼你了,如果遇到麻煩點的,我們跳過去,遇到棘手點的,我們緩緩,這樣的修行過程,註定了敗局。如果做一件事讓你很痛苦,恭喜你,這件事是有意義的!關於本章可積的條件,尤其教材打星號的第六小節《可積分性理論補敘》,請同學們系統的複習!

定積分的存在性徹底解決了,接下來自然而然要揭示定積分的性質!

由於定積分的本質仍屬於函數極限的範疇,所以性質中也保留了函數極限存在的性質,比如性質1,2,3,4可歸結為保持四則遠算法則,5,6屬於保不等式性質。這六個性質本身不難理解,但其證明同學們要認真體會,尤其性質3,性質4的證明,達到自己看過幾遍之後會證的程度!

三大中值定理,在處理抽象函數的定積分和估算不等式時,有著較廣泛的應用。積分第一中值定理的幾何意義明顯,即中小學「割補」的思想!而函數乘積形式的中值定理,是第一積分中值定理理論上的推廣,當g(x)=1時,即為積分第一中值定理。積分第二中值定理的證明,綜合難度較大,同學們可以嘗試著讀閱,不必深究,達到看懂的程度即可!

當函數的可積性問題完全搞定,定積分的性質也充分地揭示出來,意味著理論根基已經基本建立,剩下要解決的問題,即定積分的計算!毫無疑問,牛萊公式是計算定積分的首選神器。

而NL公式條件假設f在[a,b]上連續,且存在原函數F,那麼問題又來了?如何保證原函數的存在性?於是,嘻嘻

原函數存在定理溝建立了微分和積分之間的內在橋梁,溝通了兩個看似不相關的對象之間的深刻本質關聯。它告訴我們「連續函數必存在原函數」這一重要的基本事實,並以積分的形式給出了函數f的一個原函數。該定理也譽為「微積分學基本定理」。同學們回憶下我們學過的定理,定理前面一般有個人名,即版權所有者,而不管是誰發明的定理,哪個定理敢稱為「基本定理」??利用原函數存在定理,還可以大大地簡化牛萊公式的證明,如下:

保證原函數存在的時候,我們就可以當心大膽地把它找出來!那麼定積分的計算問題,其核心技術就相當於求原函數,即求不定積分!

同學們需要注意定積分的換元積分法,在形式上和不定積分的微妙區別。大表哥從以下兩個方面加以區別:

不定積分所求的是被積函數的原函數,因此由換元積分法求得新變量表示的原函數後,必須作變量還原。

上述兩種解法,不管是第一換元法還是第二換元法,最後都做了變量還原!

而定積分的計算結果是一個確定的數,如果等式

一邊的定積分被計算出,則另一邊的定積分亦是同樣的值。所以,定積分在使用牛萊公式時,可以直接在新的積分(即換元之後)區間上求差計算,而不必還原。

2 定積分的換元積分法依賴於積分區間,換元之後下限對應下限,上限對應上限。還要注意所採用的換元,在所求的積分區間上是否可行,更確切地說,要保證換元的函數是一個嚴格單調函數。而不定積分在求原函數時,並不深究換元所在的區間,至於結果是否正確,可通過求導來檢驗(定積分則失效)。再給個簡單的例子,同學們自行體會!

定積分的計算過程中,還會用到一些特殊的結論,比如函數的周期性、奇偶性、變量

替換等。

注 以上的例6 例7選自同濟大學數學系編寫的《高等數學》第七版。兩例的結論同學們可以選記(大表哥建議記住例7,例6不記)!

華東師大的教材《數學分析》上的例6--華萊氏公式(註:不是華萊士快餐那個),是同學們必須要掌握的!

利用華氏公式,可以推出沃利斯(Wallis)公式

沃利斯公式揭示了無理數派與整數極限之間的非常神奇的關係!

本章的內容較多,同學們可能要耗費較大的精力認真備考,文中大表哥非常明確地(具體到知識點)給出了複習所要達到的廣度、強度、深度!大表哥在寫這個指南的時候,也耗費了很多的精力,希望同學們認真閱讀本章的複習指南,我相信,對同學們一定有所幫助!如果你覺得好,並且方便,請擴散給你身邊的同學,咱們共同進步!你們的轉發、點讚和收藏,是大表哥更新的最大動力!

PS:定積分的「定」字包含兩層意思:1 區間有限;2 被積函數有界。

在國外的教材中,定積分=「Proper Integral」。如果否定「定」兩個條件(或其中之一),就變成了「Improper Integral」,按國外原汁原味的寫法,「Improper Integral」是不是應該翻譯成「不定積分」?這樣顯然與第八章不定積分的含義發生了衝突。從數學邏輯的角度,「定積分」應翻譯成「正常積分」,從而更好地與「反常(不正常)積分」相呼應!大表哥不想標新立異什麼,只是談一點點自己的感想!同時對清末狀元李善蘭(他翻譯的)先生致敬!

關注大表哥,數學不翻車。

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