漫步微积分7.1 - 定积分的直观含义

前面的文章中,我们完成了两个主要目的。首先,我们将面积近似为给定曲线下的面积,并利用他们和的极限求出确切的面积值。第二,通过使用更强大的方法微积分基本定理,我们学会了如何计算极限的数值解。几乎前几篇文章的整个内容可以被压缩成下面的命题:如果$f(x)$在$[a,b]$上是连续的,那么

其中$F(x)$是$f(x)$的任何一个不定积分。

在几何和物理中有许多其他量本质上可以用相同的方法来处理,例如体积、弧长、表面积和一些基本物理量。每种情况的处理过程都是相同的:独立变量的区间被划分成小的子区间,求解量用某种对应的和来近似,这些和的极限用定积分的形式得到确切值,它可以用基本定理来评估。

在求解曲线下面积的过程中,我们已经知道了极限和的细节,这就是前面文章讲到的。我们没有必要对所有遇到的量都考虑这些细节。所需要的符号既复杂又重复,阻碍了我们对它的直观理解。

本着这种精神,我们将其简化为图1的形式,并用简单与直观的方式来重建(1)中定积分的定义。我们认为曲线下的面积是由许多细长的垂直矩形组成的。在图中,典型的就是高为$y$宽为$dx$的窄带,因此面积为

其中$y=f(x)$。这个面积叫做面积的微分单元,或者简称为面积的单元;它可以是区域的任何一个位置,只要确保$x$是$a,b$ 之间的值即可。现在我们将区域面积$A$看做这些面积单元$dA$的总和。这个加法用符号表示就是

因为面积单元穿过了$a$到$b$的所有区域,我们可以将(3)表示成更准确的形式

(4)中的最后一步我们得到了定积分,此时写出积分变量和积分极限。用这种方式我们省掉了繁琐的细节,直接得到面积的定积分,而且一点都不用考虑和的极限。

从这个角度来看,积分就是一个数值,我们可以将它分成很多个方便的小块,然后再将他们全部加起来即可。这就是积分过程的直观莱布尼茨方法,我们将在下篇文章中详细说明和加强对它的理解。

这里写图片描述 图1

漫步微积分三十一——定积分的直观含义