高等数学 6.1 定积分的元素法

在定积分的应用中,经常采用所谓的元素法。为了说明这种方法,先回顾一下曲边梯形的面积问题。

\(f(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上连续且 \(f(x) \geqslant 0\) ,求以曲线 \(y = f(x)\) 为曲边、底为 \([a, b]\) 的曲边梯形的面积 \(A\) 。把这个面积 \(A\) 表示为定积分

\[A = \int_a^b f(x) \mathrm{d}x \]

的步骤是

(1)用任意一组分点吧区间 \([a, b]\) 分成长度为 \(\Delta x_i (i = 1, 2, \cdots, n)\)\(n\) 个小区间,相应地把曲边梯形分成 \(n\) 个窄曲边梯形,第 \(i\) 个窄曲边梯形的面积设为 \(\Delta A_i\) ,于是有

\[A = \sum_{i = 1}^n \Delta A_i \]

(2)计算 \(\Delta A_i\) 的近似值

\[\Delta A_i \approx f(\xi_i) \Delta x_i \quad (x_{i - 1} \leqslant \xi_i \leqslant x_i) \]

(3)求和,得 \(A\) 的近似值

\[A \approx \sum_{i = 1}^n f(\xi_i) \Delta x_i \]

(4)求极限,记 \(\lambda = \max{ \{\Delta x_1, \Delta x_2, \cdots, \Delta x_n \} }\) ,得

\[A = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i = 1}^n f(\xi_i) \Delta x_i = \int_a^b f(x) \mathrm{d}x \]

在上述问题中,所求量(即面积 \(A\))与区间 \([a, b]\) 有关。如果把区间 \([a, b]\) 分成许多部分区间,那么所求量相应地分成许多部分分量(即 \(\Delta A_i\)),而所求量等于所有部分量之和(即 \(\displaystyle A = \sum_{i = 1}^n \Delta A_i\)),这一性质称为所求量对于区间 \([a, b]\) 具有可加性。此外,以 \(f(\xi_i) \Delta x_i\) 近似代替部分量 \(\Delta A_i\) 时,要求它们只相差一个比 \(\Delta x_i\) 高阶的无穷小,以使和式 \(\displaystyle \sum_{i = 1}^n f(\xi_i) \Delta x_i\) 的极限是 \(A\) 的精确值,从而 \(A\) 可以表示成定积分

\[A = \int_a^b f(x) \mathrm{d}x \]

在引出 \(A\) 的积分表达式的四个步骤中,主要的是第二步,这一步是要确定 \(\Delta A_i\) 的近似值 \(f(\xi_i) \Delta x_i\) 使得

\[A = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i = 1}^n f(\xi_i) \Delta x_i = \int_a^b f(x) \mathrm{d}x \]

在实用上,为了简便起见,省略下标 \(i\) ,用 \(\Delta A\) 表示任一小区间 \([x, x + \Delta x]\) 上的窄曲边梯形的面积,这样,

\[A = \sum \Delta A \]

\([x, x + \Delta x]\) 的左端点 \(x\)\(\xi\) ,以点 \(x\) 处的函数值 \(f(x)\) 为高、\(\mathrm{d}x\) 为底的矩形的面积 \(f(x) \mathrm{d}x\)\(\Delta A\) 的近似值(途中阴影部分所示),即

\[\Delta A \approx f(x) \mathrm{d}x. \]

函数图像

上式右端 \(f(x) \mathrm{d}x\) 叫做面积元素,记为 \(\mathrm{d}A = f(x) \mathrm{d}x\).
于是

\[A \approx \sum f(x) \mathrm{d}x \]

因此

\[A = \lim \sum f(x) \mathrm{d}x = \int_a^b f(x) \mathrm{d}x \]

一般地,如果某一实际问题中的所求量 \(U\) 符合下列条件:

  1. \(U\) 是与一个变量 \(x\) 的变化区间 \([a, b]\) 有关的量;
  2. \(U\) 对于区间 \([a, b]\) 具有可加性,就是说,如果把区间 \([a, b]\) 分成许多部分区间,那么 \(U\) 相应地分成许多部分量,而 \(U\) 等于所有部分量之和;
  3. 部分量 \(U_i\) 的近似值可表示为 \(f(\xi_i) \Delta x\)
    那么就可以考虑用定积分来表达这个量 \(U\)

通常写出这个量 \(U\) 的积分表达式的步骤是

  1. 根据问题的具体情况,选取一个变量例如 \(x\) 为积分变量,并确定它的变化区间 \([a, b]\)
  2. 设想把区间 \([a, b]\) 分成 \(n\) 个小区间并记作 \([x, x +\mathrm{d}x]\),求出相应于这个小区间的部分量 \(\Delta U\) 的近似值。如果 \(\Delta U\) 能近似的表示为 \([a, b]\) 上的一个连续函数在 \(x\) 处的值 \(f(x)\)\(\mathrm{d}x\) 的乘积,就把 \(f(x) \mathrm{d}x\) 称为量 \(U\) 的元素且记作 \(\mathrm{d}U\) ,即

\[\mathrm{d}U = f(x) \mathrm{d}x ; \]

  1. 以所求量 \(U\) 的元素 \(f(x) \mathrm{d}x\) 为被积表达式,在区间 \([a, b]\) 上做定积分,得

\[U = \int_a^b f(x) \mathrm{d}x \]

这就是所求量 \(U\) 的积分表达式。

这个方法通常叫做元素法

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