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下面我们对定积分的定义及其符号做些说明。
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从形式上看,f (x)dx是微分dx和f (x)dx的乘积,我们称之为函数的微元。微元的几何意义是函数f (x)dx在x处的一个微分矩形。和式取极限,不妨看作是微元f (x)dx作和。极限值用符号f (x)dx表示,其中是将符号Σ展开拉直的结果,上下端表示积分的区间。这一符号为莱布尼茨创立,沿用至今。用微元观点看定积分,虽然不大严格,但是形神兼备,其中既有被积函数f (x)dx,积分变元dx,还有上下积分限,要件都齐了,简易而清晰。
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3.定积分作为平均值:再次认识局部与整体的辩证关系
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局部与整体不可分割,互为依托。面对一个区间段[a,b]上的函数f (x)dx。我们既看到了一个个的局部:f (x)dx,更看到函数的整体变化量。对一昼夜的某地温度而言,它是一个连续变化着的函数H(t),t∈[0,24]。如果问:“这一昼夜”的平均温度是多少?显然,这是一个整体概念,涉及这24小时的每一时刻的温度,一刻也不能少。这就是说,整体依赖每一个局部。
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反之,局部概念又依赖于整体的思考。让我们回想瞬时速度的定义。它是一个局部的概念。然而,它又被定义为小区间段内平均速度的极限。如上所说,平均速度是一个整体的概念。再小的区间段,里面也有连续变化着的无数个时刻。是一个“小的整体”。
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▼ 图5.8.8 曲边梯形面积的正负
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这一段,我们考察定积分如何反映“平均值”这样的整体性质。
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我们习惯的平均数是有限个值的平均。有限个数a1,a2,…,an的平均值是指
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那么,连续函数表示的无限多个值的平均数怎样定义呢?例如,根据连续测温仪,测得某地时间间隔[a,b]中每一时刻t的温度为f(t)。那么,该地的平均温度应该是多少呢?
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首先想到,将一天分成n份,在分点处,即时刻(i=0,1,2,···,n)
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时,温度为h (t)。把平均值作为一天的平均温度,其中表示时刻ti的温度h(ti),保持了天。
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让我们看定积分。它是积分和的极限。如果将闭区间[0,1]作n等份,插入的分点是0=x0<x1<…<xn=1,那么xi-xi-1都h等(ti于)。这时和式
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就是n个函数值f (xi )(i=1,2,···,n)的平均值。现在令n→∞,就相当于f(x)在[0,1]上的平均值,而这正是积分。
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这样一来,定积分和平均温度就联系在一起了。
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一般地,考察f(x)在区间[a,b]上的平均值,它当然就可以定义为
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