数学分析华东师大定积分

第九章定积分§1 定积分概念一问题提出不定积分和定积分是积分学中的两大基本问题.求不定积分是求导数的逆运算, 定积分则是某种特殊和式的极限,它们之间既有区别又有联系.现在先从两个例子来看定积分概念是怎样提出来的.1 . 曲边梯形的面积设 f 为闭区间[a , b] 上的连续函数, 且 f ( x ) ≥0 . 由曲线y = f ( x ) , 直线x = a , x = b 以及x 轴所围成的平面图形( 图9 - 1) , 称为曲边梯形.下面讨论曲边梯形的面积( 这是求任何曲线边界图形面积的基础) .图9 - 1 图9 - 2在初等数学里,圆面积是用一系列边数无限增多的内接(或外切)正多边形面积的极限来定义的.现在我们仍用类似的办法来定义曲边梯形的面积.在区间[ a , b] 内任取n - 1 个分点, 它们依次为a = x0 < x1 < x2 < < x n - 1 < x n = b,这些点把[ a , b] 分割成n 个小区间[ x i - 1 , x i ] , i = 1 , 2 ,, n .再用直线x =x i , i = 1 , 2, , n - 1把曲边梯形分割成n 个小曲边梯形( 图9 - 2 ) .在每个小区间[x i - 1 , x i ]上任取一点ξi ,作以 f (ξi ) 为高, [x i - 1 , x i ]为底的小矩形.当分割[ a , b] 的分点较多, 又分割得较细密时, 由于 f 为连续函数, 它在每个小区间上的值变化不大, 从而可用这些小矩形的面积近似替代相应小曲边§1 定积分概念201梯形的面积.于是,这n 个小矩形面积之和就可作为该曲边梯形面积S 的近似值,即nf (ξi )Δx i (Δx i = x i - x i - 1 ) . ( 1)S ≈ ∑i = 1注意到(1 ) 式右边的和式既依赖于对区间[ a , b]的分割, 又与所有中间点ξi ( i = 1 , 2 , , n ) 的取法有关.可以想象, 当分点无限增多, 且对[ a , b] 无限细分时, 如果此和式与某一常数无限接近, 而且与分点x i 和中间点ξi 的选取无关, 则就把此常数定义作为曲边梯形的面积S .2 . 变力所作的功设质点受力F 的作用沿x 轴由点a 移动到点b, 并设 F 处处平行于x 轴( 图9 - 3 ) .如果F 为常力, 则它对质点所作的功为W = F( b - a) .现在的问题是, 图9 - 3F 为变力, 它连续依赖于质点所在位置的坐标x , 即F = F( x) , x ∈[ a , b] 为一连续函数, 此时 F 对质点所作的功W 又该如何计算?由假设F( x ) 为一连续函数, 故在很小的一段位移区间上F( x ) 可以近似地看作一常量.类似于求曲边梯形面积那样, 把[ a , b] 细分为n 个小区间[ x i - 1 , x i ] ,Δx i = x i - x i - 1 , i = 1 ,2 , , n ; 并在每个小区间上任取一点ξi , 就有F( x) ≈F(ξi ) , x ∈[ x i - 1 , x i ] , i = 1 ,2 ,, n .于是, 质点从x i - 1 位移到x i 时, 力 F 所作的功就近似等于F(ξi )Δx i , 从而nW ≈∑F(ξi )Δx i . ( 2)i = 1同样地, 对[ a , b] 作无限细分时, 若(2 ) 式右边的和式与某一常数无限接近, 则就把此常数定义作为变力所作的功W .上面两个例子,一个是计算曲边梯形面积的几何问题,另一个是求变力作功的力学问题,它们最终都归结为一个特定形式的和式逼近.在科学技术中还有许多同样类型的数学问题, 解决这类问题的思想方法概括说来就是“分割,近似求和, 取极限”.这就是产生定积分概念的背景.二定积分的定义定义1 设闭区间[ a, b] 内有n - 1 个点, 依次为a = x0 < x1 < x2 < < x n - 1 < x n = b,它们把[ a , b] 分成n 个小区间Δi = [ x i - 1 , x i ] , i = 1 , 2 ,, n .这些分点或这些闭子区间构成对[ a ,b] 的一个分割, 记为T = { x0 , x1 , , x n } 或{Δ1 ,Δ2 , ,Δn } .小区间Δi 的长度为Δx i = x i - x i - 1 , 并记∫∫202 第九章 定 积 分称为分割 T 的模 . ‖ T ‖ = max {Δ x i } ,1 ≤ i ≤ n注 由于 Δ x i ≤‖ T ‖ , i = 1 , 2 , , n , 因此 ‖ T ‖可 用来 反映 [ a , b] 被 分 割的细密程度 .另外 , 分割 T 一旦给出 , ‖ T ‖就随之而确定 ; 但是 , 具有同 一细 度‖ T ‖的分割 T 却有无限多个 .定义 2 设 f 是定义在 [ a , b] 上的 一个 函数 .对于 [ a , b] 的一 个 分割 T = {Δ1 , Δ2 ,,Δn } , 任取点 ξi ∈Δi ,i = 1 , 2 , , n , 并作和式n∑ i = 1f (ξi )Δ x i .称此和式为函数 f 在 [ a , b] 上的一个积分和 , 也称黎曼和 .显然 , 积分和既与分割 T 有关 , 又与所选取的点集 {ξi }有关 . 定义 3 设 f 是定义在 [ a , b] 上的 一个 函数 , J 是一 个确 定的实 数 .若对 任 给的正数 ε, 总存在某一正数 δ, 使得对 [ a , b] 的任何分割 T , 以及在其上任意选 取的点集 {ξi}, 只要‖ T ‖ < δ, 就有n∑i = 1f (ξi )Δx i - J< ε,则称函数 f 在区间 [ a , b] 上可积 或黎 曼可 积 ; 数 J 称为 f 在 [ a , b] 上 的 定积 分或黎曼积分 , 记作bJ =f ( x) d x . ( 3)a其中 , f 称为被积函数 , x 称为积分变量 , [ a , b] 称为积分 区间 , a 、b 分别 称为 这 个定积分的下限和上限 .以上定义 1 至定义 3 是定积分抽象 概念 的完 整叙述 .下 面是 与定积 分概 念 有关的几点补充注释 .注 1 把定积分定 义的 ε- δ说法和 函数极限 的ε- δ说法相 对照 , 便会 发 现两者有相似的陈述方式 , 因此我们也常用极限符号来表达定积分 , 即把它写作J =lim‖ T ‖ → 0n∑i = 1bf (ξi )Δx i =f ( x )d x . ( 4)a然而 , 积 分 和 的 极 限 与 函 数 的 极 限 之 间 其 实 有 着 很 大 的 区 别 : 在 函 数 极 限lim x → af ( x) 中, 对每一个极限变量 x 来说 , f ( x ) 的值是唯 一确定 的 ; 而 对于积分 和的极限而言 , 每一个‖ T ‖并不唯一对应积分和的一个值 .这使得积 分和的极 限 要比通常的函数极限复杂得多 .注 2 可积性是函数的又一分析性质 .稍后 ( 定理 9 .3) 就会知道连续函数是 可积的 , 于是本节开头两个实例都可用定积分记号来表示 :1) 连 续 曲 线 y = f ( x) ≥ 0 在 [ a , b] 上 形 成 的 曲 边 梯 形 面 积 为∫∫∫i i §1 定积分概念203bS =f ( x ) d x ; a2) 在 连 续 变 力 F ( x ) 作 用 下 , 质 点 从 a 位 移 到 b 所 作 的 功 为 W = bF( x )d x . a 注 3 ( 定积 分的几 何意 义 ) 由 上 述 1) 看到 , 对 于 [ a , b] 上 的 连 续 函 数 f , 当 f ( x) ≥0 , x ∈ [ a , b] 时 , 定积 分 (3 ) 的几 何 意义就是该曲边梯形的面积 ; 当 f ( x ) ≤0 , bx ∈ [ a , b] 时 , 这 时 J = -[ - f ( x) ] d xa 是位 于 x 轴 下 方 的 曲 边 梯形面积的 相 反图 9 - 4数 , 不妨称之为“ 负面积”; 对于一般非定号的 f ( x ) 而 言 ( 图 9 - 4 ) , 定积 分 J 的值则是曲线 y = f ( x ) 在 x 轴 上方 部分所 有曲 边梯 形的 正面 积与 下 方部 分所 有 曲边梯形的负面积的代数和 .注 4 定积分作为积分和的极限 , 它的值只与被积函数 f 和积分区间 [ a, b]有关 , 而与积分变量所用的符号无关 , 即b b b∫f ( x ) d x =∫f ( t ) d t =∫f (θ) d θ =.aaa 例 1 求 在 区 间 [ 0 , 1 ] 上 , 以抛 物 线 y = x 2为 曲 边 的 曲 边 三 角 形 的 面 积 ( 图 9 - 5) .解 由注 3 , 因 y = x 2在 [ 0 , 1] 上连 续 , 故所 求面积为1 S =∫x 2d x =limn∑ξ2Δx .0‖ T ‖ → 0 i = 1为求得此极限 , 在定 积 分 存 在的 前 提 下 , 允 许 选 择某种特殊的分割 T 和特殊的点集 {ξi } .在此只 需取等分分割 :T = { 0 , 1 , 2 , , n - 1 , 1} , ‖ T ‖ = 1;n i - 1 n n i - 1 in 图 9 - 5并取 ξi =n ∈ n , n , i = 1 , 2 , , n .则有nS = lim ∑ i - 1 ·1 = lim 1n ( i - 1) 2n → ∞i = 1n n n → ∞ 3 ∑ i = 1= limn → ∞( n - 1) n (2 n - 1 )1 6 n3= 3 .2n∫∫∫204 第九章定积分习题1 . 按定积分定义证明∫: b k d x = k( b - a) .a2 . 通过对积分区间作等分分割, 并取适当的点集{ξi } , 把定积分看作是对应的积分和的极限, 来计算下列定积分:( 1∫)nx3 d x; 提示: ∑i3 = 1 n2 ( n + 1 )20 i= 1 41 b( 2∫)e x d x; (3 ) 0be x d x; a( 4∫) d x (0 < a < b) .(提示: 取ξ= x x )a x2 i i - 1 i§2 牛顿—莱布尼茨公式从上节例题和习题看到,通过求积分和的极限来计算定积分一般是很困难的.下面要介绍的牛顿—莱布尼茨公式不仅为定积分计算提供了一个有效的方法,而且在理论上把定积分与不定积分联系了起来.定理9 .1若函数 f 在[ a , b]上连续, 且存在原函数 F , 即F′( x ) = f ( x ) , x ∈[ a , b] , 则 f 在[ a , b] 上可积, 且bf ( x ) d x = F( b) - F( a) . ( 1)a这称为牛顿—莱布尼茨公式,它也常写成b bf ( x ) d x = F( x) .a a证由定积分定义, 任给ε> 0 , 要证存在δ> 0 , 当‖T‖< δ时, 有n∑i = 1f (ξi )Δx i - [ F( b) - F( a) ]< ε.下面证明满足如此要求的δ确实是存在的.事实上, 对于[ a , b] 的任一分割T = { a = x0 , x1 , , x n = b} , 在每个小区间[ x i - 1 , x i ]上对F( x) 使用拉格朗日中值定理, 则分别存在ηi ∈( x i - 1 , x i ) , i = 1 , 2 , , n , 使得nF( b) - F( a) = ∑[ F( x i ) - F( x i - 1 ) ]i = 1n= ∑i = 1nF′(ηi )Δx i = ∑i = 1f (ηi )Δx i . ( 2)因为 f 在[ a , b]上连续, 从而一致连续, 所以对上述ε> 0 , 存在δ> 0 , 当x′、1∫x∫ ∫ §2 牛顿—莱布尼茨公式205x ″∈ [ a , b ] 且 | x ′- x ″| < δ时 , 有f ( x ′) - f ( x ″) <ε.b - a 于是 , 当 Δx i ≤‖ T ‖ < δ时 , 任取 ξi ∈ [ x i - 1 , x i ] , 便有 |ξi - ηi | < δ, 这就证得n∑i = 1f (ξi )Δx i - [ F ( b) - F ( a) ]n=∑[ f (ξi) - f (ηi ) ]Δx ii = 1n≤ ∑ i = 1f (ξi ) - f (ηi ) Δx i<εn Δx = ε .·∑ i i = 1所以 f 在 [ a , b] 上可积 , 且有公式 (1 ) 成立 . 注 1 在应用牛顿—莱布尼茨公式时 , F( x ) 可由积分法求得 . 注2 定理条件尚可适当减弱 , 例如 : 1) 对 F 的要 求可 减 弱为 : 在 [ a , b] 上连 续 , 在 ( a , b) 内 可导 , 且 F ′( x ) = f ( x) , x ∈ ( a , b) .这不影响定理的证明 .2) 对 f 的要 求可 减 弱为 : 在 [ a, b] 上可 积 ( 不 一定 连 续 ) .这 时 ( 2 ) 式 仍 成 b立 , 且由 f 在 [ a , b] 上可积 , (2 ) 式右 边当 ‖ T ‖→ 0 时的 极限 就是f ( x ) d x , a而左边恒为一常数 .( 更一般的情形参见本节习题第 3 题 .)注 3 至§5 证得连续函数 必有 原函 数之 后 , 本 定理 的条 件中 对 F 的假 设 便是多余的了 .例 1 利用牛顿—莱布尼茨公式计算下列定积分 :b1∫)2∫) x n d x( n 为正整数 ) ;ae x d x; 3 ) a πd x(0 < a < b) ;a x224∫) sin x d x;5 ) 0x 4 - x 2d x . 0解 其中 1 ) — 3) 即为 §1 中 的例题和 习题 , 现在 用牛顿—莱布 尼茨公式 来 计算就十分方便 :1∫) b n + 1x n d x = a n + 1bb= 1 ( b n + 1 - a n + 1 ) .an + 12∫) e x d x = exa b= e b- e a.ab3∫)d x1 ax2= -x11a=a-b.b b - bb2∫1 22∫206 第九章 定 积 分4∫)π sin x d x = - cos xπ = 2 .( 这是图 9 - 6 所 示 正 弦 曲 线一 拱 下 的 面 积 , 其余各题也可作此联想 .)5 ) 先 用 不 定 积 分 法 求 出 f ( x ) = x 4 - x 2 的任一原函 数 , 然 后完 成定 积分 计算 :图 9 - 6∫x4 - x 2d x = - 12 4 - x 2 d (4 - x 2) = - 132 (4 - x 2 ) 3+ C,∫x 4 - x 2d x = - 1(4 - x 2 )3= 8 .33 例 2 利用定积分求极限 :lim n → ∞1n + 1 +1n + 2 ++ 1 2 n= J . 解 把此极限式化为某个积分和的极限式 , 并转化为计算定积分 .为此作如 下变形 :nJ = lim ∑1 · 1 .n → ∞ i = 11 + in n 不难看出 , 其中的和式是函数 f ( x ) = 1在区间 [ 0 , 1 ] 上 的一 个积分 和 ( 这 里 1 + x所取的是等分分割 ,Δx i =1 , ξi = i ∈ i - 1 , i, i = 1 , 2 , , n ) .所以 n n n n J =∫d x 0 1 + x= ln ( 1 + x ) = ln 2 .当然 , 也可把 J 看作 f ( x) = 1在 [1 , 2 ] 上的定积分 , 同样有x3 J =∫ d x d x 1 x =∫2 x - 1= = ln 2 .习 题1 . 计算下列定积分 :112( 1∫) ( 2 x + 3) d x; ( 2) 01 - x d x ;0 1 + x2e 21x- x( 3∫) d x ; ( 4) ex ln xπ e - e d x;0 29( 5∫)3tan x d x; ( 6)4x +1 xd x;1π ∫ xe§3 可 积 条 件207( 7∫)4d xe1 2; ( 8)( ln x) d x .01 + x12 . 利用定积分求极限 :( 1) lim 1 (1 + 23 + + n 3) ;n → ∞ n 4( 2) limn 1 + 1 + + 1;n → ∞ ( n + 1) 2 ( n + 2) 2 ( n + n )2( 3) lim n 1 + 1 + + 1 ;n → ∞ n + 1 n + 2 2 n2( 4) lim 1 sin π + sin 2π+ + sin n - 1.n → ∞ n n n n3 . 证明 : 若 f 在 [ a , b ] 上可积 , F 在 [ a , b ] 上连续 , 且除有限个 点外有 F ′( x ) = f ( x ) , 则 有bf ( x )d x = F( b) - F( a) .a§3 可 积 条 件从定理 9 .1 及其后 注 中看 到 , 要 判 别一 个 函数 是 否 可积 , 必须 研 究可 积 条件 .一 可积的必要条件定理 9 .2 若函数 f 在 [ a , b] 上可积 , 则 f 在 [ a , b] 上必定有界 . 证 用反证法 .若 f 在 [ a , b] 上 无界 , 则对 于 [ a , b] 的 任一 分割 T , 必存 在 属于 T 的某个小区间Δk , f 在 Δk 上无界 .在 i ≠ k 的各个小区间 Δi 上任意取定 ξi , 并记G =∑f (ξi)Δx i.i ≠ k现对任意大的正数 M , 由于 f 在 Δk 上无界 , 故存在 ξk ∈Δk , 使得于是有f (ξk ) > M + G Δx kn∑ i = 1f (ξi)Δ xi≥ f (ξk )Δx k - ∑f (ξi)Δ x ii ≠ k> M + G ·Δ x k -G = M .Δx k由此可见 , 对于无论多小的‖ T ‖ , 按上 述 方法 选取 点集 {ξi } 时 , 总 能使 积分 和 的绝对值大于任何预先给出的正数 , 这与 f 在 [ a, b] 上可积相矛盾 ..208 第九章 定 积 分这个定理指出 , 任何可积函数一 定是 有界的 ; 但要注 意 , 有界 函数却 不一 定 可积 .例 1 证明狄利克雷函数在 [0 , 1 ] 上有界但不可积 .D( x) =1 , x 为有理数 , 0 , x 为无理数证 显然 | D( x ) | ≤1 , x ∈ [0 , 1 ] . 对于 [0 , 1 ] 的任一分割 T , 由有理数和无 理数在 实数中的 稠密性 , 在属 于 Tnn的任一小区间 Δi 上 , 当取 ξi 全为有理数时 , ∑ D(ξi )Δx i = ∑Δ x i = 1 ; 当 取i = 1ni = 1ξi 全为无理数时 , ∑ D(ξi )Δ x i = 0 .所以不论 ‖ T ‖ 多 么小 , 只要点集 {ξi } 取i = 1法不同 ( 全取有理数或全取无理数 ) , 积分和有不同 极限 , 即 D( x) 在 [ 0 , 1] 上 不 可积 .由此例可见 , 有界是可积的必要 条件 .所 以在 以后讨 论函 数的可 积性 时 , 总 是首先假设函数是有界的 , 今后不再一一申明 .二 可积的充要条件要判断一个函数是否可积 , 固然可以根据定义 , 直接考察积分和是否能无限 接近某一常数 , 但由于积分和的复杂性和那个常数不易预知 , 因此这是极其困难 的 .下面即将给出的可积准则只与被积函数本身有关 , 而不涉及定积分的值 .设 T = {Δi | i = 1 , 2 , , n} 为对 [ a , b] 的任一分割 .由 f 在 [ a , b] 上有界 , 它 在每个 Δi 上存在上、下确界 :M i = sup f ( x) , m i =inf f ( x ) , i = 1 , 2 ,, n .x ∈ Δi作和x ∈ΔinS( T ) = ∑ i = 1nM i Δ x i , s( T) = ∑ i = 1m i Δx i ,分别称为 f 关于 分 割 T 的 上 和 与 下 和 ( 或 称 达 布 上 和 与 达 布 下 和 , 统 称 达 布和 ) .任给 ξi ∈Δi , i = 1 , 2 , , n , 显然有ns( T ) ≤ ∑i = 1f (ξi )Δ x i ≤ S ( T ) . ( 1)与积分和相比较 , 达布和只与分割 T 有关 , 而与点 集 {ξi } 无关 .由不等 式 ( 1 ) , 就 能通过讨论上和与下和当‖ T ‖→0 时的极限来揭示 f 在 [ a , b] 上是否可积 .所 以 , 可积性理论总是从讨论上和与下和的性质入手的 .定理 9 .3 ( 可积准则 ) 函数 f 在 [ a , b] 上可积的充要条件是 : 任给 ε> 0 ,i i i ii §3 可 积 条 件209总存在相应的一个分割 T , 使得S( T ) - s( T) < ε .( 2)本定理的证明依赖对上和与下和性质的详尽讨论 , 这里从略 ( 完整证明补述 于§6) .设 ω = M - m , 称为 f 在 Δ 上的振幅 , 有必要时也记为 ωf.由于 nS( T ) - s( T ) = ∑ωi Δx i ( 或记为∑ωi Δx i ) ,因此可积准则又可改述如下 :i = 1T定理 9 .3′ 函数 f 在 [ a , b] 上 可 积的 充要 条件 是 : 任 给 ε> 0 , 总存 在相 应的某一分割 T , 使得∑ωiΔx i< ε . ( 2′)T不等式 (2 ) 或 ( 2′) 的几 何意 义 是 : 若 f 在[ a , b] 上 可 积 , 则 图 9 - 7 中 包 围 曲 线 y = f ( x) 的一系列小矩形面积之和可以达到 任意 小 , 只要分割充分地细 ; 反之亦然 .三可积函数类根据可 积 的 充 要 条 件 , 我 们 证 明 下 面 一 些类 型 的 函 数 是 可 积 的 ( 即 可 积 的 充 分 条 件 ) .图 9 - 7定理 9 .4 若 f 为 [ a , b] 上的连续函数 , 则 f 在 [ a , b] 上可积 .证 由于 f 在闭区间 [ a , b] 上 连续 , 因 此在 [ a , b] 上 一致 连续 .这就 是说 , 任给 ε> 0 , 存在 δ> 0 , 对 [ a, b ] 中任意两点 x ′、x ″, 只要 | x ′- x ″| < δ, 便有f ( x ′) - f ( x ″) < ε.b - a 所以只要对 [ a , b] 所 作 的分 割 T 满足 ‖ T ‖ < δ, 在 T 所 属 的任 一 小区 间 Δi 上 , 就能使 f 的振幅满足从而导致ωi = M i - m i =sup x ′, x ″∈ Δi| f ( x ′) - f ( x ″) | ①εεb - a,∑ωiΔxi≤ b - a ∑Δ x i = ε . T T由定理 9 .2′证得 f 在 [ a , b ] 上可积 .①此 等式成 立的 证明留 作本节 习题 ( 第 5 题 ) .≤2210 第九章 定 积 分读者应该注意到 , 一致连续性在本定理证明中所起的重要作用 .定理 9 .5 若 f 是区间 [ a, b]上只有有限个间断点的有界函数 , 则 f 在 [ a, b]上可积 .证 不失一般性 , 这里只证明 f 在 [ a , b] 上仅有一个间断点的情形 , 并假 设 该间断点即为端点 b .任给 ε> 0 , 取 δ′满足 0 < δ′<ε2 ( M - m) < b - a , 其中 M 与 m 分别为 f 在[ a , b] 上的上确界与下确界 ( 设 m < M , 否则 f 为常量函数 , 显然 可积 ) .记 f 在 小区间 Δ′= [ b - δ′, b ] 上的振幅为 ω′, 则ω′δ′< ( M - m) · ε 2 ( M - m) = ε.2因为 f 在 [ a , b - δ′] 上连续 , 由 定理 9 .3 知 f 在 [ a , b - δ′] 上 可积 .再 由定 理 9 .2′( 必要性 ) , 存在对 [ a , b - δ′] 的某个分割 T ′= {Δ1 ,Δ2 ,,Δn - 1 } , 使得 ε∑ωiΔx i<.T ′令Δn =Δ′, 则 T = {Δ1 ,Δ2 ,, Δn - 1 ,Δn } 是对 [ a , b ] 的一个分割 , 对于 T , 有∑ωi Δx i = ∑ωi Δ x i + ω′δ′< ε ε2 + 2 = ε .T T ′根据定理 9 .2′( 充分性 ) , 证得 f 在 [ a , b ] 上可积 .定理 9 .6 若 f 是 [ a , b] 上的单调函数 , 则 f 在 [ a , b] 上可积 . 证 设 f 为增函数 , 且 f ( a ) < f ( b) ( 若 f ( a ) = f ( b) , 则 f 为常量 函数 , 显 然可积 ) .对 [ a , b] 的任一分割 T , 由 f 的增 性 , f 在 T 所属的 每个 小区 间 Δi 上 的振幅为ωi = f ( x i ) - f ( x i - 1 ) ,于是有n∑ωiΔx i≤ ∑[ f ( x i) - f ( x i - 1 ) ] ‖ T ‖Ti = 1= [ f ( b) -f ( a) ] ‖ T ‖ .由此可见 , 任给 ε> 0 , 只要‖ T ‖ <ε, 这时就有f ( b) - f ( a ) ∑ωiΔx i< ε,T所以 f 在 [ a , b] 上可积 .注意 , 单调函数即使有无限多个间断点 , 仍不失其可积性 .例 2 试用两种方法证明函数0 ,x = 0 ,f ( x) =1 n, 1n + 1 < x ≤ 1n, n = 1 , 2 ,∫ε2§3 可 积 条 件211在区间 [0 , 1 ] 上可积 .证 [ 证法一 ] 由 于 f 是 一增函数 ( 图 9 - 8) ,虽然它在 [0 , 1 ] 上有无限多个间断点 x n = 1, n = 2 ,n3 , , 但由定理 9 .5 , 仍保证它在 [0 , 1] 上可积 .[ 证法二 ] ( 仅利用定理 9 .2′和定理 9 .4 ) 任给ε> 0 , 由于 lim 1= 0 , 因此当 n 充分大时 1 < ε, 这n → ∞nn 2说明 f 在ε, 1 上 只 有 有 限 个 间 断 点 .利 用 定 理 29 .4 和定理 9 .2′推知 f 在ε, 1 上可 积 , 且存 在对2图 9 - 8ε2, 1 的某一分割 T ′, 使得∑ωi Δx i < . T ′再把小区间 0 , ε2与 T ′合并 , 成为对 [ 0 , 1 ] 的一 个分 割 T .由于 f 在 0 ,ε上2的振幅 ω0 < 1 , 因此得到εεε∑ωiΔx i= ω0 · 2 + ∑ωi Δx i < 2 + 2= ε .TT ′所以 f 在 [0 , 1 ] 上可积 .事实上 , 例 2 的第二种证法并不限于该例中的具体函数 , 更一般的命题见本 节习题第 4 题 .下面例 3 的证明思想与它可谓异曲同工 .例 3 证明黎曼函数f ( x ) = 1 q ,x = pq, p 、q 互素 , q > p ,在区间 [0 , 1 ] 上可积 , 且0 ,x = 0 , 1 以及 (0 , 1 ) 内的无理数1f ( x) d x = 0 . 0 分析 已 知 黎曼 函 数 在 x = 0 , 1 以 及一切无理 点处 连续 , 而 在 ( 0 , 1 ) 内 的 一 切有理点处 间断 .证 明它 在 [ 0 , 1 ] 上 可 积 的直观构思如下 : 如图 9-9所示,在黎曼函数的图象中画一条水平直线 y = ε.在2图 9 - 9此直线上方只有函数图象中有限个点 , 这些点所对应的自变量可被含于属于分割 T 的有限 个小区间 中 , 当‖ T ‖足够 小T于ε 1ε2212 第九章 定 积 分时 , 这有限个小区间的总长 可为任 意小 ; 而 T 中 其余 小区间 上函 数 的振 幅不 大2 , 把这两部分相合 , 便可证得 ∑ωi Δx i < ε .下面写出这个证明 . 证 任给 ε> 0 , 在 [0 , 1 ] 内 使得 1 > ε的有 理 点 p只 有有 限个 , 设它 们 为q2qεr 1 , , r k .现对 [ 0 , 1] 作分割 T = {Δ1 ,Δ2 , ,Δn } , 使‖ T ‖ < 2 k, 并把 T 中所有小区间分为 {Δ′i | i = 1 , 2 , , m } 和 {Δ″i | i = 1 , 2 , , n - m } 两 类 .其中 {Δ′i } 为 含有 { r i | i = 1 , 2 , , k} 中点的 所有小区 间 , 这类小 区间的个 数 m ≤ 2 k( 当所 有 r i 恰好都是 T 的分割点时才有 m = 2 k ) ; 而 {Δ″i } 为 T 中所有其余不 含 { r i } 中 点的小区间 .由于 f 在 Δ′i 上的振幅 ω′i ≤ 12 , 于是m∑ω′i Δ x ′i ≤ 1 m Δ x ′i ≤ 1 ·2 k ‖ T ‖ < ;i = 1∑i = 1ε而 f 在 Δ″i 上的振幅 ω″i ≤ 2 , 于是n - mn - mε ε∑ω″iΔ x ″i≤ i = 1把这两部分合起来 , 便证得∑Δ x ″i< .i = 1nmn - m∑ωiΔxi= ∑ω′i Δx ′i + ∑ω″i Δx ″i <ε,i = 1即 f 在 [0 , 1 ] 上可积 .i = 1i = 1因为已经证得 f 在 [0 , 1 ] 上可积 , 所 以当取 ξi 全为无 理点时 , 使 f (ξi ) = 0, 从而n∫f ( x ) d x = lim ∑ f (ξi )Δx i = 0 . 0‖ T ‖ → 0 i = 1习 题1 . 证明: 若 T ′是 T 增加若干个分点后所得的分割 , 则 ∑ω′i Δx ′i ≤ ∑ωi Δx i . T ′T2 . 证明: 若 f 在 [ a , b]上可积 , [α,β] ì [ a , b] , 则 f 在[α,β]上也可积 .3 . 设 f 、g 均为定义在[ a, b]上的有界函数 .证明:若仅在[ a, b]中有限个点处 f ( x)≠ g( x) , b b则当 f 在[ a , b ] 上可积时 , g 在[ a , b ] 上也可积 , 且∫f ( x ) d x =∫g( x )d x .aa4 . 设 f 在[ a , b] 上有界 , { a n } ì [ a , b] , lim a n = c .证明 :若 f 在 [ a , b] 上只有 a n ( n = 1 , n → ∞2 ,) 为其间断点 , 则 f 在 [ a , b] 上可积 . 5 . 证明: 若 f 在区间 Δ上有界 , 则sup x ∈Δf ( x ) - inf x ∈Δf ( x ) =sup x ′, x ″∈Δ| f ( x ′) - f ( x ″) | .2 222∫∫∫aa∫§4 定积分的性质213§4 定积分的性质一定积分的基本性质性质1 若 f 在[ a , b] 上可积, k 为常数, 则k f 在[ a , b] 上也可积, 且bk f (x ) d x = ka证当k = 0 时结论显然成立.当k≠0 时, 由于n bf ( x) d x . ( 1) an∑k f (ξi )Δx i - kJ = | k |·∑f (ξi )Δx i - J ,i = 1bi = 1其中J = f (x ) d x , 因此当 f 在[ a ,b] 上可积时, 由定义, 任给ε>0 ,存在δ> a0 , 当‖T‖< δ时,n∑i = 1 从而f (ξi )Δx i - J <ε| k |,即k f 在[ a , b] 上可积, 且bn∑i = 1kf (ξi )Δx i - kJ < ε.b∫k f ( x ) d x = kJ = ∫k f ( x) d x .a性质2 若 f 、g都在[ a , b] 上可积, 则 f ±g 在[ a , b] 上也可积, 且b b b∫[f ( x ) ±g( x ) ]d x =∫f ( x) d x ±∫g( x ) d x . ( 2)a a a证明与性质1类同,留给读者.性质1与性质2是定积分的线性性质,合起来即为b∫[αf ( x ) + βg ( x ) ]d x = ∫α其中α、β为常数. bf ( x) d x + βabg( x )d x ,a性质3 若 f 、g都在[ a , b] 上可积, 则f·g 在[ a, b] 上也可积. 证由f 、g都在[ a , b] 上可积, 从而都有界, 设A = supx ∈ [ a , b] f ( x ) , B = supx ∈ [ a , b]g( x) ,且 A > 0 , B > 0 ( 否则 f 、g中至少有一个恒为零值函数, 于是f·g 亦为零值函数, 结论显然成立) .任给ε> 0 ,由 f 、g 可积, 必分别存在分割T′、T″, 使得i ii i 2 ∑ ∑ 214第九章 定 积 分∑ωfε εi Δ x i <T ′ , ωgΔx i 2 B T ″< 2 A .令 T = T ′+ T ″( 表示把 T ′、T ″的所有分割点合并而成的一个新的分割 T ) .对于[ a , b] 上 T 所属的每一个 Δi , 有ωf · g i = sup x ′, x ″∈Δi≤supx ′, x ″∈Δ if ( x ′) g( x ′) - f ( x ″) g( x ″)[ g( x ′) · f ( x ′) - f ( x ″) +f ( x ″) · g( x ′) - g( x ″) ]≤ B ωf+ A ωg.利用§3 习题第 1 题 , 可知∑ωf ·g fgiΔx i ≤ B ∑ωi Δ x i + A ∑ωi Δx iTTT∑ωgΔx T ′T ″< B · ε 2 B + A · ε2 A= ε,这就证得 f ·g 在 [ a , b] 上可积 .b b b注意 , 在一般情形下∫f ( x ) g( x ) d x ≠∫f ( x ) d x ·∫g( x ) d x .aaa性质 4 f 在 [ a , b] 上可 积 的充 要 条件 是 : 任给 c ∈ ( a , b ) , f 在 [ a , c] 与 [ c, b] 上都可积 .此时又有等式bcb∫ f ( x ) d x =∫f ( x ) d x +∫f ( x ) d x . ( 3)aac证 [ 充分性 ] 由于 f 在 [ a , c] 与 [ c, b] 上都可积 , 故任 给 ε> 0 , 分别存 在 对 [ a , c ] 与 [ c, b ] 的分割 T ′与 T ″, 使得∑ω′i Δx ′i < T ′ ε ε , ω″i Δx ″i < . T ″2现令 T = T ′+ T ″, 它是对 [ a , b ] 的一个分割 , 且有∑ωiΔx i= ∑ω′i Δ x ′i + ∑ω″i Δx ″i <ε . TT ′T ″由此证得 f 在 [ a , b] 上可积 .[ 必要性 ] 已知 f 在 [ a , b] 上可积 , 故任给 ε > 0 , 存在对 [ a , b] 的某分割T , 使得∑ωi Δx i < ε.在 T 上再增加一个分点 c, 得到一个新的分割 T .由 §3T习题第 1 题 , 又有iΔ x i ≤ ∑ωi Δx i < ε . T *T分割 T *在 [ a, c] 和 [ c, b] 上的部分 , 分别 构成对 [ a , c] 和 [ c, b] 的分 割 , 记 为 T ′和 T ″, 则有iii*∑ω′iΔx′i ≤∑ω∑ω″iΔx″i ≤∑ω∫∫∫∫b i i i i§4 定积分的性质215*Δx * < ε,T′T **Δx * < ε.T″T *这就证得 f 在[ a , b] 与[ b, c] 上都可积.在证得上面结果的基础上最后来证明等式( 3 ) .为此对[ a , b] 作分割T , 恒使点 c 为其中的一个分点, 这时T 在[ a , c] 与[ c, b] 上的部分各自构成对[a , c] 与[ c, b]的分割, 分别记为T′与T″.由于∑f (ξi )Δx i = ∑f (ξ′i )Δx′i + ∑f (ξ″i )Δx″i ,T T′T″因此当‖T‖→0( 同时有‖T′‖→0 ,‖T″‖→0) 时, 对上式取极限, 就得到( 3) 式成立.性质4 及公式( 3 ) 称为关于积分区间的可加性.当 f ( x ) ≥0 时, (3 ) 式的几何意义就是曲边梯形面积的可加性.如图9 - 10 所示,曲边梯形AabB 的面积等于曲边梯形AacC的面积与CcbB 的面积之和.b按定积分的定义, 记号 f ( x )d x 只有当aa <b 时才有意义, 而当 a = b 或a > b 时本来是没有意义的.但为了运用上的方便, 对它作如下规定:a规定 1 当 a = b 时,令 f ( x ) d x = 0;a图9 - 10b a规定2 当 a > b 时, 令∫f ( x ) d x = -∫f ( x )d x .a b有了这个规定之后, 等式( 3) 对于a、b、c 的任何大小顺序都能成立.例如, 当 a < b < c 时, 只要 f 在[ a, c] 上可积, 则有c b b c c∫f ( x ) d x +∫f ( x) d x = ∫f ( x ) d x +∫f ( x )d x -∫f ( x) d xa c ab bb= f ( x ) d x .a性质5 设 f 为[ a , b] 上的可积函数.若f ( x) ≥0 , x ∈[ a , b] , 则bf ( x ) d x ≥0 . ( 4)a证由于在[ a , b] 上f ( x) ≥0 , 因此 f 的任一积分和都为非负.由f 在[ a , b] 上可积, 则有∫f ( x) d x = lim n ∑f (ξi )Δx i ≥0 .a ‖ T ‖ →0 i = 1i ∫ ∫ ∫ ∫∫ ∫ 216 第九章 定 积 分推论( 积分不等式性 ) 若 f 与 g 为[ a, b]上的两个可积函数 , 且 f ( x) ≤ g( x) , x ∈ [ a , b] , 则有bb∫ f ( x ) d x ≤∫g( x ) d x .( 5)aa证 令 F( x ) = g ( x ) - f ( x ) ≥0 , x ∈ [ a , b] , 由性质 2 知道 F 在 [ a , b] 上 可积 , 且由性质 5 推得b b b 0 ≤∫F ( x ) d x =∫g( x ) d x ∫- f ( x ) d x ,aaa不等式 (5 ) 得证 .性质 6 若 f 在 [ a , b] 上可积 , 则 | f | 在 [ a , b] 上也可积 , 且bb∫ f ( x ) d x ≤∫ f ( x )d x . ( 6)aa证 由于 f 在 [ a, b ]上可积 , 故任给 ε> 0 , 存在某分割 T , 使得 ∑ωf Δx < ε.由绝对值不等式Tf ( x ′) - f ( x ″)≤ f ( x ′) - f ( x ″) ,可得 ω| f |fi ≤ωi , 于是有∑ω| f | fiΔx i ≤ ∑ωi Δ x i < ε .TT从而证得 | f | 在 [ a, b] 上可积 .再由不等式 - | f ( x ) | ≤ f ( x) ≤ | f ( x ) | , 应用 性质 5 ( 推论 ) , 即 证得不等式 (6 ) 成立 .注意 这个性质的逆命题一般不成立 , 例如1 , x 为有理数 ,f ( x ) =- 1 ,x 为无理数在 [0 , 1 ] 上不可积 ( 类似于狄利克雷函数 ) ; 但 | f ( x ) | ≡1 , 它在 [0 , 1 ] 上可积 .1例 1 求- 1f ( x) d x , 其中 f ( x) =2 x - 1 , - 1 ≤ x < 0 , e - x,0 ≤ x ≤ 1 .解 对于分段函数的定积分 , 通常利用积分区间可加性来计算 , 即1 0f ( x ) d x = - 1- 11 f ( x) d x + f ( x )d x 00 1 = (2 x - 1) d x + e - xd x- 1= ( x 2- x )0 1 + ( - e - x)- 1i∫ ∫ ∫ ∫∫∫∫∫§4 定积分的性质217= - 2 - e - 1 + 1 = - ( e - 1+ 1 ) .注 1 上述解法中取- 1f ( x ) d x =- 1(2 x - 1 ) d x , 其中被积函数在 x = 0处 的值已由原来的 f (0 ) = e - xx = 0 = 1 改为 (2 x - 1 )x = 0 = - 1 , 由 §3 习题第3 题知道这一改动并不影响 f 在 [ - 1 , 0 ] 上的可积性和定积分的值 .注 2 如 果 要 求 直 接 在 [ - 1 , 1 ] 上 使 用 牛 顿—莱 布 尼 茨 公 式 来 计 算1f ( x) d x = F(1 ) - F( - 1) , 这时 F( x) 应取怎样的函数 ? 读者可对照§ 2 习- 1题第 3 题来回答 .例 2 证明 : 若 f 在 [ a, b ] 上连续 , 且 f ( x ) ≥0∫, x ∈ [ a , b] .b f ( x) d x = 0 , 则 f ( x ) ≡0 ,a证 用反证法 .倘若有某 x 0 ∈ [ a , b] , 使 f ( x 0 ) > 0 , 则由连续函数的局部保 号性 , 存在 x 0 的某邻域 ( x 0 - δ, x 0 + δ) ( 当 x 0 = a 或 x 0 = b 时 , 则 为右 邻域 或f( x 0 )左邻域 ) , 使在其中 f ( x) ≥ 2 > 0 .由性质 4 和性质 5 推知b x - δ x + δ b∫f ( x ) d x =∫0 f ( x ) d x +∫f ( x ) d x +∫f ( x ) d xaax - δx + δx + δ≥ 0 +0 x - δf( x 0 ) 2d x + 0 =f ( x 0 )δ > 0 ,b这与假设 f ( x ) d x = 0 相矛盾 .所以 f ( x ) ≡ 0 , x ∈ [ a , b] .a注 从此例证明中看到 , 即使 f 为一非负可积函数 , 只要它在某一点 x 0 处 b连续 , 且 f ( x 0 ) > 0 , 则必有f ( x) d x > 0 . ( 至于可积函数必有连续点 , 这是一 a 个较难证明的命题 , 读者可参阅§6 习题第 7 题 .)二 积分中值定理定理 9 .7 ( 积分第 一中 值定 理 ) 若 f 在 [ a , b] 上连 续 , 则至 少 存在 一 点 ξ∈ [ a , b] , 使得bf ( x ) d x = f (ξ) ( b - a) . ( 7)a 证 由于 f 在 [ a , b] 上连续 , 因此存在最大值 M 和最小值 m .由m ≤ f ( x) ≤ M , x ∈ [ a, b] ,使用积分不等式性质得到bm ( b - a) ≤ f ( x) d x ≤ M ( b - a) ,aπ∫∫∫∫∫218 第九章 定 积 分或m ≤1bf ( x ) d x ≤ M .b - ∫a a再由连续函数的介值性 , 至少存在一点 ξ∈ [ a , b] , 使得 bf (ξ) = 1 f ( x ) d x ,( 7′)这就证得 (7 ) 式成立 .b - ∫a a积分第一中值定理的几何意 义如图 9 - 11 所示 , 若 f 在 [ a , b] 上 非 负连 续 , 则 y = f ( x ) 在 [ a , b ] 上的曲边梯形面 积等 于以 ( 7′) 所示 的 f ( ξ) 为 高 , [ a , b ] 为 底 的 矩 形 面 积 . 而 1bb - ∫af ( x) d x 则可 理 解为 f ( x ) 在 区 间 [ a, a图 9 - 11b] 上所有函数值 的平 均值 .这是 通常 有限个 数 的算术平均值的推广 .例 3 试求 f ( x) = sin x 在 [0 ,π] 上的平均值 .解 所求平均值为f (ξ) =1 sin x d x = - 1cos x = 2.π∫ππ定理 9 .8 ( 推广 的 积 分 第 一 中 值 定 理 ) 若 f 与 g 都 在 [ a , b] 上 连 续 , 且 g( x) 在 [ a , b] 上不变号 , 则至少存在一点 ξ∈ [ a , b] , 使得bf ( x) g( x) d x = f (ξ) a ( 当 g( x ) ≡1 时 , 即为定理 9 .6 .)证 不妨设 g( x) ≥ 0 , x ∈ [ a , b] .这时有bg( x) d x .( 8)amg( x ) ≤ f ( x) g( x) ≤ Mg( x) , x ∈ [ a , b] ,其中 M 、m 分别为 f 在 [ a , b ] 上的最大、最小值 .由定积分的不等式性质 , 得到 bbb∫m g( x ) d x ≤∫f ( x ) g( x ) d x ≤ M ∫g( x ) d x . aaabb若∫g( x ) d x = 0 , 则由上式知∫f ( x )g ( x ) d x = 0 , 从而对任何 ξ∈ [ a, b ] , ( 8) aab式都成立 .若 g( x) d x > 0 , 则得abf ( x) g( x) d x am ≤b g( x ) d x a≤ M .π∫∫∫∫∫∫ ∫∫§4 定积分的性质219由连续函数的介值性 , 必至少有一点 ξ∈ [ a , b] , 使得bf ( x) g( x) d x a这就证得 (8 ) 式成立 .f (ξ) = b ,g( x ) d x a 注 事实上 , 定理 9 .7 和定 理 9 .8 中的 中值 点 ξ必能在 开区 间 ( a, b) 内 取得 ( 证明留作习题 ) .积分第二中值定理将在下一节里给出 . 习 题1 . 证明: 若 f 与 g 都在 [ a , b] 上可积 , 则nblim ∑ f (ξi ) g(ηi )Δ x i =∫f ( x ) g( x )d x ,‖ T ‖ →0 i= 1a其中 ξi , ηi 是 T 所属小区间Δi 中的任意两点 , i = 1 , 2 , , n .2 . 不求出定积分的值 , 比较下列各对定积分的大小 :( 1∫) ( 2∫)11x d x 与 x 2d x; 0ππ 2 x d x 与 2sin x d x . 03 . 证明下列不等式 :π( 1)π2 <2d x 01 - 1 sin 2x212< π; 2( 2) 1 <e x1 d x < e ;( 3) 1 <∫sin xd x < π ; 0x 24 e ( 4) 3 e <eln xd x < 6 . x b4 . 设 f 在[ a , b] 上连续 , 且 f ( x) 不恒等于零 , 证明 ( f ( x) )2d x > 0 .a5 . 设 f 与 g 都在 [ a , b]上可积 , 证明M( x ) =max x ∈ [ a, b]{ f ( x) , g( x ) } , m( x ) =min x ∈ [ a, b]{ f ( x) , g( x ) }在[ a , b] 上也都可积 .6 . 试求心形线 r = a( 1 + cos θ) , 0≤θ≤2π上各点极径的平均值 .7 . 设 f 在[ a , b] 上可积 , 且在 [ a , b]上满足 | f ( x) | ≥ m > 0 .证明 1在 [ a , b]上也可积 .f8 . 进一步证明积分第一中值定理( 包括定理 9 .7 和定理 9 .8) 中的中值点 ξ∈( a , b) .∫∫∫∫9 . 证明: 若 f 与 g 都在 [ a , b] 上可积 , 且 g( x) 在 [ a , b] 上不变号 , M 、m 分别为 f ( x) 在 [ a , b ] 上的上、下确界 , 则必存在某实数 μ( m ≤μ≤ M ) , 使得b b∫f ( x ) g( x ) d x = μ∫g( x ) d x . aa bb10 . 证明 :若 f 在 [ a , b ] 上连续 , 且∫f ( x ) d x =∫x f ( x ) d x = 0 , 则在( a , b) 内至少存在aab两点 x 1 、x 2 , 使 f ( x 1 ) = f ( x 2 ) = 0 .又若 x 2 f ( x ) d x = 0 , 这时 f 在 ( a , b) 内是否至少有三a个零点 ?11 . 设 f 在 [ a , b ]上二阶可导 , 且 f ″( x ) > 0 .证明 :(1 ) f a + b ≤ 1bf ( x) d x;2 b - ∫a a(2 ) 又若 f ( x )≤0 , x ∈ [ a , b] , 则又有f ( x) ≥ 2b f ( x) d x , x ∈ [ a , b] .12 . 证明 : b - ∫a a(1 ) ln (1 + n) < 1 +1++ 1< 1 + ln n ;21 + 1 ++ 1 (2 ) lim2 nn = 1 .n →∞ln n§5 微积分学基本定理·定积分计算 ( 续 )当函数的可积性问题告一段落 , 并对定积分的性质有了足够的认识之后 , 接 着要来解决一个以前多次提到过的问题———在定积分形式下证明连续函数必定 存在原函数 . 一 变限积分与原函数的存在性设 f 在 [ a , b] 上可积 , 根据定积分的性质 4 , 对任何 x ∈ [ a , b] , f 在 [ a , x] 上也可积 .于是 , 由xΦ( x ) =f ( t ) d t , x ∈ [ a , b] ( 1)a 定义了一个以积分上限 x 为自变量的函数 , 称为变 上限的 定积分 .类似 地 , 又 可 定义变下限的定积分 :bΨ( x ) =f ( t )d t , x ∈ [ a , b] . ( 2)xΦ 与 Ψ 统称为变限积分 .注意 , 在变限积分 ( 1) 与 (2 ) 中 , 不可再把积 分变量写 成 xx ( 例如f ( x ) d x ) , 以免与积分上、下限的 x 相混淆 . a●∫ ∫∫∫ ∫∫∫ 变限积分所定义的函数有着重要的性质 .由于b f ( t ) d t = - x因此下面只讨论变上限积分的情形 .xf ( t ) d t ,b定理 9 .9 若 f 在 [ a , b] 上可积 , 则由 ( 1) 式所定 义的函 数 Φ 在 [ a , b] 上 连 续 .证 对 [ a , b] 上任一确定的点 x , 只要 x + Δx ∈ [ a , b] , 按定义式 ( 1) 有x +Δ xx x +Δ xΔΦ =∫f ( t ) d t -∫f ( t ) d t =∫ f ( t ) d t .a ax因 f 在 [ a , b] 上有界 , 可设 | f ( t ) | ≤ M , t ∈ [ a , b] .于是 , 当 Δx > 0 时有x +Δ x| ΔΦ | =xx +Δ xf ( t ) d t ≤x| f ( t) | d t ≤ M Δ x;当 Δ x < 0 时则有 |ΔΦ| ≤ M |Δx | .由此得到lim ΔΦ = 0 ,Δ x → 0即证得 Φ 在点 x 连续 .由 x 的任意性 , f 在 [ a , b] 上处处连续 .定理 9 .10 ( 原函数 存在 定理 ) 若 f 在 [ a , b] 上连 续 , 则由 ( 1) 式 所定 义 的函数 Φ 在 [ a, b] 上处处可导 , 且xΦ′( x ) = dd x f ( t ) d t =f ( x) , x ∈ [ a , b] . ( 3)a证 对 [ a , b] 上任 一确 定的 x , 当 Δx ≠ 0 且 x + Δ x ∈ [ a , b] 时 , 按 定义 式(1 ) 和积分第一中值定理 , 有ΔΦ1Δ x =Δxx +Δ xf ( t )d tx= f ( x + θΔ x ) , 0 ≤ θ≤ 1 .由于 f 在点 x 连续 , 故有Φ′( x ) = limΔΦ= lim f ( x + θΔ x ) = f ( x ) .Δ x → 0 ΔxΔ x → 0由 x 在 [ a , b] 上的任意性 , 证得 Φ 是 f 在 [ a , b] 上的一个原函数 .本定理沟通了导数 和定积分这两个 从表面看去似不相 干的概念之间 的内在 联系 ; 同时也证明了“连续函数必有原函数”这一基本结论 , 并以积分形式 ( 1) 给出 了 f 的一个原函数 .正因为定理 9 .10 的重要作用而被誉为微积分学基本定理 .此外 , 又因 f 的任意两 个 原函 数只 能相 差一 个 常数 , 所 以当 f 为连 续函 数时 , 它的任一原函数 F 必满足xF( x) =f ( t ) d t + C . a 若在此式中令 x = a , 得到 C = F( a) , 从而有。