理論物理極礎之插播數學2 積分

2022-08-01 13:30:14 字數 4803 閱讀 7951

微分處理的是變化率。積分做的是把許許多多微小的增量加起來求和。乍一看,微分與積分毫無關係,其實它們密切相關。

我們先畫乙個函式\(f(t)\)的圖,如圖1所示。

積分的中心問題是計算函式\(f(t)\)曲線下面的面積。為了使這個問題顯得更清楚,我們考慮一段函式,如\(t=a\)和\(t=b\)之間的函式,選取的自變數這兩個值稱為積分限。我們要計算圖2中陰影部分的面積。

要計算這個面積,我們把陰影部分分成很多很多纖薄的矩形(如圖3),把這些小矩形的面積加起來,就是我們要求的面積。

當然,這樣得到的是近似結果,但是,當矩形的寬度趨於0,我們將得到準確結果。下面說一下計算步驟。第一步,把\(t=a\)和\(t=b\)之間的區域分成\(n\)個次區域,每個次區域的寬度為\(\delta t\)。對於某個\(t\)處的小矩形,寬為\(\delta t\),高為此處的函式值\(f(t)\),於是可得此處小矩形的面積為

\[\delta a =f(t)\delta t

\]把所有的這些小矩形的面積加起來,就得到要求的陰影部分面積的近似值,

\[a =\sum_i f(t_i)\delta t

\]其中的大寫希臘字母\(\sigma\)表示求和,即把一系列用\(i\)標記的值加起來。比如\(n=3\),就有

\[a =\sum_i f(t_i)\delta t=f(t_1)\delta t+f(t_2)\delta t+f(t_3)\delta t

\]這裡\(t_i\)表示第\(i\)個小矩形在\(t\)軸上的位置。

\(\delta t\)趨於0,小矩形數目\(n\)趨於無窮,求出此時小矩形面積和的極限,此即為要求的面積的準確值,也即是\(f(t)\)的定積分的定義,寫為下式:

\[a =\lim_\sum_i f(t_i)\delta t=\int_a^b f(t)dt

\]積分符號\(\int\)取代了求和符號,\(dt\)取代了\(\delta t\),積分符號裡面的函式\(f(t)\)稱為被積函式。

把上式中的\(b\),換成\(t\),得到這樣乙個積分,

\[\int_a^t f(t)dt

\]把\(t\)看成乙個變數,上式這個積分就是變數\(t\)函式(注意不是\(t\)的函式):

\[f(t)=\int_a^t f(t)dt

\]由乙個給定的函式\(f(t)\),定義出乙個新的函式\(f(t)\)。前面的\(a\)也是可以變的,這裡我們不考慮這種情況。這個新的函式\(f(t)\)稱為\(f(t)\)的不定積分。稱為不定積分,因為我們不是從乙個固定值積分到另乙個固定值,而是積分到另乙個變數。對於不定積分,我們通常不寫上下限,寫為如下形式:

\beginf(t)=\int f(t)dt\label\end

微分和積分之間有深刻聯絡,如果\(f(t)=\int f(t)dt\),則有

\[f(t)=\frac

\]這個聯絡就叫做微積分基本定理,下面我們說明一下這個結果的由來。變數\(t\)有個小的增量,從\(t\)變到\(t+\delta t\),於是有個新的積分,

\[f(t+\delta t)=\int_a^ f(t)dt

\]即在圖3陰影部分\(t=t\)處新加了一塊寬為\(\delta t\)矩形,於是差\(f(t+\delta t)-f(t)\)即為多出來的這塊小矩形的面積,

\[f(t+\delta t)-f(t)=f(t)\delta t

\]兩邊除以\(\delta t\),

\[\frac=f(t)

\]取極限\(\delta t \rightarrow 0\),有:

\[\lim_\frac=\frac=f(t)

\]換一下變數的符號,則有

\[\frac=f(t)

\]這說明,積分和微分是逆運算,積分的導數即原被積函式。

知道\(f(t)\)的導數是\(f(t)\)就能完全確定\(f(t)\)嗎?還不能完全確定,因為\(f(t)\)加上乙個常數不改變它的導數。給定乙個函式\(f(t)\),它的不定積分的函式形式是不定的,如果\(f(t)\)是\(f(t)\)的不定積分,\(f(t)\)加上任意常數之後,\(f(t)+c\)也是\(f(t)\)的不定積分。

下面我們說明一下微積分基本定理的應用。比如我們計算函式\(f(t)=t^n\)的積分,

\[f(t)=\int f(t)dt

\]根據微積分基本定理,有

\[f(t)=\frac\]即

\[t^n=\frac

\]現在的任務就是找到乙個函式\(f(t)\),它的導數是\(t^n\),這不是難事。

我們在上一章就已經知道,

\[\frac=mt^

\]令\(m=n+1\),則有

\[\frac)}=(n+1)t^n

\]兩邊除以\(n+1\),有

\[\frac/n+1)}=t^n

\]因此,\(t^n\)是\(\frac}\)的導數,所以,

\[f(t)=\int t^ndt=\frac}

\]再加上任意的常數,就得到\(t^n\)的不定積分,

\[\int t^ndt=\frac}+c

\]積分常數\(c\)需要其他的條件來確定。

出現這個任意的常數是因為積分的乙個積分限沒有確定。如果我們選定另乙個積分限,即前述的\(a\),由\(a\)就可以確定常數\(c\)。考慮積分

\[\int_a^tf(t)dt

\]當兩個積分限為同一點,即 \(t=a\),積分必為0,由此可確定積分常數\(c\)。

一般情形下的微積分基本定理寫為如下形式:

\begin\int_a^b f(t)dt=f(t)\big |_a^b=f(b)-f(a)\label\end

另外乙個表述方式是

\begin\int \fracdt=f(t)+c\label\end

即對函式的導數積分得到原來的函式(加上乙個任意常數)。

以下是幾個有用的積分公式:

\[\int c dt=ct+c'$$ (注:原文漏掉第二個常數$c'$)

$$\int cf(t)dt=c \int f(t)dt\]

\[\int t dt=\frac+c

\]\[\int t^2 dt=\frac+c

\]\[\int t^ndt=\frac}+c

\]\[\int \sin t dt =-\cos t +c

\]\[\int \cos t dt =\sin t +c

\]\[\int e^t dt = e^t +c

\]\[\int \frac = \ln t +c$$ (注:原文漏掉常數$c$)

$$\int [f(t) \pm g(t)]dt = \int f(t)dt \pm \int g(t) dt \]

練習1:求下列函式的不定積分:$$f(t)=t^4$$ $$f(t)=\cos t$$ $$f(t)=t^2-a$$

練習2:取積分限分別為\(t=0\)和\(t=t\),應用微積分基本定理重新計算練習1中的積分

練習3:把練習1中的函式視為乙個粒子的加速度的表示式,積分一次,得到粒子的速度,再積分一次,得到粒子的軌跡。wom我們取\(t\)為積分限,把函式的啞變數改為\(t'\),將函式從\(t'0\)積分到\(t'=t\),$$v(t)=\int_0^t t'^4 dt'$$ $$v(t)=\int_0^t \cos t' dt'$$ $$v(t)=\int_0^t (t'^2-a) dt'$$

計算積分可以查表,或者用數學軟體\(mathematica\)。如果不得不手算,有個古老的技巧,非常有用,這就是分部積分。我們曾在上一章講過兩個函式的積的導數:

\[\frac=f(x)\frac+g(x)\frac

\]對上式兩邊進行積分,從\(x=a\)積到\(x=b\),

\[\int \fracdx=\int f(x)\frac dx + \int g(x)\frac dx

\]上式的左邊比較容易,函式導數的積分是函式本身,即上式的左邊為

\[f(b)g(b)-f(a)g(a)

\]常寫為如下形式:

\[f(x)g(x)\vert_a^b

\]現在把右邊其中一項移到左邊,

\beginf(x)g(x)|_a^b-\int f(x)\frac dx=\int g(x)\frac dx\label\end

現在考慮計算乙個積分,被積函式恰好是乙個函式\(f(x)\)與另外乙個函式\(g(x)\)的導數的積,即方程(\ref)右邊的形式,如果直接積分沒辦法算,可以轉換成方程(\ref)左邊的形式,如果運氣好,左邊的積分\(\int f(x)\frac dx\)我們會算,那麼方程(\ref)右邊的積分也就算出來了。

下面我們舉個例子。比如計算如下積分:

\[\int_0^x\cos x dx

\]注意到

\[\cos x = \frac$$,於是要求的積分變成

$$\int_0^x \frac dx\]

根據方程(\ref),上式結果為:

\begin\notag x \sin x \vert_0^-\int_0^\frac\sin x dx\end

也即\begin\notag x\sin x|_0-\int_0\sin x dx\end

\(\int\_0^\sin x dx\)我們會算,那麼剩下的事情比較容易了,請自己完成。

練習4:完成積分\(\int_0^x\cos x dx\)的計算

你可能會問,分部積分這個技巧很常用嗎?答案是:很常用,但不是每次都好用,看運氣了。

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