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5.2 微积分基本公式 ​

积分上限的函数及其导数 ​

考查函数 在区间 上的积分(其中 为常数, 为变量):

这个函数称为积分上限的函数,也称变限函数。

根据定积分的几何意义, 代表从 到 , 图线下的面积。所以,「变限函数」也可以视为「面积变动的函数」。

考虑它的导数。根据几何直观, 即一小段 对应增加的这部分区域的高,应该就等于 。下面验证一下:

其中 在 与 之间。

因此当 时,。

因此我们有:

定理 1 如果函数 在区间 上连续,那么积分上限的函数

在 上可导,并且它的导数

推论

如果函数 在区间 上连续,那么积分下限的函数

在 上可导,并且它的导数

并由此引出:

定理 2(原函数存在定理)如果函数 在区间 上连续,那么函数

就是 在 上的一个原函数。

例 1

设有定义在 上的 。求证:

在 上单调递增。

证明:

由于 ,因此 。又有 ,故 时 。因此 在 上单调递增。

推论 设函数 在区间 上连续,则积分下限函数 在区间 上可导,且

思考:「 在 上有原函数」和「 存在」这二者之间有什么关系?

结论:二者是无关的。


先论证 在 上有原函数时 不一定存在。取

容易验证,有

是 的原函数( 处的导数用定义验证)。我们考虑 在 到 上的定积分

第一项是有界的,我们考虑第二项。取 ,当 时,第二项的值等于 ,因此整个函数是无界的。定积分定义中写明,前提条件必须是函数有界。因此 在 上不存在定积分。


下面论证 存在时 在 上不一定有原函数。取

显然有 。下面证 不存在原函数。

假设 有原函数,记之为 。根据原函数的定义,有 。

考虑 在 处的左导数。由于 在闭区间上连续,在开区间内可导,根据拉格朗日中值定理,,使得

根据 的定义, 小于 且趋近于 ,。因此 。

考虑 在 处的右导数。根据拉格朗日中值定理,,使得

根据 的定义, 大于 且趋近于 ,。因此 。

因此 , 在 处不可导。矛盾。因此 的原函数不存在。

牛顿 - 莱布尼茨公式 ​

微积分基本定理 如果函数 是连续函数 在区间 上的一个原函数,那么

该式称为牛顿 - 莱布尼茨公式,也叫做微积分基本公式。这个式子打通了定积分和不定积分。

该公式用上面的两个定理很容易证明。

证明过程

记 ,。则 。

另一方面,,因此 ,故 。

取 ,,故 ,带回得到

令 ,即可得到原式。

为方便起见,此后将 记作 或者 ,于是上式也可写成

例 2

计算上一节中的定积分

解:

变限函数的导数的推广 ​

前面我们有:若 ,则

可以将其推广为:

若 , 可导,则

该结论很重要,可以直接用。用牛顿 - 莱布尼兹公式证明很容易。