变限积分

变限积分

变限积分是用定积分的形式来表示一个函数的原函数的方法,这一点在很多问题中尤为常见(直接用原函数来表示不定积分会引入积分常数的确定问题)。对变限积分求导数,可以在不经过求积分操作的前提下进行。

目录

1 基本形式

2 含参积分

3 复变函数

4 参考资料

基本形式[]

设函数

f

(

x

)

{\displaystyle f(x)}

在区间

[

a

,

b

]

{\displaystyle [a, b]}

上可积,则函数

F

(

x

)

=

a

x

f

(

x

)

d

x

{\displaystyle F(x) = \int_a^x f(x) \mathrm{d}x}

连续,我们称函数

F

(

x

)

{\displaystyle F(x)}

f

(

x

)

{\displaystyle f(x)}

的一个变上限积分,可以证明变上限积分函数就是被积函数的一个原函数,即有

d

d

x

a

x

f

(

t

)

d

t

=

f

(

x

)

{\displaystyle \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_a^x f(t) \mathrm{d}t = f(x)}

可以证明,如果积分上限是一个关于

x

{\displaystyle x}

的函数,则有

d

d

x

a

φ

(

x

)

f

(

t

)

d

t

=

f

(

φ

(

x

)

)

φ

(

x

)

{\displaystyle \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_a^{\varphi(x)} f(t) \mathrm{d}t = f(\varphi(x)) \varphi'(x)}

由于定积分的可加性,更一般地,有如下变限积分的求导法则

d

d

x

ψ

(

x

)

φ

(

x

)

f

(

t

)

d

t

=

f

(

φ

(

x

)

)

φ

(

x

)

f

(

ψ

(

x

)

)

ψ

(

x

)

{\displaystyle \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_{\psi(x)}^{\varphi(x)} f(t) \mathrm{d}t = f(\varphi(x)) \varphi'(x) - f(\psi(x)) \psi'(x)}

含参积分[]

对于含参变量的积分,也可以引入变限积分的概念:

a

(

x

)

,

b

(

x

)

{\displaystyle a(x), b(x)}

连续于

I

{\displaystyle I}

,二元函数

f

(

x

,

t

)

{\displaystyle f(x, t)}

连续于

I

×

[

a

,

b

]

{\displaystyle I \times [a, b]}

,且

a

a

(

x

)

,

b

(

x

)

b

{\displaystyle a \leqslant a(x), b(x) \leqslant b}

,那么下面的积分称为含参变量的变限积分

I

(

x

)

=

a

(

x

)

b

(

x

)

f

(

x

,

t

)

d

t

.

{\displaystyle I(x) = \int_{a(x)}^{b(x)} f(x, t) \mathrm{d}t.}

它依然是定义在区间

I

{\displaystyle I}

上的一元实函数。

可以证明它有下述性质:

连续性:

I

(

x

)

{\displaystyle I(x)}

连续于区间

I

;

{\displaystyle I;}

导数:若

f

x

(

x

,

t

)

{\displaystyle f_x (x, t)}

I

×

[

a

,

b

]

{\displaystyle I \times [a, b]}

上连续且

a

(

x

)

,

b

(

x

)

{\displaystyle a'(x), b'(x)}

I

{\displaystyle I}

上存在,则

I

(

x

)

=

d

d

x

a

(

x

)

b

(

x

)

f

(

x

,

t

)

d

t

=

a

(

x

)

b

(

x

)

f

x

(

x

,

t

)

d

t

+

b

(

x

)

f

(

x

,

b

(

x

)

)

a

(

x

)

f

(

x

,

a

(

x

)

)

.

{\displaystyle \begin{align}

I'(x) & = \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_{a(x)}^{b(x)} f (x, t) \mathrm{d}t \\

& = \int_{a(x)}^{b(x)} f_x (x, t) \mathrm{d}t + b'(x) f \big( x, b(x) \big) - a'(x) f \big( x, a(x) \big).

\end{align}}

复变函数[]

单复变函数中复变函数的不定积分的概念就是通过变限积分使用 Cauchy 积分定理来引入的。

f

(

z

)

{\displaystyle f(z)}

D

{\displaystyle D}

上有原函数,那么首先可以写出其中一个原函数是

F

(

z

)

=

z

0

z

f

(

ζ

)

d

ζ

{\displaystyle F(z) = \int_{z_0}^z f(\zeta) \mathrm{d}\zeta}

这也是

f

(

z

)

{\displaystyle f(z)}

的一个变上限积分,其中

z

0

D

.

{\displaystyle z_0 \in D.}

由此定义的原函数和一元实函数有诸多相似之处。

参考资料欧阳光中, 朱学炎, 金福临, 陈传璋, 《数学分析》, 高等教育出版社, 北京, 2018-08, ISBN 978-7-0404-9718-2.

积分学(学科代码:1103420,GB/T 13745—2009)

不定积分

不定积分 ▪ 常见函数的不定积分 ▪ 不定积分的换元积分法 ▪ 有理分式积分法 ▪ 分部积分法 ▪ 配对积分法

黎曼积分

定积分 ▪ 微积分基本定理 ▪ 积分第一中值定理 ▪ 定积分的计算 ▪ 定积分的应用 ▪ 积分第二中值定理

反常积分

无穷限积分和瑕积分 ▪ Cauchy 判别法、Dirichlet 判别法以及 Abel 判别法 ▪ Cauchy 主值

含参积分

含参变量的积分 ▪ 含参变量的反常积分 ▪ Euler 积分(Γ 函数和 B 函数)、Poisson 积分 ▪ Dirichlet 积分 ▪ Frullani 积分、Laplace 积分 ▪ Fresnel 积分 ▪ Lobatchevski 积分 ▪ Fejer 积分

多元积分

积分区域的描述 ▪ 重积分(二重积分、三重积分) ▪ 反常重积分 ▪ 第一型曲线积分 ▪ 第二型曲线积分 ▪ 第一型曲面积分 ▪ 第二型曲面积分 ▪ Green 公式、Gauss 公式以及 Stokes 公式

所在位置:数学(110)→ 数学分析(11034)→ 积分学(1103420)

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