第1章 由分割到定積分
1.1 用窄區間累積變化
第六冊的導數把一小段變化除以長度;本冊反過來,把每段的變化率乘回長度,再相加。若 q(t) 以公升/分鐘計,q(t)Δt 就以公升計。只知道幾個取樣值不能決定整段累積,因此我們要讓分割的最長小段也能任意短。
設 a<b,且 f 在 [a,b] 有界。取分割 a=x₀<x₁<⋯<xₙ=b,記 Δxᵢ=xᵢ−xᵢ₋₁,網格長度為最大的 Δxᵢ。在各小段取 f 的下確界 mᵢ、上確界 Mᵢ。下和 Σ mᵢΔxᵢ 與上和 Σ MᵢΔxᵢ 夾住任意取樣點所成的和。細分不會使下和變小,也不會使上和變大;任兩分割可取共同細分,所以任何下和都不大於任何上和。
若所有下和的上確界等於所有上和的下確界,就定這個共同值為 ∫_a^b f(x) dx。這是黎曼定積分的上下和表述。閉區間的連續函數有界且一致連續:否則可取相距趨近零而函數值仍差至少某個 ε 的兩組點,從第一組取收斂子列,第二組對應點也趨近同一點,和連續性矛盾。網格夠細時,每段 Mᵢ−mᵢ 可同時小於 ε,因此上、下和差至多 ε(b−a)。這也保證任何合法取樣和都趨近共同值。
1.2 四個例題
例題1 線性高度的和可精確夾擠
取 f(x)=x,0≤x≤1。等分 n 段後寬 1/n;因 f 遞增,左端給下和,右端給上和。下和為 (0+1+⋯+n−1)/n²=(n−1)/(2n),上和為 (1+2+⋯+n)/n²=(n+1)/(2n)。兩者都趨近 1/2,故定積分為 1/2。四等分時兩個值分別為 3/8 和 5/8,不是都等於面積。
例題2 固定流率乘時間
每分鐘流入 3 公升,從 0 到 4 分鐘。任一分割的上下高度都等於3,所以兩個和都是 3ΣΔtᵢ=3·4=12 公升。答案是累積量12,不是流率3。
例題3 有限矩形給界,不一定給等號
取 f(x)=x²,在 0 到 2 等分四段,寬 1/2。下和為 (0+1/4+1+9/4)/2=7/4,上和為 (1/4+1+9/4+4)/2=15/4。故積分落在這兩界之間。只取這四段尚不足以宣布積分等於其中一界。
例題4 端點順序決定方向
約定 ∫_a^a f=0、∫_b^a f=−∫_a^b f。由例題1,∫_1^0 x dx=−1/2,雖然區域的幾何面積是正的 1/2。順向區間內,若 f≤g,則上下和比較給 ∫f≤∫g;反向後不等號會反過來。若 f 在整段可積,先選取上、下和各自接近積分值的分割,取共同細分再加入切點 c。細分後上、下和各分成左右兩段的和,總差可任意小,所以兩段各自的差也可任意小,兩段都可積。兩段積分的和與整段積分都夾在同一對細分和之間,因而相等。
1.3 練習
- B07-C01-Q01 把 0 到 2 等分四段,寫出節點與網格長度。
- B07-C01-Q02 對 x 在 0 到 1 取兩等分,求左右和。
- B07-C01-Q03 同上改為八等分,求上下和及差。
- B07-C01-Q04 常數2在 −1 到 3 的積分及反向積分各多少?
- B07-C01-Q05 對 2−x 在 0 到 2 取兩等分,哪一側給上和?求兩界。
- B07-C01-Q06 例題1的上下和差要嚴格小於 1/20,最少幾段?
- B07-C01-Q07 f(x)=x,分割點 0、1/4、1,求右端取樣和。
- B07-C01-Q08 f 與 g 在閉區間可積且 f≤g,為何順向積分保序?
- B07-C01-Q09 把 x 在 0 到 1 的函數值 f(0)=0 改成9,積分改變嗎?
- B07-C01-Q10 只觀察 f(0)=f(1)=0,能否斷定積分為0?給反例和理由。
1.4 完整解答
Q01
節點為 0、1/2、1、3/2、2;每段長 1/2,所以最大段長也是 1/2。
Q02
每段寬 1/2。左和 (0+1/2)/2=1/4,右和 (1/2+1)/2=3/4。
Q03
n=8 代入得下和 7/16,上和 9/16,差 2/16=1/8。
Q04
順向區間長 3−(−1)=4,積分 2·4=8;交換端點得 −8。
Q05
2−x 遞減,故左端較高,給 2+1=3;右端給 1+0=1。積分介於1與3。
Q06
差 1/n<1/20 等價於 n>20,因此最小 n 是21。n=20 只達等號。
Q07
兩段寬 1/4、3/4,右端高度 1/4、1。和為 1/16+3/4=13/16。
Q08
每一小段內 f 的下確界不大於 g 的下確界,故同一分割下和保序;各取下和的上確界,得到 ∫f≤∫g。方向為 a<b。
Q09
只影響第一小段,其上下和變動大小至多9乘該段寬,網格趨零時此差也趨零。原共同值不變,所以仍為 1/2。
Q10
g(x)=x(1−x) 和零函數在端點同值,但 g≥0;在 1/4 到 3/4,g≥3/16(由 g=1/4−(x−1/2)²)。積分至少 3/32>0,不能由兩個樣本判定。