高等数学——微积分中的不定积分

2024-03-21 14:38

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今天是高等数学专题的第8篇文章,今天的内容是不定积分。

我之前的高数老师曾经说过,高等数学就是大半本的微积分加上一些数列和极限的知识。而微积分当中,积分相关又占据了大半江山。微积分之所以重要并不是因为它的比重大、容量多,而是因为它常用。几乎所有理工科的课本上都有微积分的公式,原因也很简单,当年这些科学家在研究未知事物或者是进行计算的时候,大量使用了微积分作为工具。这也是我们必须学它的原因。

原函数

我一直都觉得微积分这个名字起得很好,微积分是微分和积分的合称。微分是通过宏观研究微观,而积分恰恰相反则是通过微观获取宏观。因此从某种意义上来说,我们可以将积分看成是微分的反面。

微分对应的是极限,在函数当中,我们通过让 Δ x \Delta x Δx趋近于0研究函数的变化情况。当 Δ x \Delta x Δx趋向于0时,我们获得的函数变化率就是函数的导数,这也是导数公式的由来:

f ′ ( x 0 ) = lim ⁡ Δ x → 0 f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) Δ x \displaystyle f'(x_0)=\lim_{\Delta x \to 0}\frac{f(x_0+\Delta x) - f(x_0)}{\Delta x} f(x0)=Δx0limΔxf(x0+Δx)f(x0)

我们从微分的角度来看积分,也就是说我们来逆向思考这个过程。如果说我们获得的导数是 f ′ ( x ) f'(x) f(x),那么求导之前的函数f(x)会是什么呢?在这个问题当中,求导之前的函数称为原函数,我们写成F(x),如果F(x)是f(x)的原函数,那么它应该满足对于任意的 x ∈ I x \in I xI,都有 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x) = f(x) F(x)=f(x)

比如说因为 f ( x ) = x 2 f(x) = x^2 f(x)=x2的导数是2x,所以 x 2 x^2 x2是2x的原函数。

函数和原函数的关系我们清楚,但是为了严谨,我们还需要思考一个问题,原函数一定存在吗

这个问题看起来很绕,其实很容易想通,如果函数连续,那么原函数一定存在。高数书上说这个是原函数存在定理,但是连一句话证明也没有,可想而知它基本上已经被当成是公理了。我们来简单分析一下,如函数f(x)连续,也就是说原函数的导数存在并且连续。我们知道连续不一定可导,但可导一定连续。现在导函数存在并且连续了,那么说明原函数一定连续。如果函数不存在怎么连续呢?所以当前函数f(x)连续,说明它的原函数F(x)一定存在。

不定积分

我们搞明白了原函数之后,就可以开始不定积分的内容了。其实不定积分没什么计算内容,我倒觉得更像是映射。将当前函数映射成原函数。

也就是说,我们通过当前函数f(x)去寻找一个原函数F(x),使得: F ′ (

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