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高數(shù)定理證明之積分中值定理:
該定理條件是定積分的被積函數(shù)在積分區(qū)間(閉區(qū)間)上連續(xù),結論可以形式地記成該定積分等于把被積函數(shù)拎到積分號外面,并把積分變量x換成中值。如何證明?可能有同學想到用微分中值定理,理由是微分相關定理的結論中含有中值?梢园凑沾怂悸吠路治觯贿^更易理解的思路是考慮連續(xù)相關定理(介值定理和零點存在定理),理由更充分些:上述兩個連續(xù)相關定理的結論中不但含有中值而且不含導數(shù),而待證的積分中值定理的結論也是含有中值但不含導數(shù)。
若我們選擇了用連續(xù)相關定理去證,那么到底選擇哪個定理呢?這里有個小的技巧——看中值是位于閉區(qū)間還是開區(qū)間。介值定理和零點存在定理的結論中的中值分別位于閉區(qū)間和開區(qū)間,而待證的積分中值定理的結論中的中值位于閉區(qū)間。那么何去何從,已經(jīng)不言自明了。
若順利選中了介值定理,那么往下如何推理呢?我們可以對比一下介值定理和積分中值定理的結論:介值定理的結論的等式一邊為某點處的函數(shù)值,而等號另一邊為常數(shù)A。我們自然想到把積分中值定理的結論朝以上的形式變形。等式兩邊同時除以區(qū)間長度,就能達到我們的要求。當然,變形后等號一側含有積分的式子的長相還是挺有迷惑性的,要透過現(xiàn)象看本質,看清楚定積分的值是一個數(shù),進而定積分除以區(qū)間長度后仍為一個數(shù)。這個數(shù)就相當于介值定理結論中的A。
接下來如何推理,這就考察各位對介值定理的熟悉程度了。該定理條件有二:1.函數(shù)在閉區(qū)間連續(xù),2.實數(shù)A位于函數(shù)在閉區(qū)間上的最大值和最小值之間,結論是該實數(shù)能被取到(即A為閉區(qū)間上某點的函數(shù)值)。再看若積分中值定理的條件成立否能推出介值定理的條件成立。函數(shù)的連續(xù)性不難判斷,僅需說明定積分除以區(qū)間長度這個實數(shù)位于函數(shù)的最大值和最小值之間即可。而要考察一個定積分的值的范圍,不難想到比較定理(或估值定理)。
高數(shù)定理證明之微積分基本定理:
該部分包括兩個定理:變限積分求導定理和牛頓-萊布尼茨公式。
變限積分求導定理的條件是變上限積分函數(shù)的被積函數(shù)在閉區(qū)間連續(xù),結論可以形式地理解為變上限積分函數(shù)的導數(shù)為把積分號扔掉,并用積分上限替換被積函數(shù)的自變量。注意該求導公式對閉區(qū)間成立,而閉區(qū)間上的導數(shù)要區(qū)別對待:對應開區(qū)間上每一點的導數(shù)是一類,而區(qū)間端點處的導數(shù)屬單側導數(shù);ㄩ_兩朵,各表一枝。我們先考慮變上限積分函數(shù)在開區(qū)間上任意點x處的導數(shù)。一點的導數(shù)仍用導數(shù)定義考慮。至于導數(shù)定義這個極限式如何化簡,筆者就不能剝奪讀者思考的權利了。單側導數(shù)類似考慮。
“牛頓-萊布尼茨公式是聯(lián)系微分學與積分學的橋梁,它是微積分中最基本的公式之一。它證明了微分與積分是可逆運算,同時在理論上標志著微積分完整體系的形成,從此微積分成為一門真正的學科!边@段話精彩地指出了牛頓-萊布尼茨公式在高數(shù)中舉足輕重的作用。而多數(shù)考生能熟練運用該公式計算定積分。不過,提起該公式的證明,熟悉的考生并不多。
該公式和變限積分求導定理的公共條件是函數(shù)f(x)在閉區(qū)間連續(xù),該公式的另一個條件是F(x)為f(x)在閉區(qū)間上的一個原函數(shù),結論是f(x)在該區(qū)間上的定積分等于其原函數(shù)在區(qū)間端點處的函數(shù)值的差。該公式的證明要用到變限積分求導定理。若該公式的條件成立,則不難判斷變限積分求導定理的條件成立,故變限積分求導定理的結論成立。
注意到該公式的另一個條件提到了原函數(shù),那么我們把變限積分求導定理的結論用原函數(shù)的語言描述一下,即f(x)對應的變上限積分函數(shù)為f(x)在閉區(qū)間上的另一個原函數(shù)。根據(jù)原函數(shù)的概念,我們知道同一個函數(shù)的兩個原函數(shù)之間只差個常數(shù),所以F(x)等于f(x)的變上限積分函數(shù)加某個常數(shù)C。萬事俱備,只差寫一下。將該公式右側的表達式結合推出的等式變形,不難得出結論。
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