在初等数学中学习了三角形,四边形,多边形的面积计算:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(1)

现在来学习曲边梯形的面积是如何定义的,以及如何计算的:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(2)

1 抛物线下的曲边梯形

1.1 问题

之前介绍过,要求 , 之间的曲边梯形的面积 :

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(3)

可以把 均分为 份,以每一份线段为底,以这一份线段的右侧的函数值为高做矩形:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(4)

当n→∞ 的时候,矩形面积和就是曲面下的面积:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(5)

那么,能不能以这一份的线段的左侧的函数值为高做矩形?

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(6)

1.2 计算

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(7)

把坐标组成两个集合:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(8)

因此,以左侧的函数值为高的矩形和可以如下计算:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(9)

同样的道理,可以得到以右侧的函数值为高的矩形和:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(10)

当 n→∞ 的时候,两者是相等的,它们都是曲边梯形的面积:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(11)

2 狄利克雷函数的曲边梯形

之前介绍连续的时候就介绍过狄利克雷函数:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(12)

也见识过它的古怪性质。这里也要把它拉出来作一个反面典型。D(x) 的图像是没有办法画的,非要画也就是这样的:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(13)

假设要求 内的曲边梯形面积,尝试对 进行 等分,那么等分点必然为有理数点(下图为了演示方便,调整了下 坐标的比例):

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(14)

所以这些等分点的函数值必然为1。以1为高,以等分区间长度为底作矩形,可以得到:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(15)

这些矩形的和必然为1,可以想象进行 n 等分也依然为1,所以有:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(16)

下面换一种划分方式,以邻近的两个无理数作为端点划分区间,这些区间的端点的函数值必然为0,以区间长度为底,0为高,得到的矩形和为:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(17)

可见,对于 而言,不同的划分区间、不同的高的取法,会导致不同的矩形和:

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3 黎曼和

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格奥尔格·弗雷德里希·波恩哈德·黎曼(1826-1866)是德国数学家,黎曼几何学创始人,复变函数论创始人之一。在数学界搞风搞雨的黎曼猜想也是他的杰作。

基于对刚才两种情况:

的思考,看到不同划分带来的效果,黎曼先发明了黎曼和,进而定义了曲边梯形的面积,也就是定积分。

3.1 任意划分

[a,b] 不一定需要均分为n份,可以任意分割:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(20)

很显然用于分割区间的点符合:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(21)

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(22)

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(23)

3.2 任意高度

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(24)

那么矩形的高度也可以是任意的:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(25)

3.3 黎曼和

根据刚才的讲解,可以得到如下定义:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(26)

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(27)

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(28)

4 定积分

随着[a,b] 的划分不断变细,所有子区间的长度趋于0时,黎曼和不断地逼近曲边梯形的面积:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(29)

这个过程的严格化如下:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(30)

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(31)

其中,S 代表英文中的求和(“sum”),拉长的 ∫ 则表明积分是和的极限(“limits of sums”)。这个符号相当精练,可以表达非常丰富的信息:

黎曼积分是怎么回事(什么是黎曼和什么是定积分)(32)

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