牛顿361、变上限定积分函数,简称积分上限函数;证明积分上限函数求导定理
积分上限函数(百度百科):设函数y=f(x)在区间[a,b]上可积,对任意x∈[a,b],y=f(x)在[a,x]上可积,且它的值与x构成一种对应关系(如图所示),称Φ(x)为变上限的定积分函数,简称积分上限函数。
如果f(x)在[a,b]上的定积分存在,我们就说f(x)在[a,b]上可积。即f(x)是[a,b]上的可积函数。
可积函数:
数学上,可积函数是存在积分的函数。
定义
设函数f(x)在区间[a,b]上可积。
根据定积分对区间的可加性,有:对任意x(a≤x≤b),f(x)在[a,x]上也可积。
这时,称变上限定积分∫[a,x]f(t)dt为f(x)的积分上限函数,记为Φ(x),
即:d(x)代表对x求微分。
dy/dx中的d是“微小的增量”的意思,也就是指微小的增量y除以微小的增量x。在函数中是,微分的意思。
dx就是对x的微分,是把增量细微化,dx就是很小很小的一个x。
当f(x)≧0时,Φ(x)在几何上表示为可以变动的曲边梯形的面积(图中的阴影部分)。
就是:若f(x)在x0处连续,则当a趋向于0时,[f(x0+a)-f(x0)]/a存在极限,则称f(x)在x0处可导。
定理
设函数f(x)在区间[a,b]上连续,则积分上限函数Φ(x)=∫[a,x]f(t)dt,(a≤x≤b)在[a,b]上可导,并且Φ’(x)=f(x)。
证明:对于任意给定的x∈[a,b],给x以增量△x,使得x+△x∈[a,b],
在物理学中,△常常作为变量的前缀使用,表示该变量的变化量,如:△t(时间变化量)、△T(温度变化量)、△X(位移变化量)、△v(速度变化量)等等
根据导数定义,得:Φ’(x)=lim(△x→0)[Φ(x+△x)-Φ(x)]/△x
由Φ(x)的定义及定积分对区间的可加性,有:
Φ(x+△x)-Φ(x)=∫[a,x+△x]f(t)dt-∫[a,x]f(t)dt=∫[x,x+△x]f(t)dt
再由定积分中值定理,得:
△Φ(x)=∫[x,x+△x]f(t)dt=f(ξ)△x,
{定积分中值定理:如果函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则在积分区间[a,b]上至少存在一个点ξ,使∫[a,b]f(x)dx=f(ξ)(b-a)。(a≤ξ≤b)
其中,ξ在x和x+△x之间。
∴Φ’(x)=lim(△x→0)[Φ(x+△x)-Φ(x)]/△x
=lim(△x→0)△Φ(x)/△x
=lim(△x→0)f(ξ)△x/△x
=lim(△x→0)f(ξ)
∵f(x)连续
∴lim(△x→0)f(ξ)=f(x)
即:Φ’(x)=f(x)
(∫[a,x]f(t)dt)’=f(x)
证毕。
这个定理说明,任何连续函数都有原函数存在,且积分上限函数Φ(x)=∫[a,x]f(t)dt就是f(x)在[a,b]上的一个原函数。
上述定理也叫做原函数存在定理。
“定义一个变上限积分函数Φ(x)=∫[a,x]f(t)dt,让函数Φ(x)获得增量△x,则对应的函数增量为:
△Φ(x)=Φ(x+△x)-Φ(x)
=∫[a,x+△x]f(t)dt-∫[a,x]f(t)dt
=∫[x,x+△x]f(t)dt(定积分对区间的可加性)