8.1 Definite Integrals

教材内容

定积分的基本概念

定积分是计算函数在两个界限之间的积分。定积分通常产生一个数值,而不定积分总是产生一个函数。

定积分计算的三个步骤:

第一步:写出定积分表达式,包含上下限 \(a\) 和 \(b\)

\(\int_a^b \ldots dx\)

第二步:积分并在方括号中写出结果

\([\ldots]_a^b\)

第三步:计算定积分值

\((\ldots) - (\ldots)\)

定积分计算步骤
微积分基本定理:如果 \(f'(x)\) 是 \(f(x)\) 的导数,对于区间 \([a,b]\) 内的所有 \(x\) 值,则定积分定义为: \[\int_a^b f'(x) dx = [f(x)]_a^b = f(b) - f(a)\]

Example 1 - 基础定积分计算

题目

计算 \(\int_0^1 (x^{\frac{1}{3}} - 1)^2 dx\)

首先展开括号,将表达式化为可积分的形式:

\(\int_0^1 (x^{\frac{2}{3}} - 2x^{\frac{1}{3}} + 1) dx\)

积分:

\(= \left[\frac{x^{\frac{5}{3}}}{\frac{5}{3}} - 2\frac{x^{\frac{4}{3}}}{\frac{4}{3}} + x\right]_0^1\)

简化:

\(= \left[\frac{3}{5}x^{\frac{5}{3}} - \frac{3}{2}x^{\frac{4}{3}} + x\right]_0^1\)

计算:

\(= \left(\frac{3}{5} - \frac{3}{2} + 1\right) - (0 + 0 + 0)\)

\(= \frac{1}{10}\)

Example 2 - 含参数的定积分

题目

Given that \(P\) is a constant and \(\int_1^5 (2Px + 7) dx = 4P^2\), show that there are two possible values for \(P\) and find these values.

计算定积分:

\(\int_1^5 (2Px + 7) dx = [Px^2 + 7x]_1^5\)

\(= (25P + 35) - (P + 7)\)

\(= 24P + 28\)

根据题意:

\(24P + 28 = 4P^2\)

\(4P^2 - 24P - 28 = 0\)

\(P^2 - 6P - 7 = 0\)

\((P + 1)(P - 7) = 0\)

因此:\(P = -1\) 或 \(P = 7\)

重要注意事项

实际应用

定积分在实际问题中有广泛应用,例如:

Example: 火车运动问题

火车的速度 \(v \text{ m/s}\) 在时间 \(t\) 秒时由 \(v = 20 + 5t, 0 \leq t \leq 10\) 给出。

火车在10秒内行驶的距离 \(s\) 米由 \(s = \int_0^{10} (20 + 5t) dt\) 给出。求 \(s\) 的值。

\(s = \int_0^{10} (20 + 5t) dt = [20t + \frac{5}{2}t^2]_0^{10}\)

\(= (200 + 250) - (0 + 0) = 450 \text{ 米}\)