定理已证明
两曲线间的面积作为定积分
命题陈述
设 f,g 在 [a,b] 上连续。由 y=f(x)、y=g(x)、x=a 与 x=b 围成的区域 R 的面积为 S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx。
为什么成立?
用宽为 Δx 的薄竖条来近似该区域;每个薄条近似为高 ∣f(x)−g(x)∣ 的矩形,这些矩形面积之和恰好是一个黎曼和,当薄条收缩时收敛到定积分。
证明思路
把 [a,b] 分成 n 个宽为 Δx=(b−a)/n 的小区间 [xi−1,xi],在每个区间内取一个样本点 xi∗。区域在 [xi−1,xi] 上方的薄条高度约为 ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣,故其面积约为 ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣Δx。
对全部 n 个薄条求和得到黎曼和 ∑i=1n∣f(xi∗)−g(xi∗)∣Δx,按构造它逼近 R 的真实面积。
当 n→∞ 时,由 f−g 在紧区间 [a,b] 上的一致连续性,每个薄条近似的误差趋于 0。由于 ∣f−g∣ 连续,根据黎曼积分的定义,黎曼和收敛到 ∫ab∣f(x)−g(x)∣dx。因此 S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx。
当 f(x)≥g(x) 在整个 [a,b] 上成立时,这化简为不需要绝对值的 S(R)=∫ab[f(x)−g(x)]dx;当 f−g 的符号在 (a,b) 内的点处改变时,在这些点处拆分积分并在每一段选取正确的相减顺序,便得到实际的计算方法。