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定理已证明

两曲线间的面积作为定积分

命题陈述

设 f,gf,g 在 [a,b][a,b] 上连续。由 y=f(x)y=f(x)、y=g(x)y=g(x)、x=ax=a 与 x=bx=b 围成的区域 RR 的面积为 S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dxS(R)=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx。

为什么成立?

用宽为 Δx\Delta x 的薄竖条来近似该区域;每个薄条近似为高 ∣f(x)−g(x)∣|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][a,b] 分成 nn 个宽为 Δx=(b−a)/n\Delta x=(b-a)/n 的小区间 [xi−1,xi][x_{i-1},x_i],在每个区间内取一个样本点 xi∗x_i^*。区域在 [xi−1,xi][x_{i-1},x_i] 上方的薄条高度约为 ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣|f(x_i^*)-g(x_i^*)|,故其面积约为 ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣ Δx|f(x_i^*)-g(x_i^*)|\,\Delta x。

对全部 nn 个薄条求和得到黎曼和 ∑i=1n∣f(xi∗)−g(xi∗)∣ Δx\sum_{i=1}^n |f(x_i^*)-g(x_i^*)|\,\Delta x,按构造它逼近 RR 的真实面积。

当 n→∞n\to\infty 时,由 f−gf-g 在紧区间 [a,b][a,b] 上的一致连续性,每个薄条近似的误差趋于 00。由于 ∣f−g∣|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\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx。因此 S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dxS(R)=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx。

当 f(x)≥g(x)f(x)\ge g(x) 在整个 [a,b][a,b] 上成立时,这化简为不需要绝对值的 S(R)=∫ab[f(x)−g(x)] dxS(R)=\int_a^b[f(x)-g(x)]\,dx;当 f−gf-g 的符号在 (a,b)(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。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Michael Spivak (2008). Calculus
  2. James Stewart (2015). Calculus: Early Transcendentals