牛顿-莱布尼茨公式(Newton-Leibniz formula),通常也被称为微积分基本定理。1揭示了定积分与被积函数的原函数或者不定积分之间的联系。
牛顿-莱布尼茨公式
Newton-Leibniz formula
微积分基本定理
牛顿 莱布尼茨
简介
牛顿-莱布尼茨公式的意义就在于把不定积分与定积分联系了起来,也让定积分的运算有了一个完善、令人满意的方法。
1670年,英国数学家伊萨克·巴罗在他的著作《几何学讲义》中以几何形式表达了切线问题是面积问题的逆命题,这实际是牛顿-莱布尼茨公式的几何表述。
证明
该公式的证明全过程:
我们知道,对函数f(x)于区间【a,b】上的定积分表达为:
b(上限)∫a(下限)f(x)dx
现在我们把积分区间的上限作为一个变量,这样我们就定义了一个新的函数:
Φ(x)=x(上限)∫a(下限)f(x)dx
但是这里x出现了两种意义,一是表示积分上限,二是表示被积函数的自变量,但定积分中被积函数的自变量取一个定值是没意义的。为了只表示积分上限的变动,我们把被积函数的自变量改成别的字母如t,这样意义就非常清楚了:
Φ(x)=x(上限)∫a(下限)f(t)dt
接下来我们就来研究这个函数Φ(x)的性质:
1、定义函数Φ(x)=x(上限)∫a(下限)f(t)dt,则Φ’(x)=f(x)。
证明:让函数Φ(x)获得增量Δx,则对应的函数增量
ΔΦ=Φ(x+Δx)-Φ(x)=x+Δx(上限)∫a(下限)f(t)dt-x(上限)∫a(下限)f(t)dt
显然,x+Δx(上限)∫a(下限)f(t)dt-x(上限)∫a(下限)f(t)dt=x+Δx(上限)∫x(下限)f(t)dt
而ΔΦ=x+Δx(上限)∫x(下限)f(t)dt=f(ξ)•Δx(ξ在x与x+Δx之间,可由定积分中的中值定理推得,
也可自己画个图,几何意义是非常清楚的。)
当Δx趋向于0也就是ΔΦ趋向于0时,ξ趋向于x,f(ξ)趋向于f(x),故有limΔx→0ΔΦ/Δx=f(x)
可见这也是导数的定义,所以最后得出Φ’(x)=f(x)。
2、b(上限)∫a(下限)f(x)dx=F(b)-F(a),F(x)是f(x)的原函数。
证明:我们已证得Φ’(x)=f(x),故Φ(x)+C=F(x)
但Φ(a)=0(积分区间变为【a,a】,故面积为0),所以F(a)=C
于是有Φ(x)+F(a)=F(x),当x=b时,Φ(b)=F(b)-F(a),
而Φ(b)=b(上限)∫a(下限)f(t)dt,所以b(上限)∫a(下限)f(t)dt=F(b)-F(a)
把t再写成x,就变成了开头的公式,该公式就是牛顿-莱布尼茨公式。
相关人物
牛顿
牛顿在1671年写了《流数法和无穷级数》,这本书直到1736年才出版,它在这本书里指出,变量是由点、线、面的连续运动产生的,否定了以前自己认为的变量是无穷小元素的静止集合。他把连续变量叫做流动量,把这些流动量的导数叫做流数。牛顿在流数术中所提出的中心问题是:已知连续运动的路径,求给定时刻的速度(微分法);已知运动的速度求给定时间内经过的路程(积分法)。
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