假設你想對一個在某區間兩段上由不同公式定義的函數求積分——比如一段上升後趨於平坦的斜坡。整個區間上的積分恰好是兩段積分之和。這就是加法性(additivity) ,它既能從第一原理直接證明,影響又極為深遠:它是連結積分與微分的積分上限函數的基礎。
為何需要加法性
實際中許多函數是分段定義 的:在不同的子區間上遵循不同的公式。若沒有加法性,就需要在整個定義域上找到一個統一公式;有了加法性,你可以在每個分界點切開定義域,分別積分再相加。加法性還讓你能做積分的減法:∫ c b f = ∫ a b f − ∫ a c f \int_c^b f = \int_a^b f - \int_a^c f ∫ c b f = ∫ a b f − ∫ a c f ,這在估計尾部或隔離子區間貢獻時至關重要。
正式敘述與證明
定理(加法性)。 設 f f f 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上黎曼可積 ,且 c ∈ ( a , b ) c \in (a, b) c ∈ ( a , b ) 。則 f f f 在 [ a , c ] [a, c] [ a , c ] 與 [ c , b ] [c, b] [ c , b ] 上均可積,且
∫ a b f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x + ∫ c b f ( x ) d x . \int_a^b f(x)\,dx \;=\; \int_a^c f(x)\,dx \;+\; \int_c^b f(x)\,dx. ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x + ∫ c b f ( x ) d x .
證明。 回顧:f f f 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上可積若且唯若對任意 ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,存在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 的分割 P P P 使得 U ( f , P ) − L ( f , P ) < ε U(f, P) - L(f, P) < \varepsilon U ( f , P ) − L ( f , P ) < ε ,其中 U U U 與 L L L 分別表示上、下達布和 。
第一步——插入 c c c 加細分割。
設 P P P 為 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 的任意分割,令 P ∗ = P ∪ { c } P^* = P \cup \{c\} P ∗ = P ∪ { c } 為插入點 c c c 後所得的分割。若 c c c 已在 P P P 中,則 P ∗ = P P^* = P P ∗ = P 。否則 c c c 落在 P P P 的某個子區間 [ x k − 1 , x k ] [x_{k-1}, x_k] [ x k − 1 , x k ] 的內部,被分成 [ x k − 1 , c ] [x_{k-1}, c] [ x k − 1 , c ] 與 [ c , x k ] [c, x_k] [ c , x k ] 兩段。對於上和,原區間的上確界滿足
M k = sup [ x k − 1 , x k ] f ≥ sup [ x k − 1 , c ] f 及 M k ≥ sup [ c , x k ] f , M_k \;=\; \sup_{[x_{k-1},x_k]} f \;\geq\; \sup_{[x_{k-1},c]} f \quad\text{及}\quad M_k \;\geq\; \sup_{[c,x_k]} f, M k = [ x k − 1 , x k ] sup f ≥ [ x k − 1 , c ] sup f 及 M k ≥ [ c , x k ] sup f ,
因此以兩個較小(或相等)的項取代 M k ( x k − x k − 1 ) M_k(x_k - x_{k-1}) M k ( x k − x k − 1 ) 只會使上和減少:U ( f , P ∗ ) ≤ U ( f , P ) U(f, P^*) \leq U(f, P) U ( f , P ∗ ) ≤ U ( f , P ) 。對下確界做類比論證得 L ( f , P ∗ ) ≥ L ( f , P ) L(f, P^*) \geq L(f, P) L ( f , P ∗ ) ≥ L ( f , P ) 。從而
U ( f , P ∗ ) − L ( f , P ∗ ) ≤ U ( f , P ) − L ( f , P ) . U(f, P^*) - L(f, P^*) \;\leq\; U(f, P) - L(f, P). U ( f , P ∗ ) − L ( f , P ∗ ) ≤ U ( f , P ) − L ( f , P ) .
第二步——子區間上的可積性。
由於 f f f 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上可積,對任意 ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,取 P P P 使得 U ( f , P ) − L ( f , P ) < ε U(f,P) - L(f,P) < \varepsilon U ( f , P ) − L ( f , P ) < ε 。如上加細至 P ∗ P^* P ∗ ,令 P 1 ≔ P ∗ ∩ [ a , c ] P_1 \coloneqq P^* \cap [a, c] P 1 : = P ∗ ∩ [ a , c ] ,P 2 ≔ P ∗ ∩ [ c , b ] P_2 \coloneqq P^* \cap [c, b] P 2 : = P ∗ ∩ [ c , b ] 。達布和可以精確拆分:
U ( f , P ∗ ) = U ( f , P 1 ) + U ( f , P 2 ) , L ( f , P ∗ ) = L ( f , P 1 ) + L ( f , P 2 ) . U(f, P^*) = U(f, P_1) + U(f, P_2), \qquad L(f, P^*) = L(f, P_1) + L(f, P_2). U ( f , P ∗ ) = U ( f , P 1 ) + U ( f , P 2 ) , L ( f , P ∗ ) = L ( f , P 1 ) + L ( f , P 2 ) .
由於各項均非負,
U ( f , P 1 ) − L ( f , P 1 ) ≤ U ( f , P ∗ ) − L ( f , P ∗ ) < ε , U(f, P_1) - L(f, P_1) \;\leq\; U(f, P^*) - L(f, P^*) < \varepsilon, U ( f , P 1 ) − L ( f , P 1 ) ≤ U ( f , P ∗ ) − L ( f , P ∗ ) < ε ,
對 P 2 P_2 P 2 同理。由於 ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 任意,f f f 在 [ a , c ] [a, c] [ a , c ] 與 [ c , b ] [c, b] [ c , b ] 上均可積。
第三步——加法公式。
記 I ≔ ∫ a b f I \coloneqq \int_a^b f I : = ∫ a b f ,I 1 ≔ ∫ a c f I_1 \coloneqq \int_a^c f I 1 : = ∫ a c f ,I 2 ≔ ∫ c b f I_2 \coloneqq \int_c^b f I 2 : = ∫ c b f 。對 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 的任意包含 c c c 的分割 P ∗ P^* P ∗ :
L ( f , P 1 ) + L ( f , P 2 ) ≤ I 1 + I 2 ≤ U ( f , P 1 ) + U ( f , P 2 ) . L(f, P_1) + L(f, P_2) \;\leq\; I_1 + I_2 \;\leq\; U(f, P_1) + U(f, P_2). L ( f , P 1 ) + L ( f , P 2 ) ≤ I 1 + I 2 ≤ U ( f , P 1 ) + U ( f , P 2 ) .
兩端分別等於 L ( f , P ∗ ) L(f, P^*) L ( f , P ∗ ) 與 U ( f , P ∗ ) U(f, P^*) U ( f , P ∗ ) ,且當 P ∗ P^* P ∗ 的網格寬趨於零時,二者均收斂至 I I I 。故 I 1 + I 2 = I I_1 + I_2 = I I 1 + I 2 = I 。□ \square □
方向約定與帶號積分
達布定義隱含 a < b a < b a < b 。為統一處理所有端點順序,採用如下約定:
∫ a a f ( x ) d x ≔ 0 , ∫ b a f ( x ) d x ≔ − ∫ a b f ( x ) d x ( a < b ) . \int_a^a f(x)\,dx \;\coloneqq\; 0, \qquad \int_b^a f(x)\,dx \;\coloneqq\; -\int_a^b f(x)\,dx \quad (a < b). ∫ a a f ( x ) d x : = 0 , ∫ b a f ( x ) d x : = − ∫ a b f ( x ) d x ( a < b ) .
有了這些約定,加法公式 ∫ a b f = ∫ a c f + ∫ c b f \int_a^b f = \int_a^c f + \int_c^b f ∫ a b f = ∫ a c f + ∫ c b f 對實數線上 a a a 、b b b 、c c c 的任意 排列均成立。以 c < a < b c < a < b c < a < b 為例:
∫ a b f = ∫ c b f − ∫ c a f = ∫ c b f + ∫ a c f , \int_a^b f \;=\; \int_c^b f - \int_c^a f \;=\; \int_c^b f + \int_a^c f, ∫ a b f = ∫ c b f − ∫ c a f = ∫ c b f + ∫ a c f ,
這正是將 c c c 與 a a a 的角色互換後的原始加法公式。其他情形可類似推導。帶號約定確保你可以自由插入或移除中間積分限,而無需追蹤哪個端點更大。
積分上限函數
在積分域內固定基點 a a a ,定義
F ( x ) ≔ ∫ a x f ( t ) d t F(x) \;\coloneqq\; \int_a^x f(t)\,dt F ( x ) : = ∫ a x f ( t ) d t
對 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上的所有 x x x 成立。這是以 a a a 為基點的 f f f 的積分上限函數(variable-upper-limit function) (也稱積分函數 )。
良定義性。 對 [ a , x ] ⊂ [ a , b ] [a, x] \subset [a, b] [ a , x ] ⊂ [ a , b ] 應用加法性,f f f 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上的可積性即蘊含其在 [ a , x ] [a, x] [ a , x ] 上對每個 x ∈ [ a , b ] x \in [a, b] x ∈ [ a , b ] 均可積。因此 F ( x ) F(x) F ( x ) 對每個這樣的 x x x 均是良定義的實數。
更換基點。 若將 a a a 替換為另一個基點 a ′ a' a ′ ,所得函數 F a ′ ( x ) = ∫ a ′ x f ( t ) d t F_{a'}(x) = \int_{a'}^x f(t)\,dt F a ′ ( x ) = ∫ a ′ x f ( t ) d t 滿足
F a ′ ( x ) = F ( x ) − F ( a ′ ) ⏟ 常數 = F ( x ) + C . F_{a'}(x) \;=\; F(x) \;-\; \underbrace{F(a')}_{\text{常數}} \;=\; F(x) + C. F a ′ ( x ) = F ( x ) − 常數 F ( a ′ ) = F ( x ) + C .
更換基點使 F F F 平移一個常數。這是原函數只在差一個加性常數的意義下唯一 這一主題的第一個提示——在原函數 章節中將完整展開。
函數 F F F 是通往牛頓–萊布尼茲公式的關鍵橋樑:當 f f f 連續時,F F F 可微且 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x) = f(x) F ′ ( x ) = f ( x ) ,這意味著 F F F 是 f f f 的原函數。
計算範例:分段線性函數
考慮帳篷函數
f ( x ) = { x 0 ≤ x ≤ 1 , 2 − x 1 < x ≤ 2. f(x) \;=\; \begin{cases} x & 0 \leq x \leq 1, \\ 2 - x & 1 < x \leq 2. \end{cases} f ( x ) = { x 2 − x 0 ≤ x ≤ 1 , 1 < x ≤ 2.
它在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上從 0 0 0 線性上升至 1 1 1 ,再在 [ 1 , 2 ] [1,2] [ 1 , 2 ] 上下降回 0 0 0 。在 c = 1 c = 1 c = 1 處應用加法性:
∫ 0 2 f ( x ) d x = ∫ 0 1 x d x + ∫ 1 2 ( 2 − x ) d x . \int_0^2 f(x)\,dx \;=\; \int_0^1 x\,dx \;+\; \int_1^2 (2-x)\,dx. ∫ 0 2 f ( x ) d x = ∫ 0 1 x d x + ∫ 1 2 ( 2 − x ) d x .
每段的圖形是底為 1 1 1 、高為 1 1 1 的直角三角形,故每個積分均等於 1 2 ( 1 ) ( 1 ) = 1 2 \tfrac{1}{2}(1)(1) = \tfrac{1}{2} 2 1 ( 1 ) ( 1 ) = 2 1 。因此
∫ 0 2 f ( x ) d x = 1 2 + 1 2 = 1. \int_0^2 f(x)\,dx \;=\; \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \;=\; 1. ∫ 0 2 f ( x ) d x = 2 1 + 2 1 = 1.
現在用積分上限函數追蹤累積面積的增長過程。對 x ∈ [ 0 , 1 ] x \in [0,1] x ∈ [ 0 , 1 ] ,
F ( x ) = ∫ 0 x t d t = x 2 2 . F(x) = \int_0^x t\,dt = \frac{x^2}{2}. F ( x ) = ∫ 0 x t d t = 2 x 2 .
對 x ∈ [ 1 , 2 ] x \in [1,2] x ∈ [ 1 , 2 ] ,在 1 1 1 處切分:
F ( x ) = ∫ 0 1 t d t + ∫ 1 x ( 2 − t ) d t = 1 2 + [ 2 t − t 2 2 ] 1 x = 1 2 + 2 x − x 2 2 − 3 2 = 2 x − x 2 2 − 1. F(x) = \int_0^1 t\,dt + \int_1^x (2-t)\,dt = \frac{1}{2} + \left[2t - \frac{t^2}{2}\right]_1^x = \frac{1}{2} + 2x - \frac{x^2}{2} - \frac{3}{2} = 2x - \frac{x^2}{2} - 1. F ( x ) = ∫ 0 1 t d t + ∫ 1 x ( 2 − t ) d t = 2 1 + [ 2 t − 2 t 2 ] 1 x = 2 1 + 2 x − 2 x 2 − 2 3 = 2 x − 2 x 2 − 1.
可驗證 F ( 0 ) = 0 F(0) = 0 F ( 0 ) = 0 ,F ( 1 ) = 1 2 F(1) = \tfrac{1}{2} F ( 1 ) = 2 1 ,F ( 2 ) = 1 F(2) = 1 F ( 2 ) = 1 ,與上面計算的面積一致。
摘要
加法性 :若 f f f 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上可積且 c ∈ ( a , b ) c \in (a, b) c ∈ ( a , b ) ,則 f f f 在 [ a , c ] [a, c] [ a , c ] 與 [ c , b ] [c, b] [ c , b ] 上均可積,且 ∫ a b f = ∫ a c f + ∫ c b f \int_a^b f = \int_a^c f + \int_c^b f ∫ a b f = ∫ a c f + ∫ c b f 。
證明 :在任意分割中插入 c c c (此操作不增加 U − L U - L U − L ),在 c c c 處精確拆分各和,再取極限。
方向約定 :∫ a a f ≔ 0 \int_a^a f \coloneqq 0 ∫ a a f : = 0 ,∫ b a f ≔ − ∫ a b f \int_b^a f \coloneqq -\int_a^b f ∫ b a f : = − ∫ a b f ,使加法性對 a , b , c a, b, c a , b , c 的任意排列均成立。
積分上限函數 :F ( x ) ≔ ∫ a x f ( t ) d t F(x) \coloneqq \int_a^x f(t)\,dt F ( x ) : = ∫ a x f ( t ) d t 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上良定義;更換基點使 F F F 平移一個常數。
F F F 是通往牛頓–萊布尼茲公式的橋樑:對連續的 f f f ,有 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x) = f(x) F ′ ( x ) = f ( x ) 。