原函數(反導函數)

Basis
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微分將一個函數變成它的變化率。原函數則反過來:給定一個變化率,要求重建原來的函數。這個反問題是積分理論的出發點,在從速度求距離、從加速度求位移、或從已知增長率求數量時自然出現。

定義

定義。ff 在區間 IRI \subseteq \mathbb{R} 上有定義。若可微函數 F:IRF : I \to \mathbb{R} 滿足

F(x)=f(x)對所有 xIF'(x) = f(x) \quad \text{對所有 } x \in I,

則稱 FFffII 上的原函數(primitive)(又稱反導函數(antiderivative))。

例子。

  • F(x)=x33F(x) = \tfrac{x^3}{3}f(x)=x2f(x) = x^2R\mathbb{R} 上的原函數,因為 (x33)=x2\bigl(\tfrac{x^3}{3}\bigr)' = x^2
  • F(x)=sinxF(x) = \sin xf(x)=cosxf(x) = \cos xR\mathbb{R} 上的原函數。
  • F(x)=lnxF(x) = \ln xf(x)=1xf(x) = \tfrac{1}{x}(0,)(0, \infty) 上的原函數。
  • 函數 f(x)=sgn(x)f(x) = \operatorname{sgn}(x)(符號函數)在任何包含 00 的區間上均無原函數,因為導數不能有跳躍間斷點(由 Darboux 定理)。

原函數相差一個常數

一旦有了一個原函數 FF,就能得到無窮多個:對任意常數 CRC \in \mathbb{R}F(x)+CF(x) + C 也是原函數。下面的定理說明這些是全部的原函數。

定理。FFGG 都是 ff 在區間 II 上的原函數,則存在常數 CRC \in \mathbb{R} 使得 G(x)F(x)=CG(x) - F(x) = C

證明。HGFH \coloneqq G - F。對所有 xIx \in I

H(x)=G(x)F(x)=f(x)f(x)=0.H'(x) = G'(x) - F'(x) = f(x) - f(x) = 0.

對任意子區間 [x1,x2]I[x_1, x_2] \subset I 施用拉格朗日均值定理:存在 c(x1,x2)c \in (x_1, x_2) 使得

H(x2)H(x1)=H(c)(x2x1)=0(x2x1)=0.H(x_2) - H(x_1) = H'(c)(x_2 - x_1) = 0 \cdot (x_2 - x_1) = 0.

因為 x1,x2Ix_1, x_2 \in I 是任意的,HHII 上任意兩點取值相同,故 HHII 上為常數。\square

區間假設的重要性。 在不連通的定義域(例如兩個不相交開區間的並集)上,導數為零的函數不一定是全局常數——它可以在每個連通分量上取不同的常數值。在不連通定義域上,原函數只在每個分量上唯一至多差一個常數。本節假設 II 是區間(連通的)。

不定積分

ff 的所有原函數構成的族用**不定積分(indefinite integral)**記號表示:

f(x)dx    F(x)+C,\int f(x)\,dx \;\coloneqq\; F(x) + C,

其中 FFff 的某一個原函數,CRC \in \mathbb{R} 是任意常數。符號 dx\int \cdots dx 讀作「\cdots 關於 xx 的不定積分」。

+C+C 不是可省略的裝飾:它記錄了原函數構成一整個族、彼此相差常數這一事實。省去它就意味著聲稱某個特定函數,而非整個族。

不定積分與定積分

這兩種積分記號指的是本質不同的對象:

不定積分 f(x)dx\int f(x)\,dx定積分 abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx
結果函數族 F(x)+CF(x) + C一個實數
取決於被積函數 ff 和變數 xx被積函數 ff 與上下界 a,ba, b
任意常數有——CC 不確定無——值是固定的
所需條件原函數存在ff 的 Riemann 可積性

牛頓-萊布尼茨公式(在下一節中證明)將兩者聯繫起來:若 ff 連續且 FFff 的任一原函數,則 abf(x)dx=F(b)F(a)\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)

基本原函數表

以下原函數由對右側求導直接驗證。每條在右側有定義的區間上成立。

f(x)f(x)f(x)dx\int f(x)\,dx備注
xnx^nn1n \neq -1xn+1n+1+C\dfrac{x^{n+1}}{n+1} + C所有 nRn \in \mathbb{R},若 nZn \notin \mathbb{Z}x>0x > 0
1x\dfrac{1}{x}lnx+C\ln\lvert x\rvert + Cx0x \neq 0xx 正負各有一個常數
exe^xex+Ce^x + C
sinx\sin xcosx+C-\cos x + C
cosx\cos xsinx+C\sin x + C
11+x2\dfrac{1}{1+x^2}arctanx+C\arctan x + C
11x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}arcsinx+C\arcsin x + Cx<1\lvert x\rvert < 1
x\sqrt{x}x>0x > 023x3/2+C\dfrac{2}{3}x^{3/2} + Cxnx^nn=12n = \frac{1}{2} 的特例

可以對右側求導來驗證每一條。例如,(lnx)=1x(\ln\lvert x\rvert)' = \tfrac{1}{x}x0x \neq 0),(cosx)=sinx(-\cos x)' = \sin x

不定積分的線性

因為微分是線性的,求原函數也是線性的。

定理(線性)。FFffII 上的原函數,GGggII 上的原函數,則對任意常數 α,βR\alpha, \beta \in \mathbb{R}

[αf(x)+βg(x)]dx  =  αF(x)+βG(x)+C.\int \bigl[\alpha f(x) + \beta g(x)\bigr]\,dx \;=\; \alpha F(x) + \beta G(x) + C.

證明。 (αF+βG)=αF+βG=αf+βg(\alpha F + \beta G)' = \alpha F' + \beta G' = \alpha f + \beta g\square

例子。 計算 (3x25cosx)dx\displaystyle\int (3x^2 - 5\cos x)\,dx

由線性與原函數表:

(3x25cosx)dx  =  3x335sinx+C  =  x35sinx+C.\int (3x^2 - 5\cos x)\,dx \;=\; 3\cdot\frac{x^3}{3} - 5\sin x + C \;=\; x^3 - 5\sin x + C.

例子。 計算 x3+2xxdx\displaystyle\int \frac{x^3 + 2\sqrt{x}}{x}\,dxx>0x > 0)。

先化簡被積函數:

x3+2xx=x2+2x=x2+2x1/2.\frac{x^3 + 2\sqrt{x}}{x} = x^2 + \frac{2}{\sqrt{x}} = x^2 + 2x^{-1/2}.

再由線性:

 ⁣(x2+2x1/2)dx=x33+2x1/21/2+C=x33+4x+C.\int \!\left(x^2 + 2x^{-1/2}\right)dx = \frac{x^3}{3} + 2\cdot\frac{x^{1/2}}{1/2} + C = \frac{x^3}{3} + 4\sqrt{x} + C.

摘要

  • ff 在區間 II 上的原函數(反導函數)是可微函數 FF,滿足 F=fF' = f
  • ffII 上的任意兩個原函數相差一個常數:若 F=G=fF' = G' = f,則 G=F+CG = F + CCRC \in \mathbb{R})。這由拉格朗日均值定理施用於 GFG - F 得出。
  • 不定積分 f(x)dxF(x)+C\int f(x)\,dx \coloneqq F(x) + C 表示所有原函數構成的族;+C+C 不可省略。
  • 不定積分是函數族;定積分 abf\int_a^b f數值。牛頓-萊布尼茨公式將兩者聯繫起來。
  • 線性(αf+βg)dx=αfdx+βgdx\int (\alpha f + \beta g)\,dx = \alpha \int f\,dx + \beta \int g\,dx(至多差一個常數)。
  • 標準原函數表——冪函數、exe^xsin\sincos\cos1/x1/x、反三角函數——由已知微分公式反向得出。