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。 設 f 在區間 I⊆R 上有定義。若可微函數 F:I→R 滿足
F′(x)=f(x)對所有 x∈I,
則稱 F 為 f 在 I 上的原函數(primitive)(又稱反導函數(antiderivative))。
例子。
- F(x)=3x3 是 f(x)=x2 在 R 上的原函數,因為 (3x3)′=x2。
- F(x)=sinx 是 f(x)=cosx 在 R 上的原函數。
- F(x)=lnx 是 f(x)=x1 在 (0,∞) 上的原函數。
- 函數 f(x)=sgn(x)(符號函數)在任何包含 0 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 F,就能得到無窮多個:對任意常數 C∈R,F(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。 若 F 和 G 都是 f 在區間 I 上的原函數,則存在常數 C∈R 使得 G(x)−F(x)=C。
證明。 令 H:=G−F。對所有 x∈I,
H′(x)=G′(x)−F′(x)=f(x)−f(x)=0.
對任意子區間 [x1,x2]⊂I 施用拉格朗日均值定理:存在 c∈(x1,x2) 使得
H(x2)−H(x1)=H′(c)(x2−x1)=0⋅(x2−x1)=0.
因為 x1,x2∈I 是任意的,H 在 I 上任意兩點取值相同,故 H 在 I 上為常數。□
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 I 是區間(連通的)。
不定積分
f 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,
其中 F 是 f 的某一個原函數,C∈R 是任意常數。符號 ∫⋯dx 讀作「⋯ 關於 x 的不定積分」。
+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 | 定積分 ∫abf(x)dx |
|---|
| 結果 | 函數族 F(x)+C | 一個實數 |
| 取決於 | 被積函數 f 和變數 x | 被積函數 f 與上下界 a,b |
| 任意常數 | 有——C 不確定 | 無——值是固定的 |
| 所需條件 | 原函數存在 | f 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 f 連續且 F 是 f 的任一原函數,則 ∫abf(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)dx | 備注 |
|---|
| xn(n=−1) | n+1xn+1+C | 所有 n∈R,若 n∈/Z 則 x>0 |
| x1 | ln∣x∣+C | x=0;x 正負各有一個常數 |
| ex | ex+C | |
| sinx | −cosx+C | |
| cosx | sinx+C | |
| 1+x21 | arctanx+C | |
| 1−x21 | arcsinx+C | ∣x∣<1 |
| x(x>0) | 32x3/2+C | xn 在 n=21 的特例 |
可以對右側求導來驗證每一條。例如,(ln∣x∣)′=x1(x=0),(−cosx)′=sinx。
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)。 若 F 是 f 在 I 上的原函數,G 是 g 在 I 上的原函數,則對任意常數 α,β∈R,
∫[αf(x)+βg(x)]dx=αF(x)+βG(x)+C.
證明。 (αF+βG)′=αF′+βG′=αf+βg。□
例子。 計算 ∫(3x2−5cosx)dx。
由線性與原函數表:
∫(3x2−5cosx)dx=3⋅3x3−5sinx+C=x3−5sinx+C.
例子。 計算 ∫xx3+2xdx(x>0)。
先化簡被積函數:
xx3+2x=x2+x2=x2+2x−1/2.
再由線性:
∫(x2+2x−1/2)dx=3x3+2⋅1/2x1/2+C=3x3+4x+C.
摘要
- f 在區間 I 上的原函數(反導函數)是可微函數 F,滿足 F′=f。
- f 在 I 上的任意兩個原函數相差一個常數:若 F′=G′=f,則 G=F+C(C∈R)。這由拉格朗日均值定理施用於 G−F 得出。
- 不定積分 ∫f(x)dx:=F(x)+C 表示所有原函數構成的族;+C 不可省略。
- 不定積分是函數族;定積分 ∫abf 是數值。牛頓-萊布尼茨公式將兩者聯繫起來。
- 線性:∫(αf+βg)dx=α∫fdx+β∫gdx(至多差一個常數)。
- 標準原函數表——冪函數、ex、sin、cos、1/x、反三角函數——由已知微分公式反向得出。