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定积分原理动画:用黎曼和理解曲线下面积

定积分的核心思想可以概括为四步:分割,近似,求和,取极限。下面的动画先用少量宽矩形近似曲线下方区域,再逐步增加矩形数量。矩形越窄,边缘留下的空隙通常越小,面积和就越接近一个稳定值。

从矩形面积到黎曼和

把区间 [a,b] 分成 n 个小区间,每段宽度记为 Δx。在第 i 段选一个样本点 xᵢ,用高 f(xᵢ),宽 Δx 的矩形近似这一小段的累积量。把所有矩形相加,得到黎曼和:

Sₙ = Σ f(xᵢ*)Δx

当分割越来越细,最大子区间宽度趋近 0,并且函数在该区间可积时,黎曼和的极限就是定积分:

∫ₐᵇ f(x)dx = lim Sₙ

动画从几个矩形增加到上千个矩形,只是在有限屏幕上演示“趋近”的过程;数学中的极限并不是让计算机真的画出无穷多个矩形。

定积分一定是几何面积吗

当 f(x) 在区间内不小于 0 时,定积分可以解释为曲线与 x 轴之间的面积。若函数有一部分位于 x 轴下方,那一部分在积分中记为负值,所以结果是“上方面积减去下方面积”的净值。若题目要求普通几何面积,需要把不同符号区间拆开并取绝对值后再相加。

一个最小示例

对 f(x)=x² 在 [0,1] 上积分,矩形不断细分后,面积和趋近 1/3,因此 ∫₀¹x²dx=1/3。改变取左端点,右端点或中点会影响有限 n 时的误差,但只要满足相应可积条件,分割无限细时都会趋向同一个定积分。

观看动画时重点观察两件事:矩形宽度怎样缩小,以及面积和怎样稳定。这样就能把“无穷小切片”从口号变成可检验的极限过程。

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