微積分基本定理(簡)

是一個在 [a, b] 閉區間內有定義的正值連續函數, 更進一步,我們假設它在 (a, b) 開區間內可微。令 在 [a, b] 內的積函數。取 x 是 (a, b) 內的任意一點, 我們考慮 F 在 x 的導數:



因為 意思是說 在 [a, x+h] 區間內的積值,而 意思是說 在 [a, x] 區間內的積值,所以很明顯地, 的意思就是 xx+h 之間的積值 (也就是面積)。 我們在這裡不能說 [x, x+h] 區間內的積值, 因為 h 可能是正數也可能是負數,所以不一定 x+hx 的右邊或左邊。

因為 h 是要趨近於 0 的,所以可以假設它很小。又因為 是可微的,所以它在一段很小區間內的函數曲線幾乎是一條直線。 這條直線若不是漸增,就是漸減。因此,若不是



就是


兩者總有一個是對的 (以上的 s 只在 xx+h 之間考慮)。 因為兩者的論述是完全一樣的,所以我們假設前者成立。 那麼,我們就知道 xx+h 之間的面積, 比同樣區間內以 為高的矩形面積大,比同樣區間內以 為高的矩形面積小,也就是


因此


因為 根本不隨 h 而變化,也就是說,對於自變量 h 而言, 是一個常數函數,所以


另一方面,因為 是連續函數,所以


現在,可以呼叫夾擊定理了。根據夾擊定理,我們得到


這個結果對所有 都成立,所以說 在 (a, b) 區間內的導函數就是 簡記做


或者


這就是我們的「簡單版」微積分基本定理 (the fundamental theorem of calculus)。

前面所謂的「簡單版」簡單在哪裡呢? 也就是說,所謂「完整版」多了什麼? 其實,完整版就是說,原函數 不必可微,也不必是正值,就可以證明上面的 (A) 式了。 其實,要去掉「正值」假設並不困難,但是要去掉「可微」假設就需要多一點兒工夫了。 我們別處再談。現在,雖然我們只證明了簡單版,卻假設完整版成立:

假設 在 [a, b] 區間內是一個連續函數,則 (A) 式成立。
微積分基本定理說明了
積函數的導函數是原函數
也可以說
積分與微分互為逆運算
還可以說
曲線下面積的瞬間變化率是函數值本身
這個定理的精要與微妙處,還需要學習者日久天長去慢慢體會。

習題

  1. 默寫微積分基本定理 (所謂的「完整版」)。
  2. 請問 在 [0, 1] 內的積函數是什麼?
  3. 請問 在 [1, 2] 內的積函數是什麼? 小心,這個題目有陷阱,注意積函數在 x = 1 處必須是 0。

Created: Nov 15, 1996
Last Revised: Aug 3, 2001
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