另一个第一类间断点类别(可去间断点)
f(x)在x=x0的某个去心邻域U˚(x0,δ)内有定义f(x)在x=x_0的某个去心邻域\mathring{U}(x_0,\delta)内有定义f(x)在x=x0的某个去心邻域U˚(x0,δ)内有定义
Lx0=limx→x0f(x)L_{x_0}=\lim\limits_{x\to{x_0}}f(x)Lx0=x→x0limf(x)存在
即:limx→x0−f(x)=limx→x0+f(x)=Lx0时才有:Lx0=limx→x0f(x)即:\lim_{x\to{x_0^{-}}}f(x)=\lim_{x\to{x_0^+}}f(x)=L_{x_0}时 \\ 才有:L_{x_0}=\lim\limits_{x\to{x_0}}f(x) 即:x→x0−limf(x)=x→x0+limf(x)=Lx0时才有:Lx0=x→x0limf(x)
往往分段函数有可能存在这类可去间断点
且f(x0)≠Lx0f(x_0)\neq{L_{x_0}}f(x0)=Lx0或f(x)在x=x0f(x)在x=x_0f(x)在x=x0处无定义,都属于可去间断点
limx→x0−f(x)=f(x0−)=Alimx→x0+f(x)=f(x0+)=BA≠B\lim_{x\to{x_0^{-}}}f(x)=f(x_0^{-})=A \\ \lim_{x\to{x_0^{+}}}f(x)=f(x_0^{+})=B \\A\neq{B} x→x0−limf(x)=f(x0−)=Ax→x0+limf(x)=f(x0+)=BA=B
可去间断点
跳跃间断点的案例(x=x0=0x=x_0=0x=x0=0处)
处处有定义,但是某点的极限不存在的案例:
sgn(x):={−1if x<0,0if x=0,1if x>0.{\displaystyle \operatorname {sgn} (x):={\begin{cases}-1&{\text{if }}x<0, \\0&{\text{if }}x=0, \\1&{\text{if }}x>0. \end{cases}}} sgn(x):=⎩⎨⎧−101if x<0,if x=0,if x>0.
g(x)={−1if x<0,1if x>0.{\displaystyle \operatorname {g} (x)={\begin{cases}-1&{\text{if }}x<0, \\1&{\text{if }}x>0. \end{cases}}} g(x)={−11if x<0,if x>0.
如果f(x)在x=x0的某个去心邻域U˚(x0,δ)内有定义f(x)在x=x_0的某个去心邻域\mathring{U}(x_0,\delta)内有定义f(x)在x=x0的某个去心邻域U˚(x0,δ)内有定义
limx→x0−f(x)和limx→x0+f(x)至少有一个不存在称x=x0为f(x)的第二类间断点\lim_{x\to{x_0^{-}}}f(x)和\lim_{x\to{x_0^{+}}}f(x)至少有一个\huge不存在 \\ 称x=x_0为f(x)的第二类间断点 x→x0−limf(x)和x→x0+limf(x)至少有一个不存在称x=x0为f(x)的第二类间断点
第二类间断点由可以分为

设f(x)在[a,b]上连续设f(x)在[a,b]上连续设f(x)在[a,b]上连续
积分上限的函数G(x)=∫axf(t)dtG(x)=\displaystyle{\int_{a}^{x}f(t)dt}G(x)=∫axf(t)dt
G(x)在[a,b]上可导G(x)在[a,b]上可导G(x)在[a,b]上可导
G′(x)=ddx∫axf(t)dt=f(x),x∈[a,b]G'(x)=\frac{d}{dx}\displaystyle{\int_{a}^{x}f(t)dt}=f(x),x\in[a,b]G′(x)=dxd∫axf(t)dt=f(x),x∈[a,b]
定理表明
证明:
可以分为三个部分进行证明(区间内部@区间左边界@区间有边界)
x∈(a,b)x\in(a,b)x∈(a,b)
x=ax=ax=a
x=bx=bx=b
若x∈(a,b),且x+Δx∈(a,b)记:ΔG(x)=G(x+Δx)−G(x)=∫ax+Δxf(t)dt−∫axf(t)dt=∫ax+Δxf(t)dt+∫xaf(t)dt=∫xx+Δxf(t)dt由积分中值定理:[x,x+Δx]存在一点ξ,使得:ΔG(x)=∫xx+Δxf(t)dt=f(ξ)Δx1ΔxΔG(x)=1Δx∫xx+Δxf(t)dt=f(ξ)Δx→0时,x+Δx→x又因为ξ∈[x,x+Δx],则ξ→x(Δx→0)若x\in(a,b),且x+\Delta{x}\in(a,b) \\ 记:\Delta{G(x)}=G(x+\Delta{x})-G(x) \\=\displaystyle{\int_{a}^{x+\Delta{x}}f(t)dt}-\displaystyle{\int_{a}^{x}f(t)dt} \\=\displaystyle{\int_{a}^{x+\Delta{x}}f(t)dt} +\displaystyle{\int_{x}^{a}f(t)dt} \\=\displaystyle{\int_{x}^{x+\Delta{x}}f(t)dt} \\由积分中值定理: [x,x+\Delta{x}]存在一点\xi,使得: \\ \Delta{G(x)}=\displaystyle{\int_{x}^{x+\Delta{x}}f(t)dt}=f(\xi)\Delta{x} \\ \frac{1}{\Delta{x}}\Delta{G(x)} =\frac{1}{\Delta{x}}\displaystyle{\int_{x}^{x+\Delta{x}}f(t)dt} =f(\xi) \\\Delta{x}\to{0}时,x+\Delta{x}\to{x} \\又因为\xi\in{[x,x+\Delta{x}]},则\xi\to{x}(\Delta{x}\to{0}) 若x∈(a,b),且x+Δx∈(a,b)记:ΔG(x)=G(x+Δx)−G(x)=∫ax+Δxf(t)dt−∫axf(t)dt=∫ax+Δxf(t)dt+∫xaf(t)dt=∫xx+Δxf(t)dt由积分中值定理:[x,x+Δx]存在一点ξ,使得:ΔG(x)=∫xx+Δxf(t)dt=f(ξ)ΔxΔx1ΔG(x)=Δx1∫xx+Δxf(t)dt=f(ξ)Δx→0时,x+Δx→x又因为ξ∈[x,x+Δx],则ξ→x(Δx→0)
由导数的定义(极限),将ξ视为变量G′(x)=limΔx→0ΔG(x)Δx=limξ→xf(ξ)由于f(x)在[a,b]内是连续的,[x,x+Δx]⊂(a,b)自然也是连续的根据一元连续函数的性质,那么有limξ→xf(ξ)=f(x)∴G′(x)=ddx∫axf(t)dt=f(x)(x∈(a,b)由导数的定义(极限),将\xi视为变量 \\ G^{'}(x)=\lim_{\Delta{x}\to{0}}\frac{\Delta{G(x)}}{\Delta{x}} \\=\lim_{\xi\to{x}}f(\xi) \\由于f(x)在[a,b]内是连续的,[x,x+\Delta{x}]\sub(a,b)自然也是连续的 \\根据一元连续函数的性质,那么有\lim_{\xi\to{x}}f(\xi)=f(x) \\\therefore G'(x)=\frac{d}{dx}\int_{a}^{x}f(t)dt=f(x)(x\in(a,b) 由导数的定义(极限),将ξ视为变量G′(x)=Δx→0limΔxΔG(x)=ξ→xlimf(ξ)由于f(x)在[a,b]内是连续的,[x,x+Δx]⊂(a,b)自然也是连续的根据一元连续函数的性质,那么有ξ→xlimf(ξ)=f(x)∴G′(x)=dxd∫axf(t)dt=f(x)(x∈(a,b)
进一步分类讨论:x=a,取Δx>0;可以得到右导数G+′(a)=f(a);x=b,取Δx<0;左导数:G−′(b)=f(b)从而得到G′(x)=f(x)进一步分类讨论: \\x=a,取\Delta{x}>0;可以得到右导数G'_+(a)=f(a); \\x=b,取\Delta{x}<0;左导数:G'_-(b)=f(b) \\从而得到G'(x)=f(x) 进一步分类讨论:x=a,取Δx>0;可以得到右导数G+′(a)=f(a);x=b,取Δx<0;左导数:G−′(b)=f(b)从而得到G′(x)=f(x)
变上限积分与原函数的关系
设f(x)在[a,b]上连续;G(x)=∫axf(t)dt设f(x)在[a,b]上连续;G(x)=\displaystyle{\int_{a}^{x}f(t)dt}设f(x)在[a,b]上连续;G(x)=∫axf(t)dt
如果f(x)f(x)f(x)在区间D=[a,b]D=[a,b]D=[a,b]上除了点x=x0∈(a,b)x=x_0\in(a,b)x=x0∈(a,b)外均连续,而在x=x0x=x_0x=x0出f(x)f(x)f(x)有跳跃间断点:
记
F(x)=∫cxf(t)dtF(x)=\int_{c}^{x}f(t)dt F(x)=∫cxf(t)dt
∀c∈D\forall c\in{D}∀c∈D,均有结论
例
f(x)={sinx,x⩽0ex,x>0记:F(x)=∫−πxf(t)dtf(x)= \begin{cases} \sin{x},x\leqslant{0} \\ e^x,x>0 \end{cases} \\ 记:F(x)=\int_{-\pi}^{x}f(t)d{t} f(x)={sinx,x⩽0ex,x>0记:F(x)=∫−πxf(t)dt
分段函数积分
F(x)=∫−πxf(t)dt={∫−πxsintdt=−cosx−1(x⩽0)∫−π0sintdt+∫0xetdt=−2+ex−1=ex−3(x>0)F(x)=\int_{-\pi}^{x}f(t)d{t}= \begin{cases} \int_{-\pi}^{x}\sin{t}dt=-\cos{x}-1(x\leqslant{0}) \\ \int_{-\pi}^{0}\sin{t}dt+\int_{0}^{x}e^tdt=-2+e^{x}-1=e^x-3(x>0) \end{cases} F(x)=∫−πxf(t)dt={∫−πxsintdt=−cosx−1(x⩽0)∫−π0sintdt+∫0xetdt=−2+ex−1=ex−3(x>0)
设f(x)f(x)f(x)在[a,b]上连续,且f(x)>0f(x)>0f(x)>0,G(x)=∫axf(t)dt+∫bx1f(t)dtG(x)=\int_{a}^{x}f(t)d{t}+\int_{b}^{x}\frac{1}{f(t)}dtG(x)=∫axf(t)dt+∫bxf(t)1dt
求证
对G(x)对G(x)对G(x)两边对x求导
G′(x)=f(x)+1f(x)由于f(x)>0再由基本不等式得出G′(x)⩾2f(x)⋅1f(x)=2G'(x)=f(x)+\frac{1}{f(x)} \\由于f(x)>0 \\ 再由基本不等式得出G'(x)\geqslant{2}\sqrt{f(x)\cdot{\frac{1}{f(x)}}}=2 G′(x)=f(x)+f(x)1由于f(x)>0再由基本不等式得出G′(x)⩾2f(x)⋅f(x)1=2
由于G(a)=∫ba1f(t)dt=−∫ab1f(t)dt<0G(b)=∫abf(t)dt>0故由零点定理知,G(x)=0在(a,b)内至少存在一个根而G′(x)>0,G(x)在[a,b]上单调增加,所以G(x)=0在(a,b)内仅有一个根由于G(a)=\int_{b}^{a}\frac{1}{f(t)}dt=-\int_{a}^{b}\frac{1}{f(t)}dt<0 \\ G(b)=\int_{a}^{b}f(t)dt>0 \\故由零点定理知,G(x)=0在(a,b)内至少存在一个根 \\而G'(x)>0,G(x)在[a,b]上单调增加,所以G(x)=0在(a,b)内仅有一个根 由于G(a)=∫baf(t)1dt=−∫abf(t)1dt<0G(b)=∫abf(t)dt>0故由零点定理知,G(x)=0在(a,b)内至少存在一个根而G′(x)>0,G(x)在[a,b]上单调增加,所以G(x)=0在(a,b)内仅有一个根
limx→0(1x2∫cosx1e−t2dt)\lim\limits_{x\to{0}}\left(\frac{1}{x^2}\int_{\cos{x}}^{1}e^{-t^2}d{t}\right) x→0lim(x21∫cosx1e−t2dt)
容易发现上述极限是00型考虑使用LHopital法则由于(可以令u=cosx,符合函数求导)ddx∫cosx1e−t2dt=−ddx∫1cosxe−t2dt=−ddu∫1ue−t2dt⋅dudx=−(e−u2)(−sinx)=sinxe−cos2x容易发现上述极限是\frac{0}{0}型 \\考虑使用LHopital法则 \\ 由于(可以令u=\cos{x},符合函数求导) \\ \frac{d}{dx}\int_{\cos{x}}^{1}e^{-t^2}dt =-\frac{d}{dx}\int_{1}^{\cos{x}}e^{-t^2}dt \\=-\frac{d}{du}\int_{1}^{u}e^{-t^2}dt\cdot{\frac{du}{dx}} \\=-(e^{-u^2})(-\sin{x}) =\sin{x}e^{-\cos^{2}{x}} 容易发现上述极限是00型考虑使用LHopital法则由于(可以令u=cosx,符合函数求导)dxd∫cosx1e−t2dt=−dxd∫1cosxe−t2dt=−dud∫1ue−t2dt⋅dxdu=−(e−u2)(−sinx)=sinxe−cos2x
limx→0(1x2∫cosx1e−t2dt)=limx→0sinxe−cos2x2x=12e\lim\limits_{x\to{0}}\left(\frac{1}{x^2}\int_{\cos{x}}^{1}e^{-t^2}d{t}\right) =\lim_{x\to{0}}\frac{\sin{x}e^{-\cos^2{x}}}{2x}=\frac{1}{2e} x→0lim(x21∫cosx1e−t2dt)=x→0lim2xsinxe−cos2x=2e1
也就是赫赫有名的牛顿-莱布尼兹公式
如果F(x)F(x)F(x)是连续函数f(x)f(x)f(x)在区间[a,b][a,b][a,b],上的一个原函数
根据微积分第一基本定理:
G(x)=∫axf(t)dtG(x)=\int_{a}^{x}f(t)dt G(x)=∫axf(t)dt
是连续函数f(x)f(x)f(x)的一个原函数
两个原函数F(x)−G(x)F(x)-G(x)F(x)−G(x)在[a,b][a,b][a,b]上必定是某个常数C
G(b)=∫abf(x)dxG(a)=0G(b)−G(a)=G(b)∫abf(x)dx=G(b)−G(a)=[F(b)+C]−[F(a)+C]=F(b)−F(a)G(b)=\int_{a}^{b}f(x)dx \\ G(a)=0 \\G(b)-G(a)=G(b) \\ \int_{a}^{b}f(x)dx=G(b)-G(a)=[F(b)+C]-[F(a)+C]=F(b)-F(a) G(b)=∫abf(x)dxG(a)=0G(b)−G(a)=G(b)∫abf(x)dx=G(b)−G(a)=[F(b)+C]−[F(a)+C]=F(b)−F(a)
记:F(x)∣ab=F(b)−F(a)∫abf(x)dx=F(x)∣ab记:\left.F(x)\right|_{a}^{b}=F(b)-F(a) \\\int_{a}^{b}f(x)dx=\left.F(x)\right|_{a}^{b} 记:F(x)∣ab=F(b)−F(a)∫abf(x)dx=F(x)∣ab
利用微积分第一基本定理以及复合函数求导准则,定积分的分段积分性质,可以得到公式
设F(x)=∫ϕ1(x)ϕ2xf(t)dt设F(x)=\int_{\phi_1(x)}^{\phi_2{x}}f(t)dt设F(x)=∫ϕ1(x)ϕ2xf(t)dt其中f(x)在[a,b]f(x)在[a,b]f(x)在[a,b]上来连续
可到函数ϕ1(x)和ϕ2(x)\phi_1(x)和\phi_2(x)ϕ1(x)和ϕ2(x)的值域在[a,b]上
则函数ϕ1(x)\phi_1(x)ϕ1(x)和ϕ2(x)\phi_2(x)ϕ2(x)的公共定义域上有
F′(x)=ddx∫ϕ1(x)ϕ2(x)f(t)dt=f(ϕ2(x))ϕ2′(x)−f(ϕ1(x))ϕ1′(x)=∑i=12(−1)if(ϕi(x))ϕi′(x)展示一下抽象能力😊F'(x)=\frac{d}{dx}\int_{\phi_1(x)}^{\phi_2(x)}f(t)dt =f(\phi_2(x))\phi'_2(x)-f(\phi_1(x))\phi'_1(x) \\=\sum_{i=1}^{2}(-1)^{i}f(\phi_i(x))\phi_i'(x) \\展示一下抽象能力😊 F′(x)=dxd∫ϕ1(x)ϕ2(x)f(t)dt=f(ϕ2(x))ϕ2′(x)−f(ϕ1(x))ϕ1′(x)=i=1∑2(−1)if(ϕi(x))ϕi′(x)展示一下抽象能力😊
称xxx求导变量
称ttt为积分变量
∫ϕ1(x)ϕ2(x)f(t)dt=∫ϕ1(x)ξf(t)dt+∫ξϕ2(x)f(t)dt=−∫ξϕ1(x)f(t)dt+∫ξϕ2(x)f(t)dt(ξ∈[a,b])对两边求导,可得到上述公式\int_{\phi_1(x)}^{\phi_2(x)}f(t)dt =\int_{\phi_1(x)}^{\xi}f(t)dt+\int_{\xi}^{\phi_2(x)}f(t)dt \\=-\int^{\phi_1(x)}_{\xi}f(t)dt+\int_{\xi}^{\phi_2(x)}f(t)dt \\(\xi\in[a,b]) \\对两边求导,可得到上述公式 ∫ϕ1(x)ϕ2(x)f(t)dt=∫ϕ1(x)ξf(t)dt+∫ξϕ2(x)f(t)dt=−∫ξϕ1(x)f(t)dt+∫ξϕ2(x)f(t)dt(ξ∈[a,b])对两边求导,可得到上述公式
设f(x)f(x)f(x)具有连续导数,求S=ddx∫ax(x−t)f′(t)dtS=\frac{d}{dx}\int_{a}^{x}(x-t)f'(t)dtS=dxd∫ax(x−t)f′(t)dt
首先将求导变量x移出被积分函数(x−t)f′(t)(x-t)f'(t)(x−t)f′(t)
∫ax(x−t)f′(t)dt=∫axxf′(t)dt−∫axtf′(t)dt=x∫axf′(t)dt−∫axtf′(t)dt\int_{a}^{x}(x-t)f'(t)dt =\int_{a}^{x}xf'(t)dt-\int_{a}^{x}tf'(t)dt \\ =x\int_{a}^{x}f'(t)dt-\int_{a}^{x}tf'(t)dt ∫ax(x−t)f′(t)dt=∫axxf′(t)dt−∫axtf′(t)dt=x∫axf′(t)dt−∫axtf′(t)dt
对两边求导得到S=∫axf′(t)dt+xf′(x)−xf′(x)=f(x)−f(a)S=\int_{a}^{x}f'(t)dt+xf'(x)-xf'(x)=f(x)-f(a)S=∫axf′(t)dt+xf′(x)−xf′(x)=f(x)−f(a)