利用积分中值定理

积分中值定理可以用于估计定积分的值。

积分中值定理的应用

应用例子

例子:估计 ∫01e−x2dx\int_0^1 e^{-x^2} dx 的值

解:

  • 由于 e−x2e^{-x^2} 在 [0,1][0,1] 上连续且单调递减
  • 根据积分中值定理,存在 ξ∈[0,1]\xi \in [0,1],使得 ∫01e−x2dx=e−ξ2\int_0^1 e^{-x^2} dx = e^{-\xi^2}
  • 由于 e−1≤e−ξ2≤e0e^{-1} \leq e^{-\xi^2} \leq e^0,所以 0.368≤∫01e−x2dx≤10.368 \leq \int_0^1 e^{-x^2} dx \leq 1

练习题

练习 1

利用积分中值定理估计 ∫02cos⁡xdx\int_0^2 \cos x dx 的值。

积分中值定理定积分积分估计

解题思路:cos⁡x\cos x 在 [0,2][0, 2] 上连续,由积分中值定理存在 ξ∈[0,2]\xi \in [0, 2] 使 ∫02cos⁡xdx=cos⁡ξ⋅(2−0)\int_0^2 \cos x dx = \cos \xi \cdot (2 - 0)。先用原函数把积分本身算成初等函数,再除以区间长度,就定出了中值点处函数值 cos⁡ξ\cos \xi 的数值。

详细步骤:

  1. 由积分中值定理:∫02cos⁡xdx=cos⁡ξ⋅(2−0)=2cos⁡ξ\int_0^2 \cos x dx = \cos \xi \cdot (2 - 0) = 2\cos \xi,其中 ξ∈[0,2]\xi \in [0, 2]。
  2. 直接计算积分:∫02cos⁡xdx=[sin⁡x]02=sin⁡2≈0.909\int_0^2 \cos x dx = [\sin x]_0^2 = \sin 2 \approx 0.909。
  3. 由 2cos⁡ξ=sin⁡22\cos \xi = \sin 2 得 cos⁡ξ=sin⁡22≈0.4546\cos \xi = \frac{\sin 2}{2} \approx 0.4546。
  4. 核对合理性:由于 0≤x≤2<π0 \leq x \leq 2 < \pi 时 sin⁡x≥0\sin x \geq 0,故 (cos⁡x)′=−sin⁡x≤0(\cos x)' = -\sin x \leq 0,即 cos⁡x\cos x 在 [0,2][0, 2] 上单调递减,所以 cos⁡2≤cos⁡ξ≤cos⁡0=1\cos 2 \leq \cos \xi \leq \cos 0 = 1,与上一步算出的 0.45460.4546 相符。

最终答案:存在 ξ∈[0,2]\xi \in [0, 2] 使 cos⁡ξ=sin⁡22≈0.4546\cos \xi = \frac{\sin 2}{2} \approx 0.4546,且 ∫02cos⁡xdx=sin⁡2≈0.909\int_0^2 \cos x dx = \sin 2 \approx 0.909


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
∫ab\int_a^b数学符号integral from a to b区间 [a,b][a, b] 上的定积分
ξ\xi希腊字母Xi(克西)积分中值定理中的存在点
f(x)f(x)数学符号f of x被积函数
[a,b][a, b]数学符号closed interval闭区间
b−ab - a数学符号b minus a区间的长度
e−x2e^{-x^2}数学符号e to the minus x squared指数函数,被积函数

中英对照

中文术语英文术语音标说明
积分中值定理mean value theorem for integrals/miːn ˈvæljuː ˈθɪərəm fɔːr ˈɪntɪɡrəlz/积分等于某点函数值乘以区间长度
估计estimate/ˈestɪmeɪt/近似判断积分的取值范围
单调递减monotonically decreasing/ˌmɒnəˈtɒnɪkli dɪˈkriːsɪŋ/函数值随自变量增大而减小
连续性continuity/ˌkɒntɪˈnjuːəti/函数不间断的性质
上下界upper and lower bound/ˈʌpə ənd ˈləʊə baʊnd/积分值的最大、最小可能范围

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