理论教育 微元法:解决曲边梯形、变速直线运动等问题的基本方法

微元法:解决曲边梯形、变速直线运动等问题的基本方法

时间:2023-05-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:在本章6.1节时,我们解决了曲边梯形的面积和变速直线运动的路程问题,而解决这些问题的基本方法都是:分割用任意一组分点将区间[a,b]分成n个小区间[xi-1,xi](i=1,2,…

微元法:解决曲边梯形、变速直线运动等问题的基本方法

在本章6.1节时,我们解决了曲边梯形的面积和变速直线运动的路程问题,而解决这些问题的基本方法都是:

(1)分割 用任意一组分点

将区间[a,b]分成n个小区间[xi-1,xi](i=1,2,…,n),所求总量S也相应地分成n个部分量ΔSi(S在[xi-1,xi]上的增量).如果整个区间[a,b]上的所求总量S等于各个部分区间上的相应部分量ΔSi之和(也就是所求量具有可加性),即

这是所求总量S能用定积分表示的前提.

(2)近似替代 虽然所求总量S在区间[a,b]上的分布是不均匀的,但我们能用近似替代的方法写出ΔSi的近似表示式,即

这是所求总量S能用定积分表示的关键.

(3)求和 因为有了部分量ΔSi的近似表达式,则所求总量S的近似值可以表示为

(4)取极限 通过求极限的方法,得到总量S的精确值,即定积分

简化上述步骤,得

(1)根据问题的具体情况选取一个积分变量x,确定它的变化区间[a,b].为了简单起见,省略各小区间的下标,把第i个小区间记为[x,x+dx],其中Δxi记为dx,取其左端点x为ξi,如图6.5所示,则对应该区间[x,x+dx]的部分量ΔS可近似地表示为(www.daowen.com)

由于f(x)是连续函数,所以ΔS-f(x)dx是比dx高阶的无穷小.从而由微分的定义有

即f(x)dx为所求总量的微分元素(简称微元).

图6.5

(2)因为当λ→0时,将所有微元无限累加,取极限就可以得到区间[a,b]上所求总量,即定积分.所以我们以所求总量的微元f(x)dx为被积表达式,在区间[a,b]上作定积分就是所求总量S,即

上述求总量S的方法,通常称为定积分的微元法.

使用微元法解决实际问题时应当注意以下两点:

(1)所求总量S关于区间[a,b]应具有可加性;

(2)使用微元法的关键在于正确给出部分量ΔS的近似表达式f(x)dx,即

下面我们将介绍利用微元法解决几何、经济中的问题的实例.

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