原函数

1 原函数的定义
如果在区间上,,即时有:

那么函数就称为(或)在区间上的一个 原函数 (Primitive function)。

比如我们知道有,所以说在区间上的一个原函数,而,即:

2 原函数存在定理
如果函数在区间,那么其在区间上存在原函数

上述定理说的就是“连续函数有原函数”。值得注意的是,这并不是充要条件,某些间断函数,比如:

虽然上述函数在点处(在点附近剧烈震荡):

但其在区间上也是有原函数的:

3 达布定理
设函数在开区间,且存在。若,则对于之间的任意一个数,有:

,不妨设,设,则有:

因为介于之间,所以:

根据,可得:

  • 的右侧某邻域(不含)有,从而推出
  • 的左侧某邻域(不含)有,从而推出

均不为,但因为,根据,可知上必有,不在端点取得,只能在上取得。

,使得,也是。根据,此时有:

达布定理说的其实就是,若函数在开区间,那么其必定在开区间上存在介质性(也就是说在开区间上可以取到之间的所有值,关于这点可以参考):

也就是说,如果不满足介值性,那么一定不存在原函数,所以这是原函数存在的一个必要条件。

比如,像下图中具有这样的函数,其中有一段值在函数上无法取得。那么根据达布定理,该函数在对应的区间上不可能有原函数。

但如果满足介值性,那么某些也可以有原函数。比如上一节提到过的:

实际上在中,只有像上图一样具有的才可能有原函数。

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马同学高等数学
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