什么是黎曼和?什么是定积分?

在初等数学中学习了三角形,四边形,多边形的面积计算:

现在来学习的面积是如何定义的,以及如何计算的:

1 抛物线下的曲边梯形
1.1 问题

之前介绍过,要求之间的曲边梯形的面积

可以把均分为份,以每一份线段为底,以这一份线段的右侧的函数值为高做矩形:

的时候,矩形面积和就是曲面下的面积:

那么,能不能以这一份的线段的左侧的函数值为高做矩形?

左侧的函数值为高

右侧的函数值为高

1.2 计算

算一算就知道了。先把均分成份,每份长为,以及各个划分点的坐标如下:

把坐标组成两个集合:

因此,以左侧的函数值为高的矩形和可以如下计算:

同样的道理,可以得到以右侧的函数值为高的矩形和:

的时候,两者是相等的,它们都是曲边梯形的面积:

2 狄利克雷函数的曲边梯形

之前介绍连续的时候就介绍过狄利克雷函数:

也见识过它的古怪性质。这里也要把它拉出来作一个反面典型。的图像是没有办法画的,非要画也就是这样的:

假设要求内的曲边梯形面积,尝试对进行等分,那么等分点必然为有理数点(下图为了演示方便,调整了下坐标的比例):

所以这些等分点的函数值必然为1。以1为高,以等分区间长度为底作矩形,可以得到:

这些矩形的和必然为1,可以想象进行等分也依然为1,所以有:

下面换一种划分方式,以邻近的两个无理数作为端点划分区间,这些区间的端点的函数值必然为0,以区间长度为底,0为高,得到的矩形和为:

可见,对于而言,不同的划分区间、不同的高的取法,会导致不同的矩形和:

3 黎曼和

格奥尔格·弗雷德里希·波恩哈德·黎曼(1826-1866)

黎曼是德国数学家,黎曼几何学创始人,复变函数论创始人之一。在数学界搞风搞雨的黎曼猜想也是他的杰作。

基于对刚才两种情况:

  • 抛物线下的曲边梯形
  • 狄利克雷函数下的曲边梯形

的思考,看到不同划分带来的效果,黎曼先发明了黎曼和,进而定义了曲边梯形的面积,也就是定积分。

3.1 任意划分

不一定需要均分为份,可以任意分割:

很显然用于分割区间的点符合:

,那么集合:

称为的一个。划分定义了个子区间:

称为第个子区间,更一般的被称为第个子区间:

个子区间的长度为

3.2 任意高度

对于某一个划分,在其第个子区间内随便选一个数

作为矩形的高:

那么矩形的高度也可以是任意的: