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當數學家剛想出微積分用細矩形面積的和逼近時,矩形的高選取多少呢?為何不怕無限多個小誤差之和為大誤差?

2022-01-06知識

題主提到了矩形,估計是想問積分的時候的矩形高度取值、以及誤差為什麽會消失。

先兩句話回答題主的問題:

第一問:

問:矩形的高選取多少?

一句話回答:矩形的高度可以在它所在的區間內 \small y 的最大值和最小值之間任意選擇,因為隨著區間劃分越來越細,最終誤差總是會消掉。

於是第二個問題就來了:我們怎麽知道誤差一定會消掉?

第二問:

為什麽不怕無限多個誤差之和為大誤差?

一句話回答:簡單地說,這正是因為積分可以看作 求面積 ,所以用「細矩形」進行逼近時,產生的誤差也就是 面積的誤差 ,由於面積包含了 平方 運算,因此這個誤差對應的是區間長度的 二階 無窮小,對每個二階無窮小進行 一階 的無窮多次求和後,得到的仍然是一階無窮小,再取極限就歸為零了。

接下來具體說說一句話扯不清楚的細節。

為安全起見,我們只考慮正常積分,即積分區間為有限區間,且區間內沒有奇怪的發散點,並且滿足黎曼可積條件( 根據巨佬RD的回答補充此條…… )。

假設積分區間長度為 \small L ,將這個區間分為 \small n 等分,則每個小區間的寬度為:

\small \Delta L=\frac{L}{n}

對於第 \small i 個小區間、即 \small \left(x_{i-1},x_{i}\right) 上的矩形,我們先假設其高度為 \small y_{\min,i} ,如下圖:

可以看出,圖中紅色陰影部份面積面積 \small \Delta S_i 就是小區間上的真實積分值與矩形面積之間的誤差。我們還可以看出,這個誤差是 小於圖中紫色邊框的小矩形面積的

另外,不難想象,只要矩形高度在 \small y_{\max,i} 和 \small \small y_{\min,i} 之間取值,那麽表示誤差的面積 \small \Delta S_i 總是小於紫色邊框的那個小矩形

而紫色小矩形的面積為 \small \Delta L\Delta y_i ( 也就是 \small \Delta L\left( y_{\max,i}- y_{\min,i}\right) )

於是第 \small i 個小區間上的誤差為:

\small \Delta S_i\leq\Delta L\Delta y_i=k_{i}\Delta L^2

其中 \small k_i=\frac{\Delta y_i}{\Delta L}=\frac{y_{\max,i}- y_{\min,i}}{\Delta L} 為紫色矩形對角線的斜率

( 上面圖中畫的是函數在小區間內單調遞增的情形,但即使函數在小區間內不是單調的,上述關系也成立,題主可以自己畫圖看一看 )

於是整個積分區間上的總誤差為:

\small \Delta S=\sum_{i=1}^n\Delta S_i\leq\Delta L^2\sum_{i=1}^n k_i

我們假設所有的斜率 \small \left\{k_i\right\} 中最大的為 \small K ,則:

\small \sum_{i=1}^n k_i\leq nK

於是:

\small \begin{align} \Delta S&\leq\Delta L^2\sum_{i=1}^n k_i\\ &\leq\Delta L^2nK\\ &=\frac{L^2}{n^2}nK\\ &=\frac{L^2K}{n} \end{align}

對於積分區間有限、且沒有發散點的正常積分, \small L,K 都是有限值,那麽隨著 \small n\rightarrow \infty , \small \Delta S 自然就趨於0了

所以最後誤差一定會被消掉。