知识点

定积分的对称与周期性

性质

奇偶性

设 ff 在 [−a,a][-a,a] 上连续,a>0a>0。

  • 若 ff 是奇函数,即 f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x),则

    ∫−aaf(x) dx=0.\int_{-a}^a f(x)\,\mathrm{d}x=0.
  • 若 ff 是偶函数,即 f(−x)=f(x)f(-x)=f(x),则

    ∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx.\int_{-a}^a f(x)\,\mathrm{d}x=2\int_0^a f(x)\,\mathrm{d}x.

两条合起来常记作“偶倍奇零”。

证明 “偶倍奇零”的来源

在 [−a,0][-a,0] 上令 x=−tx=-t,则

∫−a0f(x) dx=∫a0f(−t)(−dt)=∫0af(−t) dt,\int_{-a}^0 f(x)\,\mathrm{d}x=\int_a^0 f(-t)(-\mathrm{d}t)=\int_0^a f(-t)\,\mathrm{d}t,

于是

∫−aaf(x) dx=∫0a[f(x)+f(−x)] dx.\int_{-a}^a f(x)\,\mathrm{d}x=\int_0^a\bigl[f(x)+f(-x)\bigr]\,\mathrm{d}x.

ff 为奇函数时括号内为 00;为偶函数时括号内为 2f(x)2f(x),结论成立。

周期性

设 ff 是以 TT 为周期的连续函数,则对任意实数 aa,

∫aa+Tf(x) dx=∫0Tf(x) dx.\int_a^{a+T}f(x)\,\mathrm{d}x=\int_0^T f(x)\,\mathrm{d}x.

也就是说,长度为一个周期的区间上的积分值与起点无关。把 [a,a+T][a,a+T] 拆成 [a,0][a,0]、[0,T][0,T]、[T,a+T][T,a+T] 三段,对最后一段作平移 x=t+Tx=t+T,它与第一段正好相消。

例子

偶倍奇零:∫−11(x3+x2) dx\displaystyle\int_{-1}^1(x^3+x^2)\,\mathrm{d}x

x3x^3 是奇函数,在 [−1,1][-1,1] 上的积分为 00;x2x^2 是偶函数,所以

∫−11(x3+x2) dx=0+2∫01x2 dx=23.\int_{-1}^1(x^3+x^2)\,\mathrm{d}x =0+2\int_0^1x^2\,\mathrm{d}x =\frac{2}{3}.

探索

对称区间上的积分如何简化?

对照奇函数和偶函数的积分。

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题集

练习

  1. 下列各式中,值一定为 00 的有哪些?

    题 zero-or-not · choice
    参考解答

    A、D的被积函数是奇函数,积分区间关于原点对称,积分为 00。B的被积函数是偶函数,值为 23\frac{2}{3}。C的两个半区间上的积分都发散,整个积分发散,不能按奇函数写成 00。