浅谈用定积分的定义解决极限问题_定积分的极限定义

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数学之美2007年11月总第3期

浅谈用定积分的定义解决极限问题

王涛

（周恩来政府管理学院 政治学与行政学 0612723）

摘要：数学是一门锻炼人的逻辑思维能力的科目。我们在学习数学的过程中经常遇到的是计算题和证明题，掌握一定的方法和技巧对于我们快速地解出题目是非常有帮助的。有些方法和技巧其实是对定义、概念深入理解所得到的。本文主要探讨用定积分的定义来解决求极限的问题。

关键词：定积分的定义；定积分；极限；曲边梯形的面积

在高等数学的学习中，微积分的学习占有很大的比重，地位也是很重要的。微积分分为微分学和积分学，而微分运算与积分运算之间是互为逆运算的关系。我们通常把微分运算看作正向运算，而把积分运算看作是微分的逆运算，在以往的实际学习上我们也可以看出这点：加减法，乘除法，平方开方，指数对数，三角函数反三角函数等等。而在高等数学的学习中我们首先接触的是微分，然后是积分；从掌握程度上，我们对于正向运算的掌握程度可能要好于逆向运算，不管是学习的速度还是做题的准确性，正向运算可能都要好于逆向运算。然而正逆运算是互通的，熟练掌握这两种运算对于增加解题方法，做到融会贯通都是很有帮助的。下面就来介绍用积分学中定积分的定义来解决微分学中极限的问题。

我们一般在求解极限问题时，经常用到的方法是：极限的定义、性质，几种重要极限、洛必达法则、泰勒公式等。但这些方法都局限于微分学中，没有超越微分学的范围，而我们知道微分与积分是互为逆运算的，那么运用积分学的方法来解决极限问题是否可行？答案是肯定的。用定积分的定义就是解决极限问题的又一方法。

要用定积分的定义来求解极限问题，我们首先要弄清定积分的定义。

定积分的定义：设函数y=f(x)定义在区间a,b上有界，在a,b上任意插入分点：a=x0＜x1＜＜xn1＜xn=b,令xi=xixi1，又任取i[xi1,xi], i=1,2,…n.作和式Inf(i)xi，令xm如果当xi0时，和式In的极限存在，且此极限与a,baxxi，i11inn的分法及i的取法无关，则称函数f(x)在a,b上是可积的，并称该极限值为f(x)在a,b上的定积分，记作

即baf(x)dx，nb

af(x)dxf(i)xi.x0i

180

其中函数f(x)称为被积函数，f(x)dx称为被积表达式，x称为积分变量，a称为积分下限，b称为积分上限，a,b称为积分区间。1

b

这个定义看上去很复杂，但只要抓住af(x)dxf(i)xi即可。我们在x0i1

n

后面所要介绍的用定积分的定义解决极限问题也是围绕着这个公式展开的。从这个式子我们也可以看出极限与定积分之间的关系是很紧密的。有了定积分的定义，我们用具体例题来看怎样用定积分解决极限问题。

23n

sinsinsinsin2nnnn 例1.求

lim

111nn1

nnn

23n

解： 注意到：

23n

sinsinsinsin123nnnnn [sinsinsinsin]

n1nnnn111n1

nnn23n

123n1nk[sinsinsinsin]=（*）sin

nnnnnnk1n

由定积分定义，对上面不等式的右端取极限，得到

1nk1

=sinxdx=2 limsin0nnnk1

而不等式的左端取极限，有

n1nk=2 1nk=

sinsinlimlim

nk1nnnn1nn1k1

由夹逼定理知

23n

sinsinsinsinnnnnlim

111nn1

nnn

23n





=

2

这道题就是典型的用到定积分的定义来求极限的值。当我们对（*）左右两边的式子取

n1nkb

极限时，我们发现 limsin可以表为形如af(x)dxf(i)xi的形式.因

nnnk1x0i1

为f(x)sinx为[0, 1]上可积函数，所以对于[0, 1]任意划分及i的任意取法极限

刘桂茹，孙永华编著：《高等学校经济数学系列教材 微积分》，南开大学出版社，2004年12月版，第200

页。2

2005年天津市大学数学竞赛（人文学科及医学等类），第八题。

limf(i)xi都存在且相等, 此时令xi=

n

||x||0i1

1i，即把[0, 1]n等分, i为分点，由nn

定积分的定义我们得到

21nk1

==, sinxdxsinlim

n0nnk1

然后再取右边的极限,由夹逼定理我们得到最后的结果



.这道题解题的关键就是用到定积分的定义,把求极限问题与定积分的定义联系起来，很容易的解出题目。

让我们再来看一个例子.例2.求lim

n

n1)(n2)（nn)。

n

解：∵lim

n

(n1)(n2)（nn)

n

=lim

n

(n1)(n2)（nn)

n

=lim(1n)(1

n

2n)（1)nn

于是，我们设y(1n)(1

2n)（1)nn

1ni

ln(1)取对数lny

ni1n

于是有limlny=lim

n

1ni

ln(1).（**）

nnni1

我们采用同例1同样的方法。此时令xi=

1i，i1.所以（**）可等于 nn

11ni

limln(1)=0ln(1x)dx=2ln21.nnni1

因此limlny2ln21，n

n

limye

2ln21

=e

ln

e

4.e

所以最后的结果是lim

这道题与例1

n

(n1)(n2)（nn)4=.en

b

有相似之处，整理式子，发现（**）形如a

f(x)dxf(i)xi

x0i1

n

由定积分的定义把求（**）转化为求定积分的值，得到结果。

由上面两个例子我们可以发现几个问题：

1.用定积分的定义来求极限的问题，给出的题目往往是有无穷多个式子连乘或连加构成，而且式子看上去很复杂但很有规律，经过一定的变换可以得到如下形式

ba

n

f(x)dxf(i)xi

x0i1

运用此式可以把极限问题转化为求定积分值的问题。

2.解题时不仅要用到定积分的定义，还需要与其他方法结合使用。第一题中用到了夹逼定理，第二题则用到了取对数的方法。这样就增加了解题的难度题目。在出用定积分解极限问题时，一般不会直接让你看出用定积分定义来做此题，而是需要运用其他的方法把式子经过一定的变换之后再用定积分来做，定积分的定义是解题的关键。此类题的目的就是要用定积分的定义来解极限问题，但之前要把式子整理到形如定积分的定义式之后才能用定积分来做。达到了一道题考察多种概念、方法的目的。

以上就是我们所讨论的用定积分的定义来解某一类的极限问题。它所反映的思想就是要把相通的、有关系的事物联系起来，扩展思路，最终达到解决问题的目的。学习数学的目的就是为了锻炼人的逻辑思维能力。在实际生活中，我们也要解放思想，开阔思路，善于逆向思维，发掘更多解决问题的方法，这样对于我们整个国家、社会的发展也是非常有帮助的。参考文献

[1] 刘桂茹，孙永华.高等学校经济数学系列教材 微积分.天津：南开大学出版社，2004年12月版

[2] 陈吉象 戴瑛 郑弃冰 吴忠华.文科数学基础.北京：高等教育出版社，2003年8月版 [3] 2005年天津市大学数学竞赛（人文学科及医学等类）