将前节讲过的方法拿来运用,再没有比求矩形的面积更简单的例子了。比如有一个矩形,它的长是a,宽是b,它的面积便是a和b的乘积,这在算术上就讲过。像下图所表示的,长是6,宽是3,面积就恰好是3×6=18个方块。
假如这矩形有一边不是直线——那自然就不能再叫它矩形——要求它的面积,也就不能按照求矩形的面积的方法这般简单。那么,我们有什么办法呢?
假使我们所要求的是下图中ABCD线所包围着的面积,我们知道AB,AD和DC的长,并且又知道表示BC曲线的函数(这样,我们就可以知道BC曲线上各点到AB线的距离),我们用什么方法,可以求出ABCD的面积呢?
一眼看去,这问题好像非常困难,因为BC线非常不规则,真是有点儿不容易对付。但是,你不必着急,只要应用我们前面已说过好几次的方法,就可以迎刃而解了。一开始,无妨先找它的近似值,再连续地使这近似值渐渐地增加它的近似的程度,直到我们得到精确的值为止。
这个方法,的确非常自然。前面我们已讨论过无限小的量的计算法,又说过将一条线分了又分、一直到分到无穷的方法,这些方法就可以供我们来解决一些较复杂、较困难的问题。先从粗疏的一步入手,循序渐进,便可达到精确的一步。
第一步,简直一点儿困难都没有,因为我们所要的只是一个大概的数目。
先把ABCD分成一些矩形,这些矩形的面积,我们自然已经会算了。
假如S的面积差不多等于1、2、3、4四个矩形的和,我们就先来算这四个矩形的面积,用它们各自的长去乘它们各自的宽。
这样一来,我们第一步所可得到的近似值,便是这样:不用说,从上图一看就可知道,这样得出来的结果相差很远,S的面积比这四个矩形的面积的和大得多。图中用了斜线画着的那四块,全都没有算在里面。
但是,这个误差,我们并不是没有一点儿办法补救的。先记好表示BC曲线的函数是已经知道的,我们可以求出BC上面各点到直线AD的距离。反过来就是对于直线AD上的每一点,可以找出它们和BC曲线的距离。假如我们把AD看作和以前各图中的水平线OH一样,AB就恰好相当于垂直线OV。在AD线上的点的值,我们就可说它是x,相应于这些点到BC的距离便是y,所以AD上的一点P到BC的距离就是一个变数。现在我们说AP的距离是x,AD上面另外有一点P′,AP′的距离是x′,过P和P′都画一条垂直线同BC相交在p和p1。pP、p1P′就相应地表示函数在x 和 x′那两点的值 y 和 y′。
结果,无论P和P′点在AD上什么地方,我们都可以将y和y′找出来,所以y是x的函数,可以写成:
y=f(x)
这个函数就是BC曲线所表示的。
现在,再来求面积S的值吧!将前面的四个矩形,再分成一些数目更多的较小的矩形。由下图就可看明白,那些从曲线上画出的和AD平行的短线都比较挨近曲线;而斜纹所表示的部分也比上面的减小了。因此,用这些新的矩形的面积的和来表示所求的面积S=1+2+3+……+12,比前面所得的误差就小得多。
再把AD分成更小的线段,比如是Ax1、Ax2、Ax3……由各点到曲线BC的距离设为y1、y2、y3……这些矩形的面积就是:
而总共的面积就等于这些小面积的和,所以:
若要想得出一个精确的结果,只需继续把AD分得段数一次比一次多,每段的间隔一次比一次短,每次都用各个小矩形的面积的和来表示所求的面积。那么,S和这所得的近似值,误差便越来越小了。
这样做下去,到了极限,就是说,小矩形的数目是无限多,而它们每一个的面积便是无限小,这一群小矩形的和便是真实的面积S。
但是,所谓数目无限的一些无限小的量的和,它的极限,照前节所讲过的,就是积分。所以我们刚才所讲的例子,就是积分在几何上的运用。
所求的面积S,就是x的函数y对x的积分。
换句话说,求一条曲线所切成的面积,必须计算那些连续的近似值,一直到极限,这就是所谓的积分。
到这里,为了要说明积分的原理,我们已举了两个例子:第一个,是说明积分法就是微分法的还原;第二个,是表示出积分法在几何学上的意味。将这些范围和形式都不相同的问题的解决法贯通起来,就可以明白积分法的意义,而且还可以扩张它的使用范围,不是吗?我们讲诱导函数的时候,也是一步一步地逐渐弄明白它的意义,同时也就扩张了它活动的领域。积分法既然是它的还原法,自然也可以照做了。比如说,前面我们只是用它来计算面积,但如果我们用它来计算体积,也一样。我们早就知道立方柱的体积等于它的长、宽、高相乘的积,假如我们所要求的那个物体的体积有一面是曲面,我们就可以先把它分成几部分,按照求立方柱的体积的方法,将它们的体积计算出来,然后将这几个积加在一起,这就是第一次的近似值了。和前面一样,我们可以再将各部分细化,求第二次、第三次……的近似值。这些近似值,因为越分项数越多,每项的值越小,所以近似程度就逐渐加高。到了最后,项数增到无限多,每项的值变成了无限小,这些和的极限,就是我们所求的体积,这种方法就是积分。