# 变化累积探究

> AP 微积分 AB · 第6单元：积分与变化累积
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u6-exploring-accumulations-of-change/

这是积分的基础介绍，涵盖了速率函数的净变化、黎曼和近似、作为净面积的定积分以及累积函数。这些知识点占 AP 微积分 AB 考试分数的 17-20%。

**先修:** 极限作为无穷求和的基础; 导数作为瞬时变化率; 用于求和和几何面积计算的基础代数知识

## 学习目标

- 将变化累积理解为速率函数的净变化
- 使用左黎曼和、右黎曼和和中点黎曼和近似计算净累积量
- 将定积分计算为精确的净累积变化
- 利用几何面积从图像计算累积函数的值
- 将累积概念应用于实际速率问题

## 变化累积的核心概念

本主题将积分定义为对微小增量变化求和以得到区间内总变化或净变化的过程，这是 AP 微积分 AB 中所有积分的核心直觉。本主题的知识点会出现在选择题和自由作答题部分，通常作为较长速率问题的背景。与纯面积计算不同，累积会考虑负变化：当速率为负时，量的减少会从总量中扣除。这一概念连接了导数（速率），并直接引出了微积分基本定理。

**定积分（累积变化）** — 瞬时变化率为 $f(t)$ 的量 $F$ 在区间 $[a,b]$ 上的净变化。拉伸的 $\int$ 符号表示对无穷小增量求和，$a$ 是起始下限，$b$ 是结束上限，$f(t)dt$ 表示 $F$ 的一个无穷小变化。

*记法:* \int_a^b f(t) dt

## 用黎曼和近似累积量

黎曼和通过将区间 $[a,b]$ 分为 $n$ 个子区间（AP 考试中几乎总是等宽）近似总累积变化，每个子区间的宽度为 $\Delta x = \frac{b-a}{n}$。对于每个子区间，你将预先指定采样点处的速率乘以 $\Delta x$ 得到近似变化，再将所有近似值相加。

1. 左黎曼和：对每个子区间的左端点采样：$\sum_{i=0}^{n-1} f(x_i) \Delta x$
2. 右黎曼和：对每个子区间的右端点采样：$\sum_{i=1}^{n} f(x_i) \Delta x$
3. 中点黎曼和：对每个子区间的中点采样：$\sum_{i=1}^{n} f\left(\frac{x_{i-1}+x_i}{2}\right) \Delta x$

这类 AP 考试题大多会给你速率函数的数值表，而非显式公式，因此关键技巧是根据题目要求匹配正确的采样点。

**例题:** 咖啡流入壶中的速率为 $r(t)$ 盎司/分钟，时间范围是 $0 \leq t \leq 8$ 分钟。$r(t)$ 的部分取值如下：

| $t$ (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 |
|---------|---|---|---|---|----|
| $r(t)$ (oz/min) | 1.2 | 2.8 | 3.1 | 2.4 | 0.5 |

使用4个等宽子区间的左黎曼和，近似计算8分钟内冲泡出的咖啡总盎司数。

1. 计算每个子区间的宽度：
2. $$\Delta t = \frac{8-0}{4} = 2$$
3. 确定4个子区间 $[0,2], [2,4], [4,6], [6,8]$ 的左端点：分别为 $t=0, 2, 4, 6$。
4. 写出左黎曼和表达式：
5. $$\text{Approximate total} = \Delta t \left(r(0) + r(2) + r(4) + r(6)\right)$$
6. 代入数值计算：
7. $$2\left(1.2 + 2.8 + 3.1 + 2.4\right) = 2(9.5) = 19$$

> **考试提示:** 在要求进行黎曼和近似计算的 AP 自由作答题中，你必须在计算最终结果前明确写出代入数值后的和式才能获得满分——即使你可以心算出结果，评分点也要求写出表达式。

## 作为净累积变化的定积分

当黎曼和中子区间的数量 $n$ 趋近于无穷大时，$\Delta x$ 趋近于零，近似值会趋近于精确的净累积变化。这个精确值被定义为定积分，即黎曼和的极限：

$$\int_a^b f(x) dx = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^n f(x_i^*) \Delta x$$

其中 $x_i^*$ 是第 $i$ 个子区间内的任意采样点。AP 考试中考察最多的理解是：如果 $f(x)$ 是量 $F(x)$ 的变化率，那么 $\int_a^b f(x) dx$ 等于 $F(x)$ 从 $x=a$ 到 $x=b$ 的净变化。净变化意味着当 $f(x)$ 为负（量在减少）时，其值会从总累积中扣除，这是与总面积（所有面积都计为正）的关键区别。

**例题:** 一位徒步者上山后下山，其垂直速度为 $v(t) = 0.3t^2 - 1.8t + 1.5$ 米/分钟，时间范围是 $0 \leq t \leq 5$ 分钟，正速度表示向上移动。求徒步者从 $t=0$ 到 $t=5$ 的海拔净变化。

1. 根据定义，海拔净变化等于区间内垂直速度的定积分：
2. $$\text{Net elevation change} = \int_0^5 (0.3t^2 - 1.8t + 1.5) dt$$
3. 求速度函数的原函数：
4. $$V(t) = 0.1t^3 - 0.9t^2 + 1.5t$$
5. 在区间 $0$ 到 $5$ 上求值：
6. $$V(5) - V(0) = \left(0.1(125) - 0.9(25) + 1.5(5)\right) - 0 = -2.5$$
7. 海拔净变化为 $-2.5$ 米，意味着徒步者最终位置比起始位置低 2.5 米。

> **考试提示:** 务必在题目中划出关键词：位移/净海拔变化要求的是净累积（不需要绝对值），而总路程/总海拔变化要求的是速率绝对值的积分。

## 累积函数

**累积函数** — 由下限为常数 $a$、上限为变量 $x$ 的定积分定义的函数。$F(x)$ 给出了从起点 $a$ 到任意上限 $x$ 的净累积变化，$f(t)$ 是该量的变化率。变量 $t$ 是积分变量的哑占位符。

*记法:* F(x) = \int_a^x f(t) dt

当 $f(t)$ 以图像形式给出时，这个概念被频繁考察。要找 $F(x)$ 在某一特定 $x$ 处的值，你需要计算从 $a$ 到 $x$ 之间 $f(t)$ 与 $t$ 轴之间的净面积，用基础几何（三角形、矩形、半圆）求面积，给 $t$ 轴下方的面积分配负值。累积函数是微积分基本定理的直接前置内容，因此扎实的理解至关重要。

**例题:** 函数 $f(t)$ 的图像如下：从 $t=0$ 到 $t=4$ 是 $t$ 轴上方半径为2的半圆，从 $t=4$ 到 $t=6$ 是 $t$ 轴下方底为2高为3的直角三角形。设 $F(x) = \int_0^x f(t) dt$，求 $F(6)$。

1. 根据定义，将积分拆分为两个区间：
2. $$F(6) = \int_0^6 f(t) dt = \int_0^4 f(t) dt + \int_4^6 f(t) dt$$
3. 计算0到4的面积：这是轴上方的半圆，因此面积为正。半径为2的整圆面积是 $4\pi$，因此半圆面积为 $2\pi$。
4. 计算4到6的面积：这是轴下方的三角形，因此面积为负。三角形面积为 $\frac{1}{2} \times 2 \times 3 = 3$，因此积分值为 $-3$。
5. 将两个结果相加：
6. $$F(6) = 2\pi - 3 \approx 3.28$$

> **考试提示:** 从图像计算累积函数的面积和之前，务必给所有位于轴下方的区域明确标注负号，避免因为简单的符号错误失分。

## 概念检测（AP 风格）

**概念自测**

用这些 AP 风格的题目测试你对核心概念的理解：

1. 患者血液中药物浓度的变化率为 $r(t) = -0.2 t e^{-0.1t}$ 毫克/分升/小时，时间范围 $0 \leq t \leq 12$，负 $r(t)$ 表示浓度在下降。以下哪个表达式给出了 $t=2$ 小时到 $t=8$ 小时之间药物浓度的净变化？

   - A) $-0.2\left(8 e^{-0.8} - 2 e^{-0.2}\right)$
   - B) $\int_2^8 -0.2 t e^{-0.1t} dt$
   - C) $\frac{-0.2 (8)^2}{2} e^{-0.1(8)} - \frac{-0.2 (2)^2}{2} e^{-0.1(2)}$
   - D) $\int_0^2 -0.2 t e^{-0.1t} dt - \int_8^{12} -0.2 t e^{-0.1t} dt$

   *答案:* B) $\int_2^8 -0.2 t e^{-0.1t} dt$

   *解析:* 正确：根据定义，已知速率函数时，量从 $a$ 到 $b$ 的净变化就是该区间内速率的定积分。选项 A 混淆了微分和积分，选项 C 错误地对乘积应用了幂法则，选项 D 积分了错误的区间。

2. 沿直路骑行的自行车手的速度（单位：英里/小时）如下表所示，时间范围 $0 \leq t \leq 2$ 小时：

| $t$ (hr) | 0 | 0.5 | 1.2 | 2 |
|-------|---|---|---|---|
| $v(t)$ (mph) | 12 | 16 | 14 | 8 |

(a) 使用3个不等宽子区间的左黎曼和，近似计算 $0 \leq t \leq 2$ 内自行车手的净位移。
(b) 如果自行车手在 $t=0$ 时的初始位置距离起点 3 英里，根据(a)中的近似结果，自行车手在 $t=2$ 时的近似位置是多少？
(c) $v(t)$ 是递增 on $(0, 0.5)$ 递减 on $(0.5, 2)$。(a)中的近似结果一定是实际净位移的高估还是低估？证明你的结论。

   *解析:* (a) 近似净位移 = $12(0.5) + 16(0.7) + 14(0.8) = 28.4$ 英里。(b) 近似最终位置 = $3 + 28.4 = 31.4$ 英里。(c) 无法保证：左和在递增区间会低估，在递减区间会高估，因此误差可以相互抵消，无法保证整体误差方向。

## 常见错误

- **错误做法:** 黎曼和计算中误用左端点代替右端点（或反之），在表格取值题中尤其常见。
  - 原因: 学生无论题目要求，都会直接使用表格中的前 $n$ 个值。
  - 正确做法: 确定使用哪个端点前，务必先明确列出所有子区间，计算前圈出要求的采样点。
- **错误做法:** 题目要求位移时，计算总面积而非速度定积分的净变化。
  - 原因: 学生混淆这两个相似概念，忘记位移会计入向后/向下移动。
  - 正确做法: 开始计算前，务必在题目中划出关键词：位移 = 净变化，总路程 = 总面积。
- **错误做法:** 从图像计算累积函数时，忘记给x轴下方的区域分配负面积。
  - 原因: 学生习惯了几何中面积始终为正，并将这个习惯带到这里。
  - 正确做法: 相加面积前，给所有轴下方的区域标注负号，轴上方的区域标注正号。
- **错误做法:** Using $\Delta x = n/(b-a)$ instead of $\Delta x = (b-a)/n$ for subinterval width.
  - 原因: Students mix up the formula when rushing on exam questions.
  - 正确做法: Every time you calculate $\Delta x$, confirm: 'delta x is the total length of the interval divided by the number of subintervals'.
- **错误做法:** Treating the dummy integrand variable $t$ in $F(x) = \int_a^x f(t) dt$ as the same as the output variable $x$.
  - 原因: Students get confused by the dummy variable notation.
  - 正确做法: Remember $t$ is just a placeholder for the integration variable ranging from $a$ to $x$, so $F(x)$ only depends on the upper limit $x$.

## 速查表

| 类别 | 公式 / 定义 | 注释 |
| --- | --- | --- |
| 等宽子区间宽度 | $\Delta x = \frac{b-a}{n}$ | 适用于 $[a,b]$ 上的 $n$ 个子区间 |
| 左黎曼和 | $\sum_{i=0}^{n-1} f(x_i) \Delta x$ | 对递增函数 $f$ 低估，对递减函数 $f$ 高估 |
| 右黎曼和 | $\sum_{i=1}^{n} f(x_i) \Delta x$ | 对递增函数 $f$ 高估，对递减函数 $f$ 低估 |
| 中点黎曼和 | $\sum_{i=1}^{n} f\left(\frac{x_{i-1}+x_i}{2}\right) \Delta x$ | 对于等间距数据，比左/右和更准确 |
| 作为净变化的定积分 | $\Delta F = \int_a^b f(t) dt, f = F'$ | 当 $f$ 为负时计入负变化；与总面积不同 |
| 累积函数 | $F(x) = \int_a^x f(t) dt$ | $t$ 是哑积分变量；给出从 $a$ 到 $x$ 的净变化 |
| 净位移 | $\int_a^b v(t) dt$ | 速度 = 位置的变化率 |
| 最终位置 | $p(b) = p(a) + \int_a^b v(t) dt$ | 连接初始位置、净变化和最终位置 |

## 下一步

变化累积探究是第6单元剩余内容以及 AP 微积分 AB 课程后续所有积分应用的必备基础。你在这里建立的核心直觉——积分是对速率函数的微小变化进行累积——构成了你接下来会遇到的所有积分概念的支柱。本主题之后，你将立即学习微积分基本定理（FTC），它连接了微分和累积，让你可以精确计算定积分和对累积函数求导。如果没有扎实理解累积的含义以及如何用黎曼和近似，想要在实际情境中正确应用微积分基本定理会非常困难。本主题也为后续应用如曲线间面积计算、求解微分方程以及实际情境中累积变化计算打下基础。

- [第6单元：积分与变化累积概述](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u6-overview/)
- [用黎曼和近似面积](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u6-approximating-areas-with-riemann-sums/)
- [黎曼和、求和记号与定积分记号](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u6-riemann-sums-summation-notation-definite/)

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来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u6-exploring-accumulations-of-change/