previous contents next $\newcommand{\UniformConv}{\substack{\xrightarrow[]{}\\ \xrightarrow[]{}\\n\to\infty}}$ $\newcommand{\FUniformConv}{\substack{\xrightarrow[]{}\\\xrightarrow[]{}\\Y\ni{y}\to{y}_0}}$ $\newcommand{\arctg}{\operatorname{arctg}}$

13 ИНТЕГРАЛЫ ЗАВИСЯЩИЕ ОТ ПАРАМЕТРА.

Объект изучения в рамках данного раздела $F(t):=\int_{E_t}f(x,t)\,dx\colon{T}\to\mathbb{R}$. Где $T$ может быть подмножеством одного из множеств $\mathbb{R}$, $\mathbb{R}^n$, $\mathbb{C}$, $\mathbb{C}^n$. Основное внимание будет уделено случаю $T\subset\mathbb{R}$. Для любого $t\in{T}$ $E_t$ - числовой промежуток. При любом фиксированном $t\in{T}$ функция $f(x)$ интегрируема на на $E_t$. Цель - изучить свойства функции $F(t)$: существование предела в точке, непрерывность, дифференцируемость, интегрируемость.
Теория интеграла зависящего от параметра делится на две части.

  1. Если $E_t$ - отрезок и функция $f(x)$ интегрируема по Риману по переменной $x$ на $E_t$ в собственном смысле.
  2. Если $f(x)$ интегрируема по $x$ на $E_t$ в несобственном смысле.

13.1 Собственные интегралы зависящие от параметра.

13.1.1 Предельный переход и непрерывность.

Рассмотрим случай, когда числовой промежуток $E_t$ не зависит от выбора параметра $t$, то есть является постоянным.

Утверждение 13.1.1: Пусть $Y\subset\mathbb{R}$, $f(x,y)\colon[a,b]\times{Y}\to\mathbb{R}$, $y\in\mathring{Y}$ такие, что

  1. $\forall{y}\in{Y}(f(x,y)\in\mathcal{R}[a,b])$,
  2. для любого $x\in[a,b]$ существует предел $\displaystyle\varphi(x):=\lim_{Y\ni{y}\to{y}_0}f(x,y)$ и функция $\varphi(x)\colon[a,b]\to\mathbb{R}$ такая, что $$\forall\varepsilon>0\,\exists{V}(y_0)\colon\forall{y}\in\mathring{V}_Y(y_0)\forall{x}\in[a,b](|f(x,y)-\varphi(x)|<\varepsilon),$$
тогда
  1. $\varphi\in\mathcal{R}[a,b]$
  2. существует предел $$\lim_{Y\ni{y}\to{y}_0}\left(\int_a^bf(x,y)\,dx\right)=\int_a^b\varphi(x)dx:=\int_a^b\lim_{Y\ni{y}\to{y}_0}f(x,y)\,dx$$

Доказательство:

  1. Так как $y_0\in\mathring{Y}$, то существует последовательность $\{y_n\}$ из $Y$ такая, что $\lim_{n\to\infty}y_n=y_0$. Для любого $n\in\mathbb{N}$ обозначим $g_n(x):=f(x,y_n)$, тогда из условия 2 следует, что $g_n(x)\UniformConv\varphi(x)$, $x\in[a,b]$. Так как для любого $y\in{Y}$ $f(x,y)\in\mathcal{R}[a,b]$, то для любого $n\in\mathbb{N}$ $f(x,y_n)\in\mathcal{R}$, тогда по утверждению 10.2.8 $\varphi(x)\in\mathcal{R}[a,b]$.
  2. Фиксируем $\varepsilon>0$, тогда из условия 2 следует, что $$\exists{V}(y_0)\colon\forall{y}\in\mathring{V}(y_0)\forall{x}\in[a,b]\left(|f(x,y)-\varphi(x)|<\frac{\varepsilon}{2(b-a)}\right)\Rightarrow \forall{y}\in\mathring{V}(y_0)\left(\left|\int_a^bf(x,y)\,dx-\int_a^b\varphi(x)\,dx\right|\leq\int_a^b|f(x,y)-\varphi(x)|\,dx\leq \int_a^b\frac{\varepsilon}{2(b-a)}\,dx=\frac{\varepsilon}{2}<\varepsilon\right)$$ Таким образом существует предел $$\lim_{Y\ni{y}\to{y}_0}\int_a^bf(x,y)\,dx=\int_a^b\varphi(x)\,dx=\int_a^b\lim_{Y\ni{y}\to{y}_0}f(x,y)\,dx$$

Условие 2 утверждения 13.1.1 аналогично определению равномерной сходимости функциональной последовательности, только предел берется не при $n\to\infty$, а при $Y\ni{y}\to{y}_0$. Поэтому будем обозначать выполнение условия 2 для функций $f(x,y)$ и $\varphi(x)$ в точке $x_0$ как $f(x,y)\FUniformConv\varphi(x)$, $x\in[a,b]$.

Утверждение 13.1.2: Непрерывность по параметру.
Пусть $Q:=[a,b]\times[c,d]$, $f(x,y)\colon{Q}\to\mathbb{R}$, $f(x,y)\in{C}(Q)$, тогда функция $F(y)\colon[c,d]\to\mathbb{R}$ такая, что для любого $y\in[c,d]$ $f(y):=\int_a^bf(x,y)\,dx$ непрерывна на $[c,d]$.

Доказательство: Так как $Q$ - компакт в $\mathbb{R}^2$, то функция $f(x,y)$ равномерно непрерывна на $Q$, то есть $$\forall\varepsilon>0\,\exists\delta=\delta(\varepsilon)\colon\forall(x',y'),(x'',y'')\in{Q}\left(\sqrt{(x'-x'')^2+(y'-y'')^2}<\delta\Rightarrow |f(x',y')-f(x'',y'')|<\varepsilon\right)$$ Фиксируем $y_0\in[c,d]$, тогда из последнего утверждения при $x=x'=x''$, $y'=y$, $y''=y_0$ следует, что $$\forall\varepsilon>0\,\exists\delta=\delta(\varepsilon)\colon\forall{y}\in[c,b]\forall{x}\in[a,b](|y-y_0|<\delta\Rightarrow|f(x,y)-f(x,y_0)|<\varepsilon)$$ Так как из непрерывности функции по совокупности переменных следует непрерывность по каждой из них, то для любого фиксированного $x\in[a,b]$ функция $f(x,y)\colon[c,d]\to\mathbb{R}$ непрерывна в точке $y_0$, следовательно, для любого $x\in[a,b]$ существует предел $\displaystyle\lim_{y\to{y}_0}f(x,y)=f(x,y_0)$.Тогда положив $Y:=[c,d]$ можем применить к функции $f(x,y)$ в точке $y_0$ утверждение 13.1.1, следовательно существует предел $$\displaystyle\lim_{y_0\to{y}}F(y):=\lim_{y\to{y}_0}\left(\int_a^bf(x,y)\,dx\right)=\int_a^b\lim_{t\to{y}_0}f(x,y)\,dx=\int_a^bf(x,y_0)\,dx=F(y_0).$$ То есть функция $F(y)$ непрерывна в точке $y_0\in[c,d]$, и в силу произвольности выбора точки $y_0$, функция $F(y)$ непрерывна на $[c,d]$.

Обсудим обобщения результата утверждения 13.1.2 на случае, когда множество $Q$ не является прямоугольником

  1. В роли множества $Y$ (вместо отрезка $[c,d]$) можно выбрать любой компакт из $\mathbb{R}^n$, $\mathbb{C}^n$. Тогда множество $[a,b]\times{Y}$ будет компактом в $\mathbb{R}^{n+1}$, $\mathbb{C}^{n+1}$ и утверждение доказывается аналогично.
  2. Можно отказаться и от компактности $Y$.
    Пусть $Y\subset\mathbb{R}^n$ открыто в $\mathbb{R}^n$. Тогда для любого $y_0\in{Y}$ существует $r>0$ такое, что $\overline{B}(y_0,r)\subset{Y}$. Так как $\overline{B}(y_0,r)$ компакт в $Y$, то аналогичным образом можно показать, что $F(y)$ непрерывна в точке $y_0$.

До сих пор отрезок, по которому производилось интегрирование, был зафиксирован и не зависел от значения параметра $y$. Рассмотрим более общий случай, пусть функции $\varphi(y),\psi(y)\colon[c,d]\to\mathbb{R}$ такие, что

  1. $\forall{y}\in[c,d](\varphi(y)\leq\psi(y))$;
  2. $\varphi(y),\psi(y)\in{C}[c,d]$;
  3. $f(x,y)\in{C}(\hat{Q})$, где $\hat{Q}:=\{(x,y)\mid{y}\in[c,d],\varphi(y)\leq{x}\leq\psi(y)\}$
Обозначим $\displaystyle{F}(y):=\int_{\varphi(y)}^{\psi(y)}f(x,y)\,dx$, тогда для функции $F(y)$ будут справедливы утверждения 13.1.1, 13.1.2. Для доказательства этого факта можно сделать замену $x=x(t)+t(\psi(y)-\varphi(y))$, тогда для функции $g(t,y):=f(x(t),y)\colon[0,1]\times[c,d]\to\mathbb{R}$ можно применить утверждение 13.1.1, 13.1.2.
Точное доказательство можно найти в Фихтенгольц т. 2, стр. 666.
13.1.2 Дифференцирование собственного интеграла по параметру.

Утверждение 13.1.3: Правило Лейбница.
Пусть $Q:=[a,b]\times[c,d]$, $f(x,y)\colon{Q}\to\mathbb{R}$ такие, что

  1. $f(x,y)\in{C}(Q)$
  2. $\exists\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\in{C}(Q)$
тогда если $F(y):=\int_a^bf(x,y)\,dx$, то
  1. $F(y)\in{C}'[c,d]$
  2. $\forall{y}\in[c,d]\left(\frac{dF}{dy}=\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\,dx\right)$.

Доказательство: Фиксируем $y_0\in[c,d]$ и $\varepsilon>0$. Так как $\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\in{C}(Q)$, то функция $\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)$ равномерно непрерывна на $Q$. Тогда $$\forall\varepsilon>0\,\exists\delta=\delta(\varepsilon)\colon\forall{y}\in[c,d]\forall{x}\in[a,b] \left(|y-y_0|<\delta\Rightarrow\left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)-\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0)\right|<\frac{\varepsilon}{2(b-a)}\right) \quad(9)$$ Тогда для любого $h\in\mathbb{R}$ такого, что $0<|h|<\delta$ и $y_0+h\in[c,d]$ $$\frac{F(y_0+h)-F(y_0)}{h}=\frac1{h}\left(\int_a^bf(x,y_0+h)\,dx-\int_a^bf(x,y_0)\,dx\right)=\frac1{h}\int_a^b(f(x,y_0+h)-f(x,y_0)\,dx)$$ По теореме Лагранжа для любого $x\in[a,b]$ существует $\theta=\theta(x)\in(0,1)$ такое, что $f(x,y_0+h)-f(x,y_0)=h\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0+\theta{h})$, тогда $$\frac{F(x,y_0+h)-F(y_0)}{h}=\frac1{h}\int_a^bh\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0+\theta{h})\,dx= \int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0+\theta{h})\,dx\Rightarrow$$ $$\Rightarrow\left|\frac{F(y_0+h)-F(y_0)}{h}-\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0)\,dx\right|\leq \left|\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0+\theta{h})\,dx-\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0)\,dx\right|\leq \int_a^b\left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0+\theta{h})-\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0)\right|\,dx\leq^{(9)} \int_a^b\frac{\varepsilon}{2(b-a)}\,dx=\frac{\varepsilon}{2}<\varepsilon$$ где предпоследнее неравенство следует из оценки (9), так как для любого $x\in[a,b]$ $\theta=\theta(x)\in(0,1)$, то есть $|(y_0+\theta{h})-y_0|=|\theta{h}|<|h|<\delta$. Таким образом в силу произвольности выбора значения $\varepsilon$ $$\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0\colon\left(0<|h|<\delta\Rightarrow \left|\frac{F(y_0+h)-F(y_0)}{h}-\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0)\,dx\right|<\varepsilon\right)\Rightarrow \exists\frac{dF}{dy}(y_0)=\lim_{h\to0}\frac{F(y_0+h)-F(y_0)}{h}=\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y_0)\,dx.$$ Так как $\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\in{C}(Q)$, то по утверждению 13.1.2 $F'(y)=\int_a^b\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\,dx\in{C}[c,d]$, значит $F(y)\in{C}'[c,d]$.

Слабость утверждения 13.1.3 в том, что промежуток интегрирования не зависит от параметра $y$.

Утверждение 13.1.4: Общая версия правила Лейбница.
Пусть $Q:=[a,b]\times[c,d]$; $\varphi(y),\psi(y)\colon[c,d]\to[a,b]$, $f(x,y)\colon{Q}\to\mathbb{R}$ такие, что

  1. $\varphi(y),\psi(y)\in{C}'[c,d]$,
  2. $f(x,y)\in{C}(Q)$,
  3. $\exists\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\in{C}(Q)$,
тогда если $F(y):=\displaystyle\int_{\varphi(y)}^{\psi(y)}f(x,y)\,dx$, то
  1. $F(y)\in{C}'[c,d]$
  2. $\displaystyle\forall{y}\in[c,d]\left(\frac{dF}{dy}(y)= \int_{\varphi(y)}^{\psi(y)}\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)dx+f(\psi(y),y)\psi'(y)-f(\varphi(y),y)\varphi'(y)\right)$

Доказательство: Обозначим $\Pi:=[c,d]\times[a,b]\times[a,b]$, $\Phi(y,u,v):=\int_u^vf(x,y)\,dx\colon\Pi\to\mathbb{R}$.

  1. Докажем, что $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}$, $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{u}}$, $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{v}}\in{C}(\Pi)$.
    Из определения функции $\Phi(y,u,v)$ и формулы Ньютона - Лейбница следует, что $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{u}}(y,u,v)=-f(u,y)$, $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{v}}(y,u,v)=f(v,u)$. Тогда в силу условия 2 $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{u}},\frac{\partial{\Phi}}{\partial{v}}\in{C}(\Pi)$. С другой стороны из условия 2 и 3 следует, что к функции $f(x,y)$ применимо утверждение 13.1.3, то есть при любых фиксированных $u,v\in[a,b]$ существует производная $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,u,v)=\int_u^v\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\,dx$.
    Докажем непрерывность функции $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,u,v)$.
    Доказательство необходимо, так как из утверждения 13.1.3 следует только непрерывность по переменной $y$. Итак, оценим разность $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y+\Delta{y},u+\Delta{u},v+\Delta{v})-\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,u,v)$ при $\sqrt{(\Delta{y})^2+(\Delta{u})^2+(\Delta{v})^2}\to0$. $\begin{multline} \left|\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y+\Delta{y},u+\Delta{u},v+\Delta{v})-\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,u,v)\right|= \left|\int_{u+\Delta{u}}^{v+\Delta{v}}\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})\,dx-\int_u^v\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\,dx\right|=\\ =\left|\int_{u+\Delta{u}}^u\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})\,dx+\int_u^v\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})\,dx+ \int_v^{v+\Delta{v}}\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})\,dx-\int_u^v\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\,dx\right|\leq\\ \leq\left|\int_{u+\Delta{u}}^u\left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})\right|\,dx\right|+ \left|\int_u^v\left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})-\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\right|\,dx\right|+ \left|\int_v^{v+\Delta{v}}\left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})\right|\,dx\right| \end{multline}.$ Обозначим слагаемые в последнем выражении как $I_1$, $I_2$, $I_3$ соответственно. Фиксируем $\varepsilon>0$, тогда из равномерной непрерывности функции $\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)$ на $Q$, следует $\begin{multline} \exists\delta=\delta(\varepsilon)>0\colon\forall{y}\in[c,d]\forall{x}\in[a,b]\left((|\Delta{y}|<\delta\wedge{y}+\Delta{y}\in[c,d])\Rightarrow \left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y+\Delta{y})-\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\right|<\frac{\varepsilon}{3(b-a)}\Rightarrow\right.\\ \left.\Rightarrow{I}_2\leq\left|\int_u^v\frac{\varepsilon}{3(b-a)}\,dx\right|\leq\frac{\varepsilon}{3(b-a)}|v-u|\leq\frac{\varepsilon}{3}\right)\qquad(15) \end{multline}$ Так как $\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\in{C}(Q)$ и $Q$ - компакт, то функция $\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)$ ограничена на $Q$, следовательно $$\exists{M}>0\colon\forall(x,y)\in{Q}\left(\left|\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\right|\leq{M}\right)\Rightarrow \left(I_1\leq\int_u^{u+\Delta{u}}M\,dx=M|\Delta{u}|\wedge{I}_3\leq{M}|\Delta{v}|\right)\Rightarrow$$ $$\Rightarrow\exists\delta_1=\delta_1(\varepsilon):=\min{\left\{\delta(\varepsilon),\frac{\varepsilon}{3M}\right\}}\colon \left(\sqrt{(\Delta{y})^2+(\Delta{u})^2+(\Delta{v})^2}<\delta_1\Rightarrow \left(|\Delta{y}|<\delta\wedge|\Delta{u}|<\frac{\varepsilon}{3M}\wedge|\Delta{v}|<\frac{\varepsilon}{3M}\right)\Rightarrow^{(15)} I_1+I_2+I_3<{M}\frac{\varepsilon}{3M}+\frac{\varepsilon}{3}+M\frac{\varepsilon}{3M}=\varepsilon\right).$$ Таким образом удалось доказать, что для любого $(y,u,v)\in\Pi$ существует предел $\displaystyle\lim_{(\Delta{y},\Delta{u},\Delta{v})\to0}\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y+\Delta{y},u+\Delta{u},v+\Delta{v})= \frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,u,v)$, то есть $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,u,v)\in{C}(\Pi)$.
    Так как $F(y)=\Phi(y,\varphi(y),\psi(y))$, то $F'(y)=\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,\varphi(y),\psi(y))+\frac{\partial{\Phi}}{\partial{u}}(y,\varphi(y),\psi(y))\varphi'(y)+ \frac{\partial{\Phi}}{\partial{v}}(y,\varphi(y),\psi(y))\psi'(y)$, тогда из пункта 1 условия и непрерывности функций $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}$, $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{u}}$, $\frac{\partial{\Phi}}{\partial{v}}$ следует непрерывность функции $F'(y)$, то есть $F(y)\in{C}'[c,d]$.
  2. Следует из определения функции $\Phi(y,u,v)$ и формулы $$F'(y)=\frac{\partial{\Phi}}{\partial{y}}(y,\varphi(y),\psi(y))+\frac{\partial{\Phi}}{\partial{u}}(y,\varphi(y),\psi(y))\varphi'(y)+ \frac{\partial{\Phi}}{\partial{v}}(y,\varphi(y),\psi(y))\psi'(y).$$


Пример 13.1.1: Вычислим интеграл $\displaystyle{F}(\alpha)=\int_0^{\pi/2}\ln{(\alpha^2-\sin^2\varphi)}\,d\varphi$, для любого $\alpha>1$.
На множестве $Y:=(1,+\infty)$ произведем дифференцирование по параметру $\alpha$.
Так как $$\int\frac{2\alpha}{\alpha^2-\sin^2{\varphi}}\,d\varphi=\int\frac{2\alpha}{\alpha^2-\sin^2(\arctg{t})}\,d(\arctg{t})= \int\frac{2\alpha}{\alpha^2-\frac{t^2}{1+t^2}}\frac1{1+t^2}\,dt=\int\frac{2\alpha}{\alpha^2+\alpha^2t^2-t^2}\,dt= \int\frac{2\alpha}{\alpha^2+(\alpha^2-1)t^2}\,dt=\frac1{\alpha^2-1}\int\frac{2\alpha}{\frac{\alpha^2}{\alpha^2-1}+t^2}\,dt=$$ $$=2\alpha\frac1{\alpha^2-1}\sqrt{\frac{\alpha^2-1}{\alpha^2}}\arctg{\left(t\sqrt{\frac{\alpha^2-1}{\alpha^2}}\right)}= \frac{2}{\sqrt{\alpha^2-1}}\arctg{\left(t\frac{\sqrt{\alpha^2-1}}{\alpha}\right)},$$ то $$\frac{dF}{d\alpha}(\alpha)=\int_0^{\pi/2}\frac{2\alpha}{\alpha^2-\sin^2{\varphi}}\,d\varphi= \frac{2}{\sqrt{\alpha^2-1}}\left.\arctg{\left(t\frac{\sqrt{\alpha^2-1}}{\alpha}\right)}\right|_0^{\infty}=\frac{\pi}{\sqrt{\alpha^2-1}}$$ Таким образом функция $F(\alpha)$ представима в виде $$F(\alpha)=\int\frac{dF}{d\alpha}\,d\alpha=\pi\int\frac{d\alpha}{\sqrt{\alpha^2-1}}=\pi\ln{(\alpha+\sqrt{\alpha^2-1})}+C,$$ где $C$ некоторая константа. Для определения значения $C$ исследуем повдение функции $F(\alpha)$ при $\alpha\to\infty$. $$F(\alpha)=\int_0^{\pi/2}\ln{(\alpha^2-\sin^2{\varphi})}\,d\varphi= \int_0^{\pi/2}\left(\ln{\alpha^2}+\ln{\left(1-\frac{\sin^2{\varphi}}{\alpha^2}\right)}\right)\,d\varphi= \pi\ln{\alpha}+\int_0^{\pi/2}\ln\left(1-\frac{\sin^2{\varphi}}{\alpha^2}\right)\,d\varphi$$ Так как по критерию равномерной сходимости $\displaystyle{f}_n(\varphi)=\ln{\left(1-\frac{\sin^2{\varphi}}{n^2}\right)}\UniformConv0$, $\varphi\in\left[0,\frac{\pi}{2}\right]$, то для интеграла $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\ln{\left(1-\frac{\sin^2\varphi}{\alpha^2}\right)}\,d\varphi$ можно применить утверждение 13.1.1, то есть $$\lim_{\alpha\to\infty}\int_0^{\pi/2}\ln{\left(1-\frac{\sin^2{\varphi}}{\alpha^2}\right)}\,d\varphi= \int_0^{\pi/2}\lim_{\alpha\to\infty}\left(\ln{\left(1-\frac{\sin^2{\varphi}}{\alpha^2}\right)}\right)\,d\varphi=0$$ Таким образом $F(\alpha)=\pi\ln{\alpha}+o(1)$ при $\alpha\to\infty$. С другой стороны, $\begin{multline} F(\alpha)=\pi\ln{(\alpha+\sqrt{\alpha^2-1})}+C=\pi\ln{\alpha}+\pi\ln{\left(1+\sqrt{1-\frac1{\alpha^2}}\right)}+C= \pi\ln{\alpha}+\pi\ln2+C+o(1),\alpha\to\infty\Rightarrow\\ \Rightarrow\lim_{\alpha\to\infty}{(F(\alpha)-\pi\ln{\alpha}-\pi\ln2-C)}= \lim_{\alpha\to\infty}{(F(\alpha)-\pi\ln{\alpha})}-\pi\ln2-C=-\pi\ln2-C=0\Rightarrow{C}=-\pi\ln2. \end{multline}$ Таким образом для любого $\alpha>0$ $\displaystyle{F}(\alpha)=\int_0^{\pi/2}\ln{(\alpha^2-\sin^2\varphi)}\,d\varphi=\pi\ln\frac{\alpha+\sqrt{\alpha^2-1}}{2}$.

В формулировках утверждений 13.1.3, 13.1.4 можно отказаться от того, чтобы множество значений параметра $y$ было отрезком.
Пусть множество $Y$ открытое в $\mathbb{R}$, $f(x,y)\colon{Y}\to\mathbb{R}$ такие, что

  1. $f(x,y)\in{C}([a,b]\times{Y})$,
  2. $\exists\frac{\partial{f}}{\partial{y}}(x,y)\in{C}([a,b]\times{Y})$.
Так как $Y$ открытое в $\mathbb{R}$, то для любого $y_0\in{Y}$ существует отрезок $[c,d]$ такой, что $x\in[c,d]\subset{Y}$. Тогда функция $f(x,y)$ на множестве $[a,b]\times[c,d]$ будет удовлетворять условиям утверждений 13.1.3, 13.1.4. Тогда для любого $y_0\in{Y}$ результаты утверждений будут справедливы.

Задача 13.1.1: Пусть $n\in\mathbb{N}$, $\Delta$ - числовой промежуток из $\overline{\mathbb{R}}$, $f(x)\in{C}(\Delta)$, $$\mathcal{F}_n(x)=\frac1{(n-1)!}\int_0^x(x-t)^{n-1}f(t)\,dt.$$ Доказать, что для любых $n\in\mathbb{N}$, $x\in\Delta$ существует производная $\mathcal{F}_n^{(n)}=f(x)$.

Решение: Докажем индукцией по $n$.
При $n=1$ $\mathcal{F}_1(x)=\int_0^xf(t)\,dt$, следовательно, $\mathcal{F}'_1(x)=f(x)$.
Пусть утверждение верно при $n=k$, то есть $\mathcal{F}_k^{(k)}(x)=f(x)$, тогда $$\mathcal{F}_{k+1}(x)=\frac1{k!}\int_0^x(x-t)^kf(t)\,dt\Rightarrow\mathcal{F}'_{k+1}(x)=\frac1{k!}\int_0^x\frac{d}{dx}((x-t)^kf(t))\,dt= \frac1{k!}\int_0^xk(x-t)^{k-1}f(t)\,dt=\mathcal{F}_k(x)\Rightarrow\mathcal{F}_{k+1}^{(k+1)}(x)=(\mathcal{F}'_{k+1})^{(k)}=\mathcal{F}_k^{(k)}=f(x).$$


previous contents next