数学分析 第十九章 课件 含参变量的积分.
第十九章含参量积分
∫ [∫
0
1
b a
b 1 b +∞ 1 1 sin(ln )x y dy ]dx = ∫ dy ∫ sin(ln )x y dx = ∫ dy ∫ e − ( y +1)t sin tdt (令 x = e − t ) 0 a a 0 x x
=∫
1 dy = arctan(1 + b) − arctan(1 + a) . a 1 + (1 + y 2 )
解: 据定理 19.4 知:
Fx ( x, y ) = ∫ x f ( z )dz + y ( x − xy 2 ) f ( xy ) −
y
xy
1 x x f ( )( x − y ) y y y
= ∫ x f ( z )dz + xy (1 − y 2 ) f ( xy )
y
xy
Fxy ( x, y ) = xf ( xy ) +
b
(2) I =
∫
1 b 1 b 1 [cos(ln ) ∫ x y dy ]dx = ∫ dx ∫ x y cos(ln )dy a 0 0 x a x 1
1 ⎧ y ⎪ x cos(ln ) 0 < x ≤ 1 令 f ( x, y ) = ⎨ , 则 f ( x, y ) 在 [0,1] × [a, b] 上连续,据定理 19.5 有 x ⎪ x=0 ⎩0
1 0
+∫
1 0
⎤ 1 dy ) ⎥ 2 x +y ⎦
2
=∫
1 0
1 π dx = . x +1 4
2
类似的,
∫
1 0
dy ∫
x2 − y2 π dx = − 0 ( x 2 + y 2 )2 4
《数学分析》第十九章 含参变量积分
0, 0,(x1, y1), (x2, y2 ) R,当 x1 x2 , y1 y2 ,
有 f (x1, y1) f (x2, y2) .
故当x 时有
d
I(x x) - I(x) c f (x x, y) f (x, y)dy. d c dx (d c).
d
I(x) c f (x, y)dy, x [a,b]
称为含参量 x 的正常积分,或简称含参量积分.
类似地称
b
J ( y) a f (x, y) dx
为含参变量 y 的积分。
I ( y) 是一个由含参变量的积分所确定的函数，下面我
们研究这种函数的连续性，可微性与可积性。
2、 含参量正常积分的性质:
F2( y0 )
lim
y y0
b( y) y
b( y0 ) y0
f
(x,
y)
b( y0 )
f
(b( y0 ),
y0 )
同样可以证明
定理证毕。
F3( y0 ) a( y0 ) f (a( y0 ), y0 )
例1:
求
1 dx
lim
0
1 x2 2.
I
' 2
(u)
d du
d
H (u, y)dy
c
d
c Hu (u, y)dy
d c
f (u, y)dy I (u).
从而I1'
(u
)
I
' 2
(u),
第十九章 含参量积分
第 十 七 章 多 元 函 数 微 分 学
§1 含参量正常积分
作业 P.178. 习题 2, 9(选做)
补充作业
1. 设 f 是可微函数, 命 F ( u )
计算F"(u). 2. 求函数 f ( x )
u 0
( x u ) f ( x )d x ,
b x ax
sin xt t
(4)
第 十 七 章 多 元 函 数 微 分 学
§2 含参量反常积分
定理19.7(一致收敛的柯西准则) 含参量反常积
分(1)在[a, b]上一致收敛的充要条件是: 对任
给的 0, 总存在实数 M c, 使得当A1, A2 M 时, 对一切x[a, b], 都有
A2 A1
f ( x , y )d y .
第 十 七 章 多 元 函 数 微 分 学
级数与多元微积分
Series and Calculous in Several Variables
授课教师：胡鹏彦 授课对象：05本科
第 十 七 章 多 元 函 数 微 分 学
第十九章 含 参 量 积 分
§1 含参量正常积分 §2 含参量反常积分 §3 欧拉积分
x1 x 2 , y1 y 2 ,
就有
f
x1 ,
y1 f
x2 ,
y2 .
第 十 七 章 多 元 函 数 微 分 学
§1 含参量正常积分
定理19.3(可微性) 若函数 f (x, y)与 fx(x, y)都在矩形区 域R[a, b][c, d]上连续, 则
上. 若对任意x[a, b], 作为y的函数 f (x, y)在 [c(x), d(x)]上可积, 则称积分
数学分析之含参量积分
第十九章含参量积分教学目的：1.掌握含参量正常积分的概念、性质及其计算方法；2.掌握两种含参量反常积分的概念、性质及其计算方法；3.掌握欧拉积分的形式及有关计算。
教学重点难点：本章的重点是含参量积分的性质及含参量反常积分的一致收敛性的判定；难点是一致收敛性的判定。
教学时数：12学时§1含参量正常积分一. 含参积分:以实例和引入.定义含参积分和.含参积分提供了表达函数的又一手段 .我们称由含参积分表达的函数为含参积分.1. 含参积分的连续性:Th19.5 若函数在矩形域上连续, 则函数在上连续 . ( 证) P172Th19.8 若函数在矩形域上连续, 函数和在上连续, 则函数在上连续. ( 证) P1732. 含参积分的可微性及其应用:Th 19.10 若函数及其偏导数都在矩形域上连续, 则函数在上可导, 且.( 即积分和求导次序可换) . ( 证) P174 Th 19.11 设函数及其偏导数都在矩形域上连续,函数和定义在, 值域在上, 且可微, 则含参积分在上可微, 且. ( 证)P174例1 计算积分. P176.例2设函数在点的某邻域内连续 . 验证当充分小时, 函数的阶导数存在, 且. P177.§2 含参反常积分一. 含参无穷积分:1.含参无穷积分:函数定义在上( 可以是无穷区间) . 以为例介绍含参无穷积分表示的函数.2. 含参无穷积分的一致收敛性:逐点收敛( 或称点态收敛) 的定义: , , 使.引出一致收敛问题 .定义(一致收敛性) 设函数定义在上 . 若对, 使对成立, 则称含参无穷积分在( 关于)一致收敛.Th 19.5 ( Cauchy收敛准则) 积分在上一致收敛,对成立 .例1 证明含参量非正常积分在上一致收敛, 其中. 但在区间内非一致收敛 . P1803. 含参无穷积分与函数项级数的关系:Th 19.6 积分在上一致收敛, 对任一数列, ↗, 函数项级数在上一致收敛. ( 证略)二. 含参无穷积分一致收敛判别法:1. Weierstrass M 判别法: 设有函数, 使在上有. 若积分, 则积分在一致收敛.例2 证明含参无穷积分在内一致收敛. P1822. Dirichlet判别法和Abel判别法: P182三. 含参无穷积分的解析性质: 含参无穷积分的解析性质实指由其所表达的函数的解析性质.1. 连续性: 积分号下取极限定理.Th 19.7 设函数在上连续 . 若积分在上一致收敛, 则函数在上连续. ( 化为级数进行证明或直接证明)推论在Th.7的条件下, 对, 有2. 可微性: 积分号下求导定理.Th 19.8 设函数和在上连续. 若积分在上收敛, 积分在一致收敛. 则函数在上可微,且.3. 可积性: 积分换序定理.Th 19.9 设函数在上连续. 若积分在上一致收敛, 则函数在上可积, 且有.例3 计算积分P186四.含参瑕积分简介:§3 Euler积分本节介绍用含参广义积分表达的两个特殊函数, 即和. 它们统称为Euler积分. 在积分计算等方面, 它们是很有用的两个特殊函数.一. Gamma函数——Euler第二型积分：1. Gamma函数: 考虑无穷限含参积分,当时, 点还是该积分的瑕点 . 因此我们把该积分分为来讨论其敛散性 .: 时为正常积分 .时, .利用非负函数积的Cauchy判别法, 注意到时积分收敛 . (易见时, 仍用Cauchy判别法判得积分发散). 因此, 时积分收敛 .: 对R成立,.因此积分对R收敛.综上, 时积分收敛 . 称该积分为Euler第二型积分.Euler 第二型积分定义了内的一个函数, 称该函数为Gamma函数, 记为,即=, .函数是一个很有用的特殊函数 .2. 函数的连续性和可导性:在区间内非一致收敛 . 这是因为时积分发散. 这里利用了下面的结果: 若含参广义积分在内收敛, 但在点发散, 则积分在内非一致收敛 .但在区间内闭一致收敛 .即在任何上,一致收敛 . 因为时, 对积分, 有, 而积分收敛.对积分, , 而积分收敛. 由M—判法, 它们都一致收敛, 积分在区间上一致收敛 .作类似地讨论, 可得积分也在区间内闭一致收敛. 于是可得如下结论:的连续性: 在区间内连续 .的可导性: 在区间内可导, 且.同理可得: 在区间内任意阶可导, 且.3. 凸性与极值:, 在区间内严格下凸.( 参下段), 在区间内唯一的极限小值点( 亦为最小值点) 介于1与2 之间 .4. 的递推公式函数表:的递推公式: .证..于是, 利用递推公式得:,,, …………, ,一般地有.可见, 在上, 正是正整数阶乘的表达式 . 倘定义, 易见对,该定义是有意义的. 因此, 可视为内实数的阶乘. 这样一来, 我们很自然地把正整数的阶乘延拓到了内的所有实数上,于是, 自然就有, 可见在初等数学中规定是很合理的.函数表: 很多繁杂的积分计算问题可化为函数来处理. 人们仿三角函数表、对数表等函数表, 制订了函数表供查. 由函数的递推公式可见, 有了函数在内的值, 即可对, 求得的值. 通常把内函数的某些近似值制成表, 称这样的表为函数表也有在内编制的函数表.)5. 函数的延拓:时, 该式右端在时也有意义 . 用其作为时的定义, 即把延拓到了内.时, 依式, 利用延拓后的, 又可把延拓到内 .依此, 可把延拓到内除去的所有点. 经过如此延拓后的的图象如P192图表19—2.例1 求, , . ( 查表得.)解.), .6. 函数的其他形式和一个特殊值:某些积分可通过换元或分部积分若干次后化为函数 . 倘能如此, 可查函数表求得该积分的值.常见变形有:ⅰ> 令, 有=,因此, , .ⅱ> 令.注意到P7的结果, 得的一个特殊值.ⅲ> 令, 得. 取, 得.例2 计算积分, 其中.解I.二. Beta函数——Euler第一型积分：1．Beta函数及其连续性：称( 含有两个参数的)含参积分为Euler第一型积分. 当和中至少有一个小于1 时, 该积分为瑕积分. 下证对, 该积分收敛. 由于时点和均为瑕点. 故把积分分成和考虑.: 时为正常积分; 时, 点为瑕点. 由被积函数非负,和,( 由Cauchy判法) 积分收敛 . ( 易见时积分发散).: 时为正常积分; 时, 点为瑕点. 由被积函数非负,和,( 由Cauchy判法) 积分收敛 . ( 易见时积分发散).综上, 时积分收敛. 设D,于是, 积分定义了D内的一个二元函数. 称该函数为Beta函数, 记为, 即=不难验证, 函数在D内闭一致收敛. 又被积函数在D内连续, 因此, 函数是D内的二元连续函数.2. 函数的对称性: .证=.由于函数的两个变元是对称的, 因此, 其中一个变元具有的性质另一个变元自然也具有.3. 递推公式: .证,而,代入式, 有,解得.由对称性, 又有.4. 函数的其他形式:ⅰ> 令, 有,因此得, .ⅱ> 令, 可得, .特别地, , .ⅲ> 令, 有==,即,ⅳ> 令, 可得.ⅴ> , .三. 函数和函数的关系: 函数和函数之间有关系式,以下只就和取正整数值的情况给予证明. 和取正实数值时, 证明用到函数的变形和二重无穷积分的换序.证反复应用函数的递推公式, 有,而.特别地, 且或时, 由于, 就有.余元公式——函数与三角函数的关系：对，有.该公式的证明可参阅: Фихтенгалъц, 微积分学教程Vol 2 第3分册, 利用余元公式, 只要编制出时的函数表, 再利用三角函数表, 即可对, 查表求得的近似值.四.利用Euler积分计算积分:例3 利用余元公式计算.解, .例4 求积分.解令, 有I.例5 计算积分.解, 该积分收敛 . ( 亦可不进行判敛,把该积分化为函数在其定义域内的值, 即判得其收敛 . )I.例6 , 求积分,其中V : .解.而.因此, .第二十章曲线积分教学目的：1.理解第一、二型曲线积分的有关概念；2.掌握两种类型曲线积分的计算方法，同时明确它们的联系。
数学分析19.2含参量积分之含参量反常积分(含习题及参考答案)
第十九章 含参量积分 2含参量反常积分一、一致收敛性及其判别法概念1：设函数f(x,y)定义在无界区域R={(x,y)|x ∈I, c ≤y<+∞}上，I 为一区间，若对每一个固定的x ∈I, 反常积分⎰+∞c dy y x f ),(都收敛，则它的值是x 在I 上取值的函数, 记φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(, x ∈I, 称⎰+∞c dy y x f ),(为定义在I 上的含参量x 的无穷限反常积分，简称含参量反常积分.定义1： 若含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(与函数φ(x)对任给ε>0, 总存在某实数N>c, 使当M>N 时, 对一切x ∈I, 都有)(),(x dy y x f Mc Φ-⎰<ε, 即⎰+∞M dy y x f ),(<ε, 则称含参量反常积分在I 上一致收敛于φ(x), 简单地说含参量积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛.定理19.7：(一致收敛的柯西准则)含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛的充要条件是：对任给正数ε, 总存在某一实数M>c, 使得当A 1, A 2>M 时，对一切x ∈I, 都有⎰21),(A A dy y x f <ε.定理19.8：含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛的充要条件是：+∞→A lim F(A)=0, 其中F(A)=⎰+∞∈AIx dy y x f ),(sup .例1：证明含参量反常积分⎰+∞0sin dy yxy在[δ,+∞)上一致收敛(δ>0)，但在(0,+∞)上不一致收敛.解：令u=xy, 则⎰+∞A dy y xysin =⎰+∞Ax du uu sin (A>0). ∵⎰+∞Axdu uusin 收敛，∴∀ε>0, ∃M>0, 使当A ’>M 时，就有⎰∞+'A du u u sin <ε. 取A δ>M, 则当A>δM时，对一切x ≥δ>0，有xA>M, ∴⎰∞+Axdu uusin <ε, 即⎰∞+Ady y xysin <ε, ∴+∞→A lim F(A)=⎰∞++∞∈+∞→A x A dy y xy sin sup lim ),(δ=0, 由定理19.8知 ⎰+∞sin dy yxy在[δ,+∞)上一致收敛. 又 F(A)=⎰∞++∞∈Ax dy yxysin sup ),0(=⎰∞++∞∈Ax x du u u sin sup ),0(≥⎰∞+0sin du u u =2π. ∴⎰+∞0sin dy yxy在(0,+∞)上不一致收敛.注：若对任意[a,b]⊂I, 含参量反常积分在[a,b]上一致收敛，则称在I 上内闭一致收敛.定理19.9：含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛的充要条件是：对任一趋于+∞的递增数列{A n }(其中A 1=c), 函数项级数∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛.证：[必要性]若⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛, 则∀ε>0, ∃M>c, 使 当A ”>A ’>M 时，对一切x ∈I, 总有⎰'''A A dy y x f ),(<ε.又A n →+∞(n →∞), ∴对正数M, ∃正整数N, 只要当m>n>N 时，就有 A m >A n >M. ∴对一切x ∈I, 就有|u n (x)+…+u m (x)|=⎰⎰+++⋯+11),(),(n nm mA A A Ady y x f dy y x f =⎰+1),(m nA Ady y x f <ε.∴∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛.[充分性]若∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛, 而⎰+∞c dy y x f ),(在I 上不一致收敛,则存在某正数ε0, 使对任何实数M>c, 存在相应的A ”>A ’>M 和x ’∈I, 使得⎰''''A A dy y x f ),(≥ε0; 现取M 1=max{1,c}, 则存在A 2>A 1>M 1, 及x 1∈I, 使得⎰21),(1A A dy y x f ≥ε0; 一般地, 取M n =max{n,A 2(n-1)} (n ≥2), 则有A 2n >A 2n-1>M n , 及x n ∈I, 使得⎰-nn A An dy y x f 212),(≥ε0.由上述所得数列{A n }为递增数列, 且∞→n lim A n =+∞, 而对级数∑∞=1)(n nx u=∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f , 存在正数ε0, 对任何正整数N,只要n>N, 就有某个x n ∈I, 使得|u 2n (x n )|=⎰-nn A An dy y x f 212),(≥ε0,与级数∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛矛盾. ∴⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛.魏尔斯特拉斯M 判别法：设函数g(y), 使得 |f(x,y)|≤g(y), (x,y)∈I ×[c,+∞). 若⎰+∞c dy y g )(收敛, 则⎰+∞cdy y x f ),(在I 上一致收敛.狄利克雷判别法：设(1)对一切实数N>c, 含参量正常积分⎰Nc dy y x f ),(对参量x 在I 上一致有界, 即存在正数M, 对一切N>c 及一切x ∈I, 都有⎰Nc dy y x f ),(≤M. (2)对每一个x ∈I, 函数g(x,y)关于y 是单调递减且当y →+∞时, 对参量x, g(x,y)一致收敛于0.则含参量反常积分⎰+∞c dy y x g y x f ),(),(在I 上一致收敛.阿贝尔判别法：设(1)⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛.(2)对每一个x ∈I, 函数g(x,y)为y 的单调函数, 且对参量x, g(x,y)在I 上一致有界.则含参量反常积分⎰+∞c dy y x g y x f ),(),(在I 上一致收敛.例2：证明含参量反常积分⎰+∞+021cos dx xxy在(-∞,+∞)上一致收敛. 证：∵对任何实数y, 有21cos x xy +≤211x +, 又反常积分⎰+∞+021xdx收敛. 由魏尔斯特拉斯M 判别法知, 含参量反常积分⎰+∞+021cos dx x xy在(-∞,+∞)上一致收敛.例3：证明含参量反常积分⎰+∞-0sin dx xxe xy 在[0,+∞)上一致收敛. 证：∵反常积分⎰+∞sin dx xx收敛, ∴对于参量y, 在[0,+∞)上一致收敛. 又函数g(x,y)=e -xy 对每个y ∈[0,+∞)单调, 且对任何0≤y<+∞, x ≥0, 都有|g(x,y)|=|e -xy |≤1. 由阿贝尔判别法知, 含参量反常积分⎰+∞-0sin dx xxe xy 在[0,+∞)上一致收敛.例4：证明含参量积分⎰+∞+121sin dy y xyy 在(0,+∞)上内闭一致收敛.证：若[a,b]⊂(0,+∞), 则对任意x ∈[a,b],⎰Naxydy sin =Nax xycos -≤a 2. 又'⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+21y y =()22211yy +-≤0, 即21y y +关于y 单调减, 且当y →+∞时, 21yy+→0(对x 一致), 由狄利克雷判别法知, 含参量积分⎰+∞+121sin dy y xyy 在[a,b]上一致收敛. 由[a,b]的任意性知, ⎰+∞+121sin dy yxyy 在(0,+∞)上内闭一致收敛.二、含参量反常积分的性质定理19.10：(连续性)设f(x,y)在I ×[c,+∞)上连续，若含参量反常积分φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛，则φ(x)在I 上连续. 证：由定理19.9，对任一递增且趋于+∞的数列{A n } (A 1=c)， 函数项级数φ(x)=∑⎰∞=+11),(n A An ndy y x f =∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛.又由f(x,y)在I ×[c,+∞)上连续，∴每个u n (x)都在I 上连续. 由函数项级数的连续性定理知，函数φ(x)在I 上连续.推论：设f(x,y)在I ×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上内闭一致收敛，则φ(x)在I 上连续.注：在一致收敛的条件下，极限运算与积分运算可以交换，即：⎰+∞→cx x dy y x f ),(lim0=⎰+∞c dy y x f ),(0=⎰+∞→cx x dy y x f ),(lim 0.定理19.11：(可微性)设f(x,y)与f x (x,y)在区域I ×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上收敛，⎰+∞c x dy y x f ),(在I 上一致收敛，则φ(x)在I 上可微，且φ’(x) =⎰+∞c x dy y x f ),(.证：对任一递增且趋于+∞的数列{A n } (A 1=c)，令u n (x)=⎰+1),(n nA A dy y x f .由定理19.3推得u n ’(x)=⎰+1),(n nA A x dy y x f .由⎰+∞c x dy y x f ),(在I 上一致收敛及定理19.9，可得函数项级数∑∞='1)(n n x u =∑⎰∞=+11),(n A A x n ndy y x f 在I 上一致收敛.根据函数项级数的逐项求导定理，即得：φ’(x) =∑∞='1)(n nx u =∑⎰∞=+11),(n A Ax n ndy y x f =⎰+∞cx dy y x f ),(.或写作⎰+∞c dy y x f dxd ),(=⎰+∞c x dy y x f ),(.推论：设f(x,y)与f x (x,y)在区域I ×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上收敛，⎰+∞c x dy y x f ),(在I 上内闭一致收敛，则φ(x)在I 上可微，且φ’(x) =⎰+∞c x dy y x f ),(.定理19.12：(可积性)设f(x,y)在[a,b]×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在[a,b]上一致收敛，则φ(x)在[a,b]上可积，且⎰⎰+∞cbady y x f dx ),( =⎰⎰+∞bacdx y x f dy ),(.证：由定理19.10知φ(x)在[a,b]上连续，从而在[a,b]上可积. 又函数项级数φ(x)=∑⎰∞=+11),(n A An ndy y x f =∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛，且各项u n (x)在[a,b]上连续，根据函数项级数逐项求积定理，有⎰Φbadx x )(=∑⎰∞=1)(n ban dx x u =∑⎰⎰∞=+11),(n baA A n ndy y x f dx =∑⎰⎰∞=+1),(1n baA A dx y x f dy n n，即⎰⎰+∞cbady y x f dx ),( =⎰⎰+∞bacdx y x f dy ),(.定理19.13：设f(x,y)在[a,+∞)×[c,+∞)上连续，若(1)⎰+∞a dx y x f ),(关于y 在[c,+∞)上内闭一致收敛，⎰+∞c dy y x f ),(关于x 在[a,+∞)上内闭一致收敛；(2)积分⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx |),(|与⎰⎰+∞+∞a c dx y x f dy |),(|中有一个收敛. 则⎰⎰+∞+∞cady y x f dx ),(=⎰⎰+∞+∞acdx y x f dy ),(.证：不妨设⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx |),(|收敛，则⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx ),(收敛. 当d>c 时，记Jd =|⎰⎰+∞a dc dx y x f dy ),(-⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx ),(| =|⎰⎰+∞a dc dx y x f dy ),(-⎰⎰+∞dc a dy y x f dx ),(-⎰⎰+∞+∞d a dy y x f dx ),(|. 由条件(1)及定理19.12可推得：J d =|⎰⎰+∞+∞d a dy y x f dx ),(|≤|⎰⎰+∞d Aa dy y x f dx ),(|+⎰⎰+∞+∞d A dy y x f dx |),(|. 由条件(2)，∀ε>0, ∃G>a ，使当A>G 时，有⎰⎰+∞+∞d A dy y x f dx |),(|<2ε. 选定A 后，由⎰+∞c dy y x f ),(的一致收敛性知，∃M>a ，使得当d>M 时， 有|⎰+∞d dy y x f ),(|<)(2a A -ε. ∴J d <2ε+2ε=ε，即有+∞→d lim J d =0，∴⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx ),(=⎰⎰+∞+∞a c dx y x f dy ),(.例5：计算：J=⎰+∞--0sin sin dx xaxbx e px (p>0,b>a). 解：∵xax bx sin sin -=⎰ba xydy cos ，∴J=⎰⎰+∞-0cos b a pxxydy dx e =⎰⎰+∞-0cos ba px xydy e dx .由|e -px cosxy|≤e -px 及反常积分⎰+∞-0dx e px 收敛， 根据魏尔斯特拉斯M 判别法知，含参量反常积分⎰+∞-0cos xydx e px 在[a,b]上一致收敛.又e -px cosxy[0,+∞)×[a,b]上连续，根据定理19.12交换积分顺序得： J=⎰⎰+∞-0cos xydx e dy px ba =⎰+bady y p p22=arctan p b - arctan p a .例6：计算：⎰+∞sin dx xax. 解：利用例5的结果，令b=0，则有F(p)=⎰+∞-0sin dx xaxe px=arctan p a (p>0).由阿贝尔判别法可知含参量反常积分F(p)在p ≥0上一致收敛， 又由定理19.10知，F(p)在p ≥0上连续，且F(0)=⎰+∞sin dx xax . 又F(0)=)(lim 0p F p +→=+→0lim p arctan p a =2πagn a. ∴⎰+∞0sin dx xax =2πagn a.例7：计算：φ(r)=⎰+∞-0.cos 2rxdx e x .解：∵|2x e -cosrx|≤2x e -对任一实数r 成立且反常积分⎰+∞-02dx e x 收敛， ∴含参量反常积分φ(r)=⎰+∞-0cos 2rxdx e x 在(-∞,+∞)上收敛. 考察含参量反常积分⎰+∞-'0)cos (2dx rx er x =⎰+∞--0sin 2rxdx xe x ，∵|-x 2x e -sinrx|≤x 2x e -对一切x ≥0, r ∈(-∞,+∞)成立且⎰+∞-02dx e x 收敛， 根据魏尔斯特拉斯M 判别法知， 含参量反常积分⎰+∞-'0)cos (2dx rx er x 在(-∞,+∞)上一致收敛.由定理19.11得φ’(r)=⎰+∞--0sin 2rxdx xex =⎰-+∞→-Ax A rxdxxesin lim2=⎪⎭⎫⎝⎛-⎰--+∞→A x Ax A rxdx e r rx e 00cos 2sin 21lim 22=⎰--A x rxdx e r 0cos 22=2r -φ(r). ∴φ(r)=c 42r e -. 又φ(0)=⎰+∞-02dx e x =2π=c. ∴φ(r)=422πr e-.概念2：设f(x,y)在区域R=[a,b]×[c,d)上有定义，若对x 的某些值，y=d 为函数f(x,y)的瑕点，则称⎰dc dy y x f ),(为含参量x 的无界函数反常积分，或简称为含参量反常积分. 若对每一个x ∈[a,b]，⎰dc dy y x f ),(都收敛，则其积分值是x 在[a,b]上取值的函数.定义2：对任给正数ε, 总存在某正数δ<d-c, 使得当0<η<δ时, 对一切x ∈[a,b], 都有⎰-dd dy y x f η),(<ε, 则称含参量反常积分⎰dc dy y x f ),(在[a,b]上一致收敛.习题1、证明下列各题 (1)⎰∞++-122222)(dx y x x y 在(-∞,+∞)上一致收敛；(2)⎰+∞-02dy eyx 在[a,b] (a>0)上一致收敛；(3)⎰+∞-0sin dt tate t在0<a<+∞上一致收敛； (4)⎰+∞-0dy xe xy (i)在[a,b] (a>0)上一致收敛，(ii)在[0,b]上不一致收敛； (5)⎰10)ln(dy xy 在[b1,b](b>1)上一致收敛；(6)⎰1px dx(i)在(-∞,b] (b<1)上一致收敛，(ii)在(-∞,1]内不一致收敛； (7)⎰---1011)1(dx x x q p 在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛.证：(1)∵22222)(y x x y +-≤22222)(y x x y ++≤21x ，且⎰+∞12x dx 收敛，∴⎰∞++-122222)(dx y x x y 在(-∞,+∞)上一致收敛. (2)∵当0<a ≤x ≤b 时，yx e2-=yx e21≤ya e21，且⎰+∞12ya edy 收敛，∴⎰+∞-02dy e y x 在[a,b] (a>0)上一致收敛.(3)对任何N>0，∵⎰-Nt atdt e 0sin ≤⎰-Nt dt e 0≤1，即⎰-Nt atdt e 0sin 一致有界. 又t1关于在(0,+∞)单调，且t1→0 (t →∞)，由狄利克雷判别法知，⎰+∞-0sin dt tate t在0<a<+∞上一致收敛. (4)(i)∵当0<a ≤x ≤b 时，|xe -xy|≤be -ay，且⎰+∞0ay -be 收敛， ∴⎰+∞-0dy xe xy 在[a,b] (a>0)上一致收敛. (ii)方法一：取ε0=21e<0, 则对任何M>0, 令A 1=M, A 2=2M, x 0=M 1, 有 ⎰-2100A A y x dy e x =MM yx e 20-=21e e ->21e=ε0，∴⎰+∞-0dy xe xy 在 [0,b]上不一致收敛. 方法二：∵⎰+∞-0dy xe xy =⎩⎨⎧≤<=bx x 0,10,0，且xe -xy 在[0,b]×(0,+∞)内连续，由连续性定理知⎰+∞-0dy xe xy 在 [0,b]上不一致收敛.(5)∵在[b1,b]×(0,1] (b>1)内, |ln(xy)|=|lnx+lny|≤|lnx|+|lny|≤lnb-lny, 且⎰-10)ln (ln dy y b 收敛, ∴⎰10)ln(dy xy 在[b1,b](b>1)上一致收敛.(6)(i)∵当p ≤b<1, x ∈(0,1]时，p x 1≤b x 1，又⎰10b xdx 收敛，∴⎰1px dx在(-∞,b] (b<1)上一致收敛.(ii)当p=1时，⎰1xdx发散，∴对任何A<1，在[A,1]内不一致收敛，即 ⎰1p xdx在(-∞,1]内不一致收敛. (7)记⎰---1011)1(dx x xq p =⎰---21011)1(dx x xq p +⎰---12111)1(dx x x q p =I 1+I 2.对I 1在0≤x ≤21, 0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上， ∵|x p-1(1-x)q-1|≤1100)1(---q p x x且⎰---210110)1(dx x x q p 收敛，∴I 1在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛； 同理可证I 2在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛. ∴⎰---1011)1(dx x x q p 在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛.2、从等式⎰-ba xydy e =x e e by ay ---出发，计算积分⎰∞+---0dx xe e byay (b>a>0). 解：∵⎰-ba xy dy e=x e e by ay ---，∴⎰∞+---0dx xe e byay=⎰⎰-+∞b a xy dy e dx 0. 又 e -xy 在[0,+∞)×[a,b]内连续，由M 判别法知, ⎰+∞-0dx e xy 在[a,b]内一致收敛.∴⎰∞+---0dx x e e by ay =⎰⎰+∞-0dx e dy xyb a =⎰b a dy y 1=ln ab .3、证明函数F(y)=⎰+∞--0)(2dx e y x 在(-∞,+∞)上连续. (提示：利用⎰+∞-02dx e x =2π) 证：令x-y=u, 则F(y)=⎰+∞-yu du e2=⎰-02yu du e+⎰+∞-02du eu =⎰-02yu du e +2π. ∵关于y 的积分下限函数⎰-02y u du e 在(-∞,+∞)上连续， ∴F(y)=⎰+∞--0)(2dx e y x 在(-∞,+∞)上连续.4、求下列积分： (1)⎰∞+---022222dx x e e xb xa(提示：利用⎰+∞-02dx ex =2π)； (2)⎰+∞-0sin dt t xt e t；(3)⎰+∞--02cos 1dx x xye x . 解：(1)∵22222x e e xbxa---=⎰-ba x y dy ye 222，∴⎰∞+---022222dx x e e xb xa=⎰⎰+∞-0222bax y dy ye dx ，由M 判别法知⎰+∞-0222dx ye x y 在[a,b]内一致收敛，∴⎰∞+---022222dx x e e xb xa=⎰⎰+∞-0222dx yedy x y ba=⎰⎰+∞-0)(222xy d edy x y ba =⎰bady π=(b-a)π.(2)利用例5结果：⎰+∞--0sin sin dt tatbt e pt=arctan p b - arctan p a . (p>0,b>a).当p=1, a=0, b=x 时，有⎰+∞-0sin dt txte t=arctanx. (3)∵2cos 1x xy e x --=⎰-y x dt x xt e 0sin ，∴⎰⎰-+∞yx dt x xt e dx 00sin . 由x xt e x x sin lim 0-→=t 知, x=0不是xxte x sin -的瑕点，又 含参量非正常积分⎰+∞-0sin dx xxte x 在t ∈[0,M]上一致收敛, ∴由(2)有2cos 1x xy e x--=⎰⎰+∞-00sin dx xxt e dt x y =⎰y tdt 0arctan =yarctany-21ln(1+y 2).5、回答下列问题： (1)对极限⎰+∞-→+0022limdy xyexy x 能否运用极限与积分运算顺序的交换求解？(2)对⎰⎰+∞--132)22(dx e xy y dy xy 能否运用积分顺序交换来求解？(3)对F(x)=⎰+∞-032dy e x y x 能否运用积分与求导运算顺序交换来求解？ 解：(1)∵F(x)=⎰+∞-022dy xye xy =⎩⎨⎧=>0,00,1x x , ∴F(x)lim 0+→x =1，但⎰+∞-→+022lim dy xye xy x =0，即交换运算后不相等，∴对极限⎰+∞-→+0022limdy xyexy x 不能运用极限与积分运算顺序的交换求解.注：⎰+∞-022dy xye xy =⎰+∞-0du xe xu 在[0,b]上不一致收敛，并不符合连续性定理的条件.(2)∵⎰⎰+∞--10032)22(dx exy y dy xy =⎰∞+-122dy xyexy =⎰10dy =0；⎰⎰-+∞-1032)22(dy exy y dx xy =⎰+∞-0122dx ey xy =⎰-1dx e x =1；∴对⎰⎰+∞--10032)22(dx e xy y dy xy 不能运用积分顺序交换来求解.注：⎰+∞--032)22(dx e xy y xy =0且⎰+∞--M xy dx e xy y 2)22(3=-2My 2My e -. 对ε0=1，不论M 多大，总有y 0=M1∈[0,1]，使得⎰+∞--M xy dx e xy y 2)22(3=2M e 1->1,∴⎰+∞--032)22(dx e xy y xy 在[0,1]不一致收敛，不符合可积性定理的条件. (3)∵F(x)=⎰+∞-032dy e x y x =x, x ∈(-∞,+∞)，∴F ’(x)≡1. 但y x e x x23-∂∂=(3x 2-2x 4y)y x e 2-, 而当x=0时，⎰+∞--0422)23(dy e y x x y x =0. ∴对F(x)=⎰+∞-032dy e x y x 不能运用积分与求导运算顺序交换来求解. 注：∵⎰+∞--0422)23(dy ey x x yx =⎩⎨⎧=≠0,00,1x x ，∴⎰+∞--0422)23(dy ey x x yx 在[0,1]上不一致收敛,不符合可微性定理的条件.6、应用：⎰+∞-02dx e ax =212π-a (a>0)，证明： (1)⎰+∞-022dt e t at=234π-a ；(2)⎰+∞-022dt e t at n =⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn n a n .证：(1)方法一：∵⎰+∞-022dt e t at 在任何[c,d]上(c>0)一致收敛， ∴⎰+∞-02dt e da d at =⎰+∞-02dt e dad at =-⎰+∞-022dte t at . 又⎰+∞-02dt e da d at =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-212πa da d =-234π-a . ∴⎰+∞-02dx e ax =234π-a . 方法二：⎰+∞-022dt et at =-⎰+∞-0221at tdea =-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰+∞-∞+-02221dt ete a at at=⎰+∞-0221dt e aat =234π-a .(2)方法一：∵⎰+∞-022dt e t at n 在任何[c,d]上(c>0)一致收敛，∴⎰∞+-02dt eda d at nn=⎰∞+-02dt e da d at nn =(-1)n ⎰+∞-022dt e t at n . 又⎰∞+-02dt e dad atnn =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-212πa dad nn=(-1)n ⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn n a n . ∴⎰+∞-022dt e t atn =⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn nan . 方法二：记I n =⎰+∞-022dt e t at n , n=0,1,2,…，(1)中已证I 1=⎪⎭⎫⎝⎛+--⨯2112)112(2πa=a 2)112(-⨯I 0. 可设I k =a k 2)12(-⨯I k-1，则 I k+1=⎰+∞-+0)1(22dt e t at k =-⎰+∞-+012221at k de t a =-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰+∞+-∞+-+0120122221k at at k dt e e t a=⎰+∞-+022212dt e t a k at k =ak 21)1(2-+I k=2)2()12](1)1(2[a k k --+I k-1=…= 1)2(!]!1)1(2[+-+k a k I 0=211)2(!]!1)1(2[2π-+-+a a k k .当n=k+1时，有I n =⎰+∞-022dt e t at n =21)2(!)!12(2π--a a k n =⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn na n . 7、应用⎰+∞+022a x dx =a2π，求()⎰+∞++0122n a x dx.解：记A=a 2, ∵()⎰+∞++012n Axdx在任何[c,d]上(c>0)一致收敛，∴⎰∞++02A x dx dA d nn =⎰∞+⎪⎭⎫ ⎝⎛+021dx A x dA d n n=(-1)nn!()⎰+∞++012n A x dx . 又⎰∞++02A x dx dAd nn =⎪⎭⎫ ⎝⎛A dA d n n 2π=(-1)n 212!)!12(2π---n n A n . ∴()⎰+∞++012n Axdx=212!!)!12(2π---n n A n n =12!)!2(!)!12(2π---n a n n .8、设f(x,y)为[a,b]×[c,+∞)上连续非负函数，I(x)=dy y x f ⎰+∞0),(在[a,b]上连续，证明：I(x)在[a,b]上一致收敛.证：任取一个趋于的∞递增数列{A n } (其中A 1=c)，考察级数∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =∑∞=1)(n n x u .∵f(x,y)在[a,b]×[c,+∞)上非负连续, ∴u n (x)在[a,b]上非负连续. 由狄尼定理知，∑∞=1)(n n x u 在[a,b]上一致收敛，从而∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f 在[a,b]上一致收敛. 又I(x)=dy y x f ⎰+∞),(在[a,b]上连续.∴I(x)=dy y x f ⎰+∞0),(=∑⎰∞=∞→+11),(lim n A An n ndy y x f [a,b]上一致收敛.9、设在[a,+∞)×[c,d]内成立不等式|f(x,y)|≤F(x,y). 若dx y x F ⎰+∞0),(在y ∈[c,d] 上一致收敛，证明：dx y x f ⎰+∞),(在y ∈[c,d] 上一致收敛且绝对收敛.证：∵dx y x F ⎰+∞0),(在y ∈[c,d] 上一致收敛，∴∀ε>0, ∃M>0，对任何A2>A1>M和一切y∈[c,d]，都有⎰21) , (A AdxyxF<ε.∵|f(x,y)|≤F(x,y)，∴⎰21) , (A Adxyxf≤⎰21),(AAdxyxf≤⎰21),(AAdxyxF<ε，∴dxyxf⎰+∞0),(在y∈[c,d] 上一致收敛且绝对收敛.。
数学分析PPT课件第四版华东师大研制 第19章 含参量积分
则函数
d
I( x) c f ( x, y)dy
在[ a, b]上可微, 且
d
dx
d
d
c
f ( x, y)dy c
fx ( x, y)dy .
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证 对于[a, b]内任意一点x, 设 x x [a, b] (若 x为 区间的端点, 则讨论单侧函数), 则
I( x x) I( x) d f ( x x, y) f ( x, y)dy .
(1)
是定义在 [ a,b]上的函数.
一般地, 设 f ( x, y)为定义在区域
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G {( x, y) | c( x) y d( x) ,a x b}
上的二元函数, 其中c (x), d (x)为定义在[a, b]上的连
续函数(图19-1),
y
y d(x)
G
y c(x)
限运算与积分运算的顺序是可以交换的.
注2 由于连续性是局部性质, 定理19.1中条件 f 在 [a,b][c,d ] 上连续可改为在 [c,d ] 上连续, 其中 为任意区间.
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定理19.2 ( F ( x)的连续性 ) 若二元函数 f ( x, y)在区 域 G {( x, y) | c( x) y d( x) ,a x b}上连续, 其
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dy (d( x) c( x))dt . 所以从(6)式可得
d(x)
F ( x) f ( x, y)dy c( x) 1 0 f ( x, c( x) t(d( x) c( x)))(d( x) c( x))dt.
由于被积函数 f ( x, c( x) t(d( x) c( x)))(d( x) c( x))
数学分析 第十九章 课件 含参变量的积分
d c
| x | ，就有 | f ( x x, y ) f ( x. y ) | 因此只要
y [c, d ] 都成立，因而
| I ( x x) I ( x) | | f ( x + x) f ( x, y ) | dy
c d
d c
d
，对
d c
即
I ( x, u ) 在 ( x0 , u0 ) 点连续，由 I ( x0 , u0 ) [a, b] [c, d ]
的任意性，便证得 I ( x, u ) 在[a, b] [c, d ]连续。 （2）由微积分基本定理，I 对u有连续的偏导数
I f ( x, u ) u
又由定理19.2，I对x也有连续的偏导数
注意到 I(0)=0，故
I (1) I (1) I (0) I ( ) d
0
1
1 1 [ ln 2 ln(1 )]d 2 0 1 4 2 1 ln(1 ) 1 1 2 [ ln(1 ) ln 2 arctan ]| d 0 0 1 2 8 2
0
dx 1 cos x 0
1 arctan t 1 0 1 2 1 2 2
因此
I ( ) 1 2 1 2 (1 1 2 )
积分得
I ( )
d 1 2 (1 1 2 )
则 F ( x)
d ( x)
c( x)
f ( x, y)dy 在[a, b]连续。
证明: 令u=d (x) ,v=c (x), I ( x, u ) f ( x, y)dy
高等数学第19章第2节含参量反常积分
第十九章 含参量积分§2 含参量反常积分一、 一致收敛性及其判别法注．：1)如同反常积分与数项级数的关系那样，含参量反常积分与函数项级数在所研究的问题与论证方法上也极为相似。
☆ 首先引入含参量反常积分的一致收敛概念及柯西准则。
注．：1) 注意一致收敛的整体性. 2）注意大N 的公共性.定理19.7（一致收敛的柯西准则） 含参量反常积分(1)在[]b a ,上一致收敛的充要条件是：对任给正数ε，总存在某一实数c M >，使得当M A A >21,时，对一切[]b a x ,∈，都有,),(21ε<⎰A A dy y x f （3）例1 证明含参量反常积分⎰+∞sin dy yxy（4） 在[)+∞,δ上一致收敛()0＞其中δ，但在()∞，＋0内不一致收敛。
证：1）(只需证明0,0>∃>∀N ε，使得当N A >时，对一切δ≥x 有ε<⎰∞+Ady yxysin 即可.)①对任意.0>A 作变量代换xy u =，可得,sin sin du uu dy y xyAx A⎰⎰+∞+∞= （5）②由于du uu⎰+∞sin 收敛，故对任给正数ε，总存在正数M ，使当M A >'，就有.sin 'ε<⎰∞+du uuA ③因为,0>≥δx 所以δA Ax ≥,取δMN =,则当δMN A =>时,M A Ax >≥δ由上式,对一切,0>≥δx 有.sin ε<⎰∞+du uuAx又由（5）可得ε<⎰∞+Ady yxysin 所以(4)在,0>≥δx 上一致收敛。
2）现在证明(4)在()+∞,0内不一致收敛。
（由一致收敛定义，只要证明：存在某一正数0ε，使对任何实数()c M >，总相应地存在某个M A >及某个∈x []b a ,，使得.),(0ε≥⎰+∞Ady y x f ）①由于非正常积分⎰+∞0sin du u u收敛(在本节例6中我们将求出这个积分的值），所以⎰⎰+∞+∞→=+00sin sin lim du uu du u u b b ，即0,0>∃>∀δε，当),0(δ∈b 时有,s i ns i n 00ε<-⎰⎰∞+∞+bdu uu du u u②对任0>M 总存在某个)0(>x ，(不妨取Mx 2δ=)，使得δδ<=<20Mx 所以有：,sin sin 00ε<-⎰⎰∞+∞+Mx du u u du u u即.sin sin sin 0000εε+<<-⎰⎰⎰+∞+∞+∞du uu du u u du u uMx （6） ③现令⎰+∞=00sin 21du uuε，由(5)及不等式(6)的左端就有0002sin sin εεε=->=⎰⎰+∞+∞Mx Mdu uu dy y xy即：.sin 0ε≥⎰∞+Mdy yxy所以(4)在()+∞,0内不一致收敛． ▌☆ 关于含参量反常积分一致收敛性与函数项级数一致收敛之间的联系有下述定理． 定理19．8 含参量反常积分(1)在[]b a ,上一致收敛的充要条件是：对任一趋于∞+的递增数列{}n A (其中c A =1)，函数项级数∑∑⎰∞=∞==+11)(),(1n n n A A x u dy y x f n n（7）在[]b a ,上一致收敛．证： )⇒ [必要性]由(1)在[]b a ,上一致收敛，故对任给ε>0，必存在M>c ，使当M A A >>'"时，对一切∈x []b a ,，总有.),("'ε<⎰A A dy y x f （8）又由()∞→∞→n A n ，所以对正数M ，存在正整数N ，只要当m>n>N 时，就有M A A n m >>+1．由(8)对一切∈x []b a ,，就有.),(1ε<⎰+n mA A dy y x f又∵)()(),(),(),(111x u x u dy y x f dy y x f dy y x f m n A A A A A A m mn nn m++=++=⎰⎰⎰+++∴ ε<++)()(x u x u m n 这就证明了级数(7)在[]b a ,上一致收敛．[]充分性（不要求，略，但可以看懂） 用反证法．假若(1)在[]b a ,上不一致收敛，则存在某个正数0ε，使得对于任何实数M>c ，存在相应的M A A >>'"和[]b a x ,'∈.使得.),(0'"'ε≥⎰A A dy y x f现取{}c M ,1m ax 1=，则存在112M A A >>及[]b a x ,1∈，使得 .),(0121ε≥⎰A A dy y x f一般地，取{})2(,max )1(2≥=-n A n M n n ，则有n n n M A A >>-122及[]b a x n ,∈，使得.),(0212ε≥⎰-nn A A n dy y x f （9）由上述所得到的数列{}n A 是递增数列，且+∞=∞→n n A lim ．现在考察级数.),()(111∑∑⎰∞=∞=+=n n A A nn ndy y x f x u由(9)式知存在正数0ε，对任何正整数N ，只要n>N ，就有某个[]b a x n ,∈，使得.),()(02122ε≥=⎰+n nA A n n n dy y x f x u这与级数(7)在[]b a ,上一致收敛的假设矛盾．故含参量反常积分(1)在[]b a ,上一致收敛. ▌ 注．：1) 只要反常积分[]⎰+∞∈cb a x dy y x f ,,),(收敛到)(x I (未必一致收敛) ,就有=)(x I ∑⎰∑∞=∞===+111),()(n A A n nn ndy y x f x u[]⎰+∞∈cb a x dy y x f ,,),(.2)定理中的函数项级数∑∑⎰∞=∞==+11)(),(1n n n A A x u dy y x f n n将与反常积分(1)一致收敛到同一函数[]⎰+∞∈=cb a x dy y x f x I ,,),()(.☆☆ 下面列出含参量反常积分的一致收敛性判别法．由于它们的证明与函数项级数相应的判别法相仿，故从略．判别法1：（魏尔斯特拉斯M 判别法） 设有函数)(y g ，使得.,),(),(+∞<≤≤≤≤y c b x a y g y x f若⎰+∞cdy y g )(收敛，则⎰+∞cdy y x f ),(在[]b a ,上一致收敛．判别法2：（狄利克雷判别法） 设)(i 对一切实数N>c ，含参量正常积分⎰Ncdy y x f ),(对参量x 在[]b a ,上一致有界，即存在正数M ，对一切N>c 及一切∈x []b a ,，都有;),(M dy y x f Nc≤⎰)(ii 对每一个∈x []b a ,，函数),(y x g 关于y 是单调递减且当+∞→y 时，对参量),(,y x g x 一致地收敛于0， 则含参量反常积分 ⎰+∞cdy y x g y x f ),(),(在[]b a ,上一致收敛．判别法3：（阿贝耳判别法） 设)(i ⎰+∞cdy y x f ),(在[]b a ,上一致收敛；)(ii 对每一个[]b a x ,∈，函数),(y x g 为y 的单调函数，且对参量x ，),(y x g 在[]b a ,上一致有界，则含参量反常积分⎰+∞cdy y x g y x f ),(),(在[]b a ,上一致收敛。
数学分析19.2含参量积分之含参量反常积分(含习题及参考答案)
第十九章 含参量积分 2含参量反常积分一、一致收敛性及其判别法概念1：设函数f(x,y)定义在无界区域R={(x,y)|x ∈I, c ≤y<+∞}上，I 为一区间，若对每一个固定的x ∈I, 反常积分⎰+∞c dy y x f ),(都收敛，则它的值是x 在I 上取值的函数, 记φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(, x ∈I, 称⎰+∞c dy y x f ),(为定义在I 上的含参量x 的无穷限反常积分，简称含参量反常积分.定义1： 若含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(与函数φ(x)对任给ε>0, 总存在某实数N>c, 使当M>N 时, 对一切x ∈I, 都有)(),(x dy y x f Mc Φ-⎰<ε, 即⎰+∞M dy y x f ),(<ε, 则称含参量反常积分在I 上一致收敛于φ(x), 简单地说含参量积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛.定理19.7：(一致收敛的柯西准则)含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛的充要条件是：对任给正数ε, 总存在某一实数M>c, 使得当A 1, A 2>M 时，对一切x ∈I, 都有⎰21),(A A dy y x f <ε.定理19.8：含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛的充要条件是：+∞→A lim F(A)=0, 其中F(A)=⎰+∞∈AIx dy y x f ),(sup .例1：证明含参量反常积分⎰+∞0sin dy yxy在[δ,+∞)上一致收敛(δ>0)，但在(0,+∞)上不一致收敛.解：令u=xy, 则⎰+∞A dy y xysin =⎰+∞Ax du uu sin (A>0). ∵⎰+∞Axdu uusin 收敛，∴∀ε>0, ∃M>0, 使当A ’>M 时，就有⎰∞+'A du u u sin <ε. 取A δ>M, 则当A>δM时，对一切x ≥δ>0，有xA>M, ∴⎰∞+Axdu uusin <ε, 即⎰∞+Ady y xysin <ε, ∴+∞→A lim F(A)=⎰∞++∞∈+∞→A x A dy y xy sin sup lim ),(δ=0, 由定理19.8知 ⎰+∞sin dy yxy在[δ,+∞)上一致收敛. 又 F(A)=⎰∞++∞∈Ax dy yxysin sup ),0(=⎰∞++∞∈Ax x du u u sin sup ),0(≥⎰∞+0sin du u u =2π. ∴⎰+∞0sin dy yxy在(0,+∞)上不一致收敛.注：若对任意[a,b]⊂I, 含参量反常积分在[a,b]上一致收敛，则称在I 上内闭一致收敛.定理19.9：含参量反常积分⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛的充要条件是：对任一趋于+∞的递增数列{A n }(其中A 1=c), 函数项级数∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛.证：[必要性]若⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛, 则∀ε>0, ∃M>c, 使 当A ”>A ’>M 时，对一切x ∈I, 总有⎰'''A A dy y x f ),(<ε.又A n →+∞(n →∞), ∴对正数M, ∃正整数N, 只要当m>n>N 时，就有 A m >A n >M. ∴对一切x ∈I, 就有|u n (x)+…+u m (x)|=⎰⎰+++⋯+11),(),(n nm mA A A Ady y x f dy y x f =⎰+1),(m nA Ady y x f <ε.∴∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛.[充分性]若∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛, 而⎰+∞c dy y x f ),(在I 上不一致收敛,则存在某正数ε0, 使对任何实数M>c, 存在相应的A ”>A ’>M 和x ’∈I, 使得⎰''''A A dy y x f ),(≥ε0; 现取M 1=max{1,c}, 则存在A 2>A 1>M 1, 及x 1∈I, 使得⎰21),(1A A dy y x f ≥ε0; 一般地, 取M n =max{n,A 2(n-1)} (n ≥2), 则有A 2n >A 2n-1>M n , 及x n ∈I, 使得⎰-nn A An dy y x f 212),(≥ε0.由上述所得数列{A n }为递增数列, 且∞→n lim A n =+∞, 而对级数∑∞=1)(n nx u=∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f , 存在正数ε0, 对任何正整数N,只要n>N, 就有某个x n ∈I, 使得|u 2n (x n )|=⎰-nn A An dy y x f 212),(≥ε0,与级数∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛矛盾. ∴⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛.魏尔斯特拉斯M 判别法：设函数g(y), 使得 |f(x,y)|≤g(y), (x,y)∈I ×[c,+∞). 若⎰+∞c dy y g )(收敛, 则⎰+∞cdy y x f ),(在I 上一致收敛.狄利克雷判别法：设(1)对一切实数N>c, 含参量正常积分⎰Nc dy y x f ),(对参量x 在I 上一致有界, 即存在正数M, 对一切N>c 及一切x ∈I, 都有⎰Nc dy y x f ),(≤M. (2)对每一个x ∈I, 函数g(x,y)关于y 是单调递减且当y →+∞时, 对参量x, g(x,y)一致收敛于0.则含参量反常积分⎰+∞c dy y x g y x f ),(),(在I 上一致收敛.阿贝尔判别法：设(1)⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛.(2)对每一个x ∈I, 函数g(x,y)为y 的单调函数, 且对参量x, g(x,y)在I 上一致有界.则含参量反常积分⎰+∞c dy y x g y x f ),(),(在I 上一致收敛.例2：证明含参量反常积分⎰+∞+021cos dx xxy在(-∞,+∞)上一致收敛. 证：∵对任何实数y, 有21cos x xy +≤211x +, 又反常积分⎰+∞+021xdx收敛. 由魏尔斯特拉斯M 判别法知, 含参量反常积分⎰+∞+021cos dx x xy在(-∞,+∞)上一致收敛.例3：证明含参量反常积分⎰+∞-0sin dx xxe xy 在[0,+∞)上一致收敛. 证：∵反常积分⎰+∞sin dx xx收敛, ∴对于参量y, 在[0,+∞)上一致收敛. 又函数g(x,y)=e -xy 对每个y ∈[0,+∞)单调, 且对任何0≤y<+∞, x ≥0, 都有|g(x,y)|=|e -xy |≤1. 由阿贝尔判别法知, 含参量反常积分⎰+∞-0sin dx xxe xy 在[0,+∞)上一致收敛.例4：证明含参量积分⎰+∞+121sin dy y xyy 在(0,+∞)上内闭一致收敛.证：若[a,b]⊂(0,+∞), 则对任意x ∈[a,b],⎰Naxydy sin =Nax xycos -≤a 2. 又'⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+21y y =()22211yy +-≤0, 即21y y +关于y 单调减, 且当y →+∞时, 21yy+→0(对x 一致), 由狄利克雷判别法知, 含参量积分⎰+∞+121sin dy y xyy 在[a,b]上一致收敛. 由[a,b]的任意性知, ⎰+∞+121sin dy yxyy 在(0,+∞)上内闭一致收敛.二、含参量反常积分的性质定理19.10：(连续性)设f(x,y)在I ×[c,+∞)上连续，若含参量反常积分φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上一致收敛，则φ(x)在I 上连续. 证：由定理19.9，对任一递增且趋于+∞的数列{A n } (A 1=c)， 函数项级数φ(x)=∑⎰∞=+11),(n A An ndy y x f =∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛.又由f(x,y)在I ×[c,+∞)上连续，∴每个u n (x)都在I 上连续. 由函数项级数的连续性定理知，函数φ(x)在I 上连续.推论：设f(x,y)在I ×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上内闭一致收敛，则φ(x)在I 上连续.注：在一致收敛的条件下，极限运算与积分运算可以交换，即：⎰+∞→cx x dy y x f ),(lim0=⎰+∞c dy y x f ),(0=⎰+∞→cx x dy y x f ),(lim 0.定理19.11：(可微性)设f(x,y)与f x (x,y)在区域I ×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上收敛，⎰+∞c x dy y x f ),(在I 上一致收敛，则φ(x)在I 上可微，且φ’(x) =⎰+∞c x dy y x f ),(.证：对任一递增且趋于+∞的数列{A n } (A 1=c)，令u n (x)=⎰+1),(n nA A dy y x f .由定理19.3推得u n ’(x)=⎰+1),(n nA A x dy y x f .由⎰+∞c x dy y x f ),(在I 上一致收敛及定理19.9，可得函数项级数∑∞='1)(n n x u =∑⎰∞=+11),(n A A x n ndy y x f 在I 上一致收敛.根据函数项级数的逐项求导定理，即得：φ’(x) =∑∞='1)(n nx u =∑⎰∞=+11),(n A Ax n ndy y x f =⎰+∞cx dy y x f ),(.或写作⎰+∞c dy y x f dxd ),(=⎰+∞c x dy y x f ),(.推论：设f(x,y)与f x (x,y)在区域I ×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在I 上收敛，⎰+∞c x dy y x f ),(在I 上内闭一致收敛，则φ(x)在I 上可微，且φ’(x) =⎰+∞c x dy y x f ),(.定理19.12：(可积性)设f(x,y)在[a,b]×[c,+∞)上连续，若φ(x)=⎰+∞c dy y x f ),(在[a,b]上一致收敛，则φ(x)在[a,b]上可积，且⎰⎰+∞cbady y x f dx ),( =⎰⎰+∞bacdx y x f dy ),(.证：由定理19.10知φ(x)在[a,b]上连续，从而在[a,b]上可积. 又函数项级数φ(x)=∑⎰∞=+11),(n A An ndy y x f =∑∞=1)(n n x u 在I 上一致收敛，且各项u n (x)在[a,b]上连续，根据函数项级数逐项求积定理，有⎰Φbadx x )(=∑⎰∞=1)(n ban dx x u =∑⎰⎰∞=+11),(n baA A n ndy y x f dx =∑⎰⎰∞=+1),(1n baA A dx y x f dy n n，即⎰⎰+∞cbady y x f dx ),( =⎰⎰+∞bacdx y x f dy ),(.定理19.13：设f(x,y)在[a,+∞)×[c,+∞)上连续，若(1)⎰+∞a dx y x f ),(关于y 在[c,+∞)上内闭一致收敛，⎰+∞c dy y x f ),(关于x 在[a,+∞)上内闭一致收敛；(2)积分⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx |),(|与⎰⎰+∞+∞a c dx y x f dy |),(|中有一个收敛. 则⎰⎰+∞+∞cady y x f dx ),(=⎰⎰+∞+∞acdx y x f dy ),(.证：不妨设⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx |),(|收敛，则⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx ),(收敛. 当d>c 时，记Jd =|⎰⎰+∞a dc dx y x f dy ),(-⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx ),(| =|⎰⎰+∞a dc dx y x f dy ),(-⎰⎰+∞dc a dy y x f dx ),(-⎰⎰+∞+∞d a dy y x f dx ),(|. 由条件(1)及定理19.12可推得：J d =|⎰⎰+∞+∞d a dy y x f dx ),(|≤|⎰⎰+∞d Aa dy y x f dx ),(|+⎰⎰+∞+∞d A dy y x f dx |),(|. 由条件(2)，∀ε>0, ∃G>a ，使当A>G 时，有⎰⎰+∞+∞d A dy y x f dx |),(|<2ε. 选定A 后，由⎰+∞c dy y x f ),(的一致收敛性知，∃M>a ，使得当d>M 时， 有|⎰+∞d dy y x f ),(|<)(2a A -ε. ∴J d <2ε+2ε=ε，即有+∞→d lim J d =0，∴⎰⎰+∞+∞c a dy y x f dx ),(=⎰⎰+∞+∞a c dx y x f dy ),(.例5：计算：J=⎰+∞--0sin sin dx xaxbx e px (p>0,b>a). 解：∵xax bx sin sin -=⎰ba xydy cos ，∴J=⎰⎰+∞-0cos b a pxxydy dx e =⎰⎰+∞-0cos ba px xydy e dx .由|e -px cosxy|≤e -px 及反常积分⎰+∞-0dx e px 收敛， 根据魏尔斯特拉斯M 判别法知，含参量反常积分⎰+∞-0cos xydx e px 在[a,b]上一致收敛.又e -px cosxy[0,+∞)×[a,b]上连续，根据定理19.12交换积分顺序得： J=⎰⎰+∞-0cos xydx e dy px ba =⎰+bady y p p22=arctan p b - arctan p a .例6：计算：⎰+∞sin dx xax. 解：利用例5的结果，令b=0，则有F(p)=⎰+∞-0sin dx xaxe px=arctan p a (p>0).由阿贝尔判别法可知含参量反常积分F(p)在p ≥0上一致收敛， 又由定理19.10知，F(p)在p ≥0上连续，且F(0)=⎰+∞sin dx xax . 又F(0)=)(lim 0p F p +→=+→0lim p arctan p a =2πagn a. ∴⎰+∞0sin dx xax =2πagn a.例7：计算：φ(r)=⎰+∞-0.cos 2rxdx e x .解：∵|2x e -cosrx|≤2x e -对任一实数r 成立且反常积分⎰+∞-02dx e x 收敛， ∴含参量反常积分φ(r)=⎰+∞-0cos 2rxdx e x 在(-∞,+∞)上收敛. 考察含参量反常积分⎰+∞-'0)cos (2dx rx er x =⎰+∞--0sin 2rxdx xe x ，∵|-x 2x e -sinrx|≤x 2x e -对一切x ≥0, r ∈(-∞,+∞)成立且⎰+∞-02dx e x 收敛， 根据魏尔斯特拉斯M 判别法知， 含参量反常积分⎰+∞-'0)cos (2dx rx er x 在(-∞,+∞)上一致收敛.由定理19.11得φ’(r)=⎰+∞--0sin 2rxdx xex =⎰-+∞→-Ax A rxdxxesin lim2=⎪⎭⎫⎝⎛-⎰--+∞→A x Ax A rxdx e r rx e 00cos 2sin 21lim 22=⎰--A x rxdx e r 0cos 22=2r -φ(r). ∴φ(r)=c 42r e -. 又φ(0)=⎰+∞-02dx e x =2π=c. ∴φ(r)=422πr e-.概念2：设f(x,y)在区域R=[a,b]×[c,d)上有定义，若对x 的某些值，y=d 为函数f(x,y)的瑕点，则称⎰dc dy y x f ),(为含参量x 的无界函数反常积分，或简称为含参量反常积分. 若对每一个x ∈[a,b]，⎰dc dy y x f ),(都收敛，则其积分值是x 在[a,b]上取值的函数.定义2：对任给正数ε, 总存在某正数δ<d-c, 使得当0<η<δ时, 对一切x ∈[a,b], 都有⎰-dd dy y x f η),(<ε, 则称含参量反常积分⎰dc dy y x f ),(在[a,b]上一致收敛.习题1、证明下列各题 (1)⎰∞++-122222)(dx y x x y 在(-∞,+∞)上一致收敛；(2)⎰+∞-02dy eyx 在[a,b] (a>0)上一致收敛；(3)⎰+∞-0sin dt tate t在0<a<+∞上一致收敛； (4)⎰+∞-0dy xe xy (i)在[a,b] (a>0)上一致收敛，(ii)在[0,b]上不一致收敛； (5)⎰10)ln(dy xy 在[b1,b](b>1)上一致收敛；(6)⎰1px dx(i)在(-∞,b] (b<1)上一致收敛，(ii)在(-∞,1]内不一致收敛； (7)⎰---1011)1(dx x x q p 在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛.证：(1)∵22222)(y x x y +-≤22222)(y x x y ++≤21x ，且⎰+∞12x dx 收敛，∴⎰∞++-122222)(dx y x x y 在(-∞,+∞)上一致收敛. (2)∵当0<a ≤x ≤b 时，yx e2-=yx e21≤ya e21，且⎰+∞12ya edy 收敛，∴⎰+∞-02dy e y x 在[a,b] (a>0)上一致收敛.(3)对任何N>0，∵⎰-Nt atdt e 0sin ≤⎰-Nt dt e 0≤1，即⎰-Nt atdt e 0sin 一致有界. 又t1关于在(0,+∞)单调，且t1→0 (t →∞)，由狄利克雷判别法知，⎰+∞-0sin dt tate t在0<a<+∞上一致收敛. (4)(i)∵当0<a ≤x ≤b 时，|xe -xy|≤be -ay，且⎰+∞0ay -be 收敛， ∴⎰+∞-0dy xe xy 在[a,b] (a>0)上一致收敛. (ii)方法一：取ε0=21e<0, 则对任何M>0, 令A 1=M, A 2=2M, x 0=M 1, 有 ⎰-2100A A y x dy e x =MM yx e 20-=21e e ->21e=ε0，∴⎰+∞-0dy xe xy 在 [0,b]上不一致收敛. 方法二：∵⎰+∞-0dy xe xy =⎩⎨⎧≤<=bx x 0,10,0，且xe -xy 在[0,b]×(0,+∞)内连续，由连续性定理知⎰+∞-0dy xe xy 在 [0,b]上不一致收敛.(5)∵在[b1,b]×(0,1] (b>1)内, |ln(xy)|=|lnx+lny|≤|lnx|+|lny|≤lnb-lny, 且⎰-10)ln (ln dy y b 收敛, ∴⎰10)ln(dy xy 在[b1,b](b>1)上一致收敛.(6)(i)∵当p ≤b<1, x ∈(0,1]时，p x 1≤b x 1，又⎰10b xdx 收敛，∴⎰1px dx在(-∞,b] (b<1)上一致收敛.(ii)当p=1时，⎰1xdx发散，∴对任何A<1，在[A,1]内不一致收敛，即 ⎰1p xdx在(-∞,1]内不一致收敛. (7)记⎰---1011)1(dx x xq p =⎰---21011)1(dx x xq p +⎰---12111)1(dx x x q p =I 1+I 2.对I 1在0≤x ≤21, 0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上， ∵|x p-1(1-x)q-1|≤1100)1(---q p x x且⎰---210110)1(dx x x q p 收敛，∴I 1在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛； 同理可证I 2在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛. ∴⎰---1011)1(dx x x q p 在0<p 0≤p<+∞, 0<q 0≤q<+∞上一致收敛.2、从等式⎰-ba xydy e =x e e by ay ---出发，计算积分⎰∞+---0dx xe e byay (b>a>0). 解：∵⎰-ba xy dy e=x e e by ay ---，∴⎰∞+---0dx xe e byay=⎰⎰-+∞b a xy dy e dx 0. 又 e -xy 在[0,+∞)×[a,b]内连续，由M 判别法知, ⎰+∞-0dx e xy 在[a,b]内一致收敛.∴⎰∞+---0dx x e e by ay =⎰⎰+∞-0dx e dy xyb a =⎰b a dy y 1=ln ab .3、证明函数F(y)=⎰+∞--0)(2dx e y x 在(-∞,+∞)上连续. (提示：利用⎰+∞-02dx e x =2π) 证：令x-y=u, 则F(y)=⎰+∞-yu du e2=⎰-02yu du e+⎰+∞-02du eu =⎰-02yu du e +2π. ∵关于y 的积分下限函数⎰-02y u du e 在(-∞,+∞)上连续， ∴F(y)=⎰+∞--0)(2dx e y x 在(-∞,+∞)上连续.4、求下列积分： (1)⎰∞+---022222dx x e e xb xa(提示：利用⎰+∞-02dx ex =2π)； (2)⎰+∞-0sin dt t xt e t；(3)⎰+∞--02cos 1dx x xye x . 解：(1)∵22222x e e xbxa---=⎰-ba x y dy ye 222，∴⎰∞+---022222dx x e e xb xa=⎰⎰+∞-0222bax y dy ye dx ，由M 判别法知⎰+∞-0222dx ye x y 在[a,b]内一致收敛，∴⎰∞+---022222dx x e e xb xa=⎰⎰+∞-0222dx yedy x y ba=⎰⎰+∞-0)(222xy d edy x y ba =⎰bady π=(b-a)π.(2)利用例5结果：⎰+∞--0sin sin dt tatbt e pt=arctan p b - arctan p a . (p>0,b>a).当p=1, a=0, b=x 时，有⎰+∞-0sin dt txte t=arctanx. (3)∵2cos 1x xy e x --=⎰-y x dt x xt e 0sin ，∴⎰⎰-+∞yx dt x xt e dx 00sin . 由x xt e x x sin lim 0-→=t 知, x=0不是xxte x sin -的瑕点，又 含参量非正常积分⎰+∞-0sin dx xxte x 在t ∈[0,M]上一致收敛, ∴由(2)有2cos 1x xy e x--=⎰⎰+∞-00sin dx xxt e dt x y =⎰y tdt 0arctan =yarctany-21ln(1+y 2).5、回答下列问题： (1)对极限⎰+∞-→+0022limdy xyexy x 能否运用极限与积分运算顺序的交换求解？(2)对⎰⎰+∞--132)22(dx e xy y dy xy 能否运用积分顺序交换来求解？(3)对F(x)=⎰+∞-032dy e x y x 能否运用积分与求导运算顺序交换来求解？ 解：(1)∵F(x)=⎰+∞-022dy xye xy =⎩⎨⎧=>0,00,1x x , ∴F(x)lim 0+→x =1，但⎰+∞-→+022lim dy xye xy x =0，即交换运算后不相等，∴对极限⎰+∞-→+0022limdy xyexy x 不能运用极限与积分运算顺序的交换求解.注：⎰+∞-022dy xye xy =⎰+∞-0du xe xu 在[0,b]上不一致收敛，并不符合连续性定理的条件.(2)∵⎰⎰+∞--10032)22(dx exy y dy xy =⎰∞+-122dy xyexy =⎰10dy =0；⎰⎰-+∞-1032)22(dy exy y dx xy =⎰+∞-0122dx ey xy =⎰-1dx e x =1；∴对⎰⎰+∞--10032)22(dx e xy y dy xy 不能运用积分顺序交换来求解.注：⎰+∞--032)22(dx e xy y xy =0且⎰+∞--M xy dx e xy y 2)22(3=-2My 2My e -. 对ε0=1，不论M 多大，总有y 0=M1∈[0,1]，使得⎰+∞--M xy dx e xy y 2)22(3=2M e 1->1,∴⎰+∞--032)22(dx e xy y xy 在[0,1]不一致收敛，不符合可积性定理的条件. (3)∵F(x)=⎰+∞-032dy e x y x =x, x ∈(-∞,+∞)，∴F ’(x)≡1. 但y x e x x23-∂∂=(3x 2-2x 4y)y x e 2-, 而当x=0时，⎰+∞--0422)23(dy e y x x y x =0. ∴对F(x)=⎰+∞-032dy e x y x 不能运用积分与求导运算顺序交换来求解. 注：∵⎰+∞--0422)23(dy ey x x yx =⎩⎨⎧=≠0,00,1x x ，∴⎰+∞--0422)23(dy ey x x yx 在[0,1]上不一致收敛,不符合可微性定理的条件.6、应用：⎰+∞-02dx e ax =212π-a (a>0)，证明： (1)⎰+∞-022dt e t at=234π-a ；(2)⎰+∞-022dt e t at n =⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn n a n .证：(1)方法一：∵⎰+∞-022dt e t at 在任何[c,d]上(c>0)一致收敛， ∴⎰+∞-02dt e da d at =⎰+∞-02dt e dad at =-⎰+∞-022dte t at . 又⎰+∞-02dt e da d at =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-212πa da d =-234π-a . ∴⎰+∞-02dx e ax =234π-a . 方法二：⎰+∞-022dt et at =-⎰+∞-0221at tdea =-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰+∞-∞+-02221dt ete a at at=⎰+∞-0221dt e aat =234π-a .(2)方法一：∵⎰+∞-022dt e t at n 在任何[c,d]上(c>0)一致收敛，∴⎰∞+-02dt eda d at nn=⎰∞+-02dt e da d at nn =(-1)n ⎰+∞-022dt e t at n . 又⎰∞+-02dt e dad atnn =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-212πa dad nn=(-1)n ⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn n a n . ∴⎰+∞-022dt e t atn =⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn nan . 方法二：记I n =⎰+∞-022dt e t at n , n=0,1,2,…，(1)中已证I 1=⎪⎭⎫⎝⎛+--⨯2112)112(2πa=a 2)112(-⨯I 0. 可设I k =a k 2)12(-⨯I k-1，则 I k+1=⎰+∞-+0)1(22dt e t at k =-⎰+∞-+012221at k de t a =-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰+∞+-∞+-+0120122221k at at k dt e e t a=⎰+∞-+022212dt e t a k at k =ak 21)1(2-+I k=2)2()12](1)1(2[a k k --+I k-1=…= 1)2(!]!1)1(2[+-+k a k I 0=211)2(!]!1)1(2[2π-+-+a a k k .当n=k+1时，有I n =⎰+∞-022dt e t at n =21)2(!)!12(2π--a a k n =⎪⎭⎫⎝⎛+--212!)!12(2πn na n . 7、应用⎰+∞+022a x dx =a2π，求()⎰+∞++0122n a x dx.解：记A=a 2, ∵()⎰+∞++012n Axdx在任何[c,d]上(c>0)一致收敛，∴⎰∞++02A x dx dA d nn =⎰∞+⎪⎭⎫ ⎝⎛+021dx A x dA d n n=(-1)nn!()⎰+∞++012n A x dx . 又⎰∞++02A x dx dAd nn =⎪⎭⎫ ⎝⎛A dA d n n 2π=(-1)n 212!)!12(2π---n n A n . ∴()⎰+∞++012n Axdx=212!!)!12(2π---n n A n n =12!)!2(!)!12(2π---n a n n .8、设f(x,y)为[a,b]×[c,+∞)上连续非负函数，I(x)=dy y x f ⎰+∞0),(在[a,b]上连续，证明：I(x)在[a,b]上一致收敛.证：任取一个趋于的∞递增数列{A n } (其中A 1=c)，考察级数∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =∑∞=1)(n n x u .∵f(x,y)在[a,b]×[c,+∞)上非负连续, ∴u n (x)在[a,b]上非负连续. 由狄尼定理知，∑∞=1)(n n x u 在[a,b]上一致收敛，从而∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f 在[a,b]上一致收敛. 又I(x)=dy y x f ⎰+∞),(在[a,b]上连续.∴I(x)=dy y x f ⎰+∞0),(=∑⎰∞=∞→+11),(lim n A An n ndy y x f [a,b]上一致收敛.9、设在[a,+∞)×[c,d]内成立不等式|f(x,y)|≤F(x,y). 若dx y x F ⎰+∞0),(在y ∈[c,d] 上一致收敛，证明：dx y x f ⎰+∞),(在y ∈[c,d] 上一致收敛且绝对收敛.证：∵dx y x F ⎰+∞0),(在y ∈[c,d] 上一致收敛，∴∀ε>0, ∃M>0，对任何A2>A1>M和一切y∈[c,d]，都有⎰21) , (A AdxyxF<ε.∵|f(x,y)|≤F(x,y)，∴⎰21) , (A Adxyxf≤⎰21),(AAdxyxf≤⎰21),(AAdxyxF<ε，∴dxyxf⎰+∞0),(在y∈[c,d] 上一致收敛且绝对收敛.。
数学分析19.1含参量积分之含参量正常积分(含练习及答案)
第十九章 含参量积分 1含参量正常积分概念：1、设f(x,y)是定义在矩形区域R=[a,b]×[c,d]上的二元函数. 当x 取[a,b]上某定值时，函数f(x,y)则是定义在[c,d]上以y 为自变量的一元函数. 若这时f(x,y)在[c,d]上可积，则其积分值是x 在[a,b]上取值的函数，记作φ(x)=⎰dc dy y x f ),(, x ∈[a,b].2、设f(x,y)是定义在区域G={(x,y)|c(x)≤y ≤d(x), a ≤x ≤b}上的二元函数, 其中c(x),d(x)为定义在[a,b]上的连续函数，若对于[a,b]上每一固定的x 值，f(x,y)作为y 的函数在闭区间[c(x),d(x)]上可积，则其积分值是x 在[a,b]上取值的函数，记为F(x)=⎰)()(),(x d x c dy y x f , x ∈[a,b].3、上面两个函数通称为定义在[a,b]上含参量x 的(正常)积分，或简称含参量积分.定理19.1：(连续性)若二元函数f(x,y)在矩形区域R=[a,b]×[c,d]上连续，则函数φ(x)=⎰dc dy y x f ),(在[a,b]上连续.证：设x ∈[a,b], 对充分小的△x, 有x+△x ∈[a,b] (若x 为区间端点, 则只考虑△x >0或△x<0), 于是 φ(x+△x)-φ(x)=⎰-∆+d c dy y x f y x x f )],(),([.∵f(x,y)在有界闭域R 上连续，从而一致连续，即∀ε>0, ∃δ>0, 对R 内任意两点(x 1,y 1)与(x 2,y 2),只要|x 1-x 2|<δ, |y 1-y 2|<δ, 就有|f(x 1,y 1)-f(x 2,y 2)|<ε. ∴当|△x |<δ时, |φ(x+△x)-φ(x)|≤⎰-∆+d c dy y x f y x x f |),(),(|<⎰dc dy ε=ε(d-c). 得证！注：1、同理：若f(x,y)在R 上连续，则含参量y 的积分ψ(y)=⎰ba dx y x f ),(在[c,d]上连续.2、若f(x,y)在R 上连续，则对任何x 0∈[a,b], 有⎰→dcx x dy y x f ),(lim0=⎰→dc x x dy y x f ),(lim 0.定理19.2：(连续性)设区域G={(x,y)|c(x)≤y ≤d(x), a ≤x ≤b}, 其中c(x),d(x)为定义在[a,b]上的连续函数. 若二元函数f(x,y)在G 上连续，则函数F(x)=⎰)()(),(x d x c dy y x f 在[a,b]上连续.证：令y=c(x)+t(d(x)-c(x)),∵y ∈[c(x),d(x)],∴t ∈[0,1],且dy=(d(x)-c(x))dt, ∴F(x)=⎰)()(),(x d x c dy y x f =⎰--+10))()()))(()(()(,(dt x c x d x c x d t x c x f . 由 被积函数f(x,c(x)+t(d(x)-c(x)))(d(x)-c(x))在矩形区域[a,b]×[0,1]上连续知, F(x)在[a,b]上连续.定理19.3：(可微性)若函数f(x,y)与其偏导数x∂∂f(x,y)都在矩形区域 R=[a,b]×[c,d]上连续，则φ(x)=⎰dc dy y x f ),(在[a,b]上可微, 且⎰dcdy y x f dx d ),(=⎰∂∂d c dy y x f x ),(. 证：设任一x ∈[a,b], 对充分小的△x, 有x+△x ∈[a,b] (若x 为区间端点, 则只考虑△x >0或△x<0), 则xx x x ∆-∆+)()(ϕϕ=⎰∆-∆+dcdy xy x f y x x f ),(),(. 由拉格朗日中值定理及f x (x,y)在有界闭域R 上连续(从而一致连续), ∀ε>0, ∃δ>0, 只要|△x|<δ,就有),(),(),(y x f xy x f y x x f x -∆-∆+=|f x (x+θ△x,y)-f x (x,y)|<ε, θ∈(0,1).∴⎰-∆∆d cx dy y x f x ),(ϕ≤⎰-∆-∆+d c x dy y x f x y x f y x x f ),(),(),(<ε(d-c). 即 对一切x ∈[a,b], 有⎰dc dy y x f dxd ),(=⎰∂∂d c dy y x f x),(.定理19.4：(可微性)设f(x,y), f x (x,y)在R=[a,b]×[p,q]上连续，c(x), d(x)为定义在[a,b]上其值含于[p,q]内的可微函数，则函数F(x)=⎰)()(),(x d x c dy y x f 在[a,b]上可微，且F ’(x)=⎰)()(),(x d x c x dy y x f +f(x,d(x))d ’(x)-f(x,c(x))c ’(x). 证：作复合函数F(x)=H(x,c,d)=⎰dc dy y x f ),(, c=c(x), d=d(x). 由复合函数求导法则及变上限积分的求导法则有：F ’(x)=H x +H c c ’(x)+H d d ’(x)=⎰)()(),(x d x c x dy y x f +f(x,d(x))d ’(x)-f(x,c(x))c ’(x).定理19.5：(可积性)若f(x,y)在矩形区域R=[a,b]×[c,d]上连续，则 φ(x)=⎰dc dy y x f ),(和ψ(y)=⎰ba dx y x f ),(分别在[a,b]和[c,d]上可积.注：即在f(x,y)连续性假设下，同时存在两个求积顺序不同的积分：⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡ba d c dx dy y x f ),(与⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡d c b a dy dx y x f ),(,或⎰⎰b a d c dy y x f dx ),(与⎰⎰d c b a dx y x f dy ),(.它们统称为累次积分，或二次积分.定理19.6：若f(x,y)在矩形区域R=[a,b]×[c,d]上连续，则⎰⎰bad cdy y x f dx ),(=⎰⎰d cbadx y x f dy ),(.证：记φ1(u) =⎰⎰ua dc dy y x f dx ),(, φ2(u) =⎰⎰dc ua dx y x f dy ),(, u ∈[a,b], 则φ1’(u)=⎰uc dx x dud )(ϕ=φ(u). 令H(u,y)=⎰u a dx y x f ),(, 则φ2(u) =⎰d c dy y u H ),(,∵H(u,y)与H u (u,y)=f(u,y)都在R 上连续， ∴φ2’(u)=⎰dc dy y u H dud ),(=⎰d c u dy y u H ),(=⎰d c dy y u f ),(=φ(u). ∴φ1’(u)=φ2’(u), ∴对一切u ∈[a,b], 有φ1(u)=φ2(u)+k (k 为常数). 当u=a 时，φ1(a)=φ2(a)=0, ∴k=0, 即得φ1(u)=φ2(u), u ∈[a,b]. 取u=b, 证得：⎰⎰ba dc dy y x f dx ),(=⎰⎰dc ba dx y x f dy ),(.例1：求⎰+→++aaa a x dx12201lim .解：记φ(a)=⎰+++a a a x dx 1221, ∵a, 1+a, 2211ax ++都是a 和x 的连续函数, 由定理19.2知φ(a)在a=0处连续, ∴)(lim 0a a ϕ→=φ(0)=⎰+1021xdx =4π.例2：设f(x)在x=0的某个邻域U 上连续, 验证当x ∈U 时, 函数φ(x)=⎰---x n dt t f t x n 01)()()!1(1的各阶导数存在, 且φ(n)(x)=f(x). 证：∵F(x,t)=(x-t)n-1f(t)及其偏导数F x (x,t)在U 上连续,由定理19.4可得:φ’(x)=⎰----x n dt t f t x n n 02)())(1()!1(1+)()()!1(11x f x x n n --- =⎰---x n dt t f t x n 02)()()!2(1. 同理φ”(x)=⎰---x n dt t f t x n 03)()()!3(1. 如此继续下去，求得k 阶导数为φ(k)(x)=⎰-----x k n dt t f t x k n 01)()()!1(1.当k=n-1时，有φ(n-1)(x)=⎰xdt t f 0)(. ∴φ(n)(x)=f(x).例3：求I=⎰-1ln dx xx x ab . (b>a>0)解：∵⎰baydy x =x x x ab ln -, ∴I=⎰⎰b a y dy x dx 10. 又x y 在[0,1]×[a,b]上满足定理19.6的条件, ∴I=⎰⎰10dx x dy y ab =⎰+ab dy y 11=ln ab ++11.例4：计算积分I=⎰++121)1ln(dx xx . 证：记φ(a)=⎰++1021)1ln(dx x ax , 则有φ(0)=0, φ(1)=I, 且函数21)1ln(x ax ++在R=[0,1]×[0,1]上满足定理19.3的条件，于是φ’(a)=⎰++102)1)(1(dx ax x x =⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+++10221111dx ax a x xa a =⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++++⎰⎰⎰10101022211111dx ax a dx x x dx x a a =⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++10102102)1ln()1ln(21arctan 11ax x x a a =⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-++)1ln(2ln 214112a a aπ. ∴⎰'1)(da a ϕ=⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-++102)1ln(2ln 21411da a a a π=102)1ln(8a +π+10arctan 2ln 21a -I =2ln 4π-I. 又⎰'10)(da a ϕ=φ(1)-φ(0)=I, ∴I=2ln 4π-I, 解得I=2ln 8π.习题1、设f(x,y)=sgn(x-y), 试证由含参量积分F(y)=⎰10),(dx y x f 所确定的函数在(-∞,+∞)上连续，并作函数F(y)的图像.证：∵x ∈[0,1], ∴当y<0时, f(x,y)=1; 当y>1时, f(x,y)=-1; 当0≤y ≤1时, F(y)=⎰ydx y x f 0),(+⎰1),(y dx y x f =⎰-y dx 0)1(+⎰1y dx =1-2y.∴F(y)=⎪⎩⎪⎨⎧>-≤≤-<11102101y ，y y ，y ，在(-∞,+∞)上连续，图像如图：2、求下列极限：(1)⎰-→+11220lim dx a x a ；(2)⎰→220cos lim axdx x a . 解：(1)∵函数f(x,a)=22a x +在矩形区域R=[-1,1]×[-1,1]上连续，∴⎰-→+11220lim dx a x a =⎰-→+11220lim dx a x a =⎰-11||dx x =1. (2)∵函数f(x,a)=x 2cosax 在矩形区域R=[0,2]×[-1,1]上连续，∴⎰→2020cos lim axdx x a =⎰→2020cos lim axdx x a =⎰202dx x =38.3、设F(x)=⎰-22x x xy dy e , 求F ’(x). 解：F ’(x)=-⎰-222x x y x dy e y +2x 5x e --3x e -.4、应用对参量的微分法，求下列积分：(1)⎰+202222)cos sin ln(πdx x b x a (a 2+b 2≠0)；(2)⎰+-π02)cos 21ln(dx a x a .解：(1)若a=0, 则b ≠0,原式=⎰2022)cos ln(πdx x b =πln|b|+2⎰20)ln(cos πdx x =πln|b|-πln2=πln 2||b ; 同理，若b=0, 则a ≠0, 原式=πln 2||a ; 若a ≠0,b ≠0, 可设 I(b)=⎰+202222)cos sin ln(πdx x b x a , 则 I ’(b)=⎰+2022222cos sin cos ||2πdx x b x a x b =⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛+22tan 1||2πx b a dx b . 记u=ba, t=utanx, 则 I ’(b)=⎰∞+⋅+022211||2dt t u u t b =⎰∞⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-022222111)1(2dt t u t u b u =||||b a +π.又I(0)=⎰2022)sin ln(πdx x a =πln2||a , I(x)=⎰+x dt t a 0||π+πln 2||a =πln(|a|+x)-πln2. ∴⎰+202222)cos sin ln(πdx x b x a =πln(|a|+|b|)-πln2=πln 2||||b a +. (2)设I(a)=⎰+-π02)cos 21ln(dx a x a .当|a|<1时，1-2acosx+a 2≥1-2|a|+a 2=(1-|a|)2>0,∴ln(1-2acosx+a 2)为连续函数，且具有连续导数， ∴I ’(a)=⎰+--π2cos 21cos 22dx ax a x a =⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--+π022cos 21111dx a x a a a =a π-⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++-π222cos 121)1(1x a a dx a a a =a π-π02tan 11arctan 2⎪⎭⎫⎝⎛-+x aa a =0. ∴当|a|<1时，I(a)=c(常数)，又I(0)=0, ∴I(a)=0. 当|a|<1时，令b=a1, 则|b|<1，有I(b)=0, 于是 I(a)=⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-π221cos 2ln dx b x b b =I(b)-2πln|b|=2πln|a|. 当|a|=1时，I(1)=⎰-π0)2cos ln 22ln 2(dx x=0; 同理I(-1)=0, ∴I(a)=⎩⎨⎧>≤1||||ln 21||0a ，a a ，π .注：由(2)或推出(1), 即⎰+202222)cos sin ln(πdx x b x a =⎰-++202222)2cos 22ln(πdx x b a b a=⎰-++π02222)cos 22ln(21dt t b a b a=⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++--π02||||||||cos ||||||||21ln 21dt b a b a t b a b a +πln 2||||b a +=πln 2||||b a +.5、应用积分号下的积分法，求下列积分：(1)⎰-⎪⎭⎫ ⎝⎛10ln 1ln sin dx x x x x a b (b>a>0)；(2)⎰-⎪⎭⎫ ⎝⎛10ln 1ln cos dx x xx x ab (b>a>0). 解：(1)记g(x)=xxx x ab ln 1ln sin -⎪⎭⎫ ⎝⎛, ∵+→0lim x g(x)=0,∴令g(0)=0时，g(x)在[0,1]连续，于是有I=⎰10)(dx x g =⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛101ln sin dx dy x x b a y =⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛101ln sin dx dy x x b a y .记f(x,y)=x y sin ⎪⎭⎫⎝⎛x 1ln (x>0), f(0,y)=0, 则f(x,y)在[0,1]×[a,b]上连续,∴I=⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛101ln sin dx dy x x b a y =⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛b a y dy dx x x 101ln sin =⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞+-b a t y dydt t e 0)1(sin=⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞+-ba t y dy dt t e 0)1(sin =⎰++b a y dy 2)1(1=arctan(1+b)-arctan(1+a). (2)类似于(1)题可得：⎰-⎪⎭⎫ ⎝⎛10ln 1ln cos dx x x x x ab =⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛b a ydy dx x x 101ln cos =dy y y b a ⎰+++2)1(11=2222ln 2122++++a a b b .6、试求累次积分：⎰⎰+-102222210)(dy y x y x dx 与⎰⎰+-102222210)(dx y x y x dy ，并指出，它们为什么与定理19.6的结果不符.解：∵22222)(y x y x +-=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂22y x x x ,22222)(y x y x +-=-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+∂∂22y x y y , ∴⎰⎰+-102222210)(dy y x y x dx =⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-101022dy y x x=-⎰+1021y dy =-4π.∵22222)(y x y x +-在点(0,0)不连续，∴与定理19.6的结果不符.7、研究函数F(y)=⎰+1022)(dx y x x yf 的连续性，其中f(x)在闭区间[0,1]上是正的连续函数.解：∵f(x)在[0,1]上是正的连续函数, ∴存在正数m, 使得f(x)≥m>0, x ∈[0,1]. 当y>0时, F(y)=⎰+1022)(dx y x x yf ≥m ⎰+1022dx y x y=marctan y 1; 当y<0时, F(y)=⎰+122)(dx y x x yf ≤m ⎰+1022dx y x y =marctan y 1; ∴+→0lim y F(y)≥+→0lim y marctan y 1=2πm >0, -→0lim y F(y)≤-→0lim y marctan y 1=-2πm <0.∵+→0lim y F(y)≠-→0lim y F(y), ∴F(y)在y=0处不连续. 又当0∉[c,d]时，22)(y x x yf +在[0,1]×[c,d]上连续，∴当y ≠0时，F(y)连续.8、设函数f(x)在闭区间[a,A]上连续，证明：⎰-+→xah dt t f h t f h )]()([1lim0=f(x)-f(a) (a<x<A). 证：⎰-+xa dt t f h t f )]()([=⎰++hx h a dt t f )(-⎰xa dt t f )(=⎰++hx h a dt t f )(-⎰+xh a dt t f )(-⎰+ha a dt t f )(=⎰+hx xdt t f )(-⎰+ha adt t f )(=hf(ξ1)-hf(ξ2), x ≤ξ1≤x+h, a ≤ξ2≤a+h. 当h →0时,ξ1→x, ξ2→a, ∴⎰-+→xa h dt t f h t f h )]()([1lim 0=0lim →h [f(ξ1)-f(ξ2)]=f(x)-f(a).9、设F(x,y)=⎰-xyyx dz z f yz x )()(, 其中f(z)为可微函数, 求F xy (x,y).解：F x (x,y)=⎰xyyxdz z f )(+(x-xy 2)f(xy)y-(x-y·y x )f(y x )·y 1=⎰xy yx dz z f )(+xy(1-y 2)f(xy).F xy (x,y)=xf(xy)+f(y x )·2yx +x(1-y 2)f(xy)-2xy 2f(xy)+x 2y(1-y 2)f ’(xy).10、设E(k)=⎰-2022sin 1πϕϕd k , F(k)=⎰-2022sin 1πϕϕk d . 其中0<k<1.(这两个积分称为完全椭圆积分)(1)试求E(k)与F(k)的导数，并以E(k)与F(k)来表示它们； (2)证明E(k)满足方程：E ”(k)+k1E ’(k)+211k -E(k)=0. (1)解：E ’(k)=-⎰-20222sin 1sin πϕϕϕd k k =-⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----20222222sin 1sin 1sin 111πϕϕϕϕd k k k k =- ⎝⎛-⎰2022sin 111πϕϕd k k +⎪⎪⎭⎫-⎰2022sin 1πϕϕd k =k 1E(k)-k 1F(k). F ’(k)=ϕϕϕπd k k ⎰-203222)sin 1(sin =⎰-20322)sin 1(1πϕϕk d k -⎰-2022sin 11πϕϕk d k . 又322)sin 1(1ϕk -=ϕ222sin 111k k ---ϕϕϕϕ2222sin 1cos sin 1k d d k k --. ∴⎰-20322)sin 1(πϕϕk d =⎰--2222sin 111πϕϕd k k =211k-E(k). 从而有F ’(k)=)1(12k k -E(k)-k1F(k).(2)证：∵E ”(k)=[k 1E(k)-k 1F(k)]’=-21k E(k)+21k F(k)+k 1E ’(k)-k 1F ’(k),k 1E ’(k)=21k E(k)-21kF(k), ∴E ”(k)=-k 1F ’(k). 又F ’(k)=)1(12k k -E(k)-k 1F(k)=)1(12k k -E(k)+E ’(x)-k 1E(k)=E ’(x)+21k k -E(k).∴E ”(k)=-k 1E ’(x)-211k -E(k), 即E ”(k)+k 1E ’(k)+211k -E(k)=0.。
高中数学(人教版)含参量正常积分课件
f 在
[a , b] [c, d ] 上连续可改为在 [c, d ] 上连续, 其中
为任意区间.
§1 含参量正常积分
定义
连续性
可微性
可积性
例题
F (（ x) 定理19.2
若二元函数
的连续性）
f ( x , y ) 在区域 G {( x , y ) | c( x ) y d ( x ) , a x b}
连续性
可微性
可积性
例题
证 把 F(x) 看作复合函数:
F ( x ) H ( x , c, d ) f ( x , y )dy ,
c
d
c c( x ) , d d ( x ) .
由复合函数求导法则及变动上限积分的性质, 有
d H H dc H dd F ( x) dx x c dx d dx
c c a
d
(8)
§1 含参量正常积分
定义
连续性
可微性
可积性
例题
证 记
1 (u) dx f ( x, y )dy , 2 (u) c dy a f ( x, y )dx ,
a c
u
d
d
u
其中
u [a , b] . 分别求 I1 ( u) 与 I 2 (u) 的导数,
d u ( u) 1 I ( x )dx ( u) . du a
后者则表示
求积顺序相反.
§1 含参量正常积分
定义
连续性
可微性
可积性
例题
在
f ( x , y )连续性假设下,累次积分与求积顺序无关.
定理19.6
若
含参变量的积分PPT课件
证 设 x 和 x x是[a,b]上的两点，则
( x x) ( x)
( xx )
( x)
f ( x x, y)dy f ( x, y)dy.
( xx )
(x)
12
xx
f ( x x, y)dy
( xx )
(x)
( x)
f ( x x, y)dy f ( x x, y)dy
x
x
f ( x, y) ( x, y, x), (6)
x
9
其中 0 1， 可小于任意给定的正数 ，只要
x 小于某个正数 . 因此
(
x
,
y, x )dy
dy
(
)
这就是说
lim
x0
(
x,
y,
x)dy
0.
综上所述有
( x ),
(
x
x) x
(
x
)
f
( x, x
y)
dy
(
x,
y,
x)dy,
1
( xx )
f ( x x, y)dy
x ( x)
1 [ ( x x) ( x)] f ( x x,),
x
其中 在 ( x)与 ( x x) 之间. 当 x 0时,
1 [ ( x x) ( x)] ( x),
x
f ( x x,) f [ x, ( x)],
17
于是 1 ( xx) f ( x x, y)dy f [ x, ( x)] ( x).
x ( x) 类似地可证,当 x 0 时,
1 ( xx) f ( x x, y)dy f [ x, ( x)] ( x).
x ( x) 因此，令 x 0 ，取(8)式的极限便得公式(7).
第十九章第二节含参量反常积分
+∞
上一致收敛. 在 [ a, b ] 上一致收敛. 又由于 f ( x , y ) 在 [a , b] × [c ,+∞ ) 上连续. 上连续 连续，故每个 un( x ) 都在 [ a, b ]上连续 根据函数项 连续， 级数的连续性定理，函数 I ( x )在[a , b ]上连续 . 级数的连续性定理，
A2
c
f ( x , y )dy 在 [a , b] 一致收敛
x ∈ [a , b]，都有 | ∫ f ( x , y )dy |< ε
A1
例1 证明含参量反常积分
∫
+∞
0
sin xy dy y
上一致收敛（ 在[δ， ∞）上一致收敛（其中 δ > 0), 但在 +
0+ 内不一致收敛。 （ ， ∞）内不一致收敛。
例2 证明含参量反常积分
证 因为， 因为，有
∫
+∞
0
在 ( ∞ , + ∞ ) 上一致收敛 .
cos xy 1 | |≤ 2 2 1+ x 1+ x
并且反常积分 所以
cos xy dx 2 1+ x
∞< y< +∞
收敛
∫
+∞
0
1 dx 2 1+ x
∫
+∞
0
cos xy dx 在 ( ∞ , + ∞ ) 上一致收敛 . 2 1+ x
则 I ( x )在[a , b ]上可微，且 上可微，
I ′( x ) = ∫
+∞ c
f x ( x , y )dy
注:
连续性定理说明， 在一致收敛的条件下， 极限运算
含参变量的积分
设二元函数f(x,u)在区域 D(a x , u )
有定义。u [, ],
无穷积分 a
f (x,u)dx 都收敛，即
u [ , ] 都对应唯一一个无穷积分（值）a f (x,u)dx
于是，
f (x,u)dx是区间 a
[, ]
证: 令 F (x,t) (x t)n1 f (t), 显然, F (x,t) 及 Fx (x,t)
在原点的某个闭矩形邻域内连续, 由定理5 可得
(x) 1
x
(n
1)( x
t)n2
f
(t) d t
(n 1)! 0
1 (x x)n1 f (x)
(n 1)!
一致收敛(a>0).
0
证明： u [a, ), e 有 ux2 eax2
又x 1，有
eax2
ax
e.
因为无穷积分
1
e
ax
dx
1 a
1
eaxd
(ax)
e
1 a
eax
1
1 a 收敛,
a
所以无穷积分
1
eax2
dx
收敛，从而无穷积分
u [, ]
.
下面给出函数 (u) 在区间 [, ] 的可微性.
定理4. 若 f (x,u)及其偏导数 fu(x,u) 都在矩形域
R(a x b, u )连续,而函数 a(u)与b(u) 在区间
[, ]可导，u [ , ]，有 a a(u) b, a b(u) b
则函数 (u) b(u) f (x,u)dx,u [, ] 在区间 a(u)
19数学分析课件含参量积分
第十九章 含参量积分目的与要求：1. 掌握含参量正常积分的连续性，可微性和可积性定理，掌握含参量正常积分的求导法则；2. 掌握含参量反常积分的一致收敛性概念，含参量反常积分的性质，含参量反常积分的魏尔斯特拉斯判别法，了解狄里克雷判别法和阿贝尔判别法．3. 了解Γ函数与B 函数的定义与有关性质重点与难点：本章重点是含参量正常积分的连续性，可微性和可积性, 含参量反常积分的一致收敛性概念，性质；难点则是狄里克雷判别法和阿贝尔判别法以及含参量反常积分的连续性，可微性与可积性定理的证明第一节 含参量正常积分一 含参量正常积分的概念1 定义设二元函数),(y x f 在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上有定义，且对[]b a ,内每一点x ，函数),(y x f 关于y 在闭区间[]d c ,上可积，则定义了x 的函数)(x I =⎰d c dy y x f ),(，∈x []b a , （1）设二元函数),(y x f 在区域{}b x a x d y x c y x G ≤≤≤≤=),()(),(上有定义，函数()()x d x c ,为[]b a ,上的连续函数，且对[]b a ,内每一点x ，函数),(y x f 关于y 在闭区间[])(),(x d x c 上可积，则定义了x 的函数)(x F =()()⎰x d x c dy y x f ),(，∈x []b a ,（2） 称（1）和（2）为含参量x 的正常积分．类似可定义含参量y 的正常积分．二 含参量正常积分的连续性、可微性与可积性1 连续性定理19．1(连续性) 若二元函数),(y x f 在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上连续，则函数)(x I =⎰dc dy y x f ),(在[]b a ,上连续．证 设∈x []b a ,，对充分小的x ∆，有∈∆+x x []b a ,（若x 为区间端点则考虑0>∆x 或0<∆x ），于是-∆+)(x x I )(x I =⎰-∆+dcdy y x f y x x f )],(),([ （3）由于),(y x f 在有界闭区域R 上连续，从而一致连续，即对任给的正数ε，总存在某个正数δ，对R 内任意两点()11,y x 与()22,y x ，只要δ<-21x x , δ<-21y y就有 ()()ε<-2211,,y x f y x f （4）所以由（3）（4）可得：当δ<∆x ，)()(x I x x I -∆+≤⎰-∆+d c dy y x f y x x f ),(),(≤⎰dc dy ε=()cd -ε这就证得)(x I 在[]b a ,上连续．（同理，若二元函数),(y x f 在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上连续，则函数)(y J =⎰ba dx y x f ),(在[]d c ,上连续．） 定理19．1的结论可写成：若二元函数),(y x f 在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上连续，则∈∀0x []b a , 都有 ⎰→d c x x dy y x f ),(lim 0⎰→=dc x x dy y x f ),(lim 0（极限运算与积分运算交换顺序）. 定理19．2(连续性) 设二元函数),(y x f 在区域{}b x a x d y x c y x G ≤≤≤≤=),()(),(上连续，其中函数()()x d x c ,为[]b a ,上的连续函数，则函数)(x F =()()⎰x d x c dy y x f ),(，∈x []b a , （6） 在[]b a ,上的连续．证明： 对积分（6）作换元，令))()(()(x c x d t x c y -+=，则)(x F =()()⎰x d x c dy y x f ),(=⎰--+10))()()))(()(()(,(dt x c x d x c x d t x c x f 由于))()()))(()(()(,(x c x d x c x d t x c x f --+在矩形[][]1,0,⨯b a 上连续，由定理19．1即得)(x F 在[]b a ,上的连续.2 可微性定理19．3(可微性) 若函数),(y x f 与其偏导数),(y x f x∂∂都在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上连续，则)(x I =⎰d cdy y x f ),(在[]b a ,上可微，且⎰d c dy y x f dx d ),(=⎰∂∂dcdy y x f x ),( 证明：设∈x []b a ,，对充分小的x ∆，有∈∆+x x []b a ,（若x 为区间端点则考虑单侧导数），于是 x x I x x I ∆-∆+)()(⎰∆-∆+=dcdy x y x f y x x f ),(),(. 由于拉格朗日中值定理及),(y x f x ∂∂在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上连续（从而一致连续），即对任给的正数ε，总存在某个正数δ，只要δ<∆x ，就有 ()()()y x f xy x f y x x f x ,,,-∆-∆+=()()εθ<-∆+y x f y x x f x x ,, ()10<<θ 因此()⎰-∆∆dc x dy y x f x I ,()()()dy y x f x y x f y x x fd c x ⎰-∆-∆+≤,,,()c d -<ε 这就证得对一切∈x []b a ,，有 ()x I dx d =⎰∂∂dc dy y x f x ),(． 定理19．4(可微性) 若函数),(y x f 与其偏导数),(y x f x∂∂都在区域[][]q p b a R ,,⨯=上连续，()()x d x c ,为定义在[]b a ,上其值含于[]q p ,的可微函数，则)(x F =()()⎰x d x c dy y x f ),(， 在[]b a ,上可微，且)(x F '=()()⎰x d x c x dy y x f ),(+)())(,(x d x d x f ')())(,(x c x c x f '- （7）证 把)(x F 看作复合函数：)(x F ＝),,(d c x H =⎰dc dy y x f ),(,其中 ()()xd d x c c ==,由复合函数求导法则及变上限积分的求导法则，有)(x F dxd =dx dd d H dx dc c H x H ∂∂+∂∂+∂∂=()()⎰x d x c x dy y x f ),(+)())(,(x d x d x f ')())(,(x c x c x f '-3 可积性定理19．5(可积性) 若二元函数),(y x f 在矩形区域[][]d c b a R ,,⨯=上连续，则函数)(x I =⎰d c dy y x f ),(和)(y J =⎰ba dx y x f ),(分别在[]b a ,和[]dc ,上可积．证 由)(x I ,)(y J 的连续性即知.定理19．6(可积性) 若二元函数),(y x f 在矩形[][]d c b a R ,,⨯=上连续，则⎰⎰d c b a dy y x f dx ),(=⎰⎰bad c dx y x f dy ),(证 记()=u I 1⎰⎰d c u a dy y x f dx ),(，()=u I 2⎰⎰ua d c dx y x f dy ),(其中∈u []b a ,，现分别求()u I 1与()u I 2的导数.对于()u I 2，令()y u H ,=⎰u a dx y x f ),(，则有()=u I 2()⎰dc dy y u H ,因为()y u H ,与()y u H u ,=),(y u f 都在R 上连续，由定理19．3()u I 2'=()⎰d c dy y u H du d ,()⎰=d c u dy y u H ,⎰=dcdy y u f ),()(u I = 故得()='u I 1()u I 2'，∈u []b a ,，又()a I 1=()a I 20= 故得()u I 1=()u I 2，∈u []b a ,，取b u =即得⎰⎰d c b a dy y x f dx ),(=⎰⎰b ad c dx y x f dy ),(．三 应用的例例1 求⎰+→++αααα12201lim x dx 解 记()=αI ⎰+++ααα1221x dx ，由于2211,1,ααα+++x 连续，所以 ⎰+→++αααα12201lim x dx ＝41102π=+⎰xdx 例2 计算积分解 考虑()=αI ()dx x x ⎰++10211ln α，由定理19．3 =dx x x x x ⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++++1022211111αααα =()()10221ln 1ln 21arctan 11⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+++x x x ααα =()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-++απαα1ln 2ln 214112 所以 ()='⎰10ααd I ()ααπααd ⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-++1021ln 2ln 21411 =()1021ln 8απ+10arctan 2ln 21α+()1I - =2ln 4π()1I -另一方面 ()='⎰10ααd I ()()01I I -()1I =所以 I ()1I =2ln 8π=例3 设()x f 在0=x 的某个邻域内连续，验证当x 充分小时，函数()x ϕ=()()()⎰---x n dt t f t x n 01!11的各阶导数存在，且()()x n ϕ=()x f . 解 ()t x F ,=()()t f t x n 1--及其偏导数()t x F x ,在原点的某方邻域内连续，()x ϕ'=()()()()⎰----xn dt t f t x n n 021!11()()()t f x x n n 1!11---+ =()()()⎰---xn dt t f t x n 02!21 同理 ()()x k ϕ=()()()⎰-----xk n dt t f t x k n 01!11 特别当1-=n k 时有 ()()x n 1-ϕ=()⎰xdt t f 0， 故 ()()x n ϕ=()x f . 例4 求=I dx x x x ab ⎰-1ln 解 因为 ⎰b a y dy x =x x x ab ln -， 所以=I dx x x x a b ⎰-10ln =⎰⎰b a y dy x dx 10=⎰⎰b a y dx x dy 10=⎰+b a dy y 11=a b ++11ln 注：从例子中可体会到含参量的正常积分的分析性质对一些困难的积分的求出提供了方便.作业 p178 1，2，3，4，5，6.第二节 含参量反常积分一 一致收敛性概念及其判别法1 含参量x 的无穷限反常积分定义设函数),(y x f 定义在无界区域{}b x a y c y x R ≤≤+∞<≤=,),(上，若对[]b a ,内每一个固定的x ，反常积分⎰+∞cdy y x f ),(都收敛，则它的值定义了[]b a ,上一个x 的函数，记为)(x I =⎰+∞cdy y x f ),(，∈x []b a , （1）称（1）式为定义在[]b a ,上的含参量x 的无穷限反常积分.2 一致收敛的定义定义1 若含参量的反常积分（1）与函数)(x I 对任给的正数ε，总存在某个实数c N >，使得当N M >时，对一切∈x []b a ,，都有即则称含参量的反常积分（1）在[]b a ,上一致收敛于)(x I3 一致收敛的柯西准则定理19．7含参量的反常积分（1）在[]b a ,上一致收敛的充要条件是：对任给的正数ε，总存在某个实数c M >，使得当M A A >21,时，对一切∈x []b a ,，都有例1 证明参量的反常积分在),[+∞δ上一致收敛（其中0>δ），但在),0(+∞上不一致收敛．证 令 xy u =⎰+∞A dy y xy sin =⎰+∞Axdu u u sin 其中0>A ，由于⎰+∞0sin du u u 收敛，故对任给的0>ε，总存在正数M ，使当M A >'时就有ε<⎰+∞'A du u u sin 取M A >δ，则当δM A >时，对一切0>≥δx ，由⎰+∞A dy y xy sin =⎰+∞Axdu u u sin 有 所以⎰+∞0sin dy y xy 在0>≥δx 上一致收敛． 再证⎰+∞sin dy y xy 在),0(+∞上不一致收敛． 按一致收敛的定义,只要证明：存在某一正数0ε，使对任何实数()c M >，总相应地存在某个M A >及某个()∞+∈,0x ，使得 因⎰+∞sin du u u 收敛，故对任何正数0ε与()c M >，总相应地存在某个()0>x ，使得00sin sin ε<-⎰⎰∞+∞+xM du u u du u u 即有 00sin ε-⎰+∞du u u <<⎰+∞du u u x M sin 00sin ε+⎰+∞du u u令0sin 2100>=⎰+∞du uuε,则可得所以⎰+∞sin dy y xy在),0(+∞上不一致收敛． 4 一致收敛的充要条件定理19．8 含参量的反常积分（1）在[]b a ,上一致收敛的充要条件是：对任一趋于∞+的递增数列{}n A （其中c A =1），函数项级数∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =()x u n n∑∞=1（7）在[]b a ,上一致收敛．证 [必要性]由（1）在[]b a ,上一致收敛，故对任给的正数ε，必存在c M >，使当M A A >'>''时，对一切∈x []b a ,总有ε<⎰'''A A dy y x f ),( （8）又由()∞→+∞→n A n ，所以对正数M ，存在正整数N ，只要N n m >>时，就有M A A n m >>．由（8）对一切∈x []b a ,，就有 这就证明了级数(7)在[]b a ,上一致收敛. [充分性] 略5 一致收敛的M 判别法设有函数()y g ，使得)(),(y g y x f ≤，b x a ≤≤，+∞<≤y c若()⎰+∞cdy y g 收敛，则()⎰+∞cdy y x f ,在[]b a ,上一致收敛．6 一致收敛的狄里克莱判别法（1）对一切实数c N >，含参量的反常积分()⎰Nc dy y x f ,对参量x 在[]b a ,上一致有界，即存在正数M ，对一切，c N >及一切∈x []b a ,，都有()M dy y x f Nc≤⎰,；（2）对每一个∈x []b a ,，函数()y x g ,关于y 是单调递减且当+∞→y 时，对参量x ，()y x g ,一致地收敛于0，则含参量的反常积分()⎰+∞cdy y x g y x f ,),(在[]b a ,上一致收敛．7 一致收敛的阿贝尔判别法（1）设⎰+∞cdy y x f ),(在[]b a ,上一致收敛（2）对每一个∈x []b a ,，函数()y x g ,关于y 是单调函数，且对参量x ，()y x g ,在[]b a ,上一致有界，则含参量的反常积分，()⎰+∞cdy y x g y x f ,),(在[]b a ,上一致收敛．例2 证明含参量的反常积分dy xxy⎰+∞+021cos 在()+∞∞-,上一致收敛．证 由22111cos x x xy +≤+，因dy x ⎰+∞+0211收敛和一致收敛的M 判别法即可得．含参量的反常积分dy x xy⎰+∞+021cos 在()+∞∞-,上一致收敛． 例3 证明含参量的反常积分dy xxe xy⎰+∞-0sin 在[]d ,0上一致收敛． 证 由dx x x ⎰+∞sin 收敛从而一致收敛，=-xy e 1≤-xye ，()[]d y x ,0),0[,⨯+∞∈及对每一个[]d y ,0∈,xye -单调，据阿贝尔判别法即得含参量的反常积分dy xxe xy⎰+∞-0sin 在[]d ,0上一致收敛．例4 证明：若),(y x f 在[]),[,+∞⨯c b a 上连续，又⎰+∞cdy y x f ),(在),[b a 上一致收敛，但在b x =处发散，则⎰+∞cdy y x f ),(在),[b a 上不一致收敛．证 反证法．假若积分⎰+∞cdy y x f ),(在),[b a 上一致收敛．则对于任给的0>ε，总存在c M >，当M A A >',时对一切∈x ),[b a 恒有， 由假设),(y x f 在[]),[,+∞⨯c b a 上连续，所以⎰+∞cdy y x f ),(在),[b a 上是x 的连续函数．在上面不等式中令b x →，得到当M A A >>'时，而ε是任给的，因此⎰+∞cdy y x f ),(在b x =处收敛，这与假设矛盾．所以⎰+∞cdy y x f ),(在),[b a 上不一致收敛．二 含参量反常积分的性质 1 连续性定理19．9设),(y x f 在[]),[,+∞⨯c b a 上连续，若含参量反常积分)(x I =⎰+∞cdy y x f ),(在[]b a ,上一致收敛，则)(x I 在[]b a ,上连续．证 由定理19．8，对任一递增且趋于∞+的递增数列{}n A （其中c A =1），函数项级数)(x I =∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =()x u n n ∑∞=1在[]b a ,上一致收敛．又由于),(y x f 在[]),[,+∞⨯c b a 上连续，故每个()x u n 都在[]b a ,上连续．由函数项级数的连续性定理，函数)(x I 在[]b a ,上连续． 2 可微性定理19．10设),(y x f 和),(y x f x 在[]),[,+∞⨯c b a 上连续，若含参量反常积分)(x I =⎰+∞cdy y x f ),(在[]b a ,上收敛，⎰+∞cxdy y x f),(在[]b a ,上一致收敛，则)(x I 在[]b a ,上可微，且 )(x I '=⎰+∞cxdy y x f),(证 对任一递增且趋于∞+的数列{}n A （其中c A =1），令由定理19．3推得 ()⎰+='1),(n nA A xndy y x fx u由⎰+∞c xdy y x f),(在[]b a ,上一致收敛，及定理19．8，可得()='∑∞=x u n n1∑⎰∞=+11),(n A A xn ndy y x f在[]b a ,上一致收敛，据函数项级数逐项求导定理,即得=')(x I ()='∑∞=x u n n1∑⎰∞=+11),(n A A xn ndy y x f=⎰+∞cxdy y x f),(即⎰+∞cdy y x f dxd),(=⎰+∞cxdy y x f),(3 可积性定理19．11 设),(y x f 在[]),[,+∞⨯c b a 上连续，若)(x I =⎰+∞cdy y x f ),(在[]b a ,上一致收敛，则)(x I 在[]b a ,上可积，且⎰⎰+∞bacdy y x f dx ),(=⎰⎰+∞cbadx y x f dy ),(证 由定理19．9知)(x I 在[]b a ,上连续从而可积，又由定理19．9的证明函数项级数)(x I =∑⎰∞=+11),(n A A n ndy y x f =()x u n n ∑∞=1在[]b a ,上一致收敛，由逐项求积定理，即有⎰⎰+∞b acdy y x f dx ),(=⎰badx x I )(=()dxx u n ban∑⎰∞=1=∑⎰⎰∞=+11),(n baA A n ndy y x f dx=∑⎰⎰∞=+11),(n A A ban ndx y x f dy=⎰⎰+∞cbadx y x f dy ),(定理19．12 设),(y x f 在),[),[+∞⨯+∞c a 上连续，若（1）⎰+∞adx y x f ),(关于y 在任何闭区间[]d c ,上一致收敛，⎰+∞cdy y x f ),(于x 在任何闭区间[]b a ,上一致收敛， （2）积分()dy y x f dx ca⎰⎰+∞+∞,与()dx y x f dy ac⎰⎰+∞+∞, （18）中有一个收敛，则dy y x f dx ca⎰⎰+∞+∞),(=dx y x f dy ac⎰⎰+∞+∞),(证 不妨设（18）中第一个积分收敛，由此得 也收敛．当c d >时，d I =dy y x f dx dx y x f dy cadca⎰⎰⎰⎰+∞+∞+∞-),(),(=⎰⎰⎰⎰⎰⎰+∞+∞+∞+∞--addcadcady y x f dx dy y x f dx dx y x f dy ),(),(),(根据条件（1）及定理19．11，可推得d I =⎰⎰+∞+∞addy y x f dx ),(+≤⎰⎰+∞A addy y x f dx ),(⎰⎰+∞+∞Addy y x f dx ),(+≤⎰⎰+∞Aaddy y x f dx ),(dy y x f dx Ad⎰⎰+∞+∞),( （20）由条件（2），对任给的0>ε，有0>G ，使当G A >时，有选定A 后，由⎰+∞cdy y x f ),(的一致收敛性，存在0>M ，使得当M d >时有这两个结果应用到（20）式得到 即0lim =+∞→d d I ，这就证明了（19）式．三 应用举例例5 计算 I =⎰+∞--0sin sin dx xaxbx e px（a b p >>,0）解 x ax bx sin sin -=⎰baxydy cosI =⎰+∞--0sin sin dx x ax bx epx=⎰⎰+∞-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0cos dx xydy e b a px=⎰⎰+∞-0cos xydy e dx bapx由于pxpxexy e--≤cos 及反常积分⎰+∞-0dx epx收敛,所以⎰+∞-0cos xydx e px 在],[b a 上一致收敛.又xy e px cos -在],[),0[b a ⨯+∞上连续,I =⎰⎰+∞-b apx xydx e dy cos 0=⎰+badyy p p22=-p b arctan p a arctan 例6 计算⎰+∞sin dx x ax 解 在上例中,令0=b ,则有)(p F ⎰+∞-=0sin dx xaxe px=p a arctan ()0>p由于上述反常积分在0≥p 上一致收敛.从而)(p F 在0≥p 上连续.⎰+∞sin dx x ax=)0(F )(lim 0p F p +→= ⎰+∞-→+=0sin lim dx xaxe pxp =p a p arctan lim 0+→=a sgn 2π例7 计算 )(r ϕ=dx rx e x ⎰+∞-0cos 2解 由 ≤-rx ex cos 22x e-和⎰+∞-02dx ex 收敛，dx rx e x ⎰+∞-0cos 2一致收敛，类似地 ()dx rx e r x ⎰+∞-∂∂0cos 2=dx rx xe x ⎰+∞--0sin 2也一致收敛，)(r ϕ'=dx rx xe x ⎰+∞--0sin 2dx rx xeAxA ⎰-+∞→-=0sin lim 2=Ax A rx e 0sin 21(lim 2-+∞→)cos 2102⎰--Ax rxdx re=⎰+∞--0cos 22rxdx e rx =)(2r r ϕ-于是 )(ln r ϕ=c rln 42+-， )(r ϕ=42r ce -由 )0(ϕ=⎰+∞-02dx e x =2π， 得)(r ϕ=422r e-π四 含参量的无界函数反常积分设),(y x f 在区域],[],[d c b a R ⨯=上有定义，若对某些x 的值，d y =为函数),(y x f 的瑕点，则称⎰dcdy y x f ),(为参量x 的无界函数反常积分．定义2 对任给正数ε，总存在某正数c d -<δ，使得当δη<<0时，对一切],[b a x ∈，都有则称含参量反常积分⎰dcdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛．注：可参照含参量无穷限反常积分的办法建立相应的含参量的无界函数反常积分的一致收敛判别法,并讨论它们的性质. 作业 P189 1，2，3，4.第三节 欧拉积分一 欧拉积分的概念 含参量积分)(s Γ=⎰+∞--01dx e x xs ，0>s 称为格马函数),(q p B =⎰---111)1(dx x xq p ，0,0>>q p 称为贝塔函数注：相当一部分困难的定积分和反常积分（如原函数为非初等函数），可通过合适的变量变换转化为欧拉积分，利用欧拉积分的性质，查表来得到近似值． 二 Γ函数 1 定义域由于格马函数)(s Γ=⎰+∞--01dx e x x s ，0>s 可以写成)(s Γ=⎰+∞--01dx e x x s =⎰--101dx e x xs ⎰+∞--+11dx e x xs ()()s J s I +=（1）定义域 由于()s I =⎰--11dx e x x s 当1≥s 时是正常积分，当10<<s 是收敛的反常积分，()s J =⎰+∞--11dx e x x s 当0>s 是收敛的反常积分，故知Γ函数)(s Γ=()s I +()s J 的定义域为0>s （2）Γ函数在定义域0>s 内连续且可导在任何区间[]b a ,()0>a 上，对于函数()s I ，当10≤<x 时有x a x s e x e x ----≤11，由于⎰--101dx e x x a 收敛，从而()s I 在区间[]b a ,上一致收敛，因而连续， 对于()s J ，当∞+≤x 1时，有xb xs e x ex ----≤11，由于⎰+∞--11dx e x x b 收敛，从而()s J 在区间[]b a ,()0>a 上也一致收敛，因而连续，于是Γ函数)(s Γ=()s I +()s J 在定义域0>s 内连续． 用上述同样的方法考察积分()⎰+∞--∂∂01dx e x s xs ⎰+∞--=01ln xdx e x xs 它在任何区间[]b a ,()0>a 上一致收敛.于是)(s Γ在[]b a ,上可导,由b a ,的任意性,)(s Γ在0>s 上可导,且)(s Γ'⎰+∞--=1ln xdx e xxs ,0>s仿照上面的方法,还可推得)(s Γ函数在定义域0>s 内存在任意阶导数．())(s n Γ()⎰+∞--=1ln dx x e x nx s ,0>s2 递推公式)1(+Γs =)(s s Γ⎰-Axs dx e x 0=Ax sex 0--+⎰--Axs dx e x s 01=As eA --+⎰--Ax s dx e x s 01,令+∞→A 即得 )1(+Γs =)(s s Γ设 1+<≤n s n 则 )1(+Γs =)(s s Γ()()()n s n s s s -Γ--== 1n 为正整数时：)1(+Γn =()()1121Γ⋅- n n =⎰+∞-=0!!n dx e n x3 图象()+∞=Γ+→s s 0lim ，()+∞=Γ+∞→s s lim4 延拓()()ss s 1+Γ=Γ，（除了 ,2,1,0--=s 以外） 5 )(s Γ的其他形式（1）令2y x =可得)(s Γ=⎰+∞--01dx e x xs =⎰+∞--01222dy e y ys ,(0>s )（2）令py x =可得)(s Γ=⎰+∞--01dx e x xs =⎰+∞--01dx e y ppy s s,(0>s ,0>p ) 三 B 函数1 ),(q p B 在定义域0,0>>q p 内连续),(q p B =⎰---111)1(dx x xq p ，0,0>>q p 当1<p 时0=x 为瑕点，当1<q 时1=x 为瑕点，应用柯西判别法可证得当0,0>>q p 时,这两个反常积分都收敛,所以),(q p B 的定义域为0,0>>q p .对于任何00>p ,00>q ，有()()11110011-----≤-q p q p x x x x , 00,q q p p ≥≥，而积分()⎰---111001dx x xq p 收敛,故⎰---111)1(dx x x q p 在00,q q p p ≥≥上一致收敛，因而推得),(q p B 函数在定义域0,0>>q p 内连续.2 对称性 ),(q p B =),(p q B作变换y x -=1，),(q p B =⎰---111)1(dx x xq p =⎰---111)1(dy y y q p =),(p q B3 递推公式),(q p B =()1,11-B -+-q p q p q ， （1,0>>q p ） （8）),(q p B =()q p q p p ,111-B -+-， （0,1>>q p ） （9）),(q p B =()()()()()1,12111--B -+-+--q p q p q p q p ， （1,1>>q p ） 证明 当1,0>>q p 时，),(q p B =⎰---111)1(dx x xq p =()()⎰----+-1211111dx x x p q px x q p q p=()[]()⎰-------1211111dx x x x x p q q p p =()⎰----102111dx x x p q q p ()⎰-----101111dx x x p q q p =()1,1-B -q p p q ()q p pq ,1B -- 移项整理即得 ),(q p B =()1,11-B -+-q p q p q公式（9）可由对称性和公式（8）推得,而最后一个公式则可由公式（8）,（9）推得. 4 ),(q p B 的其他形式 （1）令ϕ2cos =x ，则有),(q p B =⎰---111)1(dx x xq p =⎰--21212cos sin 2πϕϕϕd p q .（2）令yyx +=1，则有 ),(q p B =⎰---111)1(dx x xq p =()dy y y qp p ⎰+∞+-+011.（3）令ty 1=，则有()()⎰⎰+-+∞+-+-=+0111111dt t t dy y y qp q qp p ()dy y y qp q ⎰+-+=111),(q p B =()dy y y qp p ⎰+∞+-+011=()dy y y qp p ⎰+-+111()dy y y qp p ⎰+∞+-++111=()dy y y qp p ⎰+-+111()dy y y qp q ⎰+-++111()dy y y y qp q p ⎰+--++=1111四 Γ函数与B 函数的关系当n m ,为正整数时，由于)1,(m B =mdx x m 111=⎰-， ),(n m B =()1,11-B -+-n m n m n =11-+-n m n 22-+-n m n 11+m )1,(m B=11-+-n m n 22-+-n m n 11+m m1=11-+-n m n 22-+-n m n 11+m m 1()()!1!1--m m()()()!1!1!1-+--=n m m n =()()()m n m n +ΓΓΓ 对于任何实数0,0>>q p 也有相同的关系式（待以后证明）),(q p B =()()()q p q p +ΓΓΓ （0,0>>q p ）作业 P194 1，2，3，4.。