含参变量反常积分的几种计算方法
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含参量反常积分的极限在微积分中,我们学习了定积分和反常积分的概念和性质。
而含参量反常积分则是反常积分的一个扩展,用于研究积分上限或下限中含有参数的情况。
本文将探讨含参量反常积分的极限问题。
一、含参量反常积分的定义含参量反常积分是指积分上限或下限中含有参数的反常积分。
形式上,含参量反常积分可以表示为:∫[a, b]f(x; t)dx其中,f(x; t)是一个含有自变量x和参数t的函数,[a, b]表示积分的区间。
我们需要研究随着参数t的变化,含参量反常积分的极限趋向于什么值。
二、含参量反常积分的极限性质含参量反常积分的极限性质与普通反常积分类似。
我们来讨论两种情况:1. 参数t趋向于某个值时的极限当参数t趋向于某个值时,含参量反常积分的极限等于普通反常积分。
即当lim(t→c)∫[a, b]f(x; t)dx存在时,有:lim(t→c)∫[a, b]f(x; t)dx = ∫[a, b]lim(t→c)f(x; t)dx这个性质使得我们可以先求极限,再进行积分计算。
2. 积分区间端点趋向于无穷大时的极限当积分区间的上限或下限趋向于无穷大时,含参量反常积分的极限需要额外的讨论。
如果对于任意的L,存在一个常数M,使得当|t|>M时,有:|∫[a, b]f(x; t)dx - L| < ε其中,ε是一个足够小的正实数。
那么我们称含参量反常积分在积分的端点趋向于无穷大时收敛,并且极限为L。
三、求解对于一般的含参量反常积分,我们可以通过以下步骤求解极限:1. 先对含参量反常积分进行求积分运算,得到含有参数t的函数F(t)。
2. 对F(t)进行极限运算,即求解lim(t→c)F(t)。
3. 若极限存在,则得到含参量反常积分的极限值。
需要注意的是,在每一步的计算中,我们要遵循常规反常积分的计算规则,特别是在求极限的过程中需要注意参数t的取值范围和积分的收敛性。
四、示例分析为了更好地理解含参量反常积分的极限性质和求解方法,我们来看一个具体的示例。
含参变量的反常积分dini定理一、反常积分的基本概念反常积分也称为广义积分,是一种积分范围超越常规定积分的积分。
在定义上,反常积分可以看作是对定积分的推广,其积分区间可以是无穷区间,也可以是其他非正常区间。
反常积分具有广泛的应用,包括物理学、工程学、概率论等领域。
二、含参变量的反常积分含参变量的反常积分是指在积分过程中包含参数的积分。
这种积分在处理一些复杂问题时非常有用,例如物理中的热传导问题、弹性力学中的应变问题等。
含参变量的反常积分在处理这些问题的过程中,通过引入参数来简化问题,使问题得到更有效的解决。
三、Dini定理的背景和意义Dini定理是数学分析中的一个重要定理,它涉及到含参变量的反常积分。
Dini定理的背景可以追溯到19世纪末,当时数学家开始关注含参变量的反常积分。
Dini定理的意义在于,它提供了一种判断含参变量的反常积分收敛性的方法,从而为解决一系列相关问题提供了理论支持。
四、Dini定理的证明过程Dini定理的证明过程相对复杂,需要使用到实数性质、微积分基本定理等知识点。
在证明过程中,首先需要引入一个与被积函数有关的辅助函数,然后通过分析这个辅助函数的性质,逐步推导出Dini定理的结论。
具体证明过程可以参考数学分析教材或相关论文。
五、Dini定理的应用举例Dini定理的应用非常广泛,下面举几个具体的例子来说明其应用。
1. 在物理学中的应用:在研究波动方程时,Dini定理可以用来判断波动方程解的存在性和唯一性。
例如,在研究弦振动时,通过引入参数和利用Dini定理,可以证明弦振动方程解的存在性和唯一性。
2. 在工程学中的应用:在电气工程中,Dini定理可以用来判断电路中的电流和电压是否收敛。
例如,在分析交流电路时,通过引入角频率作为参数,并利用Dini定理判断电流和电压的收敛性,从而为电路的分析和设计提供依据。
3. 在概率论中的应用:在随机过程和概率论中,Dini定理可以用来判断随机过程的样本函数的收敛性。
含参量反常积分的一致收敛发判别法及推广汇总含参数的反常积分是指在积分中包含一个或多个参数的情况下的积分运算。
一致收敛是指在定义域上的每个点上,函数项级数都收敛于同一个函数。
一致收敛的发散判别法是用来判断含参数的反常积分是否一致收敛的方法。
它的基本思想是先对含参数的反常积分的被积函数进行求和,然后通过逐项求和的结果进行判断。
一般来说,当积分区间是有界区间时,可以直接采用一般的单调收敛判别法,若积分区间是无界区间,则需要使用其他方法来判断其一致收敛性。
以下是一些常见的含参数反常积分的一致收敛发判别法及推广:1.魏尔斯特拉斯判别法:该判别法适用于被积函数在区间上无上界的情况。
若函数项级数的每一项在区间上都存在可求得的上界,并且级数的系数与参数无关,即参数只出现在积分区间上,则该函数项级数在该区间上一致收敛。
2.绝对收敛发散判别法:若被积函数在积分区间上绝对收敛,则函数项级数在该区间上一致收敛。
3.阿贝尔判别法:若函数项级数在积分区间上逐项收敛,且在积分区间上一致有界,则函数项级数在该区间上一致收敛。
4.一致收敛的推广汇总:对于参数函数项级数的一致收敛判别,可以将其推广为参数函数项广义积分的一致收敛判别。
具体而言,可以参考以下几种情况的判别方法:a.线性组合的情况:若参数函数项级数与常数函数项级数的线性组合在积分区间上一致收敛,则参数函数项级数在该区间上一致收敛。
b.积分换元法的情况:若参数函数项级数的积分变量进行换元,得到的新的参数函数项级数在积分区间上一致收敛,则原参数函数项级数在该区间上一致收敛。
c.参数函数项级数的逐项积分的情况:若参数函数项级数的逐项积分在积分区间上一致收敛,则参数函数项级数在该区间上一致收敛。
d.参数函数项的相对收敛性:若参数函数项级数的每一项与参数的函数项级数的每一项的绝对值相比,在积分区间上一致有界,并且参数的函数项级数在该区间上一致收敛,则原参数函数项级数在该区间上一致收敛。
116第十二章 反常积分与含参变量的积分一、 反常积分:内容提要:1、 反常积分收敛的定义:● 无穷积分: ():lim ()AaaA f x dx f x dx +∞→+∞=⎰⎰● 瑕积分: 0():lim ()b b a af x dx f x dx δδ+-→=⎰⎰b 为瑕点若极限存在,则称反常积分收敛,否则称其发散. ● 绝对收敛与条件收敛: 若|()|a f x dx +∞⎰收敛,则称()af x dx +∞⎰绝对收敛.若()af x dx +∞⎰收敛,但不绝对收敛则称其为条件收敛.2、 反常积分的敛散性判别:● 比较判别法:若0()()[,)f x c x x a ϕ≤≤∀∈+∞()a x dx ϕ+∞⎰收敛⇒()a f x dx +∞⎰收敛()af x dx +∞⎰发散⇒()ax dx ϕ+∞⎰发散若0()()[,]f x c x x a b ϕ≤≤∀∈()bax dx ϕ⎰收敛⇒()ba f x dx ⎰收敛()baf x dx ⎰发散⇒()bax dx ϕ⎰发散若()()()ax f x g x f x dx +∞→+∞⎰收敛()ag x dx +∞⇔⎰收敛● Dirichlet 判别发: ·若()f x 满足()().[,),0Aaaf x f x dx M A a dx x λλ+∞≤∀∈+∞⇒>⎰⎰收敛. ·若()f x 满足().[,)()(),0xbaaf x dx M x a b x b f x dx λλ≤∀∈⇒->⎰⎰收敛.● ·()f x 满足:().[,)Aaf x dx M A a x ≤∀∈+∞→+∞⎰时()g x 单调趋于0 ()()af xg x dx +∞⇒⎰收敛.117·()f x 满足:().[,)xaf x dx M x a b x b -≤∀∈→⎰时()g x 单调趋于0()()baf xg x dx ⇒⎰收敛.3、学习提示:注意在方法、思路、结果方面比较无穷级数、无穷积分、瑕积分的敛散性判别法.4、 重要结果: 11:1p ap dx x p ∞>⎧⎨<⎩⎰收敛发散b a 11:(x-a)1dx λλλ≥⎧⎨<⎩⎰发散收敛典型例题:例1:讨论下列反常积分的敛散性: 1)1+∞⎰2)2π⎰ 3)21x m ()dx x m x 1∞-++⎰4)10⎰ 解:1)521()f x x=512p =>. 故1∞⎰收敛 2)此积分瑕点为0.0x +→时121x, 故2π⎰收敛. 3) 2222(1)()1()(1)x m m x x m f x x m x x m x -+-=-=+++-. 1m = 时 21()f x x , 所以积分收敛. 1m ≠ 时 1()f x x, 所以积分发散.4) 此积分瑕点为0. 0x +→ 时141()o x = ∴原积分收敛. 例 2. 讨论积分2sin x dx x∞⎰的敛散性:若收敛,它是条件收敛还是绝对收敛?118解:作变量代换 2x t =则x =20sin sin 2x t dx dt x t∞∞=⎰⎰此积分有两个瑕点:0,∞.0x →时sin 1tt10sin tdt t∴⎰绝对收敛. 又:1sin 2[1,)A tdt A ≤∀∈+∞⎰ 1t单调1lim 0t t →∞=由Dirichlet 判别法,10sin tdt t⎰收敛.2sin sin cos 212t t t t t t+≥= 再由Drichilet 判别法1cos 22tdt t∞⎰收敛.但112dt t ∞⎰发散,20sin t dt t ∞∴⎰发散. 从而原级数条件收敛.例3 讨论如下反常积分的收敛性:0ln(1)p x dx x ∞+⎰ 解:此积分有两个瑕点:0,+∞0x →时1ln(1)1p p x x x -+112p p ∴-<<即时 10ln(1)p x dx x +⎰收敛,2p ≥发散. 1p ≤ 时 1ln(1)ln(1)lim .p p px x x x dx x x ∞→∞++=∞∴⎰发散. 1p > 时121ln(1)1ln(1)p p px x o dx x x x +∞⎛⎫++=∴ ⎪⎝⎭⎰ 收敛. 综上所述:仅当 12p << 时原级数收敛.练习题:研究下列积分的敛散性1) 10ln dx x ⎰ 2) 2201x dx x x +∞++⎰ 3) 10ln p x xdx ⎰ 4) 0+∞⎰ 5) 2sin cos p q dx x xπ⎰ 6) 0p q dx x x ∞+⎰ 7) 1ln p q dxx x ∞⎰ 8) 0()()m n p x dx P x +∞⎰. ()()m n P x P x 分别为m 及 n 次互质的多项式.1199) 0sin 1p q x x dx x +∞+⎰10) 10n⎰二、 含参变量的积分:内容提要:1、 含参变量的有限积分:● 定义: ():(,)ba u f x u dx ϕ=⎰(,)f x u 在[,][,]R a b αβ=⨯上定义 .0[,]u αβ∀∈,0(,)f x u 在[,]a b 上可积.● 性质:1) 连续性: (,)f x u 在R 上连续()u ϕ⇒在[,]αβ上连续 . 2) 可微性: (,)f x u 与fu∂∂在R 上连续⇒()u ϕ在[,]αβ上可导且: ()(,)(,)bb a a d d u f x u dx f x u dx du du uϕ∂==∂⎰⎰ 3) 可积性: (,)f x u 在R 连续⇒()u ϕ在[,]αβ上可积且:()(,)(,)bb aau du du f x u dx dx f x u du βββαααϕ==⎰⎰⎰⎰⎰2 . 含参变量的无穷积分● 收敛与一致收敛 称0():(,)u f x u dx ϕ+∞=⎰收敛若(,)f x u 在[,)[,]D a αβ=+∞⨯上定义,0[,]u αβ∀∈0(,)af x u dx +∞⎰收敛.称():(,)au f x u dx ϕ+∞=⎰在[,]αβ上一致收敛.如果:000,0,[,]A A A u εαβ∀>∃>∀>∀∈有:(,).Af x u dx ε+∞<⎰● 一致收敛的无穷积分的性质:1) 连续性: (,)f x u 在[,)[,]D a αβ=+∞⨯上连续 ()(,)au f x u dx ϕ+∞=⎰在[,]αβ上一致收敛,则()u ϕ在[,]αβ上连续 .即:00lim (,)lim (,)aau u u u f x u dx f x u dx +∞+∞→→=⎰⎰.2)可微性:(,)f x u 与(,)u f x u '在D 上连续且(,)af x u dx +∞⎰在[,]αβ120收敛, (,)u af x u dx +∞'⎰在[,]αβ一致连续,则()(,)au f x u dx ϕ+∞=⎰在[,]αβ可导,且()(,)u a d u f x u dx duϕ+∞'=⎰. 3) 可积性在:(,)f x u 在D 上连续 0()(,)u f x u dx ϕ+∞=⎰在[,]αβ一致收敛 .则()u ϕ在[,]αβ可积且0()(,)u du dx f x u du ββααϕ+∞=⎰⎰⎰.● 一致收敛的判别法:1) Cauchy 准则: (,)af x u dx +∞⎰在区间I 一致收敛⇔01200,A A A A u ε∀>∃∀>∀有21(,)A A f x u dx ε<⎰2)Weierstrass 判别法: (,)(,)().x y f x y g x ∀<且()ag x dx +∞⎰收敛(,)af x u dx +∞⇒⎰一致收敛 .3)Dirichlet 判别法: ,(,)AaA a u If x u dx M ∀>∀∈≤⎰.,(,)u I g x u ∀∈关于u 单调,且0(,)g x u x u I →∞∈且则(,)(,)af x ug x u dx +∞⎰在I 上一致收敛 .典型例题: 例1、研究122()()yf x F y dx x y =+⎰的连续性. 其中()f x 在[0,1] 上是正的连续函数: 解:0y ∀∈.00y ≠时,取0y δ<,则000[,]y y δδ∉-+.显然函数22()yf x x y+在00[0,1][,]y y δδ⨯-+上连续 .根据含参变量积分的连续性,()F y 在00[,]y y δδ-+上连续 .00y =时 0()0F y =.因()f x 在[0,1]是正的连续函数 .[0,1]:min ()0x m f x ∈=>(0,1)y ∈时 12201()4ym F y dx marctg m x y y π≥=>+⎰121(1,0)y ∈-时 1221()4ym F y dx marctg m x y y π≤=<-+⎰lim ()0y F y ±→∴≠ ()F y ∴在(,0)(0,)-∞∞上连续 .例2、求()F y '1) sin ()b y a yxy F y dx x++=⎰2) 22()y x yy F y e dx -=⎰解:1) sin ()sin ()()cos b y a y y b y y a y F y xydx b y a y++++'=-+++⎰ 1111sin ()sin ()y b y a a y y b y y a y ⎛⎫⎛⎫=++-++ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭2) 222222()()y x yxy x yyx y x yF y y ey ee dx y---==∂'''=--∂⎰253222y y y x y yyeex e dx ---=--⎰例3、设2sin()()sin xy xy F x dy y yπ=-⎰ 求 10()F x dx ⎰解:因函数sin()sin y xy y y-在[0,1][,2]ππ⨯上连续,由含参变量积分的积分性质:11200sin()()sin y xy F x dx dx dy y yππ=-⎰⎰⎰21sin()sin y xy dy dx y yππ=-⎰⎰21cos sin ydy y yππ-=-⎰2l n sin ln 2y yππ=-=例4、应用对参数的微分法计算积分:222220ln(sin cos )a x b x dx π+⎰解: 视b 为常数 . a 为参变量 .若00a b >>222220()ln(sin cos )I a a x b x dx π=+⎰1222222202sin ()sin cos a xI a dx a x b xπ'=+⎰若a b = 2202()sin 2I b xdx b b ππ'==⎰若a b ≠作变量代换 t tgx =2222202()(1)()b a t dtI a a t t +∞'=++⎰ 2222222a b a at arctg t arctg a a b a b b b +∞⎛⎫=- ⎪--⎝⎭ a bπ=+()(0,)I a a a bπ'∴=∀∈+∞+积分得:()ln()(0,)I a a b c a π=++∈+∞ 令a b =,()ln(2)I b b c π=+而 22120()ln ln ln I b b dx b c πππ==∴=⎰ ()ln2a bI a π+∴= 若0a <或0b < 同理可得:||||()ln 2a b I a π+=例5、证明下列积分在指定区域一致收敛: 1) 00sin 0x e xdx ααα+∞-<≤<∞⎰2) 1cos xp xe dx xα+∞-⎰ 00p α≤<+∞> 解: 1) 0sin x x e x e αα--≤ 且 00x e dx α+∞-⎰收敛 故积分0sin x e xdx α+∞-⎰ 收敛 .2)由于1cos 2Axdx ≤⎰0α≥时 xp e xα-在1x ≥关于x 递减且10x p p e x x α-<<,故x →+∞ 时 x p e x α-一致趋于0 .由Dirichlet 判别法:1cos x p xe dx xα+∞-⎰在1230α≤<+∞一致收敛 . 练习题:1、求下列极限:1) 1220lim 1y yy dxx y+→++⎰2)10lim y -→⎰ 2、 求()F y ' 1) 0ln(1)()y xy F y dx x+=⎰2) 12()(,)(,)()yF y f x y x y dx f u v c =+-∈⎰3、 设()f x 是以2π为周期的连续函数,令1()()2x hx h F x f t dt h+-=⎰. 试求()F x 的Fourier 系数 . 4、 应用对参数的微分法求积分:20ln(12cos )a x a dx π-+⎰5、设()f x 连续、10()()()xn F x f t x t dt -=-⎰,求()()n F x .6、设2cos 0()cos(sin )xx F x e x d θθθ=⎰,求证:()2F x π≡.7、求下列积分的收敛域:1)201ax e dx x -+∞+⎰2) 20ln p dxx⎰ 8、研究下列积分在指定区间内的一致收敛性:1) 1x x e dx a b αα∞-≤≤⎰2) 0sin 0xx e dx xαα+∞-≤<∞⎰ 3)200x dx αα-≤<∞⎰4) 22(1)sin x e dx ααα+∞-+-∞<<+∞⎰9、 求函数20sin(1)()xF dx xαα+∞-=⎰的不连续点. 10、 设()f x 连续且()A f x A dx x +∞∀>⎰收敛 .试证:0()()(0)ln 00f ax f bx bdx f a b x a+∞-=>>⎰ 11、 利用第10题结果计算:0cos cos00 ax bxdx a bx+∞->>⎰12、利用对参量的微分法计算:2200 ax bxe edx a bx--+∞->>⎰124。
含参变量反常积分的几种计算方法摘 要:含参变量反常积分是一类比较特殊的积分,由于它是函数又是以积分形式给出,所以它在积分计算中起着桥梁作用,并且计算难度较大,本文主要总结含参变量反常积分的几种方法,利用这几种方法,可以进行一系列的积分运算,这样可使含参变量反常积分运算更易理解和掌握。
关键词:含参变量反常积分 积分号下积分法 积分号下微分法 收敛因子 留数定理在进行含参变量反常积分的运算时,首先要验证条件(包括确定含参变量及其变化范围,把问题归结为能利用含参变量反常积分运算性质的某一种,还要验证所用性质应满足的条件),在验证条件时,判别一致收敛至关重要,判别法通常采用魏尔斯特拉斯判别法、狄利克雷判别法、阿贝尔判别法、柯西判别准则或用定义判别,然而在验证一致收敛时并不简单,这使得含参变量反常积分的计算有一定的难度,经过验证后,就可以利用含参变量反常积分的性质具体进行运算。
本人在学习过程中,通过大量的、不断的练习,进行探索和归纳,总结出几种含参变量反常积分的计算方法,这几种方法运算技巧强,便于理解和掌握,下面分述于后。
一 积分号下积分法要对含参变量反常积分()(),y ag f x y dx +∞=⎰实现积分号下求积分,须验证以下条件:(1) (),f x y 在,x a y c ≥≥上连续; (2) (),a f x y dx +∞⎰在[),y c ∈+∞上内闭一致收敛,(),cf x y dx +∞⎰在[),x a ∈+∞上内闭一致收敛;(3) (,)c ady f x y dx +∞+∞⎰⎰及(),a cdx f x y dy +∞+∞⎰⎰至少有一个收敛,则 ()(),,accadx f x y dy dy f x y dx +∞+∞+∞+∞=⎰⎰⎰⎰例1 利用20u e du +∞-⎰u=x α令2()0(0)x e dx ααα+∞-∀>⎰,求2e d αα+∞-⎰的值。
分析:2x e dx +∞-⎰这个积分在概率论中非常有用,它的值可以用多种方法求出,但在这里利用积分号下积分法求解,是很值得借鉴的,而且须验证的条件又显然成立。
题目含参量反常积分一致收敛的判别法学生姓名学号系别数学系年级2010级专业数学与应用数学指导教师职称完成日期摘要含参变量的反常积分是研究和表达函数的的有力工具。
要更好的研究含参量反常积分所表达的函数,关键问题在于判断他的一致收敛性。
本文通过研究判断含参量反常积分一致收敛的判别法,以帮助研究含参量反常积分所表达的函数。
关键词:含参量反常积分;一致收敛;判别法AbstractImproper integral with variable is the study and expression tool function. To better function of parameter improper integral expression of the key problem lies in the judgment, the uniform convergence of his. Through the study of judging function discriminant method of parameter improper integral converges uniformly to help the study of parameter improper integral expression.Key words: Improper integral with variable;uniform convergence; discriminant analysis目录1引言 (1)2基本概念 (1)2.1含参量反常积分 (1)2.2含参量反常积分一致收敛 (2)3含参量反常积分一致收敛的判别方法 (2)3.1定义法 (2)3.2柯西准则法 (3)3.3变上限积分的有界性法 (3)3.4确界法 (4)3.5微分法 (5)3.6级数判别法 (6)3.7维尔斯特拉斯判别法(简称M判别法) (6)3.8狄里克莱判别法 (8)3.9阿贝尔判别法 (8)4结束语 (1)参考文献 (10)致谢 (11)含参量反常积分一致收敛的判别法柯美蓉(闽江学院数学系;福建福州350108)1.引言含参量反常积分是微积分学中一类重要的积分,是研究和表达函数,特别是非初等函数的有力工具.为了讨论含参变量反常积分的连续性、可微性和可积性,我们需要引进含参变量反常积分的一致收敛性的概念,它和函数项级数的一致收敛性的意义是相当的.现行的数学分析教材[1-3、5]给出的含参量反常积分的一致收敛的判别法主要是一致收敛定义、柯西准则、维尔斯特拉斯判别法、狄里克莱判别法及阿贝尔判别法,它们都有一定的局限性,不适用于每种含参量反常积分的一致收敛性的判别.为了更好的判别含参量反常积分的一致收敛性,本文研究、归纳了判别含参量反常积分的一致收敛性的九种方法:一致收敛定义、柯西准则法、变上限积分的有界法、确界法、微分法、级数辨别法、魏尔斯特拉斯M判别法、狄克雷判别法和阿贝尔判别法,并且给出了典型例子以说明每种判别法的特点,以便于人们的研究、理解.2.基本概念2.1 含参量反常积分设函数),(y x f 定义在无界区域},),{(I y x a y x R ∈+∞<≤=上,其中I 为区间[]d c ,,反常积分dx y x f a⎰+∞),(都收敛,则它的值是 y 在[]d c ,上取值的函数,当记这个函数为)(y Φ时,则有I y dx y x f y a∈=Φ⎰+∞,),()(, (2-1)称dx y x f a⎰+∞),(式为定义在I 上的含参量y 的无穷限反常积分,或简称含参量反常积分[1].2.2 含参量反常积分一致收敛若含参量反常积分dx y x f a⎰+∞),(与函数)(x Φ对任给的正数,存在某一实数a N >,使得当N M >时,对一切[]d c y ,∈都有ε<Φ-⎰May dx y x f )(),(, (2-2)即ε<⎰+∞Mdx y x f ),(, (2-3)则称含参量反常积分dx y x f a⎰+∞),(在I 上一致收敛于)(y Φ,或者简单的说含参量积分dx y x f a⎰+∞),(在I 上一致收敛.3.含参量反常积分一致收敛的判别方法3.1 定义法定义判别法:根据以上2.2 关于含参量反常积分一致收敛的定义进行判别. 例3-1 证明:含参量反常积分dy xe xy ⎰+∞-0在()+∞,0内不一致收敛,但是在[)+∞,α上一致收敛(其中0>α)[2].分析 由含参量反常积分一致收敛定义可知,含参量反常积分()dy y x f ⎰+∞0,在()+∞,0上不一致收敛指:存在00>ε对任何实数00>A ,总存在0A A >和()+∞∈,0x ,st()0,ε≥⎰+∞Ady y x f . (3-1)4.结束语含参量反常积分是很重要的积分,研究它的连续性、可微性和可积性的关键在于研究它的一致收敛性.本文介绍一致收敛定义、柯西准则法、变上限积分的有界法、确界法、微分法、级数辨别法、魏尔斯特拉斯M判别法、狄克雷判别法和阿贝尔判别法这九种判别方法,这些方法适用于不同含参量反常积分一致收敛的判定,每个判别法都有它的优点,同时也存在着一定的局限,选用恰当的方法能使判定过程变得方便、简单.然而,含参量反常积分一致收敛的判别法不只有这九种,还有很多方法等着人们去发现,去探讨,去挖掘.参考文献[1] 华东师范大学数学系.数学分析(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2010.6.[2] 洪毅.数学分析[M].广州:华南理工大学出版社,2002.3.[3] 罗俊,汪名杰,高敏.数学分析习题与解析[M].北京:兵器工业出版社,2008.9.[4] 赵文强.关于含参量广义积分一致收敛性的教学研究[J].重庆工商大学学报:自然科学版,2011.28(5): 460-461.[5] 裴礼文.数学分析中的典型问题与方法[M].北京:高等教育出版社,1993.5.[6]张永峰.含参量反常积分局部一致收敛于连续[J].咸阳师范学院学报,2006,21( 6) : 59-60.[7]张振祺.含参量反常积分局部一致收敛的判别法[J].榆林学院学报,2010,20( 6) : 1-3.[8]张国才王恕达含参量积分的局部收敛性(I )[J]。
含参变量反常积分的几种计算方法摘 要:含参变量反常积分是一类比较特殊的积分,由于它是函数又是以积分形式给出,所以它在积分计算中起着桥梁作用,并且计算难度较大,本文主要总结含参变量反常积分的几种方法,利用这几种方法,可以进行一系列的积分运算,这样可使含参变量反常积分运算更易理解和掌握。
关键词:含参变量反常积分 积分号下积分法 积分号下微分法 收敛因子 留数定理在进行含参变量反常积分的运算时,首先要验证条件(包括确定含参变量及其变化范围,把问题归结为能利用含参变量反常积分运算性质的某一种,还要验证所用性质应满足的条件),在验证条件时,判别一致收敛至关重要,判别法通常采用魏尔斯特拉斯判别法、狄利克雷判别法、阿贝尔判别法、柯西判别准则或用定义判别,然而在验证一致收敛时并不简单,这使得含参变量反常积分的计算有一定的难度,经过验证后,就可以利用含参变量反常积分的性质具体进行运算。
本人在学习过程中,通过大量的、不断的练习,进行探索和归纳,总结出几种含参变量反常积分的计算方法,这几种方法运算技巧强,便于理解和掌握,下面分述于后。
一 积分号下积分法要对含参变量反常积分()(),y ag f x y dx +∞=⎰实现积分号下求积分,须验证以下条件:(1) (),f x y 在,x a y c ≥≥上连续; (2) (),a f x y dx +∞⎰在[),y c ∈+∞上内闭一致收敛,(),cf x y dx +∞⎰在[),x a ∈+∞上内闭一致收敛;(3) (,)c ady f x y dx +∞+∞⎰⎰及(),a cdx f x y dy +∞+∞⎰⎰至少有一个收敛,则 ()(),,accadx f x y dy dy f x y dx +∞+∞+∞+∞=⎰⎰⎰⎰例1 利用20u edu+∞-⎰u=xα令2()0(0)x edx ααα+∞-∀>⎰,求2ed αα+∞-⎰的值。
分析:2x e dx +∞-⎰这个积分在概率论中非常有用,它的值可以用多种方法求出,但在这里利用积分号下积分法求解,是很值得借鉴的,而且须验证的条件又显然成立。
解:由已知,得()g α=2()0x e dx αα+∞-⎰是取常值的函数,记I=2e d αα+∞-⎰,则 I 2=I 2e d αα+∞-⎰=2Ie d αα+∞-⎰=22()0()x e dx e d αααα+∞+∞--⎰⎰=22(1)x d e dx ααα+∞+∞-+⎰⎰=22(1)x dx e d ααα+∞+∞-+⎰⎰=201121dx x +∞+⎰=4π故二 积分号下微分法要对含参变量反常积分()(),y ag f x y dx +∞=⎰实现积分号下求导,须验证以下条件:(1) ()(),,,y f x y f x y 在,x a y I ≥∈上连续(设I 为某个区间); (2) (),a f x y dx +∞⎰在y I ∈上收敛;(3)(),y af x y dx +∞⎰对y I ∈一致收敛(或内闭一致收敛),则 ()()()()//,,y y aag f x y dx f x y dx +∞+∞==⎰⎰用此法求解含参变量反常积分,常常要通过建立微分方程来求积分值;应用这一方法的基本原则是(),y f x y 能比(,)f x y 较简单,更容易求出。
例1 求()22x jtxt e dx ϕ+∞--∞=⎰ (j 为复数单位) 解:令()22,x jtx f x t -=,显然()22,x jtx f x t -=在,x R t R ∈∈上连续,又()22,x jtx t f x t -=,而2222x x jtx x e--≤,由于222x x edx +∞--∞=⎰,由魏尔斯特拉斯判别法知,(),t f x t dx +∞-∞⎰是一致收敛的,故 ()()2/2,x jtx t t f x t dx dx ϕ+∞+∞--∞-∞==⎰⎰又()()2/2()0x jtx t t jt j jt x edx ϕϕ+∞--∞+=-=⎰,所以 ()()/0t t jt j ϕϕ+= ()0j ≠通过变量分离求解微分方程得 ()21ln 2t t c ϕ=-+,即()22t t ce ϕ-= (c 为积分常数)而()2201t dt ϕ+∞--∞==⎰1c = ()22t t e ϕ-=例2 求 ()()2sin 1x xtI dt t t +∞=+⎰(0)t ≥ 解:令()()2sin ,1xt f x t t t =+,显然()()2sin ,1xtf x t t t =+在,0x R t ∈≥上连续,且因()()22sin ,11x xtf x t tt t =≤++,故积分在任何有限区间上一致收敛。
为了计算()x I ,采用积分号下微分法,由于()2cos ,1x xtf x t t =+,且20cos 1xt dt t+∞+⎰在x R ∈上一致收敛,故()/2cos 1x xtI dt t +∞=+⎰,但这个积分仍不能直接计算。
再考虑()2,sin 1xx tf x t xt t=-+,当00x x ≥>时,()012sin 1cos Axtdt xA x x =-≤⎰又当0t →时,21tt+单调趋于零,由狄利克雷判别法知,积分()0,xx f x t dt +∞⎰在00x x ≥>上致收敛(0x x ≤-也一样),因此()//20sin 1x t I xtdt t +∞=-+⎰。
当0x >时(或0x <),()x I 二次可微且满足微分方程()()//0sin x x xt I I dt t+∞=+⎰ ,而当0x >时,0sin 2xt dt t π+∞=⎰, 即当0x >时,()()//2x x I I π-=-, 解得()2x xx I Ae Be π-=++(其中A,B 为常数) 因()/2200cos 111x xt Idt dt t t +∞+∞=≤=++⎰⎰2π,及()/x x x I Ae Be -=-,于是要保证()/x I 有界,必须0A =,再由()00I =,可得2B π=-,故()()12xx I e π-=- (当0x >时),又()xI 为奇函数且连续,()()()102102{x xe x x e x I ππ--≥-+<=例3 求 ()220A x x A I edx ⎛⎫-++∞⎪⎝⎭=⎰ ()0A ≥解:因222()A x x x ee-+-≤,而2x e dx +∞-⎰是收敛的,由魏尔斯特拉斯判别法知,()A I 对0A ≥是一致收敛,故()A I 是连续,又由()2()221,Ax x A f x t e x -+=-及2()2201Ax x e dx x -++∞-⎰对00A A ≥>是一致收敛的。
因此0A >时,()A I 可微,且()()2()2/21,Ax x A A I f x t dx e dx x -++∞+∞==-⎰⎰,又()()22/201A x x A A I edx x ⎛⎫-++∞⎪⎝⎭⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎰2x e ed x x ⎛- +∞-⎝⎭⎛=- ⎝⎭(令t x x =-)2teedt +∞---∞=-=又在()/A I中令t =()()2/0t A A I e dt I ⎛- +∞⎝⎭==⎰,因此 ()A I -=三 引进含参变量原积分对一些特殊的积分,直接运用牛顿-莱布尼兹公式行不通,此时可以考虑借助含参变量原积分来解决问题。
例1 求01cos xx I e dx xβ+∞--=⎰ (0β>)解:考虑()01cos x x I e dx xβαα+∞--=⎰,显然()1 I I = 因为 ()001cos sin lim lim 01x x x x x xe x e x ββαααβ+-→→-==-,所以0x =不是瑕点,考虑函数()1cos 00,{xx ex xx f x βαα--≠== 与(),sin x f x e x βααα-=均在R α∈上连续,而01cos xx e dx xβα+∞--⎰在R α∈上收敛,()0,f x dx αα+∞⎰在R α∈上一致收敛(其中x e βα-为优函数),因此R α∈时,()I α可积分号下求导,且()/22sin x I e xdx βααααβ+∞-==+⎰,故()()22221ln 2I d c ααααβαβ==+++⎰(c 为积分常数),又()00I =,故21c=ln 2β,()2221ln 2I ααββ⎛⎫+= ⎪⎝⎭,因此 ()()211ln 12I β-=+ 例2 求 ()()2211I dx x ββ+∞=+⎰(0β>)解:考虑()201dx x αφαβ+∞=+⎰(1α≥),当1α≥时,22111x x αββ≤++且2011dx x β+∞+⎰收敛,由魏尔斯特拉斯判别法知,()21dx xαφαβ+∞=+⎰一致收敛,且()201dx x αφαβ+∞===+⎰(*)当1α≥时,又有222211()(1)x x αββ≤++,且221(1)dx x β+∞+⎰收敛,故221()dx x αβ+∞+⎰一致收敛,(*)式两边对α求导,得()31/22221()4dx x απφαβαβ+∞--=-=-+⎰,令1α=,得12221(1)4I dx x πββ+∞-==+⎰四 引进收敛因子有些积分是收敛的,但积分号下求导后发散,不满足积分号下可求导的条件,此时可以考虑引进收敛因子,因为收敛因子可以大大改善积分收敛性,从而可以利用含参变量反常积分的性质来解决问题。
例1 求狄利克雷积分0sin xdx xβ+∞⎰(R β∈) 解:由狄利克雷判别法知该积分收敛,但/sin cos x dx xdx x βββ+∞+∞⎛⎫= ⎪⎝⎭⎰⎰是发散的,不满足积分号下可求导的条件,因此考虑引进收敛因子x e α-。
令()0sin xxg e dx xααβ+∞-=⎰,收敛因子大大改善了积分收敛性。
事实上 /0sin sin x xx e dx e xdx x αααββ+∞+∞--⎛⎫=- ⎪⎝⎭⎰⎰ (1) 又0sin xxxex eeαααβ---≤≤ ()00αα≥>, 且00x e dx α+∞-⎰收敛,所以积分(1)在0α>上内闭一致收敛,故 ()/22sin x g e xdx ααββαβ+∞-=-=-+⎰(当0α>,0β>时)。
因此 ()g arctgc ααβ=-+ (c 为积分常数) (2),又0β>时,有()0sin 0xx xg e dx e dx xαααβββα+∞+∞--=≤=→⎰⎰(α→+∞)。