1含参变量的常义积分

第十讲含参变量的积分10 . 1 含参变量积分的基本概念含参量积分共分两类：一类是含参量的正常积分；一类是含参量的广义积分． 一、含参量的正常积分 1 ．定义设()y x f ,定义在平面区域[][]d c b a D ,,⨯=上的二元函数，对任意取定的[]b a x ,∈．()y x f ,关于 y 在[]d c ,上都可积，则称函数()()[]b a x dy y x f x I dc,,,∈=⎰为含参量二的正常积分．一般地，若 ()()(){}b x a x d y x c y x D ≤≤≤≤=,|, ，也称()()()()[]b a x dy y x f x I x d x c ,,,∈=⎰为含参量x 的正常积分．同样可定义含参量 y 的积分为()()[]d c y dx y x f y J ba,,,∈=⎰或()()()()[]d c y dx y x f y J y b y a ,,,∈=⎰2 ．性质（以 I ( x ）为例叙述）( l ）连续性：若 ()y x f ,必在 D 上连续，()x c ，()x d 在[]b a ,连续，则 ()x I 在[]b a ,连续，即对[]b a x ,0∈∀，()()()()⎰=→000,lim 0x d x c x x dy y x f x I( 2 ）可积性：若()y x f ,在 D 上连续，()x c ，()x d 在[]b a ,连续，则 ()x I 在[]b a ,可积．且有()()()⎰⎰⎰⎰⎰==bab ad cbadcdx y x f dy dy y x f dx dx x I ,,（若 D 为矩形区域， ·( 3 ）可微性：若 ()y x f ,的偏导数()y x f x ,在 D 上连续，()x c ，()x d 在[]b a ,可导，则()x I 在 []b a ,可导，且()()()()()()()()()()x c x c x f x d x d x f dy y x f x I x d xc x''',,,-+=⎰·以上性质的证明见参考文献［ 1 ] ，这里从略，例10. l 求积分⎰>>-⎪⎭⎫ ⎝⎛10,ln 1ln sin a b dx xxx x ab 解法 1 （用对参量的微分法）：设()⎰>>-⎪⎭⎫ ⎝⎛=100,ln 1ln sin a b dx x xx x b I ab ，()()()()()()()b I b b dx x x x x b x d x b dx x x b x b x b x d x dxx x b I b b b b b b b '221010121102101010111'11111ln sin |1ln cos 111ln cos 111ln cos 11|1ln sin 111ln sin 1ln sin +-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛=⎰⎰⎰⎰⎰++++所以()()()()()⎰++=++=⇒++=C b db b b I b b I 1arctan11111122'，令a b =，则 ()()()1arctan 1arctan0+-=⇒++==a C C a a I 所以原积分()()()1arctan 1arctan+-+==a b b I I 解法 2 : （交换积分顺序方法）因为xx x dy x ab bayln -=⎰，所以⎰⎰⎰⎰⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=10101ln sin 1ln sin b a y b a y dx x x dy dy x x dx I同解法()⎰++=⎪⎭⎫ ⎝⎛1021111ln sin y dx x x y，所以有 ()()()⎰+-+=++=baa b dy y I 1arctan 1arctan1112注：在以上解题过程中，需要验证对参量积分求导和交换积分顺序的条件，为简洁省略了，但按要求是不能省的． 例10.2 设()()()dz z f yz x y x F xyyx ⎰-=,，其中f 为可微函数，求()y x F xy,·解：()()()()()()()()()()()()()()()()()()()xy f y y x y x f y x xy f xy x xy f y y x xy f y x x y f y x xy xf F xy f y yx dz z f xy f xy x y dz z f y x f x x y xy f xy x y dz z f F xy xyyx xyyx xyy x x '2222'222222213213111-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-+-+⎪⎭⎫⎝⎛+=-+=-+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛---+=⎰⎰⎰二、含参量的广义积分含参量的广义积分包括两类：含参量的无穷积分和含参量的瑕积分 （一）含参量的无穷积分1 ．定义：设 ()y x f ,定义在[][)+∞⨯=,,c b a D 上，对每个取定的[]b a x ,∈，积分 ,()()[]⎰+∞∈=cb a x dy y x f x I ,,,都收敛（也叫逐点收敛），它是一个定义在[]b a ,上的函数，称该积分为含参量x 的无穷积分 同样可以定义 ()()[]⎰+∞∈=ad c y dx y x f y J ,,,2 ．一致收敛若对c M >∃>∀,0ε，当 A > M 时，对一切[]b a x ,∈，恒有()()()εε<<-⎰⎰+∞AA cdy y x f dy y x f x I ,,或则称含参量积分在[]b a ,上一致收敛．注：非一致收敛定义：若00>∃ε，使得c M >∀，总存在M A >0，及存在[]b a x ,0∈，，使得()()()000000,,εε<<-⎰⎰+∞A A cdy y x f dy y x f x I 或3 ．一致收敛的柯西准则含参量积分（ l ）在[]b a ,上一致收敛⇔对 c M >∃>∀,0ε，当 M A A >>12时，对一切[]b a x ,∈，都有()ε<⎰21,A A dy y x f注：非一致收敛的柯西准则：含参量积分（ 1 ）在[]b a ,上非一致收敛c M >∀>∃⇔,00ε存在M A A >>12，及存在[]b a x ,0∈，使得()0021,ε<⎰A A dy y x f4.一致收敛判别法( I ) M 判别法：若()()()D y x y g y x f ∈∀≤,,,而()⎰+∞cdy y g 收敛，则()⎰+∞cdy y x f ,在[]b a ,上一致收敛（同时也绝对收敛） .( 2 ）阿贝尔判别法： ①()⎰+∞cdy y x f ,在[]b a ,上一致收敛； ② 对每一个[]b a x ,∈，()y x g ,关于y 单调，月关于x 一致有界，则积分()()⎰+∞cdy y x g y x f ,,在[]b a ,上一致收敛．( 3 ）狄利克雷判别法： ①()[]()c A b a x M dyy x f Ac>∀∈∀≤⎰,,,（即一致有一界）;② 对每一个[]()y x g b a x ,,,∈必关于 y 单调，且当 +∞→y 时()y x g ,对x 一致趋于零，则积分()()⎰+∞cdy y x g y x f ,,在[]b a ,上一致收敛 ·例 10 . 3 讨沦下列积分的一致收敛性： （1）()⎰∞++-122222dx y xx y 在()+∞∞-,；（2）[)⎰+∞-+∞∈0,0,sin y dx xxe xy 解： ( 1 ）因为()()()()+∞∞-∈∀≤+=++≤+-,112222222222222y xy x y xy x y xx y ，而积分 ⎰+∞121dx x 收敛，由M 发，()⎰∞++-122222dx yx x y 在()+∞∞-,一致收敛 ·( 2 )因为⎰+∞sin dx xx收敛，且与y 无关，故关于y 一致收敛，而xy e -对固定的y 关于x 在[)+∞,1上单调减，且1≤-xye ，对()()()+∞⨯+∞∈∀,0,0,y x ．由阿贝尔判别法知，积分⎰+∞-0sin dx xxe xy在()+∞∈,0y 上一致收敛． 5 ．分析性质( l ）连续性：若满足：① ()y x f ,在[][)+∞⨯=,,c b a D 上连续； ② ()()[]⎰+∞∈=cb a x dy y x f x I ,,,一致收敛；则()x I 在[]b a ,上连续，即()()()dy y x f x I x I cx x ⎰+∞→==,lim 000·( 2 ）可积性：参量 []b a x ,∈若满足： ①()y x f ,在[][)+∞⨯=,,c b a D 上连续； ② ()()[]⎰+∞∈=cb a x dy y x f x I ,,,一致收敛；则()x I 在[]b a ,上可积，即()()()⎰⎰⎰⎰⎰+∞+∞==babaccb adx y x f dy dy y x f dx dx x I ,,参量[)+∞∈,a x ，若满足：① ()y x f ,在 [)[)+∞⨯+∞=,,c a D 上连续； ②()[]()c d d c y dy y x f a>∀∈⎰+∞,,,和()[]()a b b a x dy y x f c>∀∈⎰+∞,,,都一致收敛；③ 积分()⎰⎰+∞+∞acdy y x f dx ,与()⎰⎰+∞+∞cadx y x f dx ,收敛；则()x I 在[]b a ,上收敛，且()()dx y x f dy dy y x f dx acca⎰⎰⎰⎰+∞+∞+∞+∞=,,( 3 ）可微性：若满足：①()y x f ,和()y x f x ,在 [][)+∞⨯=,,c b a D 上连续； ② ()()[]b a x dy y x f x I c,,,∈=⎰+∞收敛；③()[]b a x dy y x f cx ,,,∈⎰+∞一致收敛；则()x I 在[]b a ,上可微，且()()[]b a x dy y x f x I cx ,,,'∈=⎰+∞注： ( 1 ）在定理的条件下，必可导出 ② 也是一致收敛的． ( 2 ）定理的条件都是充分而非必要的． 6 ．狄尼（ Dini ）定理若()y x f ,在 [][)+∞⨯=,,c b a D 连续且非负，则()()dy y x f x I c⎰+∞=,在[]b a ,上连续()x I 在[]b a ,上一致收敛．证明：充分性是显然的，下证必要性． （反证法）假设()()[]b a x dy y x f x I c,,,∈=⎰+∞不一致收敛，由定义，00>∃ε，对cM >∀总存在[]b a x M A ,,00∈∃>，使得()()0000,ε≥-⎰A cdy y x f x I ．特别地，取 M 大于c 的自然数n ·则分别存在 []b a x n A n n ,,∈> ，使得()()0,ε≥-⎰nA cn n dy y x f x I · 注意到f 非负，可写作()()0,ε≥-⎰nA cn n dy y x f x I ．由于{}[]b a x n ,⊂有界，记为{}(),...2,1=k x n ，则[]b a x x nk k ,lim 0∈=∞→，不妨设......21<<<<nk n n A A A ，再注意到 f 非负，因此有()()()()⎰⎰≥-≥-10,,n nkA cA cnk nk nk nk dy y x f x I dy y x f x I ε （*）由已知条件，对固定的1n A ，函数()()()⎰-=1,n A cdy y x f x I x F 在[]b a ,上连续，对（*）令∞→k 取极限得()()()00001,ε≥-=⎰dy y x f x I x F n A c．此与()x I 的定义（即逐点收敛）矛盾，即()()[]⎰+∞∈=cb a x dy y x f x I ,,,一致收敛 ·（二）含参量的瑕积分 1 ．定义设()y x f ,在区域[](]d c b a D ,,⨯=上有定义，对取定的[]c y b a x =∈,,为函数 f 的瑕点, 若积分()()[]⎰∈=dcb a x dy y x f x I ,,,收敛，它是一个定义在[]b a ,上的函数，称其为含参量x 的瑕积分．2 一致收敛对c d -<<∃>∀δδε0:,0，当δη<<0时，恒有()εη<⎰+c cdy y x f ,，对一切[]b a x ,∈成立，称()()dy y x f x I dc⎰=,在[]b a ,上一致收敛．3.M 判别法设 g ( y ）为定义在（ c , d ］上以 c y =瑕点的非负函数．且()()[]()b a x y g y x f ,,∈∀≤ ，而()dy y g d c⎰收敛，则()()[]b a x dy y x f x I dc,,,∈=⎰必一致收敛其余的可仿照含参量无穷积分的相关内容平行推得，当然也可以将它转化为无穷积分进 行讨论，这里不再赘述．。

第十九章 含参变量的积分§1 含参变量的正常积分1．求下列极限： （1）⎰-→+11220lim dx x αα； （2）⎰→220cos lim xdx x αα；（3）⎰+→++αααα122011limdx x ．解（1）由于22),(αα+=x x f 在]1,1[]1,1[-⨯-上连续，故⎰-+=1122)(dx x I αα在]1,1[-连续，所以，12)0()(lim lim 1112011220=====+⎰⎰⎰-→-→xdx dx x I I dx x αααα．（2）由于x x x f ααcos ),(2=在]2,0[]2,0[⨯上连续，故⎰=22cos )(xdx x I αα在]2,0[连续，所以，38)0()(lim cos lim 2202020====⎰⎰→→dx x I I xdx x αααα． （3）⎰⎰⎰⎰+++++++-++=++αααααααα11222212212211111111dx x dx x dx x dx x ，由于2211),(αα++=x x f 在]1,0[]1,0[⨯上连续，故⎰++=102211)(dx xI αα在]1,0[连续，所以，411)0()(lim 11lim 10201220παααα=+===++⎰⎰→→dx x I I dx x ．而对R ∈∀α，R x ∈有，ααα≤++⎰2211dx x ，ααα≤++⎰+112211dx x ，因此 011lim 0220=++⎰→αααdx x ，011lim 11220=++⎰+→αααdx x ， 因而，⎰⎰⎰++-++=++→→+→ααααααααα2201220122011lim 11lim 11lim dx x dx x dx x411lim 11220πααα=++-⎰+→dx x2．求)(x F '，其中： （1）⎰-=22)(x xxy dy e x F ； （2）⎰-=xxy xdy e x F cos sin 12)(；（3）⎰++=xb x a dy y xy x F )sin()(；（4）⎰⎰=xx t dt ds s t f x F 0]),([)(22．解（1）35222222222)(2)(2x x x xxy xx x x x xxy e xe dy y e ex edy y ex F -------+-=-⋅+-='⎰⎰．（2）)(sin )(cos 1)(222sin 1cos 1cos sin 21'-'+-='---⎰x e x e dy y e x F xxxx xxy xx e x edy y e xx xx xxy xcos sin 1cos sin cos sin 212---=⎰-．（3）)())(sin()())(sin()cos()('+++-'++++='⎰++x a xz x a x x b x b x b x dy xy x F xb xa=)](sin[)11()](sin[)11(a x x x a xb x x x b x +++-+++． （4）⎰⎰⎰⎰=+∂∂='xx x x x t dt x t xf ds s x f dt ds s t f x x F 020),(2),()),(()(2222．3．设)(x f 为连续函数，⎰⎰++=xxd d x f h x F 02])([1)(ξηηξ，求)(x F ''．解 由于⎰⎰⎰⎰++=++=xx x x x du u f d h d x f d h x F 022002)(1)(1)(ξξξηηξξ，所以， ]))(()([1)(02322⎰⎰⎰++∂∂+='x x x xx d du u f x du u f hx F ξξξ})]()2(2[)({10322⎰⎰+-++=x xxd x f x f du u f h ξξξ，)]2(3)3(5[1)]2()3(2)2(2)3(3[1)(22x f x f hx f x f x f x f h x F -=-+-=''．注记 该题的函数应为⎰⎰++=h hd d x f hx F 002])([1)(ξηηξ（这从该教材第二版亦可得到印证），则⎰⎰⎰⎰+++=++=xhx x hhdu u f d h d x f d h x F 022)(1)(1)(ξξξηηξξ，所以，⎰⎰⎰+-++=∂∂='+++hx h x x d x f h x f hd du u f x h x F 0202)]()([1])([1)(ξξξξξξ ])()([122⎰⎰+++-=h x x hx hx du u f du u f h ， )]()()2([1)]()()()2([1)(22x f h x f h x f hx f h x f h x f h x f h x F ++-+=++-+-+=''．4．研究函数⎰+=122)()(dx y x x yf y F 的连续性，其中)(x f 是]1,0[上连续且为正的函数．解 当0≠y 时，被积函数在相应的闭矩形上是连续的，因此)(y F 在0≠y 连续．当0=y 时，0)0(=F ．而0>y 时，设m 为)(x f 在]1,0[上的最小值，则0>m ．由于y m dx yx y m y F 1arctan )(122=+≥⎰，而21arctan lim 0π=+→y y ， 故有)(lim 0y F y +→若存在，必然)0(02)(lim 0F m y F y =>≥+→π或不存在，因而)(y F 在0=y 时间断． 5．应用积分号下求导法求下列积分：（1）⎰-222)sin ln(πdx x a （1>a ）；（2）)1()cos 21ln(02<+-⎰a dx a x a π；（3）)0,()cos sin ln(202222≠+⎰b a dx x b x a π；（4）)1(tan )tan arctan(20<⎰a dx xx a π．解（1）设⎰-=2022)sin ln()(πdx x a a I ，则有⎰⎰-=-∂∂='20222022sin 2)]sin ln([)(ππdx x a a dx x a xa I)11arctan 11(arctan 12)sin 1sin 1(22220--+-+-=-++=⎰a a a a a dx x a x a π12-=a π，即c a a da a a I +-+=-=⎰)1ln(1)(22ππ．c 的确定较为困难，可如下进行．)1ln()sin ln()1ln()(220222-+--=-+-=⎰a a dx x a a a a I c πππ)1ln()]sin 1ln([ln 220222-+--+=⎰a a dx axa ππa a a dx ax 1ln)sin 1ln(22022-+--=⎰ππ， 令+∞→a ，2ln 1ln 2ππ→-+aa a ，又1sin 1110222≤-<-<a x a ，所以， 0)sin 1ln()11ln(222≤-≤-a xa ，)(0)11ln(2)11ln()sin 1ln()sin 1ln(22022022222+∞→→-=-≤-≤-⎰⎰⎰a adx a dx a x dx a x ππππ，2ln π=⇒c ，即21ln 2ln )1ln()(22-+=--+=a a a a a I πππ．（2）设⎰+-=π2)cos 21ln()(dx a x a a I ，则⎰⎰+--=+--='ππ02202cos 2111cos 21)cos (2)(dx ax a a a dx a x a x a a I ⎰⎰+-+--=-+--=ππππ0222022cos 1211)1(1cos 2)1(11dx x aa a a a a dx xa a aa a222022212)1(2)11arctan()1()1()1(2)1(1a a a a a x a a a a a a a a a +=+-=-++--+--=πππππ，所以，)1ln(21)0()()(202a da a a I a I a I a+=+=-=⎰ππ． （3）将a 看作参变量，b 认为是常数，记⎰+=202222)cos sin ln()(πdx x b x a a I ．可先设0>a ，0>b ，则⎰⎰+=+∂∂='2020222222222cos sin sin 2)]cos sin ln([)(ππdx xb x a x a dx x b x a a a I ． 若b a =，则bxdx b a I 2sin 2)(202ππ=='⎰，若b a ≠作代换x t tan =，得⎰⎰∞+∞+++=++='022222022222))(1(212)(a b t t dt t a t dt b t a at a Iba ))(111(2222202222222222+=---=+--+-=⎰∞+πππba bba adt a bt b a b t b a a a ，所以，c b a πda b a πa I ++=+=⎰)ln()(，而c b b b I +==)2ln(ln )(ππ2ln π-=⇒c ，于是2ln 2ln )ln()(ba b a πa I +=-+=ππ．若0<a 或0<b ，则可以a -或b -代替a 或b ，因而总有2ln)()(b a a I a I +==π．（4）记⎰=20tan )tan arctan()(πdx xx a a I ，令x x a a x f tan )tan arctan(),(=，当2,0π=x 时，f 无定义，但a a x f x =+→),(lim 0，0),(lim 2=-→a x f x π，故补充定义a a f =),0(，0),2(=a f π，则f 在],[]2,0[b b -⨯π连续（10<<b ），从而)(a I 在)1,1(-连续．⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∈+=,2,0 ,0,)2,0( ,tan 11),(22ππx x x a a x f a显然)0,(x f a 在2π=x 点不连续，但),(a x f a 分别在)0,1(]2,0[-⨯π和)1,0(]2,0[⨯π连续，故有⎰⎰+=='2222tan 11),()(ππdx xa dx a x f a I a ，)0,1(-∈a 或)1,0(∈a ．令t x =tan ，⎰⎰∞+∞+++--+-=++='0222222222222)1)(1(111)1)(1(1)(dt t a t a t a t a a dt t a t a I)1(2])1()1(1[11022222a dt t a a t a +=+-+-=⎰∞+π，)0,1(-∈a 或)1,0(∈a ． 积分之1)1ln(2)(c a a I ++=π，)1,0(∈a ；2)1l n (2)(c a a I +--=π，)0,1(-∈a ．因为)(a I 在)1,1(-连续，故)(lim 0)(lim )0(0a I a I I a a -+→→===，得021==c c ，从而得|)|1ln(sgn 2)(a a a I +=π，1||<a ．6．应用积分交换次序求下列积分： （1）)0,0(ln 1>>-⎰b a dx xx x ab ； （2）)0,0(ln )1sin(ln 10>>-⎰b a dx xx x x ab ． 解（1）b a b a b a yb a y a b y dy y dx x dx dy x dx dx xx x |)1ln(11ln 10101+=+===-⎰⎰⎰⎰⎰⎰aba b ++=+-+=11ln)1ln()1ln(． （2）⎰⎰⎰⎰⎰==-b a y b a y a b dx xx dy dx dy x x dx x x x x 101010)1sin(ln ])1[sin(ln ln )1sin(ln ． 记⎰=1)1sin(ln )(dx x xy I y，则 ])1()1cos(ln )1sin(ln [11)1sin(ln 11)(10111101⎰⎰--+=+=+++dx x x x x x y dx x y y I y y y ])1()1sin(ln ()1cos(ln [)1(1)1cos(ln 11101101210⎰⎰---+=+=++dx x x x x x y dx x x y y y y ))(1()1(1))1sin(ln 1()1(12102y I y dx x x y y -+=-+=⎰， 所以，1)1(1)(2++=y y I ，因此， )1)(1(1arctan 1)1(1)(ln )1sin(ln 210b a ab dy y dy y I dx x x x x b a b a a b +++-=++==-⎰⎰⎰． 7．设f 为可微函数，试求下列函数的二阶导数： （1）⎰+=xdy y f y x x F 0)()()(； （2）)()()(b a dy y x y f x F ba<-=⎰．解（1）)(2)()(0x xf dy y f x F x+='⎰，)(2)(3)(x f x x f x F '+=''．（2）⎰-=bady y x y f x F )()(⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≥-<<-+-≤-=⎰⎰⎰⎰,,))((,,))(())((,,))((b x dy y x y f b x a dy x y y f dy y x y f a x dy x y y f ba b x xa b a⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≥<<-≤-='⎰⎰⎰⎰,,)(,,)()(,,)()(b x dy y f b x a dy y f dy y f a x dy y f x F bab x xa b a⎩⎨⎧≥≤<<=⎪⎩⎪⎨⎧≥<<≤=''．b x or a x b x a x f b x b x a x f a x x F ,0,,)(2,0,,)(2,,0)(8．证明：⎰⎰⎰⎰+-≠+-101022222101022222)()(dx y x y x dy dy y x y x dx ．证明 ⎰⎰⎰⎰⎰+-+=+-101022102222101022222]1)(12[)(dy y x dy y x x dx dy y x y x dx 4|arctan 11112π==+=⎰x dx x ， ⎰⎰⎰⎰⎰+-+=+-10102221022101022222]121[)(dx y x y dx y x dy dx y x y x dy 4|arctan 11112π-=-=+-=⎰y dy y ， 所以，⎰⎰⎰⎰+-≠+-101022222101022222)()(dx y x y x dy dy y x y x dx ．9．设⎰+=122ln )(dx y x y F ，问是否成立⎰=+∂∂='10022ln )0(dx y x yF y ．解 1ln ln )0(110-===⎰⎰xdx dx x F ，所以，]11[ln 1)1ln (1)0()(101022221022+-+++=++=-⎰⎰⎰dx dx yx y y y dy y x y y F y F)0(21arctan 2)1ln(]arctan 1[ln 12102+→→++=++=y y y y y x y y y π， 即2)0(π='+F ，同样2)0(π-='-F ，因此)0(F '不存在，而00ln 112210022==+=+∂∂⎰⎰⎰==dx dx y x y dx yx y y y ，因此，⎰=+∂∂='10022ln )0(dx y x yF y 不成立．10．设⎰=πθθθ20cos )sin cos()(d x e x F x ，求证π2)(≡x F ．证明 R x ∈∀0，函数)sin cos(),(cos θθθx e x f x =在矩形域]2,0[]1,)1([00π⨯++-x x 连续，θθθθθθθsin )]sin sin([)sin cos(cos ),(cos cos x e x e x f x x x -+=亦在矩形域]2,0[]1,)1([00π⨯++-x x 连续，故由积分号下求导数可得⎰⎰==-=∂∂='πθθπθθθθθθθ20cos cos 20000]sin )sin sin()sin cos(cos [),()(d x e x e d x f x x F x x x x x x⎰⎰-=πθπθθθθθ200c o s 200c o ss i n )s i n s i n ()s i n s i n (100d x e x d ex x x （00≠x ）⎰-⋅-=πθπθθθθθ200cos 00200cos 0)sin ()sin sin(1|)sin sin(100d x e x x x e x x x⎰-πθθθθ200cos sin )sin sin(0d x e x0=，当00=x 时，显然0sin cos )0(2020==='⎰ππθθθd F ．由R x ∈0的任意性，0)(='x F ，因此，C x F ≡)(，而πθπ2)0(20===⎰d F C ，所以，π2)(≡x F ．11．设)(x f 为两次可微函数，)(x ϕ为可微函数，证明函数⎰+-+++-=atx atx dz z a at x f at x f t x u )(21)]()([21),(ϕ满足弦振动方程22222xu a t u ∂∂=∂∂ 及初始条件)()0,(x f x u =，)()0,(x x u t ϕ=．证明)]()([21)]()([21at x at x aat x f at x f x u --+++'+-'=∂∂ϕϕ， )]()([21)]()([2122at x at x a at x f at x f xu -'-+'++''+-''=∂∂ϕϕ， )]()([21)]()([21at x a at x a aat x f a at x f a t u -++++'+-'-=∂∂ϕϕ )]()([21)]()([2at x at x at x f at x f a -++++'+-'-=ϕϕ，)]()([2)]()([2222at x at x aat x f at x f a tu -'-+'++''+-''=∂∂ϕϕ 所以，)]()([2)]()([2222at x at x aat x f at x f a tu -'-+'++''+-''=∂∂ϕϕ 2222)]}()([21)]()([21{x u a at x at x a at x f at x f a ∂∂=-'-+'++''+-''=ϕϕ， 即满足弦振动方程．又)()(21)]()([21)0,(x f dz z ax f x f x u xx =++=⎰ϕ， )()]()([21)]()([2)0,(x x x x f x f a x u t ϕϕϕ=++'+'-=，即满足初始条件．§2 含参变量的广义积分1．证明下列积分在指定的区间内一致收敛：（1）⎰+∞+022)cos(dy yx xy （0>≥a x ）； （2）)(1)cos(02+∞<<-∞+⎰+∞x dy y xy ；（3）)(1b x a dy e y y x ≤≤⎰+∞-；（4）⎰+∞-1cos dy y ye pxy（0>p ，0≥x ）； （5）)0(1sin 02≥+⎰∞+p dx xx p． 证明（1）因为当0>≥a x 时，],0[+∞∈∀y ，有22222211)cos(ya y x y x xy +≤+≤+， 而dy ya ⎰+∞+0221收敛，由M 判别法，⎰+∞+022)cos(dy y x xy 在0>≥a x 是一致收敛的． （2）因为，),(+∞-∞∈∀x ，),0[+∞∈y 成立22111)cos(y y xy +≤+，而⎰+∞+0211dy y 收敛，由M 判别法，⎰+∞+021)cos(dy y xy 在+∞<<∞-x 一致收敛．（3）因为],[b a x ∈∀，),1[+∞∈y ，成立{}y M yb a y x e y eye y ---≤≤,max ，其中{}0,max ≥=b a M ， 而⎰+∞-1dy e y yM 收敛，所以⎰+∞-1dy e y y x 在b x a ≤≤一致收敛．（4）用Abel 判别法．已知⎰+∞1cos dy yyp收敛（见第十一章§3习题3（3）），又对每一个),0[+∞∈x ，函数xye-关于y 是单调函数，且),0[+∞∈∀x ，),1[+∞∈y ，有1≤-xye，由Abel 判别法知 ⎰+∞-1cos dy y ye pxy在),0[+∞一致收敛．（5）由于⎰+∞2sin dx x 收敛（见p56-§11.1-例10），又对每一个),0[+∞∈p ，函数px +11是单调减函数，且),0[+∞∈∀x ，),0[+∞∈p ，有111≤+p x，由Abel 判别法，)0(1sin 02≥+⎰∞+p dx x x p 在),0[+∞一致收敛．2．讨论下列积分在指定区间上的一致收敛性： （1）)0(2+∞<<-+∞⎰αααdx e x ；（2）⎰+∞-0dy xe xy ，（i ）)0(],[>∈a b a x ， （ii ）],0[b x ∈； （3）⎰+∞∞---dx e x 2)(α，（i ）b a <<α， （ii ）+∞<<∞-α； （4）)0(sin 0)1(22+∞<<⎰+∞+-x xdy e y x．解（1）)0(2)(0)(0222>===⎰⎰⎰∞+-∞+--∞+απαααααdu e ux x d e dx e u x x ，当0=α时积分为0．0>∀A ，由于2lim lim 0222πααααα===⎰⎰⎰∞+-∞+-→∞+-→++du e du e dx e u Au o Ax o，故0ε∃：200πε<<，00>∃α，使得有0020εαα>⎰+∞-Ax dx e ，因此积分非一致收敛．（2）积分对于每一个定值0≥x 是收敛的．当0=x 时，00=⎰+∞-dy xe xy ；当0>x 时1|0=-=∞+-+∞-⎰xy xy e dy xe ． （i ）)0(],[>∈a b a x ，由于aA xA Axy e e dy xe --+∞-≤=<⎰0，故εε1ln 1,00a A =∃>∀，使当0A A >时，就有ε=<-+∞-⎰0aA Axy e dy xe ，于是，在区间)0(],[>∈a b a x 上积分一致收敛．（ii ）由于+→0x 时，1→-Axe ，故10:00<<∃εε，对于足够小的0x 值，00ε>-Axe ，故在],0[b 上，积分⎰+∞-0dy xe xy 不一致收敛．（3）对任意固定的α，积分⎰+∞∞---dx ex 2)(α都收敛，且（作代换t x =-α）πα==⎰⎰+∞∞--+∞∞---dt e dx e t x 22)(．（i ）取正数R 充分大，使得R b a R <<<-，显然，当R x ≥时，对一切b a <<α，有22)()(0R x x ee----<<α，而积分⎰⎰+∞--+∞∞---=0)()(222dx e dx eR x R x 收敛，由M 判别法，积分⎰+∞∞---dx e x 2)(α在b a <<α一致收敛．（ii ）0>∀A ，有παααα===⎰⎰⎰+∞∞--+∞--+∞→+∞--+∞→dt e dt e dx e t A t Ax 222limlim)(，故当α充分大时，0)(22επα=>⎰∞+--Ax dx e ，由此可知⎰+∞--0)(2dx e x α在+∞<<∞-α非一致收敛，因而⎰+∞∞---dx e x 2)(α在+∞<<∞-α更非一致收敛．（4）0>∀A ，有)0(sin sin 0)1(22222++∞-+∞--+∞+-→→=⎰⎰⎰x dt e dt e e xx xdy e t Ax t x Ay x，因此，积分⎰+∞+-0)1(sin 22xdy e y x在+∞<<x 0非一致收敛．3．设)(t f 在0>t 连续，⎰+∞)(dt t f t λ当a =λ，b =λ时皆收敛，且b a <．求证：⎰+∞)(dtt f t λ关于λ在],[b a 一致收敛．证明 ⎰⎰⎰+∞--+∞+=110)()()(dt t f t t dt t f t t dt t f t b b a a λλλ．由于⎰1)(dt t f t a 收敛，因而，对],[b a ∈λ一致收敛，αλ-t 当λ固定时，对t 在]1,0[单调，且1≤-αλt ，因此，由Abel 判别法，积分⎰⎰=-11)()(dt t f t dt t f t t a a λλ在],[b a 一致收敛．又因为⎰+∞1)(dt t f t b 收敛，故对],[b a ∈λ亦一致收敛，b t -λ当λ固定时，对t 在],1[+∞单调递减，且1≤-btλ，由Abel 判别法，积分⎰⎰+∞+∞-=11)()(dt t f t dt t f t t b b λλ在],[b a 一致收敛．因此，⎰+∞0)(dt t f t λ在],[b a 上一致收敛．4．讨论下列函数在指定区间上的连续性： （1）⎰+∞+=22)(dy yx xx F ，),(+∞-∞∈x ； （2）⎰∞++=21)(dy yy x F x，3>x ； （3）⎰--=ππ02)(sin )(dy y y yx F xx ，)2,0(∈x ．解（1）当0≠x 时，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧><-==+=+=∞+∞+∞+⎰⎰,0,2,0,2arctan )()(11)(0222x x x yx y d xy dy y x xx F ππ而0)0(=F ，因此，)(x F 在0≠x 连续，在0=x 间断（第一类间断点）．（2）因为)1(,1112222≥<+=+---y yy y y y x x x ， 而当3>x 时，无穷积分⎰+∞-121dx y x 收敛，⎰+=1021)(dy y y x F x在3>x 是常义积分，因而)(x F 在3>x 有意义．30>∀x ，03x b <<∃，当1≥y 时， ),[+∞∈∀b x ，有222221111----≤<+=+b x x x y y y y y y ， 而⎰+∞-121dy yb 收敛，因而⎰∞++021dy yy x 在),[+∞b 一致收敛，因此，⎰∞++=021)(dx y y x F x 在),[0+∞∈b x 连续，由),3(0+∞∈x 的任意性可知，)(x F 在3>x 连续．（3）⎰⎰----+-=ππππππ2222)()sin()(sin )(dy y y y dy y y yx F x x x x ， 所以，)2,0(0∈∀x ，0>∃δ，使得δδ-<<<200x ，当]2,[δδ-∈x 时，有δδδδπππππ)2(1)2(1)(1)(sin 11212-----=-≤-≤-y y y y y y y xx x x ，]1,0(∈y ，δδπππππ-----≤-≤--1212)()2(1)(1)()sin(y y y y y y xx x x ，),1[ππ-∈y ，⎰-11)2(1dy y δδ及⎰----ππδδπ112)()2(1dy y 均收敛，所以⎰--22)(sin ππdx y y yxx 及⎰--πππ22)(sin dx y y y x x 均在]2,[δδ-∈x 一致收敛，因而⎰--ππ02)(sin dy y y yxx 在]2,[δδ-∈x 一致收敛． 因此，)(x F 在]2,[δδ-∈x 连续，因而在δδ-<<<200x 连续，由)2,0(0∈x 的任意性，知)(x F 在)2,0(连续．5．若),(y x f 在),[],[+∞⨯c b a 上连续，含参变量广义积分⎰+∞=cdy y x f x Ι),()(在),[b a 收敛，在b x =时发散，证明)(x I 在),[b a 不一致收敛．证明 目的在于证明：00>∃ε，c A >∀0，0'''A A A >>∃及],[b a x ∈，使得0'''),(ε≥⎰A A dy y x f ． （1）因为⎰⎰⎰+-='''''''''),()],(),([),(A AA A A A dy y b f dy y b f y x f dy y x f⎰⎰--≥'''''')],(),([),(A A A A dy y b f y x f dy y b f ，因此，若能证明00>∃ε，c A >∀0，0'''A A A >>∃及],[b a x ∈，02),('''ε≥⎰A A dy y b f ，0'''),(),([ε<-⎰A A dy y b f y x f ， （2）则（1）式即可得到．剩下的问题在于证明（2）．01 因⎰+∞cdy y b f ),(发散，故00>∃ε，c A >∀0，0'''A A A >>∃，使得02),('''ε≥⎰A A dy y b f ．02 但),(y x f 在),[],[+∞⨯c b a 连续，从而在有界闭区域b x a ≤≤，A y A ''≤≤'上一致连续，于是对上述01中00>ε，0>∃δ，当　δ<''-'x x ，δ<''-'y y 且],[,b a x x ∈'''，],[,A A y y '''∈'''时，有A A y x f y x f '-''<''''-''0),(),(ε，从而δ<-b x 时，有A A y b f y x f '-''<-0),(),(ε，由此推得0'''),(),([ε<-⎰A A dy y b f y x f ．6．含参变量的广义积分⎰+∞=cdy y x f x Ι),()(在],[b a 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在],[b a 上一致收敛．证明 必要性．⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 一致收敛，故0>∀ε，c A >∃0，当0A A >时，有ε<⎰+∞Ady y x f ),(，对],[b a x ∈一致地成立．对任意递增数列{}n A ：)(1c A A n =∞→，首先，∑⎰∑⎰∑=∞→∞=∞=++==nk A A n n A A n n k kn ndy y x f dy y x f x u 11111),(lim ),()()(),(),(lim 1x I dy y x f dy y x f cA cn n ===⎰⎰+∞∞→+，],[b a x ∈∀成立．其次，由于{}n A 单调递减趋于∞+，故对上述c A >0，N ∃满足0A A N ≥，因此当N n >时，0A A A N n ≥>，因此，有ε<==⎰∑⎰∑∞+∞=∞=+nk kA n k A A nk kdy y x f dy y x f x u),(),()(1，],[b a x ∈∀一致地成立，因此级数∑∞=1)(n n x u 在],[b a 上一致收敛于)(x I ．充分性．采用反证法．若不然，设对任一趋于∞+的递增数列{}n A （其中c A =1），函数项级数∑⎰∑∞=∞=+=111),()(n A A n nn ndy y x f x u在],[b a 上一致收敛，但广义积分⎰+∞=cdy y x f x Ι),()(在],[b a 不一致收敛，因此00>∃ε，c A >∀0，0A A >∃，],[0b a x ∈∃，使得00),(ε≥⎰+∞Ady y x f ．取01][)1(0>+=c A ，)1(02A A >∃，],[1b a x ∈∃，使得012),(ε≥⎰+∞A dy y x f ；取11)2(0+=A A，)2(03AA >∃，],[2b a x ∈∃，使得023),(ε≥⎰+∞A dy y x f ； 取12)3(0+=A A ，)3(04A A >∃，],[3b a x ∈∃，使得034),(ε≥⎰+∞A dy y x f ；如此一直下去．得到一列单调递增序列{}n A （令C A =1），且)(∞→+∞→n A n 和一列{}],[b a x n ⊂，使得01),(ε≥⎰+∞+n A n dy y x f ，即函数项级数∑⎰∑∞=∞=+=111),()(n A A n nn ndy y x f x u在],[b a 非一致收敛，矛盾！因此，⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 一致收敛．7．用上题的结论证明含参变量广义积分⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 的积分交换次序定理（定理19．12）和积分号下求导数定理（定理19．13）．证明 积分交换次序定理 设),(y x f 在),[],[+∞⨯c b a 上连续，且含参变量的广义积分⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 上一致收敛，则⎰⎰⎰+∞=cbabadx y x f dy dx x I ),()(，即⎰⎰⎰⎰+∞+∞=cbab a cdx y x f dy dy y x f dx ),(),(．由于⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 一致收敛⇒对任意递增趋于∞+的数列{}n A （c A =1），函数项级数∑∑⎰∞=∞==+11)(),(1n n n A A x u dy y x f n n在],[b a 一致收敛于)(x I ，由已知条件，),(y x f 在),[],[+∞⨯c b a 上连续，因而亦在],[],[1+⨯n n A A b a 上连续，故⎰+=1),()(n nA A n dy y x f x u 在],[b a 连续，因此利用函数项级数和函数的逐项积分定理，有∑⎰⎰∑⎰⎰∑⎰⎰∞=∞=∞=++===11111),(),()()(n A A ban baA A n ban ban nn ndx y x f dy dy y x f dx dx x u dx x I⎰⎰⎰⎰∑⎰⎰+∞∞→=∞→===++cbaA cban nk A A ban dx y x f dy dx y x f dy dx y x f dy n k k),(),(lim ),(lim111．积分号下求导数定理 设),(y x f 和),(y x f x 都在),[],[+∞⨯c b a 上连续，若⎰+∞cdy y x f ),(在],[b a 上收敛，⎰+∞cx dy y x f ),(在],[b a 上一致收敛，则⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 可导，且⎰+∞='cx dy y x f x I ),()(，即⎰⎰+∞+∞∂∂=c c x dy y x f xdy y x f dx d ),(),(． 由于⎰+∞cdy y x f ),(在],[b a 上收敛，故对任意趋于∞+的递增函数列{}n A （C A =1），级数∑∑⎰∞=∞==+11)(),(1n n n A A x u dy y x f n n在],[b a 上收敛于)(x I ，又⎰+∞cx dy y x f ),(在],[b a 上一致收敛，故函数项级数∑∑⎰∞=∞='=+11)(),(1n nn A A x x u dy y x f n n在],[b a 上一致收敛，用函数项级数和函数的逐项求导定理，知 ⎰∑⎰∑+∞∞=∞==='='+cx n A A x n ndy y x f dy y x f x u x I n n),(),()()(111．8．利用微分交换次序计算下列积分： （1）⎰+∞++=12)()(n n a x dxa I （n 为正整数，0>a ）； （2）⎰∞+---0sin mxdx xe e bxax （0>a ，0>b ）； （3）⎰+∞-0sin 2bxdx xe ax (0>a )．解（1）由于积分⎰+∞+02ax dx对一切00>a 在0a a ≥上一致收敛，得)()()1(10220202a I a x dx dx ax a a x dx da d -=+-=+∂∂=+⎰⎰⎰+∞+∞+∞， 由00>a 的任意性，知上式对一切0>a 成立．同理对积分⎰+∞+02ax dx逐次求导，得)(!)1()(!)1(01202a I n a x dx n a x dx da d n nn n nn -=+-=+⎰⎰∞++∞+， 但320212)2(aa da d a x dx da d ππ-==+⎰+∞，5323202221231)1()12(aada d ax dx da d ππ⋅-=-=+⎰∞+，用数学归纳法，可得121212!)!12()1(++∞+--=+⎰n n n nn an a x dx da d π，所以，)21()21(1!)!2(!)!12(2!2!)!12()(+-+-+-⋅=⋅⋅-=n n n n a n n a n n a I ππ．（2）当0=m 时，0sin 0=-⎰∞+--mxdx xe e bxax ，下设0≠m ． 由于0sin lim0=---→+mx xe e bxax x ，因此0=x 不是瑕点，从而当0>a ，0>b 时，被积函数在+∞<≤x 0内连续（0=x 的函数值理解为极限值0），又由于)0(sin >-≤-----x xe e mx x e e bxax bx ax ， 而积分⎰∞+---1dx x e e bx ax 收敛，由比较判别法，积分⎰∞+---0sin mxdx xe e bxax收敛．当00>≥a a 时，积分⎰⎰∞+-∞+---=-∂∂00sin )sin (mxdx e dx mx xe e a ax bxax 是一致收敛的．事实上，由)0(sin 0≥≤--x emx exa ax立即得到此结论．于是⎰∞+---=0sin )(mxdx xe e a I bxax 在00>≥a a 时可以在积分号下求导数，得220sin )(ma mmxdx e a I ax +-=-='⎰+∞-， 由00>a 的任意性知，上式对一切0>a 均成立，从而c m ada m a m a I +-=+-=⎰arctan )(22，其中c 为待定常数，令b a =，则得c m b b I +-==arctan 0)(mbc arctan =⇒．所以， )0()(arctan arctan arctan sin 20≠+-=-=-⎰∞+--m abm a b m m a m b mxdx x e e bx ax ． （3）⎰⎰⎰+∞-+∞-+∞-+∞-+-=-=0000cos 2sin 21)(sin 21sin 2222bxdx e a b bx e a e bxd a bxdx xeax ax ax ax ⎰+∞-=0cos 22bxdx e ab ax 设⎰+∞-=0cos )(2bxdx eb I ax ，由于bx e ax cos 2-与bx xe bx e bax ax sin )cos (22---=∂∂都是0≥x ，+∞<<∞-b 上的连续函数，且此时22cos ax ax e bx e --≤，22sin ax ax xe bx xe --≤，而积分⎰+∞-02dx e ax 与⎰+∞-02dx xe ax 都收敛，因此积分⎰+∞-0cos 2bxdx e ax 与⎰+∞-0sin 2bxdx xe ax 均在),(+∞-∞上一致收敛，从而可以在积分号下求导数．所以，)(2sin )(02b I abbxdx xe b I ax -=-='⎰+∞-， 解得，ab ceb I 42)(-=，其中c 是待定常数．但21)0(02πa dx e I ax ==⎰∞+-，得ab a b axe aa b e a a b b I a b bxdx xe 42402224212)(2sin --∞+-===⎰ππ． 9．利用对参数的积分法计算下列积分：（1）⎰∞+---022dx xeebx ax （0>a ，0>b ）； （2）⎰∞+---0sin mxdx xe e bxax （0>a ，0>b ）． 解（1）⎰⎰⎰⎰⎰∞+-∞+-∞+--=-=-b atx abtx bx ax dx xedt dt exdx dx xe e2222⎰⎰⎰+∞-+∞--=--=b a tx ba tx dt e t tx d e dt t 0022221)(21ab a b t dt t b a b a ln 21)ln (ln 21ln 2121=-===⎰． （2）⎰⎰⎰⎰⎰∞+-∞+-∞+--==-b a tx b a tx bxax mxdx e dt dt e mxdx mxdx xe e 000sin sin sinabm a b m m a m b m t dt m t m ba ba+-=-==+=⎰222)(arctanarctan arctan arctan （)0≠m ， 而0=m 时，0sin 0=-⎰∞+--mxdx xe e bxax ，这也可以归结到前面最终答案中0=m 的情形，所以， abm a b m mxdx x e e bx ax +-=-⎰∞+--20)(arctan sin ． 10．利用⎰+∞+-=+0)1(2211dy e xx y 计算Laplace 积分 ⎰+∞+=021cos dx x x L α和 ⎰+∞+=0211sin dx xx x L α． 解 先计算⎰+∞+=021cos dx xxL α． 若0=α，则2arctan 111cos 00202πα==+=+=∞++∞+∞⎰⎰x dx x dx x x L ，故下设0≠α．⎰⎰⎰⎰⎰+∞+∞--+∞+∞+-+∞==+=0000)1(02cos cos )(1cos 22xdx e dy e xdx dy e dx xx L yx y x y ααα ⎰⎰⎰∞++-∞++-∞+--==⋅=0)2(0)4(04222221dt eedt ety dy e yett tt yyααααπππ，其中第四个等号应用了8（3）中)(b I 的结果．下面计算⎰∞++-=0)2(2dt eI tt α．设u tt =-2α，则+∞<<t 0时，+∞<<∞-u ，αα222+=+u tt )2(212α++=⇒u u t ， 从而有du u u u du u u dt ααα2221)2221(21222+++=++=，代入得⎰⎰∞+∞-+-∞++-+++==du u u u e dt eI u tt αααα222122)2(0)2(22)2222(21022)2(022)2(22⎰⎰∞++-∞-+-+++++++=du u u u e du u u u e u u αααααα)2222(21022)2(022)2(22⎰⎰∞++-∞++-+++++-+=du u u u e du u uu e u u αααααα（前者作负代换）ααααπ2020)2(0)2(2221222-∞+--∞++-∞++-====⎰⎰⎰edu e e du e du e u u u ，所以，αααααππππ--∞++-=⋅=⋅=⎰eeedt eeL tt 2220)2(2．再计算⎰+∞+=0211sin dx x xx L α．显然 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰--+∞+∞==+=+=ααααππ000020021221cos 1cos du e du e dx x ux du du x ux dx L uu απαπαπααπαααααsgn )1(20,)1(2,0,)1(20,,0,200----=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<-≥-=⎪⎩⎪⎨⎧<≥=⎰⎰e e e du e du e u u ． 11．利用)0(2102>=⎰+∞-x dy e xxy π计算Fresnel 积分⎰⎰+∞+∞==002sin 21sin dx xxdx x F ，和 ⎰⎰+∞+∞==0021cos 21cos dx xxdx x F ． 解 在积分⎰+∞-=221dy e xxy π的两端乘以x sin ，再在100x x x ≤≤<上积分，则得⎰⎰⎰+∞-=121sin 2sin x x xy x x dy xe dx dx xx π.由于202sin y x xy e ex --≤⋅，而⎰+∞-020dy e y x 收敛，故积分⎰+∞-02sin dy xe xy 对10x x x ≤≤一致收敛，从而可以进行积分顺序的交换，得⎰⎰⎰⎰∞+-∞+-++-=⋅=420102121]1)cos sin ([2sin 2sin dy yx x y e dx e x dy dx xx x x xy x x xy x x ππ⎰⎰∞+-∞+-+++=04004201cos 21sin 22020dy y e x dy y y e x y x y x ππ⎰⎰∞+-∞+-+-+-04104211cos 21sin 22121dy y e x dy y y e x y x y x ππ， 上述等式右端的诸积分分别对+∞<≤00x ，+∞<≤10x 都是一致收敛的(120≤-y x e，121≤-y x e ，且⎰∞++0421dy yy 及⎰+∞+041y dy 均收敛)．于是，它们分别是10,x x (+∞<≤00x ，+∞<≤10x )的连续函数，从而令+→00x ，可在积分号下取极限，得⎰⎰⎰⎰∞+-∞+-∞++-+-+=04104210401cos 21sin 212sin 21211dy y e x dy y y e x y dy dx xx y x y x x πππ， 且由于上式右端后两个积分均不超过积分)(0211121+∞→→=⎰∞+-x x dy e y x π．故0104221→+⎰∞+-dy y y e y x ，)(0110421+∞→→+⎰∞+-x dy y e y x ，令+∞→1x 取极限，222212sin 04ππππ=⋅=+=⎰⎰∞+∞+y dy dx xx ，。

第十九章 含参量积分§1 含参量正常积分设:[,][,]f a b c d R ⨯→连续, 形如(,)dc f x y dy ⎰的积分, 称为含参量(x 的)正常积分. 若[,]x a b ∀∈,(,)dcf x y dy ⎰存在 (固定x 时, (,)f x y 关于y 可积), 则由()(,)dcx f x y dy ϕ=⎰([,]x a b ∈)定义了[,]a b 上的函数ϕ. 1) ϕ的连续性由于[,]a b 是闭区间,考察连续性就是考察一致连续性, 即需证 12 0,0,||:x x εδδ∀>∃>-<121212|()()||(,)(,)||(,)(,)|dddcccx x f x y dy f x y dy f x y f x y dy ϕϕε-=-≤-<⎰⎰⎰,只需1212[,],||: |(,)(,)|y c d x x f x y f x y d cεδ∀∈-<-<-,而f 在[,][,]a b c d ⨯上连续,则其在[,][,]a b c d ⨯上也一致连续. 因而121212120,0,,[,],,[,], ||,||:x x a b y y c d x x y y εδδδ∀>∃>∀∈∀∈-<-<1122|(,)(,)|f x y f x y d cε-<-特别地, 121212[,],,[,],|-|<: |(,)(,)|y c d x x a b x x f x y f x y d cεδ∀∈∈-<-.故有下面的结论.定理1 若f 在[,][,]a b c d ⨯上连续, 则函数()(,)dcx f x y dy ϕ=⎰在[,]a b 上连续, 即()lim (,)lim ()()(,)lim (,)d d dccc x xx xx xx f x y dy x x f x y dy f x y dy ϕϕϕ→→→=====⎰⎰⎰.2) ϕ的可导性 设[,],[,]x a b x h a b ∈+∈, 则()()(,)(,)(,), 01(,) (: )dc dx h h cdx x cx h x f x h y f x y dyhhf x h y dy f x y dy f ϕϕθθ+-+-==+⋅<<→⎰⎰⎰条件连续定理2 若f 与x f 在[,][,]a b c d ⨯上连续, 则函数()(,) ([,])dcx f x y dy x a b ϕ=∈⎰在[,]a b 上连续可导, 且()(,)dx cx f x y dy ϕ'=⎰.更一般地, 我们有定理3 设f 在[,][,]a b c d ⨯上连续, 则由(,)(,), [,]tcx t f x y dy t c d ψ=∈⎰定义的ψ在[,][,]a b c d ⨯上连续, 且当x f 连续时, 1C ψ∈(因而ψ可微) . 定理4 设f 在[,][,]a b c d ⨯上连续, 函数:[,][,]a b c d β→连续, 则函数()()(,) , [,]x cx f x y dy x a b βϕ=∈⎰连续. 进一步, 若x f 连续, β可微, 则ϕ可导. 且()'()(,)+(,())()x x cx f x y dy f x x x βϕββ'=⋅⎰定理5 若,,f αβ连续, 则函数()()()(,), [,]x x x f x y dy x a b βαϕ=∈⎰连续. 进一步, 若x f 连续, ,αβ可导, 则ϕ可导, 且()()()(,)+(,()) ()(,()) ()x x x x x f x y dy f x x x f x x x βαϕββαα'''=⋅-⋅⎰注 上述定理中[,]a b 均可改为(,)a b 或任意区间.3) ϕ的可积性定理6 若(,)f x y 在矩形域[,][,]a b c d ⨯上连续, 则()(,), ([,])d cx f x y dy x a b ϕ=∈⎰与()(,), ([,])bay f x y dx y c d ψ=∈⎰分别在[,]a b 和[,]c d 上可积.引入累次积分及记号(,)[(,)],(,)[(,)]bdb da cacdbd bcacadx f x y dy f x y dy dx dy f x y dx f x y dxdy∆∆==⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰.定理7 (累次积分定理, 交换积分次序) 若(,)f x y 在[,][,]a b c d ⨯上连续, 则(,)(,)bd d baccadx f x y dy dy f x y dx =⎰⎰⎰⎰例1 1) 1220lim 14x dx x ααπα+→=++⎰.2) 11222223220011111arctan (0)arctan +()22(1)dx dx x x ααααααααα=≠⇒=+++⎰⎰.3) 设f 连续, 10()()()xn x f t x t dt ϕ-=-⎰, 求()n ϕ.4)设cos sin ()x xF x e =⎰, 求'F .5) 设(,)()()xy x y F x y x yz f z dz =-⎰, f 可微, 求xy F .例2 求1(,), (0)ln b ax x I a b dx b a x-=>>⎰.例3 求120ln(1)1x I dx x +=+⎰例4 讨论122()()yf x F y dx x y =+⎰的连续性, 其中f 为[0,1]上的正值连续函数.例5 试分别求累次积分221122200()x y dx dy x y -+⎰⎰与221122200()x y dy dx x y -+⎰⎰.§2 含参量反常积分设函数(,)f x y 定义在无界区域[,][,)a b c ⨯+∞上. 若对任一固定的[,]x a b ∈, 反常积分(,)cf x y dy +∞⎰收敛, 则其值为定义在[,]a b 上(关于x )的函数. 记为()x ϕ.即 ()(,) [,]cx f x y dy x a b ϕ+∞=∈⎰称为定义在[,]a b 上的含参量x 的无穷限反常积分, 简称含参量反常积分. 取1,,n A c A =↑+∞ 则 1()(,)() n ndA n A nx f x y dy x ϕϕ+==∑∑⎰.因而我们可仿照讨论函数项级数来讨论反常积分. 先比较一下函数项级数与反常积分性质判别方法x E ∈, )x 收敛)x =∑一致收敛(nx ϕ'∑x E ∈, ,)x y dy )cx dy +∞=⎰一致收敛b 上可微,)x y dy (cf x +∞bdx dx =⎰例1 证Cauchy 准则例2 反常积分()(,)cx f x y dy ϕ+∞=⎰在[,]a b 上一致收敛⇔对任一趋于+∞的递增数列1{},()n A A c = 函数项级数111(,)()n nA n A n n f x y dy x ϕ++∞+∞===∑∑⎰在[,]a b 上一致收敛.例3 证明可微性.例4 证明Abel 和Dirichlet 判别法.例5 1) 证明: 含参量积分2cos 1xydx x+∞+⎰在R 上一致收敛.2) 证明:sin xydy y+∞⎰在[,),(0)δδ+∞>上一致收敛,但在(0,)+∞上不一致收敛. 3) 证明: 11sin ,(0)y x dx y x+∞<⎰在(,],(0)δδ-∞<上一致收敛, 但在(,0)-∞上不一致收敛.4) 证明: 若(,)f x y 在[,][,)a b c ⨯+∞上连续,(,)cf x y dy +∞⎰在[,)a b 上收敛,(,)cf b y dy +∞⎰发散, 则(,)cf x y dy +∞⎰在[,)a b 上不一致收敛.例6 证明: 0sin ()kxxI k e dx x+∞-=⎰在[0,)+∞上连续, 并求()I k 的值.例7 求2cos cos (,),(,0)x xI dx xαβαβαβ+∞-=>⎰.例8 求证: 222400()cos (xx exdx edx γϕγγ+∞+∞---==⇒=⎰⎰.例9 (198P 定理13) (了解,不证明)设(,)f x y 定义在[,)[,)a c +∞⨯+∞上连续. 若 1)(,)af x y dx +∞⎰关于y 在任何闭区间[,]c d 上一致收敛,(,)cf x y dy +∞⎰关于x 在任何闭区间[,]a b 上一致收敛;2) 积分|(,)|acdx f x y dy +∞+∞⎰⎰与|(,)|cady f x y dx +∞+∞⎰⎰中有一个收敛, 则另一个积分也收敛, 且(,)(,)accadx f x y dy dy f x y dx +∞+∞+∞+∞=⎰⎰⎰⎰§3 Euler 积分含参量积分 10(), 0s x s x e dx s +∞--Γ=>⎰1110(,)(1), ,0p q B p q x x dx p q --=->⎰称为Euler 积分, Gamma 函数, Beta 函数. 一、Γ函数11101()()()s x s x s x e dx x e dx I s J s +∞----Γ=+=+⎰⎰对()I s : 1s ≥时, 正常积分; 0<1s <时, 收敛的瑕积分. 对()J s : 0s >时, 收敛的反常积分(无限). 故0s >, ()s Γ有定义.1. ()s Γ在定义域(0,)+∞上连续可导.对任何闭区间[,],(0)a b a >, 对()I s , 当01x ≤≤时, 从而()I s 在闭区间[,]a b 上一致收敛. 而对于()J s , 当1x ≥时, 11s xb xx e x e ----≤, 由于110b x x e dx --⎰收敛, 从而()J s 在闭区间[,]a b 上一致收敛. 从而()s Γ在0s >上连续.又1100()ln s xs x x e dx x e dx s+∞+∞----∂=∂⎰⎰, 类似可证在[,]a b 上一致收敛. 从而()s Γ在[,]a b 上可导. 故()s Γ在0s >上可导. 且10()10()ln , 0()(ln ), 0s x n s x n s x e xdx s s x e x dx s +∞--+∞--'Γ=>Γ=>⎰⎰.2. 0(1)()(1)!!x s s s n n e dx n +∞-Γ+=⋅Γ⇒Γ+==⎰3. Γ图像4. Γ的延拓定义 (1)(), 10, (0,)s s s s n sΓ+Γ=-<<≠-5. Γ的其他形式22210, ()2, (0)s y x y s y e dy s +∞--=Γ=>⎰10, (), (0,0)s s py x py s p y e dy s p +∞--=Γ=>>⎰二、B 函数1. (,)B p q 在定义域 0,0p q >>上连续.1) 定义域 0,0p q >>. 1,1p q ≥≥为正常积分. 当01,1p q <<≥时, 0为瑕点,1()(0)p f x xx -→. 而当1q <时, 0,1为瑕点,1112102()()()f x dx f x dx f x dx =+⎰⎰⎰,11()(0),()(1)(1)p q f x x x f x x x --→-→. 从而 0p >时, (,),(0)B p q q >收敛.2) 在 0,0p q >>连续.0,0p q ∀>>, 1111(1)(1), (,)p q p q x x x x p p q q -----≤-≥≥ (,)B p q ⇒在,p p q q ≥≥上一致收敛.1. 对称性 (,)(,)B p q B q p =作变换1x y =-得 1111110(,)(1)(1)(,)p q p q B p q x x dx y y dy B q p ----=-=-=⎰⎰2. 递推公式 1(,)(,1) (0,1)1q B p q B p q p q p q -=->>+-1(,)(1,) (1,0)1p B p q B p q p q p q -=->>+-(1)(1)(,)(1,1) (1,1)(1)(2)p q B p q B p q p q p q p q --=-->>+-+-3. 其他形式2212120cos , (,)sin cos q p x B p q d πϕϕϕϕ--==⎰10, (,)1(1)p p q y y x B p q dy y y -+∞+==++⎰ 11101, (,)(1)p q p q y y x B p q dy t y --++==+⎰三、Γ函数与B 函数的关系 1) ()()(,)()p q B p q p q Γ⋅Γ=Γ+2) (,1)()(1)sin B p p p p p ππ-=Γ⋅Γ-=3)1()2Γ=(120111()(,)222B πΓ===⎰) 11()2()22Γ-=-Γ=-321()()232Γ-=-Γ-=1()2n Γ+=1()2n Γ-= 4) 20111(,)sin cos (,), (,1)222p q p q I p q x xdx B p q π++==>-⎰ 特别地, 0,1q p =>-时,20(21)!!111()()()22(2)!!1222sin (2)!!22(1)()22(21)!!p n p p p nn xdx p p n p np n ππ-⎧++Γ⋅ΓΓ⎪=⎪===⎨≠⎪Γ+Γ⎪+⎩⎰三、利用Euler 积分求积分 例 1 1)6111()(1)16663dx x π+∞=ΓΓ-=+⎰2)10113(,)4444B ==⎰习 题 课例 1 证明: 10()(,)F y f x y dy =⎰连续, 这里1(,)01x y f x y x y x y>⎧⎪==⎨⎪-<⎩.例 2 求22222220ln(sin cos ), (0)(0,0)a x b x dx a b a b π++≠>>⎰例 3 求101sin(ln ), (0)ln b ax x dx b a x x->>⎰例 4 证明: 0xy xe dy +∞-⎰在[,],(0)a b a >上一致收敛, 但在(0,]b 上不一致收敛.例 5 求22222(0)a x b x ee dx b a x --+∞->>⎰例 6 1) 对极限202xy xye dy +∞-⎰能否进行极限与积分运算次序.2) 2130(22)xy dy y xy e dx +∞--⎰⎰能否交换积分次序.3) 对230()xy F x x edy +∞-=⎰能否交换积分与求导次序.例 7 设10()(,)()u x k x y v y dy =⎰,其中(1)(,)(1)x y x y k x y y x x y-≤⎧=⎨->⎩,v 为[0,1]上的连续函数, 求证: ()()u x v x ''=-.。

含参变量的积分与反常积分一、含参变量的正常积分1. 含参变量积分的定义设函数(,)f x y 在矩形域[,][,]D a b c d =×上连续. 对任意固定的[,]y c d ∈, 积分()(,)baF y f x y dx =∫存在, 且将随y 的变化而变化, 我们称此积分为含参变量y 的积分。

同样()(,)dcG x f x y dy =∫称为含参变量x 的积分。

含参积分提供了表达函数的又一手段. 这种形式的函数在理论上和应用上都有重要作用, 有很多很有用的特殊函数就是这种形式的函数. 本节主要讨论这种由积分所确定的函数的连续性, 可微性与可积性. 2. 含参变量积分的性质定理1.1 （连续性） 若函数),(y x f 在矩形域[,][,]D a b c d =×上连续, 则函数()(,)baF y f x y dx =∫在[, ]c d 上连续. 注：在定理的条件下, 有()()0lim ,lim ,b baa y y y y f x y dx f x y dx →→=∫∫,即极限运算可以通过积分号.证明：设,[,]y y y c d +Δ∈, 则()()F y y F y +Δ−[(,)(,)]d b af x y y f x y x =+Δ−∫.由于),(y x f 在闭区域D 上连续, 所以一致连续, 从而,0>∀ε ,0>∃δ1122(,),(,),x y x y R ∀∈ 有.|),(),(|2211ε<−y x f y x f故,()()F y y F y +Δ− |(,)(,)|d b af x y y f x y x ≤+Δ−∫ d ().bax b a εε<=−∫这说明()F y 在],[d c 上连续.定理1.2（可导性）若函数),(y x f 及其偏导数(),y f x y 都在矩形域[,][,]D a b c d =×上连续, 则()(,)baF y f x y dx =∫在[, ]c d 上有连续的导数, 且求导与积分可交换顺序, 即'()(,)(,).bb y aa d F y f x y dx f x y dx dy ==∫∫ 证明：对任意,[,]y y y c d +Δ∈,[]()()(,)(,)d .b aF F y y F y f x y y f x y x Δ=+Δ−=+Δ−∫又由拉格朗日中值定理，存在)1,0(∈θ使得(,)(,)(,),y f x y y f x y f x y y y θ+Δ−=+ΔΔ故,(,)d .b y a Ff x y y x yθΔ=+ΔΔ∫ 由于(,)y f x y 在 [,][,]a b c d ×上连续, 由定理1. 1知00'()limlim (,)d (,)d ,b b y y a a y y FF y f x y y x f x y x yθΔ→Δ→Δ==+Δ=Δ∫∫ 且'()F y 在[, ]c d 上连续.定理1.3（积分顺序交换）若函数),(y x f 在矩形[,][,]D a b c d =×上连续, 则()(,)d ,b aF y f x y x =∫ 在],[d c 上可积；()(,)d ,dcG x f x y y =∫ 在],[b a 上可积.且∫∫∫∫=badcdcbady y x f dx dx y x f dy ),(),(.注：在定理的条件下，累次积分可交换求积分的次序. 证明：令1()d (,)d ()d ,u b u cacI u y f x y x F y y ==∫∫∫2()d (,)d (,)d b u bacaI u x f x y y H u x x ==∫∫∫其中[,],(,)(,)d u cu c d H u x f x y y ∈=∫.易见,1d ()()d (), d ucI u F y y F u u ′==∫2d ()(,)d (,)d (,)d ()d bb b u aa a I u H u x x H u x x f u x x F u u ′====∫∫∫,所以),()(21u I u I ′=′从而k u I u I +=)()(21, k 为常数.当 u = c 时, 12()()0,I c I c ==于是.0=k 即得⇒=)()(21u I u I d (,)d d (,)d .u b b ucaacy f x y x x f x y y =∫∫∫∫注：以上结论对含参量积分()(,)dcG x f x y dy =∫同样成立.例1.1计算极限10limy −→∫.解：易见函数(,)f x y =是x 和y 的连续函数. 故由定理1.1, 1111100lim || 1.y y x dx −−−→→===∫∫∫例1.2 计算积分.d 1)1ln(12x xx I ∫++=解：考虑含参变量t 的积分所确定的函数.d 1)1ln()(12x x tx t I ∫++= 显然.)1(,0)0(I I I ==易见,21)1ln(x x t ++及其对t 的偏导数)1)(1(2x t x x ++在]1,0[]1,0[×上连续. 于是由定理2,[]][].)1ln(42ln 2111)1ln(arctan )1ln(21[11d 11111d )1)(1()(210222102212t t t x t x t x t x x t t xt x x t x x t x xt I +−++=+−+++=+−++++=++=′∫∫π故,[]tt t t tt I I I I d )1ln(42ln 2111d )()0()1(211+−++=′=−=∫∫π.2ln 4d 1)1ln()1ln(8arctan 2ln 2110201201I tt t t t −=++−++=∫ππ因此得2ln 8π=I .以上所研究的含参量积, 只是被积函数含有参变量. 一般情况, 除被积函数含有参变量外, 积分的上、下限也含有参变量，即).(),(y b b y a a ==3. 含参变量积分的一般形式及其性质设),(y x f 是定义在区域[,][,]D a b c d =×上的二元函数其中1()x y ,2()x y 为定义在],[d c 上的连续函数,值域为],[b a . 若对于],[d c 内每一固定的y 值, ),(y x f 作为x 的函数在12[(),()]x y x y 上可积, 其积分值是y 在],[d c 上取值的函数, 表示为21()()()(,),[,],x y x y F y f x y dx y c d =∈∫称为含参量y 的正常积分或简称含参量积分.定理1.4（连续性）若函数),(y x f 在矩形域[,][,]D a b c d =×上连续, 函数1()x y 和2()x y 在[, ]c d 上连续, 并且12(),()a x y b a x y b ≤≤≤≤,()c y d ≤≤,则21()()()(,)x y x y F y f x y dx =∫在[, ]c d 上连续.证明：由函数),(y x f 在矩形域[,][,]D a b c d =×上连续及,),()],(),([),(),(),()()()()()()()()()()()()(2221112121∫∫∫∫∫Δ+Δ+Δ+Δ+Δ++−Δ++Δ+=−Δ+=−Δ+y y x y x y x y x y x y y x y x y x y y x y y x dx y y x f dxy x f y y x f dx y y x f dxy x f dx y y x f y F y y F.0)]()([lim 0=−Δ+⇒→Δy F y y F y 说明函数()F y 在[, ]c d 上连续.定理1.5（可导性） 若函数),(y x f 及其偏导数(,)y f x y 在矩形域[,][,]D a b c d =×上连续, 函数1()x y 和2()x y 在[,]c d 上可导, 并且12(),()a x y b a x y b ≤≤≤≤, ()c y d ≤≤, 则21()()()(,)x y x y F y f x y dx =∫在[,]c d 上可导, 且21()''2211()()(,)d ((),)()((),)().x y y x y F y f x y x f x y y x y f x y y x y ′=+−∫证明：把 F ( y )看作复合函数：2112()(,,)(,)d ,x x F y H y x x f x y x ==∫其中1122(),()x x y x x y ==. 由复合函数求导法则及变限的求导法则, 有211212()''2211()d d d ()d d d (,)d ((),)()((),)().x y y x y x x H H H F y y y x y x y f x y x f x y y x y f x y y x y ∂∂∂=++∂∂∂=+−∫例1.3计算极限12201lim1y yy dx x y +→++∫.解：易知函数1()x y y =,2()1x y y =+,2211),(yx y x f ++=都是x 和y 的连续函数, 故由定理1.4，1221()1y yF y dx x y+=++∫在0处连续, 故112220011lim lim ()(0).114y yy y dx F y F dx x yx π+→→====+++∫∫例1.4求函数()2ln 1()y yyx F y dx x+=∫的导数（0>y ）. 解：,0>∀y 暂时固定, ,0>∃ε使得.1εε≤≤y 易见函数()ln 1(,)yx f x y x+=及其偏导数1(,)1y f x y yx =+在1,[1,[2εεεε×上连续. 1()x y y =和22()x y y =在]1,[εε可导, 故由由定理1.5知()F y 可导, 且()()()()()()()()()2222323232ln 1ln 1ln 1'()2ln 1ln 111ln 1ln 12ln 1ln 1.y yy yyy yx yy dy dy F y dx y x x dy x dy y y y dx yx x xy y y y y yx+++⎛⎞∂=+−⎜⎟∂⎝⎠++=+−++−++−+=+∫∫例1.5计算积分()1,(0).ln b ax x I y dx a b x−=<<∫解：由被积函数的特点想到积分:x x x x x y x ab ab y bayln ln d −=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∫y x x x xx x I b a y ab d d d ln 101∫∫∫=−=⇒.因为yx 在],[]1,0[b a ×上连续，所以交换积分顺序.11ln d 11d 1d d 0111++=+=⎥⎦⎤+⎢⎣⎡==∫∫∫∫+a b y y y y x x x y I b a bay yb a例1.6 讨论函数∫+=10 22)()(dx y x x yf y F 的连续性, 其中)(x f 是]1,0[上连续的正函数.解： 令22)(),(yx x yf y x g +=, 则),(y x g 在],[]1,0[d c ×连续, 其中],[0d c ∉. 从而)(y F 在0≠y 连续.当0=y 时,0)0(=F .当0>y 时, 记 0)(min ]1,0[>=∈x f m x , 则∫+=10 22)()(dx y x x yf y F ∫+≥1 0 22dx y x y m .1arctan ym = 若)(lim 0y F y +→存在, 则≥+→)(lim 0y F y y m y 1arctan lim 0+→)0(02F m =>=π, 故)(y F 在0=y 不连续.或用定积分中值定理, 当0>y 时, ]1,0[∈∃ξ, 使;1arctan )(arctan)( )()()(11 0 2210 22yf yx f dx y x y f dx y x x yf y F ξξξ==+=+=∫∫若)(lim 0y F y +→存在, 则 =+→)(lim 0y F y y f y 1arctan )(lim 0ξ+→02>≥m π, 故)(y F 在0=y 不连续.问题1 上面最后一个式子能否写为y f y 1arctan)(lim 0ξ→0)(2>=ξπf ? 事实上,ξ是依赖于y 的，极限的存在性还难以确定.例1.7设函数)(x f 在],[b a 连续, ∫−=xcdt t x k t f k x y )(sin )(1)(, 其中],[,b a c a ∈.求证函数y 满足微分方程)(2x f y k y =+′′. 证：令)(sin )(),(t x k t f t x g −=, 则)(cos )(),(t x k t kf t x g x −=, )(sin )(),(2t x k t f k t x g xx −−=它们都在],[],[b a b a ×上连续. 而,)(cos )()( ∫−=′x cdt t x k t f x y ).()(sin )()( x f dt t x k t f k x y xc+−−=′′∫故,).()(sin )()()(sin )( 2x f dt t x k t f k x f dt t x k t f k yk y xcxc=−++−−=+′′∫∫例1.8设)(x f 为连续函数, ∫∫++=hhd d x f x F 0])([)(ξηηξ, 求)(x F ′′.解：令u x =++ηξ, 则∫∫++=h h d d x f x F 0])([)(ξηηξ,)(0∫∫+++=hx x h du u f d ξξξ.])()([)(0∫∫+−++=′hh d x f d h x f x F ξξξξ在第一项中令u h x =++ξ，在第二项中令u x =+ξ, 则∫∫+++−=′hx xhx hx du u f du u f x F ])()([)(2,).()(2)2()("x f h x f h x f x F ++−+=二、含参变量的广义积分本节研究形如∫+∞adx y x f ),(和)(,),(为瑕点b dx y x f ba∫的含参变量广义积分的连续性、可微性与可积性. 下面只对无穷限积分讨论, 无界函数的情况可类似处理. 1. 含参变量的广义积分的定义定义2.1设f (x , y ) 在无界区域[,][,]D a c d =+∞×上连续. 若对每个固定的[,]y c d ∈, 反常积分(,)af x y dx +∞∫都收敛, 则它的值是 y 在区间[,]c d 上取值的函数, 表示为()(,),[,]aF y f x y dx y c d +∞=∈∫,称为定义在[c, d ]上的含参量y 的无穷限反常积分, 或简称为含参量反常积分. 2. 含参量反常积分的一致收敛定义及判别方法定义2.2设f (x , y )在无界区域[,][,]D a c d =+∞×上连续. 且对任意[,]y c d ∈含参量积分()(,)aF y f x y dx +∞=∫收敛. 若对任意],,[,,0,0)(d c y N M N ∈∀>∀>∃>εε 都有(,),Mf x y dx ε+∞<∫则称含参量反常积分()(,)aF y f x y dx +∞=∫在[,]c d 上一致收敛.定理2.1（ 一致收敛的柯西准则）设f (x , y ) 在无界区域[,][,]D a c d =+∞×上连续. 则含参量反常积分()(,)aF y f x y dx +∞=∫在[c ,d ]上一致收敛的充要条件是：都有],,[,,,,021d c y M A A a M ∈∀>∀>∃>∀ε21(,).A A f x y dx ε<∫定理2.2（ 一致收敛比较准则）设f (x , y )在无界区域 [,][,]D a c d =+∞×上连续, 且),(),(x g y x f ≤ ,d y c ≤≤+∞<≤x a . 若()ag x dx +∞∫收敛，则()(,)aF y f x y dx +∞=∫在[c ,d ]上一致收敛.证明：(,)|(,)|().A A A AAAf x y dx f x y dxg x dx ′′′≤≤∫∫∫因为()ag x dx +∞∫收敛, 所以由广义积分收敛的柯西准则, 00,,A a ε∀>∃> 0,,A A A ′∀>|()|,A Ag x dx ε′<∫从而[,]y c d ∀∈,(,)(),A A AAf x y dxg x dx ε′′≤<∫∫所以()(,)aF y f x y dx +∞=∫在[,]c d 上一致收敛.3.一致收敛含参量广义积分的性质在一致收敛条件下, 含参量广义积分保持被积函数的一些重要分析性质, 如连续性、可导性和可积性.定理2.3 (连续性) 设),(y x f 在[,][,]D a c d =+∞×上连续,∫+∞adx y x f ),(关y 在],[d c 上一致收敛, 则一元函数∫+∞=adx y x f y F ),()(在],[d c 上连续.证明：因为),(y x f 在[,][,]D a c d =+∞×内一致收敛, 所以 ,,00a A >∃>∀ε使得, 0A A >∀],[d c y ∈∀,.),(ε<∫+∞Adx y x f从而, 当],[d c y y ∈Δ+时,.),(ε<Δ+∫+∞Adx y y x f又),(y x f 在[,][,]a A c d ×上连续, 所以∫Aadx y x f ),(作为y 的函数在],[d c 连续, 于是,||,0,0时当δδε<Δ>∃>∀y .),(),(ε<−Δ+∫∫A aAadx y x f dx y y x f综上知, 当δ<Δ||y 时,.3),(),(),(),(|)()(|ε<+Δ++−Δ+≤−Δ+∫∫∫∫∞+∞+AAAaAadx y x f dx y y x f dx y x f dx y y x f y F y y F定理2.4 (积分顺序交换)设),(y x f 在[,][,]D a c d =+∞×上连续, ∫+∞adx y x f ),(关于y 在],[d c 上一致收敛, 则 函数∫+∞=adx y x f y F ),()(在],[d c 可积, 并且.),(),(∫∫∫∫+∞+∞=adcdcady y x f dx dx y x f dy证明：由定理 2.3知)(y F 在],[d c 上连续, 从而)(y F 在],[d c 上可积. 由一致收敛定义,,,00a A >∃>∀ε使得, 0A A >∀],[d c y ∈∀,.),(ε<∫+∞Adx y x f由上节的定理1.3,.),(),(∫∫∫∫=A adcdcA ady y x f dx dx y x f dy从而, ,0A A >∀ 有.),(),( ),(),( ),(),(),()(∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∞+∞++∞+∞d c A A a d c d c A d c A a d c Aa A dcd c a dy dx y x f dx dy y x f dydx y x f dy dx y x f dydx y x f dx y x f dy dx y x f dy y F于是,,)(),(),(),()(∫∫∫∫∫∫∫∫−=<≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−∞+∞+dcdcAdc A dcA a dc cd dy dy dx y x f dydx y x f dxdy y x f dy y F εε即,()lim(,)(,).dAd d cac a c A F y dy f x y dy dx f x y dy dx +∞→+∞⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∫∫∫∫∫定理2.5 (积分号下求导)设),(y x f ,),(y x f y 在[,][,]D a c d =+∞×上连续,dx y x f a∫+∞),(收敛,dx y x f ay ∫+∞),(关于y 在],[d c 上一致收敛, 则dx y x f y F a∫+∞=),()(的导数存在且.),(),(dx y x f ydx y x f dy d a a ∫∫+∞+∞∂∂= 注：无界函数的积分也有类似的结论. 证明:因为),(y x f y 在[,][,]D a c d =+∞×上连续, 由连续性定理∫+∞=ay dxy x f y ),()(ϕ在],[d c 上连续.沿区间)(],[d y c y c ≤≤积分)(y ϕ, 由积分顺序交换定理, 得到.),(),(),(),()(∫∫∫∫∫∫∫∞+∞++∞+∞−===aaaycy ycay ycdx c x f dx y x f duu x f dx dx u x f du du u ϕ在上式两端对y 求导, 得,),()(∫+∞=adx y x f dy d y ϕ 定理证毕.例2.1证明反常积分2cos 1xydx x +∞+∫在(,)−∞+∞上一致收敛. 证明：由于y R ∀∈有22cos 1,11xy x x≤++ 而反常积分201dx x +∞+∫收敛, 故由比较判别法知含参量反常积分2cos 1xydx x+∞+∫在(,)−∞+∞上一致收敛. 例2.2证明含参量反常积分2ux e dx +∞−∫在[,)a +∞上一致收敛(0>a ) .证明：由于[,),u a ∀∈+∞22.ux ax e e−−≤而反常积分2ux e dx +∞−∫收敛, 故由M 判别法知含参量反常积分2ux e dx +∞−∫在[,)a +∞上一致收敛.例2.3计算积分sin sin , ( 0 , ).pxbx axI e dx p b a x+∞−−=>>∫解：由于被积函数函数可表示成积分:sin sin cos b a bx axxydy x−=∫. 已知],[b a y ∈∀,cos .pxpx exy e −−≤而无穷积分0pxIedx +∞−=∫收敛, 故由定理2.2,cos px e xydx +∞−∫在区间],[b a 一致收敛.由定理2.4，交换积分次序得()00sin sin cos b pxpxabx axI edx e xydy dxx+∞+∞−−−==∫∫∫cos bpx adx e xydy +∞−=∫∫220cos b bpx aapdy e xydx dy p y+∞−==+∫∫∫arctanarctan .b a p p=− 例2.4设),(y x f 在],[],[d c a ×+∞连续，对),[d c 上每一个y ,dx y x f a∫+∞),(收敛, 但积分在d y =发散. 证明这积分在),[d c 非一致收敛.证：（用反证法）若积分在),[d c 一致连续, 则)(,00εεA ∃>∀, 当)(',0εA A A ≥时, 对一切),[d c y ∈均有.|),(|'ε<∫A Adx y x f （1）由假设),(y x f 在],[]',[d c A A ×连续, 故∫'),(A Adx y x f 是y 的连续函数. 在式（1）中令d y →取极限 ε≤==∫∫∫→→→|),(lim ||),(lim ||),(|lim '''A A dy A Ad y A Ady dx y x f dx y x f dx y x f .由ε的任意性, 所以∫+∞adx y x f ),(在d y =点也收敛, 这与已知矛盾. 故dx y x f a∫+∞),(在),[d c 非一致收敛.。