НЕСОБСТВЕННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ ПАРАМЕТРА. РАВНОМЕРНАЯ СХОДИМОСТЬ
РАЗДЕЛ 8. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ
· Описываются свойства собственных интегралов, зависящих от параметра
· Описываются свойства несобственных интегралов, зависящих от параметра
ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ПОД ЗНАКОМ СОБСТВЕННОГО ИНТЕГРАЛА. ПРАВИЛО ЛЕЙБНИЦА. СЛУЧАЙ, КОГДА ПРЕДЕЛЫ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ЗАВИСЯТ ОТ Y
Теорема1.(Правило Лейбница). Пусть непрерывны на
. Тогда
дифференцируема на
, причём
(В концах отрезка производные односторонние)
Пусть
,
,
. Тогда
Подынтегральная функция непрерывна по , значит, интегрируема. По теореме Лагранжа получаем:
,
По условию, и, значит, равномерно непрерывна на
; поэтому для любого
существует
такое, что из неравенств
,
следует, что
При ,
,
получаем, что если
, то для любого
,
откуда
и
Теорема 2. В условиях предыдущей теоремы пусть , , где , дифференцируемы на . Тогда
(обозначим ,
,
)
Дословно повторяя рассуждения предыдущей теоремы, получим, что при
Далее, по теореме о среднем, ввиду непрерывности
( )
При получаем
Пример 1.
ИНТЕГРИРОВАНИЕ ПОД ЗНАКОМ СОБСТВЕННОГО ИНТЕГРАЛА
Теорема 3. Пусть . Тогда существуют и равны интегралы
Обозначим первый из этих интегралов
, второй -
.
Положим ,
,
.
Докажем, что эта функция непрерывна по совокупности переменных.
Оба слагаемых стремятся к 0( первое- ввиду непрерывности ,второе – по теореме о среднем для определённого интеграла) при
. Кроме того,
по свойству интеграла с переменным верхним пределом, поэтому для
имеем, по правилу Лейбница,
(это обозначение).
Но для , по теореме Ньютона-Лейбница имеем:
где
Итак, ,
выполнено равенство
. При
получаем теорему.
НЕСОБСТВЕННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ ПАРАМЕТРА. РАВНОМЕРНАЯ СХОДИМОСТЬ
Пусть определена при
и любом
(
- множество значений параметра y) и пусть для любого
сходится интеграл
(1)
Этот интеграл будем называть сходящимся несобственным интегралом, зависящим от параметра.
Понятие несобственного интеграла, зависящего от параметра, во многом схоже с понятием функционального ряда
(2)
Функция соответствует
, переменой интегрирования
в (1) соответствует индекс суммирования
в (2), параметру
в (1) соответствует переменная
в (2).
По определению несобственного интеграла
.
Рассмотрим интеграл
(3)
(интеграл (3) аналогичен частичной сумме ряда (2), )
Сходимость (поточечная) интеграла (1) в области означает, что для любого
существует
, т.е.
(4)
Напомним, что аналогичное (4) условие поточечной сходимости ряда на множестве
имело вид
(5)
сходный с определением поточечной сходимости интеграла (1) на множестве .
При рассмотрении теории рядов мы отмечали, что требование поточечной сходимости(5) ряда (2) не является достаточным для того, чтобы выполнялись равенства:
(6)
(7)
(8)
Аналогичная проблема возникает и для несобственного интеграла, зависящего от параметра. Например, если взять ,
, то полагая в нем
, получаем, что
, т.е.
равен постоянной величине, от
не зависящей и
.
Однако если рассмотреть интеграл
, то легко показать, что он расходится. Действительно, при
, поэтому при
выполняется равенство
, а эта последняя величина не имеет предела при
.
Для того, чтобы обеспечить выполнение равенств (6)-(8), для рядов было введено понятие равномерной сходимости, определяемое условиями
(9)
Равномерность сходимости состоит в том, что число не зависит от
.
Аналогично (9) определяем равномерную относительно сходимость интеграла на множестве параметров
:
(10)
Отметим, что отсутствие равномерной сходимости означает
(11)
Пример.Интеграл
(12)
сходится при любом . Действительно,
. Рассмотрим, при
,величину
,т.е.
(условие
было использовано в предпоследнем равенстве (при замене переменной сохранился верхний предел интегрирования
)).
Эта величина меньше , т.е.
, если
, т.е. если
,
.
Если область изменения параметров такова, что для всех
выполняется неравенство
, то сходимость интеграла (12) равномерная, т.к. тогда
положим
(здесь
- фиксированная величина) и
и
имеют место неравенства
т.е.
. Таким образом, условие (10) выполняется.
Однако в области , когда значения параметра могут быть сколь угодно близкими к числу 0, сходимость интеграла (12) перестанет быть равномерной. Действительно, тогда существует
, например можно взять любое число, удовлетворяющее неравенствам
, и для любого
существуют
и
, например,
, с условием
, или
, такие что
.
Значит, выполняется (11) и интеграл (12) не сходится равномерно в области .