数学分析第二册答案第十九章含参变量的积分

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1、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);(2);(3)解(1)由于在上连续,故在连续,所以,(2)由于在上连续,故在连续,所以,(3),由于在上连续,故在连续,所以,而对,有,因此,因而,2求,其中:(1);(2);(3);(4)解(1)(2)(3) =(4)3设为连续函数,求解 由于,所以, ,注记 该题的函数应为(这从该教材第二版亦可得到印证),则,所以, , 4研究函数的连续性,其中是上连续且为正的函数解 当时,被积函数在相应的闭矩形上是连续的,因此在连续当时,而时,设为在上的最小值,则由于,而,故有若存在,必然或不存在,因而在时间断5应用积分号下求导法求下列

2、积分:(1)();(2);(3);(4)解(1)设,则有 ,即的确定较为困难,可如下进行,令,又,所以,即(2)设,则 ,所以,(3)将看作参变量,认为是常数,记可先设,则若,则,若作代换,得 ,所以,而,于是若或,则可以或代替或,因而总有(4)记,令,当时,无定义,但,故补充定义,则在连续(),从而在连续显然在点不连续,但分别在和连续,故有,或令, ,或积分之,; ,因为在连续,故,得,从而得,6应用积分交换次序求下列积分:(1);(2)解(1) (2)记,则,所以,因此,7设为可微函数,试求下列函数的二阶导数:(1);(2)解(1),(2)8证明:证明 , ,所以,9设,问是否成立解 ,所

3、以,即,同样,因此不存在,而,因此,不成立10设,求证证明 ,函数在矩形域连续,亦在矩形域连续,故由积分号下求导数可得 () ,当时,显然由的任意性,因此,而,所以,11设为两次可微函数,为可微函数,证明函数满足弦振动方程及初始条件,证明 , ,所以,即满足弦振动方程又,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)();(2);(3);(4)(,);(5)证明(1)因为当时,有,而收敛,由M判别法,在是一致收敛的(2)因为,成立,而收敛,由M判别法,在一致收敛(3)因为,成立,其中, 而收敛,所以在一致收敛(4)用Abel判别法已知 收敛(见第十一章3习题

4、3(3),又对每一个,函数关于是单调函数,且,有,由Abel判别法知在一致收敛(5)由于收敛(见p56-11.1-例10),又对每一个,函数是单调减函数,且,有,由Abel判别法,在一致收敛2讨论下列积分在指定区间上的一致收敛性:(1);(2),(i), (ii);(3),(i), (ii);(4)解(1),当时积分为,由于,故:,使得有,因此积分非一致收敛(2)积分对于每一个定值是收敛的当时,;当时(i),由于,故,使当时,就有,于是,在区间上积分一致收敛(ii)由于时,故,对于足够小的值,故在上,积分不一致收敛(3)对任意固定的,积分都收敛,且(作代换)(i)取正数充分大,使得,显然,当时

5、,对一切,有,而积分收敛,由M判别法,积分在一致收敛(ii),有,故当充分大时,由此可知在非一致收敛,因而在更非一致收敛(4),有,因此,积分在非一致收敛3设在连续,当,时皆收敛,且求证:关于在一致收敛证明 由于收敛,因而,对一致收敛,当固定时,对在单调,且,因此,由Abel判别法,积分在一致收敛又因为收敛,故对亦一致收敛,当固定时,对在单调递减,且,由Abel判别法,积分在一致收敛因此,在上一致收敛4讨论下列函数在指定区间上的连续性:(1),;(2),;(3),解(1)当时,而,因此,在连续,在间断(第一类间断点)(2)因为,而当时,无穷积分收敛,在是常义积分,因而在有意义,当时, ,有,而

6、收敛,因而在一致收敛,因此,在连续,由的任意性可知,在连续(3),所以,使得,当时,有,及均收敛,所以及均在一致收敛,因而在一致收敛因此,在连续,因而在连续,由的任意性,知在连续5若在上连续,含参变量广义积分在收敛,在时发散,证明在不一致收敛证明 目的在于证明:,及,使得 (1)因为,因此,若能证明,及, (2)则(1)式即可得到剩下的问题在于证明(2) 因发散,故,使得 但在连续,从而在有界闭区域,上一致连续,于是对上述中,当,且,时,有,从而时,有,由此推得6含参变量的广义积分在一致收敛的充要条件是:对任一趋于的递增数列(其中),函数项级数在上一致收敛证明 必要性在一致收敛,故,当时,有,

7、对一致地成立对任意递增数列:,首先,成立其次,由于单调递减趋于,故对上述,满足,因此当时,因此,有,一致地成立,因此级数在上一致收敛于充分性采用反证法若不然,设对任一趋于的递增数列(其中),函数项级数在上一致收敛,但广义积分在不一致收敛,因此,使得取,使得;取,使得;取,使得;如此一直下去得到一列单调递增序列(令),且和一列,使得,即函数项级数在非一致收敛,矛盾!因此,在一致收敛7用上题的结论证明含参变量广义积分在的积分交换次序定理(定理1912)和积分号下求导数定理(定理1913)证明 积分交换次序定理 设在上连续,且含参变量的广义积分在上一致收敛,则,即 由于在一致收敛对任意递增趋于的数列

8、(),函数项级数在一致收敛于,由已知条件,在上连续,因而亦在上连续,故在连续,因此利用函数项级数和函数的逐项积分定理,有 积分号下求导数定理 设和都在上连续,若在上收敛,在上一致收敛,则在可导,且,即 由于在上收敛,故对任意趋于的递增函数列(),级数在上收敛于,又在上一致收敛,故函数项级数在上一致收敛,用函数项级数和函数的逐项求导定理,知8利用微分交换次序计算下列积分:(1) (为正整数,);(2)(,);(3) ()解(1)由于积分对一切在上一致收敛,得,由的任意性,知上式对一切成立同理对积分逐次求导,得,但,用数学归纳法,可得,所以,(2)当时,下设由于,因此不是瑕点,从而当,时,被积函数

9、在内连续(的函数值理解为极限值0),又由于,而积分收敛,由比较判别法,积分收敛当时,积分是一致收敛的事实上,由立即得到此结论于是在时可以在积分号下求导数,得,由的任意性知,上式对一切均成立,从而,其中为待定常数,令,则得所以,(3)设,由于与都是,上的连续函数,且此时,而积分与都收敛,因此积分与均在上一致收敛,从而可以在积分号下求导数所以,解得,其中是待定常数但,得9利用对参数的积分法计算下列积分:(1)(,);(2)(,)解(1)(2)(,而时,这也可以归结到前面最终答案中的情形,所以,10利用计算Laplace积分和 解 先计算若,则,故下设,其中第四个等号应用了8(3)中的结果下面计算设

10、,则时,从而有,代入得(前者作负代换),所以,再计算显然 11利用计算Fresnel积分,和 解 在积分的两端乘以,再在上积分,则得.由于,而收敛,故积分对一致收敛,从而可以进行积分顺序的交换,得,上述等式右端的诸积分分别对,都是一致收敛的(,且及均收敛)于是,它们分别是(,)的连续函数,从而令,可在积分号下取极限,得,且由于上式右端后两个积分均不超过积分故,令取极限, 所以,同理可得,12利用已知积分,计算下列积分:(1);(2);(3)();(4)();(5)()解(1) (2)(3)由于,所以,(4)(5),设,令,则时,代入,得(前者作负代换),所以,13求下列积分:(1);(2)解(

11、1)引入参变量,考虑含参变量的积分,则要求的积分为.由于,:,函数及均在上连续,且在一致收敛,(M判别法.,),故在点,有,由的任意性,上式对一切成立所以,再由,即知,因此,(2)引入参变量:,考虑含参变量的积分,则要求的积分为由于在连续,且当(为任何有限正数)时一致收敛事实上,当时, ,而收敛(),于是是上的连续函数由的任意性知,当时连续而,由于当时,有 ,而积分收敛,于是在时是一致收敛的从而,由及的任意性知,上式对一切均成立所以, (),令取极限,注意到在连续,可得,所以,因此,14证明:(1)在()上一致收敛;(2)在()上一致收敛证明(1)显然,瑕积分是收敛的,且,时,而积分收敛,由M判别法,知在上一致收敛(2),积分收敛(时是常义积分,时是瑕点为的积分)且时,而收敛,由M判别法知在 一致收敛3 Euler积分1利用Euler积分计算下列积分:(1);(2);(3);(4) ;(5);(6);(7)(为正整数);(8);(9)(为正整数);(10) (为正整数,)解(1)令,则,(2)(3)令,则,(4)令,则,所以,(5)令,则时,;时,(6)先作代换,再令,因此,(这里用到了函数的余元公式,参见陈纪修等数学分析(下册)P377-379,高等教育出版社2000年4月)(7)令 则,有

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