Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Госы 5к Надя / лекции_3 / int_ zaw_ot_ par / Математический анализ - Интегралы - Аксёнов - 2000 - 145

.pdf
Скачиваний:
37
Добавлен:
30.05.2015
Размер:
2.55 Mб
Скачать

промежутке [c, d]. Следовательно, по теореме о стабильности знака существует

δ1 > 0 такое, что

как только

 

y y0

 

< δ1 и

y [c, d], так

 

сейчас

же:

 

 

α( y) − γ < 0 , β( y) − γ > 0 , т. е. α( y) < γ <β( y) .

 

 

 

 

 

 

Возьмем y из промежутка [c, d] любое, но такое, чтобы было

 

y y0

 

< δ1 ,

 

 

и положим p = max{α( y),α( y0 )}; q = min{β( y0 ),β( y)}. Ясно,

 

что p < q.

Имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y0 )

 

p

 

 

 

 

q

β( y0 )

 

 

 

 

I( y0 ) = f ( x, y0 ) dx = f ( x, y0 ) dx + f ( x, y0 ) dx + f ( x, y0 ) dx ,

α( y0 )

α( y0 )

 

 

 

 

p

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y )

 

p

 

 

 

 

q

β( y )

 

 

 

 

I( y) = f ( x, y) dx = f ( x, y) dx + f ( x, y) dx + f ( x, y) dx .

 

α( y )

 

α( y )

 

 

 

 

p

q

 

 

 

 

В этих соотношениях из четырех подчеркнутых интегралов два обязательно

равны нулю (так как обязательно: либо

 

p ( y0 ) , либо

p = α( y) , и либо

q ( y0 ) , либо q = β( y)).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Возьмем ε > 0 – любое, сколь угодно малое. Так как α( y)

и β( y) непре-

рывны в точке

y0 , то взятому ε > 0 отвечает δ2 > 0 такое,

что как только

 

y y0

 

< δ2 и

y [c, d], так сейчас же

 

α( y) −α( y0 )

 

< ε,

 

β( y) −β( y0 )

 

< ε.

 

 

 

 

 

 

Отметим, что если брать на промежутке [c, d] значения y , удовлетворяющие условию: y y0 < min{δ1,δ2}, то справедливы приведенные выше выражения для I( y0 ) и I( y) . Для таких y будем иметь:

q

I( y) I( y0 ) = [f ( x, y) f ( x, y0 )]dx +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

β( y )

 

 

 

 

p

 

 

 

 

β( y0 )

 

 

 

+ f ( x, y) dx + f ( x, y) dx f ( x, y0 ) dx f ( x, y0 ) dx .

 

 

 

α( y )

 

q

 

 

 

α( y0 )

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим, например,

f ( x, y0 ) dx . По условию

f ( x, y) C(

 

)

 

D

f ( x, y) ограниченная

 

 

 

α( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M > 0 такое,

 

в (

 

),

т. е. существует

число

что

D

f ( x, y)

 

M всюду в

 

(

 

).

 

Так как y [c, d] и

 

 

 

 

y y0

 

< min{δ1,δ2},

то

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p −α( y0 )

 

< ε. Следовательно,

f ( x, y0 ) dx M

 

 

p −α( y0 )

 

< M ε.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α( y0 )

Такая же оценка верна и для каждого из трех оставшихся подчеркнутых ин-

11

тегралов. Поэтому

q

I( y) I( y0 ) < f ( x, y) f ( x, y0 ) dx +2 M ε.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как (

 

 

) – ограниченное замкнутое множество и f ( x, y) C(

 

) , то

D

D

 

f ( x, y) равномерно

непрерывная

в (

 

). А

тогда взятому ε > 0 отвечает

D

δ3 > 0,

зависящее только от

ε, такое,

что для любых

 

двух точек ( x, y) ,

( x′′, y′′)

из

 

 

(

 

),

для

которых

 

x′′ − x

 

< δ3 ,

 

y′′ − y

 

< δ3 ,

будет

 

 

D

 

 

 

 

 

f ( x′′, y′′) f ( x, y)

 

< ε. Положим δ =

min{δ1,

 

δ2 ,δ3},

 

y′ = y0 ,

y′′ = y , где

 

 

 

 

 

y [c, d] и удовлетворяет условию

 

 

y y0

 

 

 

< δ;

 

 

x′ = x′′ = x , где x

– любое из

 

 

 

 

 

[ p, q]. Тогда

 

f ( x, y) f ( x, y0 )

 

< ε для всех x [ p, q]. Следовательно, для y ,

 

 

удовлетворяющих

условиям

 

 

y y0

 

< δ

 

 

и

 

y [c, d],

будет:

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x, y) f ( x, y0 ) dx < ε (q p) , и потому I( y) I( y0 ) < ε(q p +2 M ).

p

У нас функции α( y), β( y) C([c, d]) α( y) и β( y) – ограниченные в

[c, d] существует число K > 0 такое, что

 

α( y)

 

K ,

 

β( y)

 

K для всех

 

 

 

 

y [c, d]. А тогда

 

q p

 

 

q

 

+

 

p

 

2K . Значит,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I( y) I( y0 )

 

< 2ε ( K + M ).

(2)

 

 

 

 

 

 

Отметим, что число 2ε ( K + M ) сколь угодно мало вместе с ε.

Так как для достижения неравенства (2) понадобилось лишь, чтобы было

 

y y0

 

< δ, y [c, d], то заключаем, что функция I( y) непрерывна в точке y0 .

 

 

 

2. Пусть α( y0 ) ( y0 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y0 )

 

β( y )

 

 

 

 

В этом случае I( y0 ) =

 

f ( x, y0 ) dx = 0 ;

I( y) =

f ( x, y) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

α( y0 )

]

α( y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I( y)

M β( y) −α( y) .

 

 

 

(3)

Имеем

 

lim [β( y) −α( y)]( y0 ) −α( y0 ) = 0.

А

тогда

из

(3)

 

 

 

yy0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim I( y) = 0 [= I( y0 )].

Видим, что и в этом случае установлена непрерыв-

 

yy0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ность I( y) в точке y0 .

 

 

 

I( y) C([c, d]).

 

 

 

У нас y0 – любое из [c, d]. Следовательно,

 

f ( x, y)

 

Теорема (о дифференцировании по параметру). Пусть функция

непрерывна в (

 

) и имеет там непрерывную частную производную

f y( x, y) .

D

12

Пусть функции α( y), β( y) определены в промежутке [c, d] и имеют там про-

 

β( y )

 

изводные α′( y),

β′( y) . Пусть I( y) = f ( x, y) dx , y [c, d]. Тогда для любо-

 

α( y )

 

го y [c, d] существует I( y) , причем

 

 

β( y )

 

I( y) =

f y( x, y) dx + f (β( y), y) β′( y) f (α( y), y) α′( y) .

(4)

α( y )

Выберем и закрепим любое y0 [c, d].

I. Пусть α( y0 ) ( y0 ) . При доказательстве предыдущей теоремы было отмечено, что в этом случае существует окрестность: uδ1 ( y0 ) такая, что для лю-

бого

y uδ ( y0 )

будет: α( y) < γ <β( y) . Дадим y0 приращение y

– любое,

 

 

1

y 0 и y0

+ ∆y uδ ( y0 ) .

 

 

 

 

 

но такое, что

Будем иметь,

 

следовательно,

α( y

0

+ ∆y) < γ <β( y

0

+ ∆y) .

1

{

0

),α( y

0

}

Положим

 

 

p = max α( y

 

 

+ ∆y) ;

q= min{β( y0 ),β( y0 + ∆y)}. Могут реализоваться следующие случаи:

1)p = α( y0 ) , q ( y0 ) ;

2)p = α( y0 ) , q = β( y0 + ∆y) ;

3)p = α( y0 + ∆y), q ( y0 ) ;

4)p = α( y0 + ∆y), q = β( y0 + ∆y) .

1. Рассмотрим случай, когда p ( y0 ) , q ( y0 ) . Имеем в этом случае

β( y0 )

 

β( y0

+∆y )

I( y0 ) = f ( x, y0 ) dx,

I( y0 + ∆y) = f ( x, y0 + ∆y) dx =

α( y0 )

 

α( y0 +∆y )

α( y0 )

β( y0 )

β( y0 +∆y )

= f ( x, y0 + ∆y) dx +

f ( x, y0 + ∆y) dx + f ( x, y0 + ∆y) dx .

α( y0 +∆y )

α( y0 )

β( y0 )

А тогда

I( y0 + ∆y) I( y0 ) =

 

 

 

β( y0 )

 

β( y0 +∆y )

α( y0 +∆y )

= [f ( x, y0 +∆y) f ( x, y0 )]dx + f ( x, y0 +∆y) dx f ( x, y0 +∆y) dx .

α( y0 )

 

β( y0 )

α( y0 )

По теореме Лагранжа

f ( x, y0 + ∆y) f ( x, y0 ) = f y( x, y0 +θ∆y) y . По част-

ному случаю теоремы о среднем для определенного интеграла

β( y0 +∆y )

f ( x, y0 + ∆y) dx = f (c1, y0 + ∆y) [β( y0 + ∆y) −β( y0 )],

β( y0 )

13

где c1 [β( y0 ),β( y0 + ∆y)]

c1 →β( y0 ) , если y 0 ;

 

 

α( y0

+∆y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x, y0 + ∆y) dx = f (c2 , y0 + ∆y) [α( y0 + ∆y) −α( y0 )],

 

α( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где c2 [α( y0 ),α( y0 + ∆y)]

c2 → α( y0 ) , если y 0 . Следовательно,

 

 

 

 

J ( y

 

+ ∆y) J ( y

 

)

 

β( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

=

f y( x, y0 +θ∆y) dx +

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y0

+ ∆y) −β( y0 )

α( y0 )

 

 

α( y0

+ ∆y) −α( y0 )

 

+ f (c , y

0

+ ∆y)

f (c , y

0

+ ∆y)

.

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

2

 

 

y

Переходя к пределу при y 0 , получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I( y0 ) =

f y( x, y0 ) dx + f (β( y0 ), y0 ) β′( y0 ) f (α( y0 ), y0 ) α′( y0 ) . (5)

α( y0 )

2.Рассмотрим случай, когда p ( y0 ) , q = β( y0 + ∆y) .

В этом случае

 

 

 

 

β( y0 )

 

 

β( y0 +∆y )

 

β( y0 )

I( y0 ) =

f ( x, y0 ) dx =

 

 

f ( x, y0 ) dx + f ( x, y0 ) dx ;

 

 

 

 

α( y0 )

 

 

 

 

α( y0 )

 

β( y0 +∆y )

β( y0 +∆y )

 

 

 

 

 

 

α( y0 )

 

 

β( y0 +∆y )

I( y0 +∆y) = f ( x, y0 +∆y) dx =

f ( x, y0 +∆y) dx + f ( x, y0 +∆y) dx ;

α( y0 +∆y )

 

 

 

α( y0 +∆y )

 

 

α( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y0

+∆y )

 

 

 

 

 

I( y0 + ∆y) I( y0 ) = [f ( x, y0 + ∆y) f ( x, y0 )]dx +

β( y0 +∆y )

 

 

 

 

α( y0

+∆y )

α( y0 )

 

β( y0 +∆y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ f ( x, y0 ) dx f ( x, y0 + ∆y) dx = f y( x, y0 +θ∆y) y dx +

β( y0 )

 

 

 

 

 

α( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

α( y0 )

 

 

+ f (c1, y0 ) [β( y0 + ∆y) −β( y0 )]f (c2 , y0 + ∆y) [α( y0 + ∆y) −α( y0 )]

 

 

 

 

I( y

 

+ ∆y) I( y

 

)

β( y0 +∆y )

 

 

 

 

 

0

0

=

f y( x, y0 +θ∆y) dx +

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

β( y0

+ ∆y) −β( y0 )

 

 

α( y0 )

 

α( y0 + ∆y) −α( y0 )

 

+ f (c , y

0

)

f (c , y

0

+ ∆y)

 

 

 

y

1

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

2

 

Переходя в этом соотношении к пределу при y 0 , находим

14

β( y0 )

I( y0 ) = f y( x, y0 ) dx + f (β( y0 ), y0 ) β′( y0 ) f (α( y0 ), y0 ) α′( y0 ) . (5)

α( y0 )

3.Рассмотрим случай, когда p = α( y0 + ∆y), q ( y0 ) .

В этом случае

 

β( y0 )

α( y0 +∆y )

β( y0 )

 

I( y0 ) = f ( x, y0 ) dx =

f ( x, y0 ) dx + f ( x, y0 ) dx ;

 

α( y0 )

α( y0 )

α( y0 +∆y )

 

β( y0 +∆y )

β( y0 )

β( y0 +∆y )

I( y0 +∆y) = f ( x, y0 +∆y) dx = f ( x, y0 +∆y) dx + f ( x, y0 +∆y) dx ;

 

α( y0 +∆y )

α( y0 +∆y )

β( y0 )

 

 

β( y0 )

 

 

I( y0 + ∆y) I( y0 ) = [f ( x, y0 + ∆y) f ( x, y0 )]dx +

 

 

α( y0 +∆y )

 

β( y0

+∆y )

α( y0 +∆y )

 

β( y0 )

+ f ( x, y0 + ∆y) dx f ( x, y0 ) dx =

f y( x, y0 +θ∆y) y dx +

β( y0 )

α( y0 )

 

α( y0 +∆y )

+ f (c1, y0 + ∆y) [β( y0 + ∆y) −β( y0 )]f (c2 , y0 ) [α( y0 + ∆y) −α( y0 )]

 

 

 

I( y

 

 

+ ∆y) I( y

 

)

 

β( y0 )

 

 

0

0

=

 

f y( x,

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α( y0 +∆y )

+ f (c , y

0

+ ∆y)

β( y0 + ∆y) −β( y0 )

f (c ,

 

1

 

 

 

 

y

 

 

 

2

Переходя здесь к пределу при y 0 , получим

y0 +θ∆y) dx +

y0 ) α( y0 + ∆y) −α( y0 ) y

β( y0 )

I( y0 ) = f y( x, y0 ) dx + f (β( y0 ), y0 ) β′( y0 ) f (α( y0 ), y0 ) α′( y0 ) . (5)

α( y0 )

4.Рассмотрим случай, когда p = α( y0 + ∆y), q = β( y0 + ∆y) .

В этом случае

β( y0 )

α( y0 +∆y )

β( y0 +∆y )

β( y0 )

I( y0 ) = f ( x, y0 ) dx = f ( x, y0 ) dx + f ( x, y0 ) dx + f ( x, y0 ) dx ;

α( y0 )

α( y0 )

α( y0 +∆y )

β( y0 +∆y )

 

β( y0

+∆y )

 

 

I( y0 + ∆y) = f ( x, y0 + ∆y) dx ;

 

α( y0 +∆y ) β( y0 +∆y )

I( y0 + ∆y) I( y0 ) = [f ( x, y0 + ∆y) f ( x, y0 )]dx +

α( y0 +∆y )

15

β( y0 +∆y )

 

 

 

 

 

α( y0 +∆y )

 

 

 

 

β( y0 +∆y )

 

 

+

f ( x, y0 ) dx f ( x, y0 ) dx =

f y( x, y0 + θ∆y) y dx +

β( y0 )

 

 

 

 

 

α( y0 )

 

 

 

 

α( y0 +∆y )

 

 

+ f (c1, y0 ) [β( y0 + ∆y) −β( y0 )]f (c2 , y0 ) [α( y0 + ∆y) −α( y0 )]

 

 

 

 

I( y

 

+ ∆y) I( y

 

)

 

β( y0 +∆y )

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

=

 

f y( x, y0 +θ∆y) dx +

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

β( y0 + ∆y) −β( y0 )

α( y0 +∆y )

 

 

α( y0

+ ∆y) −α( y0 )

 

+ f (c , y

0

)

f (c , y

0

)

 

 

 

y

 

1

 

 

 

 

y

 

 

 

 

2

 

 

Переходя в этом соотношении к пределу при y 0 , находим

 

β( y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I( y0 ) =

f y( x, y0 ) dx + f (β( y0 ), y0 ) β′( y0 ) f (α( y0 ), y0 ) α′( y0 ) . (5)

α( y0 )

II.Пусть α( y0 ) = β( y0 ) .

 

 

 

 

β( y0 )

 

 

В этом случае

I( y0 ) =

f ( x, y0 ) dx = 0

(как интеграл, у которого совпа-

 

 

 

 

α( y0 )

 

 

дают

нижний

и

верхний

пределы

интегрирования);

 

 

β( y0 +∆y )

 

 

 

I( y0 + ∆y) =

f ( x, y0 + ∆y) dx . А тогда

 

 

α( y0 +∆y )

β( y0 +∆y )

I( y0 + ∆y) I( y0 ) = f ( x, y0 + ∆y) dx =

α( y0 +∆y )

=f (c, y0 + ∆y) [β( y0 + ∆y) −α( y0 + ∆y)].

Здесь α( y0 + ∆y) c ≤β( y0

+ ∆y) c→α( y0 ) [( y0 )]. Имеем

 

y0

0+ ∆y) I( y0 ) =

y

=f (c, y0 + ∆y) (β( y0 + ∆y) −β( y0 ))y(α( y0 + ∆y) −α( y0 )).

Переходя здесь к пределу при y 0 , находим:

I( y0 ) = f (β( y0 ), y0 ) [β′( y0 ) −α′( y0 )]= f (α( y0 ), y0 ) [β′( y0 ) −α′( y0 )],

ибо α( y0 ) ( y0 ) . Последняя формула может быть записана также в виде

 

I( y0 ) = f (β( y0 ), y0 ) β′( y0 ) f (α( y0 ), y0 ) α′( y0 ).

(6)

Легко видеть, что формула (6) является частным случаем формулы (5) (она получается из (5), если положить в (5) β( y0 ) = α( y0 ) ).

16

Так как у нас y0 – любое, принадлежащее [c, d], то приходим к выводу, что I( y) существует для любого y [c, d] и что

 

 

 

β( y )

 

 

 

 

 

 

 

I( y) = f y( x, y) dx + f (β( y), y) β′( y) f (α( y), y) α′( y) .

 

 

 

α( y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§7. Примеры к главе 1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1. Дано: I( y) = x2 + y2 dx . Найти lim I( y) .

 

 

 

 

1

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так

как подынтегральная

функция f ( x, y) =

x2 + y2

непрерывна на

всей плоскости Oxy ,

то она

непрерывна, в частности, в

прямоугольнике

 

 

1 x 1,

где

d > 0 – любое конечное число. По теореме §2 заключа-

( P ) =

 

 

 

d y d,

 

 

 

 

 

ем, что допустим предельный переход по параметру под знаком интеграла, когда y 0 . Имеем

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

lim

x2 + y2 dx = lim

 

 

x2 + y2 dx = x dx =

y0

1

 

 

 

 

1

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

0

 

1

 

 

x2

 

 

 

 

 

x2

 

 

= 1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x dx + x dx = −

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+

=1.

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

2

 

1

2

 

 

0

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+y

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Дано: I( y) =

 

. Найти

 

lim I( y) .

 

 

 

 

1 + x

2

+ y

2

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь подынтегральная функция f ( x, y) =

 

1

 

 

. Она непрерывна

1 + x2 + y2

на всей плоскости Oxy . Функции α( y) = y , β( y) =1 + y непрерывны для всех

y (−∞,+∞) .

Следовательно, в

частности,

f ( x, y) непрерывна

в области

 

 

y x 1 + y,

где

d > 0

– любое

конечное число, а

функции

 

 

( D ) =

 

 

 

d y d,

 

 

 

 

 

α( y), β( y) непрерывны на промежутке [d, d]. Видим, что выполнены условия теоремы о непрерывности интеграла как функции параметра (см. §6). По этой теореме I( y) C([d, d]), а значит, I( y) непрерывна в точке y = 0 . Сле-

довательно, lim I( y) = I(0) , т. е.

y0

17

[0, 1]. Здесь
f ( x, y) = x y

 

 

1+y

 

dx

1

dx

 

 

 

1

 

π

 

lim

 

=

 

= arctg x

 

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

0

4

1 + x

2

+ y

2

1 + x

2

 

 

 

y0

y

 

0

 

 

 

 

 

 

1

xb xa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Вычислить

dx ( a > 0 ,

b > 0 ), применяя интегрирование по па-

ln x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

раметру под знаком интеграла.

Отметим прежде всего, что данный интеграл – несобственный, Подынтегральная функция имеет две особые точки. Это – точки x = 0 и x =1. Имеем:

1)

lim

xb xa

 

= 0 подынтегральная функция в правой полуокрестно-

 

ln x

 

x→+0

 

 

 

 

 

сти точки x = 0 – ограниченная.

 

 

2)

lim

 

xb xa

= lim

bxb1 axa1

=

lim (bxb axa ) = b a – опреде-

 

ln x

 

x10

x10

1 x

 

x10

ленное число. подынтегральная функция в левой полуокрестности точки x =1 – ограниченная.

Положим

xb xa

 

 

, x (0, 1);

~

 

ln x

f

(x) =

0, x = 0;

 

 

 

 

b a,

x =1.

 

 

~

~

данный интеграл

Ясно, что f ( x) C([0, 1])

f ( x) R([0, 1]), а значит,

1

xb xa

 

 

 

dx сходится.

 

 

ln x

 

 

0

 

 

b

 

 

 

 

 

 

Введем в рассмотрение интеграл I( x) = x y dy ( a > 0 ,

b > 0 ), x [0, 1].

a

Этот интеграл представляет собой функцию параметра x , определенную в промежутке определена и непрерывна в прямоугольнике

( P ) = a y b,

А тогда по теореме об интегрировании по параметру под зна-

0 x 1.

ком интеграла (см. §5) имеем:

1

1

b

y

 

b 1

y

 

I( x) dx =

 

 

 

x

 

x

 

dy dx =

 

dx dy .

0

0

a

 

 

a

0

 

 

18

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

x y

 

y=b

 

 

 

xb xa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как

 

I( x) = x y dy =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

,

то предыдущее равенство примет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

ln x

 

y=a

 

 

 

ln x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вид:

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

b 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

b

x

a

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

x=1

 

a

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

xb xa

 

b x y+1

 

 

b

 

 

dy

 

 

 

 

 

y=b

 

 

b +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy =

 

 

 

= ln ( y +1)

 

y=a

= ln

 

.

 

 

 

ln x

 

 

 

y +1

 

 

 

 

 

 

 

y +

1

a +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

x=0

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Вычислить I( y) , если I( y) = eyx2 dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь

f ( x, y) = eyx2 ,

 

 

 

 

 

α( y) = y ,

 

 

β( y) = y2 ; α( y) ≤β( y) ,

если

y (−∞, 0] U[1, +∞) ;

α( y) ≥β( y) , если y [0, 1]. Пусть d1 > 0 – любое ко-

нечное число;

d2 >1 – любое конечное число. Введем в рассмотрение области

 

 

 

d y 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 y 1,

1

y d

 

,

(

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

2

 

D1 ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2 ) =

 

 

 

 

 

 

D3 ) =

 

 

 

 

 

 

 

y

x y2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 x y;

y x y2.

В каждой из этих трех областей

 

f ( x, y) непрерывна и имеет непрерывную

f ( x, y) = −x2eyx2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В каждом из промежутков: [d1, 0];

[0, 1]; [1, d2 ] существуют α′( y),

β′( y) ,

причем α′( y) =1, β′( y) = 2 y . По теореме о дифференцировании по параметру (см. §6) заключаем, что для любого y ([d1, 0] U[1, d2 ]) I( y) существует и

y2

I( y) = − x2eyx2 dx +ey5 2 y ey3 .

y

Пусть теперь

y

любое из промежутка [0, 1]. Имеем

 

 

~

 

 

I( y) = −I ( y) , где

~

y

yx2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

dx . По теореме о дифференцировании по параметру (см. §6) для

I ( y) =

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

~

y

2

 

yx2

 

 

y3

 

y5

 

любого

y [0, 1]

 

 

= − x

e

dx +e

e

2 y .

I

( y) существует и I ( y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y [0, 1]

y2

 

 

 

 

I( y) ,

 

 

Следовательно,

для

любого

существует

причем

19

~

 

y

2

 

yx2

 

y5

 

y3

 

( y) , т. е.

I( y) = x

e

dx +e

2 y e

 

I( y) = −I

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

I( y) = − x2eyx2 dx +ey5 2 y ey3 , y [0, 1].

y

Глава 2. Двойные интегралы

§1. Область и ее диаметр

Предварительно напомним некоторые сведения, относящиеся к понятию кривой на плоскости.

1. Если ϕ(t) и ψ(t) – две функции, определенные и непрерывные на промежутке [a,b], то множество точек плоскости {(ϕ(t), ψ(t))}, t [a, b], называ-

ется непрерывной кривой.

2. Если ϕ(a) = ϕ(b) и ψ(a) = ψ(b), то непрерывная кривая называется

замкнутой.

3. Замкнутая кривая называется самонепересекающейся, если две точки кривой (ϕ(u), ψ(u)) и (ϕ(v), ψ(v)) при u < v могут совпасть лишь тогда, когда

u = a , v = b .

4. Замкнутая самонепересекающаяся кривая ( K ) делит плоскость на два связных множества ( D) и (G) . (Любые две точки каждого их этих множеств можно соединить непрерывной кривой, не пересекающей ( K ). Если же одна из этих точек принадлежит ( D) , а другая – принадлежит (G) , то всякая соединяющая их непрерывная кривая пересекает ( K ).) Точки, лежащие на ( K ), не входят ни в ( D) , ни в (G) . Одно из множеств ( D) , (G) является ограниченным, а другое – нет. То из этих двух множеств, которое является ограниченным, будем называть областью, ограниченной контуром ( K ). (У нас на рис. 2.1 ( D)

– область, ограниченная контуром ( K ).) Если к точками области ( D) присоединить точки контура ( K ), то полученное множество будем называть замкну-

20