9.3    习题课讲解
    
9.3.1    函数的可积性
例 9.3.1 
在有界闭区间上,以下哪些函数可积?
    
- 
(1) 
 - 
连续函数。
    
 
- 
(2) 
 - 
单调函数。
    
 
- 
(3) 
 - 
是有界函数,。
    
 
- 
(4) 
 - 
,其中。
    
 
- 
(5) 
 - 
,其中是恒不为零的函数。
    
 
- 
(6) 
 - 
,其中可积。
    
 
- 
(7) 
 - 
Dirichlet函数。
                                                                                               
                                                                                               
    
 
- 
(8) 
 - 
Riemann函数。
    
 
- 
(9) 
 - 
在子区间上。
 
 
 
解   
(1) 有界闭区间上的连续函数是有界函数,由Lebesgue准则知结论成立。
    (2) 有界闭区间上的单调函数是有界函数,单调函数至多只有可数无穷多个间断点,可数集是零测集。
    (3) 是单调不减的有界函数,从而可积。
    (4) 都是有界函数,它们的间断点集是的间断点集和的间断点集的并集的子集,两个(甚至可数多个)零测集的并集是零测集。
    (5) 如果有正下界,则有界,的间断点是的间断点,从而可积。但如果无下界,则无界,从而不可积。
    (6) 有界。若连续,则的间断点集是的间断点集的子集,从而是零测集,于是可积。若不连续则存在反例,设,为Riemann函数,则为Dirichlet函数,不可积。
    (7) Dirichlet函数在所有点间断,不可积。
    (8) Riemann函数有界,仅在有理数处间断,有理数集是零测集。所以Riemann函数可积。
    (9) 。                                                                                                                                  
    
9.3.2    定积分的近似计算
例 9.3.2 
证明对充分大的正整数,有
                                                                                               
                                                                                               
 
 
解   
设,容易验证可积。注意到
因此
由于是下凸函数且有极小值点,,因此
因此对充分大的正整数,有
    
例 9.3.3 
 设连续且严格增,,是其反函数。证明:、,有
其中等号成立当且仅当。
    
 
     
 
                                                                                               
                                                                                               
                                                                                               
                                                                                               
图 9.3.1: 题图
                                                                                               
                                                                                               
    
证明  
题图给了我们一些提示。由于严格增,故同样严格增。
    Step 1.  若可微,我们能够通过积分换元来证明。注意到
亦即
     若仅仅可积,我们需要通过定义来证明。对的任意划分,亦是的划分,因此两者的Riemann和满足
令,即得
    Step 2. 若,则
    若,记,则
    易见两者的取等条件均为。                                                           
     
例 9.3.4 
设是凸函数。证明可积,且
    
 
     
证明  
因为为凸函数,故在开区间内处处有单侧导数,从而在开区间连续。,记,则有,由凸函数的定义可知
故函数有上界。再注意到
故函数有下界,且至多有两个间断点,从而可积。因此
                                                                                               
                                                                                               
 
注   
凸函数的定义:,,有
    
例 9.3.5 
设有足够的可微性。对充分小的,分别用
作为的近似值。试分析误差的阶,并求常数使得有尽可能小(尽量高阶的无穷小)的误差。
    
 
 
解   
记,对进行Taylor展开,只保留的偶次方项
故均为二阶小量,因此均为三阶小量。注意到
因此具有更高的阶,此时
由此得到
此即Simpson公式,其更一般的形式为
    
9.3.3    定积分计算
例 9.3.6 
计算以下定积分:
                                                                                               
                                                                                               
    
- 
(1) 
 - 
    
     
- 
(2) 
 - 
    
     
- 
(3) 
 - 
 
 
 
解   
画图。                                                                                                                                    
    
例 9.3.7 
计算以下定积分:
    
- 
(1) 
 - 
,其中
    
 
- 
(2) 
 - 
    
     
- 
(3) 
 - 
                                                                                               
                                                                                               
    
 
- 
(4) 
 - 
    
     
- 
(5) 
 - 
    
     
- 
(6) 
 - 
    
     
- 
(7) 
 - 
    
     
- 
(8) 
 - 
 
 
 
解   
(1) 记,由分部积分可得
因此
    (2) 记,由分部积分可得
其中、。
    (3) 
    (4) 
    (5) 
                                                                                               
                                                                                               
    (6) 
    (7) 
    (8) 
    
例 9.3.8 
    
- 
(1) 
 - 
设,证明:
    
 
- 
(2) 
 - 
求:
    
 
- 
(3) 
 - 
证明:,有
    
 
 
 
解   
(1) 令,则有
    令,则有
                                                                                               
                                                                                               
    (2) 由(1)可得
    (3) 令,则有
    
例 9.3.9 
    
- 
(1) 
 - 
设连续,证明:
    
 
- 
(2) 
 - 
求:
    
 
 
 
解   
(1) 因为连续,故可微,由分部积分可得
    (2) 由分部积分可得
    
9.3.4    有关定积分的证明题
                                                                                               
                                                                                               
例 9.3.10 
设可积,在处连续。证明:
    
 
     
证明  
不妨设,否则可以考虑,此时有
而
    由于可积,故在上有界,即,有,其中。由于在处连续,故,使得。因此
取即可。因此
     
例 9.3.11 
设,证明:
    
 
     
证明  
由积分换元、积分中值定理、Riemann和定义可得
 
                                                                                               
                                                                                               
例 9.3.12 
设,证明:
    
 
     
证明  
任取,注意到
由于连续,故存在最大值点的一个邻域使得,因此
由极限的保号性可得满足,均有
     
例 9.3.13 
(Riemann-Lebesgue)设,证明:
    
 
     
证明  
本题比作业题要难得多,其基本思路是:当非常大时,的周期非常小,在一个周期内近似可视作常函数,乘积函数的积分为0,从而整体的积分为0。下面需要把这样的数学直觉转换为严格的证明。
    不妨设在上的值恒为0。设、满足
记、,由Riemann可积的定义知
由积分中值定理可得
                                                                                               
                                                                                               
其中。注意到
故有
亦即
     
例 9.3.14 
设且恒正。求证:
    
 
     
证明  
由于可积,故的间断点集为零测集,故必存在连续点,。取,则使得
由于和中必有之一成立,不妨设为,否则可以考虑,则有
 
另证  
由定积分(极限)的保号性,很容易证明
    为了排除这个等式,我们考虑使用反证法。假设,任给的划分和标志点集,当时,Darboux上和收敛于。于是,使得,否则使得,此时有
与其收敛于矛盾。
    记、。取,由上述论证可知对任意区间,存在区间且满足,使得。由有界闭区间套定理可知使得,与恒正矛盾。                                                           
    
                                                                                               
                                                                                               
例 9.3.15 
 设非负函数,的间断点集为,证明:
    
 
     
证明  
:采用反证法。假设,却使得在处连续且。取,则使得
不妨设为的内点以及充分小,使得,则有
与矛盾。故假设不成立,即,。
    :通俗地说,这里的关键在于证明可积函数的连续点足够多,因此在所有连续点上等于0就保证了积分为0。Lebesgue准则告诉我们可积函数几乎处处连续,然而对于本题来说,只需要证明的连续点集在上稠密就足够了,这样可以通过标志点集的任意选择使得的Riemann和始终为。
    下面依次证明:(1) 的连续点集在上稠密,即对的任意子区间,存在使得在处连续。(2) 若可积函数在其所有连续点上等于0,则其积分为0。
    (1) 设在上的积分值为。根据Riemann积分的定义,,的划分和标志点集,使得
由于标志点的任意性,因此上述Riemann和的上下确界就满足相应的不等式
其中分别是在上的上、下确界。记为在该子区间上的振幅,将上式中的两个和式相减,就得到不等式
此时至少存在一个使得。
    任取子区间,则。取,使得在上的某个子区间的振幅小于,将它记为区间;在必要时缩小该区间,使得。
    接下来在上重复上述过程得到区间,使得在该区间上的振幅小于且。由此得到了一个区间套,且闭区间套的左端点严格增、右端点严格减,根据闭区间套定理,。
    我们接下来证明在处连续。,使得,于是上的振幅小于。由于满足不等式,故只要取即可保证
即在处连续。由的任意性,在其任意子区间内都有连续点,故的连续点集在上稠密。
    (2) 由于连续点稠密,故对的任意划分,在每一个子区间中总能取到连续点作为标志点。由于在连续点处为0,因此Riemann和为0,作为Riemann和极限的定积分也必定等于0。