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。
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。