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)

g是有界函数,f(x)=supa≤t≤xg(t)。

(4)

f+g,fg,其中f,g∈R[a,b]。

(5)

1/f,其中f∈R[a,b]是恒不为零的函数。

(6)

g∘f,其中f,g可积。

(7)

Dirichlet函数。

(8)

Riemann函数。

(9)

f∈R[a,b]在子区间[α,β]⊆[a,b]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) f是单调不减的有界函数,从而可积。

(4) f+g,fg都是有界函数,它们的间断点集是f的间断点集和g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|f|有正下界,则1/f有界,1/f的间断点是f的间断点,从而1/f可积。但如果|f|无下界,则1/f无界,从而f不可积。

(6) g∘f有界。若g连续,则g∘f的间断点集是f的间断点集的子集,从而是零测集,于是g∘f可积。若g不连续则存在反例,设g(x)=(sgnx)2,f为Riemann函数,则g∘f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) f∈R[α,β]。 ◻

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n,有(1)0.75n<(1n)1n+(2n)2n+⋯+(n−1n)n−1n+1<0.85n

解 设f(x)={xx,x>00,x=0,容易验证f可积。注意到(2)1n[(1n)1n+(2n)2n+⋯+(n−1n)n−1n+1]=∑i=1n1nf(in) 因此(3)limn→∞1n[(1n)1n+(2n)2n+⋯+(n−1n)n−1n+1]=∫01xxdx 由于f(x)是下凸函数且有极小值点x=e−1,f(x)=xx=exln⁡x≥1+xln⁡x,因此(4)∫01xxdx>∫01(1+xln⁡x)dx=[x+12x2ln⁡x−14x2]01=34∫01xxdx<f(0)+f(e−1)2(e−1−0)+f(e−1)+f(1)2(1−e−1)=1+e−e−12<0.85 因此对充分大的正整数n,有(5)0.75n<(1n)1n+(2n)2n+⋯+(n−1n)n−1n+1<0.85n ◻

例 9.3.3 设f:[0,+∞)→R连续且严格增,f(0)=0,f−1是其反函数。证明:∀a∈[0,+∞)、∀b∈f([0,+∞)),有(6)∫0af(x)dx+∫0bf−1(y)dy≥ab 其中等号成立当且仅当b=f(a)。

∫∫∫∫
a0b0fOabxya0b0fOabxyff(−(−x1x1)(x)(x d dx)x) d dxx

图 9.3.1: 题图

证明 题图给了我们一些提示。由于f严格增,故f−1同样严格增。

Step 1. 1∘ 若f可微,我们能够通过积分换元来证明。注意到(7)∫0f(a)f−1(x)dx→x=f(t)∫0atf′(t)dt=tf(t)|0a−∫0af(t)dt=af(a)−∫0af(t)dt 亦即(8)∫0af(x)dx+∫0f(a)f−1(x)dx=af(a)

2∘ 若f仅仅可积,我们需要通过定义来证明。对[0,a]的任意划分P:0=x0<x1<⋯<xn=a,f(P):0=f(x0)<f(x1)<⋯<f(xn)=f(a)亦是[0,f(a)]的划分,因此两者的Riemann和满足(9) S(f,P,{xk}k=1n)+S(f−1,f(P),{f(xk)}k=0n−1)=∑k=1n[f(xk)(xk−xk−1)+f−1(f(xk−1))(f(xk)−f(xk−1))]=∑k=1n[xkf(xk)−xk−1f(xk−1)]=af(a) 令∥P∥→0,即得(10)∫0af(x)dx+∫0f(a)f−1(x)dx=af(a)

Step 2. 若b≥f(a),则(11)∫0af(x)dx+∫0bf−1(y)dy=∫0af(x)dx+∫0f(a)f−1(x)dx+∫f(a)bf−1(y)dy≥af(a)+∫f(a)bf−1(f(a))dy=af(a)+f(a)(b−f(a))=ab

若b≤f(a),记c=f−1(b),则(12)∫0af(x)dx+∫0bf−1(y)dy=∫0cf(x)dx+∫0bf−1(y)dy+∫caf(x)dx≥cf(c)+∫caf(c)dx=cf(c)+f(c)(a−c)=ab

易见两者的取等条件均为b=f(a)。 ◻

例 9.3.4 设f:[a,b]→R是凸函数。证明f可积,且(13)f(a+b2)(b−a)≤∫abf(x)dx≤f(a)+f(b)2(b−a)

证明 因为f为凸函数,故f在开区间(a,b)内处处有单侧导数,从而在开区间(a,b)连续。∀x∈[a,b],记λ=b−xb−a∈[0,1],则有x=λa+(1−λ)b,由凸函数的定义可知(14)f(x)≤b−xb−af(a)+x−ab−af(b)=λf(a)+(1−λ)f(b)≤max{f(a),f(b)} 故函数有上界。再注意到(15)f(x)≥f+′(a+b2)(x−a+b2)+f(a+b2) 故函数有下界,且至多有两个间断点a,b,从而可积。因此(16)f(b+a2)(b−a)≤∫abf(x)dx≤f(a)+f(b)2(b−a) ◻

注 凸函数的定义:∀x1,x2∈[a,b],∀λ∈[0,1],有(17)f(λx1+(1−λ)x2)≤λf(x1)+(1−λ)f(x2)

例 9.3.5 设f有足够的可微性。对充分小的h,分别用(18)F1(h)=2f(0)h,F2(h)=[f(−h)+f(h)]h 作为F(h)=∫−hhf(x)dx的近似值。试分析误差的阶,并求常数λ,μ使得λF1(h)+μF2(h)有尽可能小(尽量高阶的无穷小)的误差。

解 记Rk(h)=Fk(h)−F(h),对Rk′进行Taylor展开,只保留h的偶次方项(19)R1′(h)=2f(0)−F′(h)=2f(0)−f(h)−f(−h)=2f(0)−[f(0)+12f″(0)h2+124f(4)(ξ1)h4]−[f(0)+12f″(0)h2+124f(4)(η1)h4]=−f″(0)h2−124[f(4)(ξ1)+f(4)(η1)]h4 (20)R2′(h)=f(−h)+f(h)+h[f′(h)−f′(−h)]−F′(h)=h[f′(h)−f′(−h)]=h[2f″(0)h+16f(4)(ξ2)h3+16f(4)(η2)h3]=2f″(0)h2+16[f(4)(ξ2)+f(4)(η2)]h4 故R1′,R2′均为二阶小量,因此R1,R2均为三阶小量。注意到(21)[2R1(h)+R2(h)]′=O(h4)⟹2R1(h)+R2(h)=O(h5),h→0 因此2R1+R2具有更高的阶,此时(22)O(h5)=2R1(h)+R2(h)=4f(0)h−[f(h)+f(−h)]h−3∫−hhf(x)dx 由此得到(23)∫−hhf(x)dx=f(−h)+4f(0)+f(h)3h+O(h5) 此即Simpson公式,其更一般的形式为(24)∫abf(x)dx=b−a6[f(a)+4f(a+b2)+f(b)]+O((b−a)5) ◻

9.3.3 定积分计算

例 9.3.6 计算以下定积分:

(1)

∫02|1−x|dx

(2)

∫011−x2dx

(3)

∫−11(2x+1)dx

解 画图。 ◻

例 9.3.7 计算以下定积分:

(1)

∫01xm−1(1−x)n−1dx,其中m,n∈N∗

(2)

∫0π/2sinn⁡xdx

(3)

∫0π/4dxcos⁡x

(4)

∫01x4−xdx

(5)

∫012x+x2dx

(6)

∫0ln⁡21+exdx

(7)

∫0πdx2+cos⁡x

(8)

∫03π/4sin⁡x1+cos2⁡xdx

解 (1) 记G(m,n):=∫01xm−1(m−1)!(1−x)n−1(n−1)!dx,由分部积分可得(25)G(m,n)=∫01(1−x)n−1(n−1)!dxmm!=(1−x)n−1(n−1)!xmm!|01−∫01xmm!d(1−x)n−1(n−1)!=∫01(1−x)n−2(n−2)!xmm!dx=G(m+1,n−1)=⋯=G(m+n−1,1)=∫01xm+n−2(m+n−2)!dx=1(m+n−1)! 因此(26)∫01xm−1(1−x)n−1dx=(m−1)!(n−1)!(m+n−1)!

(2) 记In=∫0π/2sinn⁡xdx,由分部积分可得(27)In=−∫0π/2sinn−1⁡xdcos⁡x=−sinn−1⁡xcos⁡x|0π/2+(n−1)∫0π/2sinn−2⁡xcos2⁡xdx=(n−1)(In−2−In)=n−1nIn−2=(n−1)(n−3)n(n−2)In−4=⋯=(n−1)!!n!!Inmod2 其中I0=π2、I1=1。

(3) (28)∫0π/4dxcos⁡x=ln⁡(sec⁡x+tan⁡x)|0π/4=ln⁡(1+2)

(4) (29)∫01x4−xdx=(−8x−x−32ln⁡(4−x))01=−9+32ln⁡43

(5) (30)∫012x+x2dx=[(x+1)x(x+2)2+ln⁡(x+2−x)]01=3+ln⁡(3−1)−ln⁡22

(6) (31)∫0ln⁡21+exdx=[21+ex+x−2ln⁡(1+ex+1)]0ln⁡2=2(3−2)+ln⁡2−2ln⁡3+12+1

(7) (32)∫0πdx2+cos⁡x=23arctan⁡tan⁡x23|0π=π3

(8) (33)∫03π/4sin⁡x1+cos2⁡xdx=−arctan⁡cos⁡x|03π/4=arctan⁡12+π4 ◻

例 9.3.8

(1)

设f∈C[0,1],证明:(34)∫0π/2f(sin⁡x)dx=∫0π/2f(cos⁡x)dx,∫0πxf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)dx

(2)

求:(35)∫0πxsin⁡x1+cos2⁡xdx

(3)

证明:∀α∈R,有(36)∫0π/2dx1+tanα⁡x=∫0π/2dx1+cotα⁡x

解 (1) 令t=π2−x,则有(37)∫0π/2f(sin⁡x)dx=∫π/20f(cos⁡t)d(−t)=∫0π/2f(cos⁡x)dx

令t=π−x,则有(38)∫0πxf(sin⁡x)dx=∫π0(π−t)f(sin⁡t)d(−t)=π∫0πf(sin⁡x)dx−∫0πxf(sin⁡x)dx⟹∫0πxf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)dx

(2) 由(1)可得(39)∫0πxsin⁡x1+cos2⁡xdx=π2∫0πsin⁡x1+cos2⁡xdx=π2(−arctan⁡cos⁡x)0π=π24

(3) 令t=π2−x,则有(40)∫0π/2dx1+tanα⁡x=∫π/20d(−t)1+cotα⁡t=∫0π/2dx1+cotα⁡x ◻

例 9.3.9

(1)

设f连续,证明:(41)∫0x(x−t)f(t)dt=∫0x(∫0tf(s)ds)dt

(2)

求:(42)∫01x(∫1x2e−t2dt)dx

解 (1) 因为f连续,故F(t):=∫0tf(s)ds可微,由分部积分可得(43)∫0x∫0tf(s)dsdt=∫0xF(t)dt=tF(t)|0x−∫0xtF′(t)dt=∫0x(x−t)f(t)dt

(2) 由分部积分可得(44)∫01x∫1x2e−t2dtdx=x22∫1x2e−t2dt|x=01−∫01x22e−x4d(x2)=14(e−1−1) ◻

9.3.4 有关定积分的证明题

例 9.3.10 设f可积,在x=0处连续。证明:(45)limh→0+∫−11hx2+h2f(x)dx=πf(0)

证明 不妨设f(0)=0,否则可以考虑g:x↦f(x)−f(0),此时有(46)limh→0+∫−11hx2+h2g(x)dx=limh→0+∫−11hx2+h2f(x)dx−f(0)limh→0+∫−11hx2+h2dx 而(47)∫−11hx2+h2dx=arctan⁡xh|−11=2arctan⁡1h→π,h→0+

由于f可积,故f在[−1,1]上有界,即∀x∈[−1,1],有|f(x)|≤M,其中M>0。由于f在x=0处连续,故∀ε>0,∃δ>0使得|x|<δ⟹|f(x)|<ε。因此(48)|∫−11hx2+h2f(x)dx|=|∫|x|<δhx2+h2f(x)dx+∫δ≤|x|≤1hx2+h2f(x)dx|≤ε∫−δδhx2+h2dx+2hMδ2=εarctan⁡xh|−δδ+2hMδ2=2εarctan⁡δh+2hMδ2≤πε+2hMδ2<?4ε 取0<h<δ22M(4−π)ε即可。因此(49)limh→0+∫−11hx2+h2f(x)dx=0=πf(0) ◻

例 9.3.11 设f∈C[0,2π],证明:(50)limn→+∞∫02πf(x)|sin⁡nx|dx=2π∫02πf(x)dx

证明 由积分换元、积分中值定理、Riemann和定义可得(51)∫02πf(x)|sin⁡nx|dx=∑k=12n∫(k−1)πnkπnf(x)|sin⁡nx|dx=∑k=12n∫(k−1)πkπf(tn)|sin⁡t|dtn=∑k=12n1nf(ξk)∫(k−1)πkπ|sin⁡t|dt,ξk∈((k−1)πn,kπn)=2π∑k=12nf(ξk)2π2n→2π∫02πf(x)dx,n→+∞ ◻

例 9.3.12 设f∈C[a,b],证明:(52)limn→+∞(∫ab|f(x)|ndx)1/n=M=maxx∈[a,b]|f(x)|

证明 任取M1<M3<M<M2,注意到(53)(∫ab|f(x)|ndx)1/n≤(∫abMndx)1/n=Mb−an→M,n→+∞ 由于f连续,故存在|f|最大值点ξ的一个邻域[α,β]使得x∈[α,β]⟹|f(x)|>M3,因此(54)(∫ab|f(x)|ndx)1/n≥(∫αβM3ndx)1/n=M3β−αn→M3,n→+∞ 由极限的保号性可得∀M1,M2满足M1<M<M2,均有(55)M1<M3≤(∫ab|f(x)|ndx)1/n≤M<M2⟹limn→+∞(∫ab|f(x)|ndx)1/n=M ◻

例 9.3.13 (Riemann-Lebesgue)设f∈R[a,b],证明:(56)limn→+∞∫abf(x)sin⁡nxdx=0

证明 本题比作业题要难得多,其基本思路是:当n非常大时,sin⁡nx的周期非常小,f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f在[a−2π,a)∪(b,b+2π]上的值恒为0。设K0∈Z、K∈N∗满足(57)2πnK0≤a<2πn(K0+1),2πn(K0+K−1)<b≤2πn(K0+K) 记xi:=2πnK0+πni、ωi=supy,z∈[x2i−2,x2i]|f(y)−f(z)|,由Riemann可积的定义知(58)limn→+∞∑i=1Kωi2πn=0 由积分中值定理可得(59)∫abf(x)sin⁡nxdx=∑i=12K∫xi−1xif(x)sin⁡nxdx=∑i=12Kf(ξi)∫xi−1xisin⁡nxdx 其中ξi∈[xi−1,xi]。注意到(60)∫xi−1xisin⁡nxdx=2n(−1)i−1 故有(61)∫abf(x)sin⁡nxdx=2n∑i=12K(−1)i−1f(ξi)=2n∑i=1K[f(ξ2i−1)−f(ξ2i)]|∫abf(x)sin⁡nxdx|≤2n∑i=1K|f(ξ2i−1)−f(ξ2i)|≤2n∑i=1Kωi→0,n→+∞ 亦即(62)limn→+∞∫abf(x)sin⁡nxdx=0 ◻

例 9.3.14 设f∈R[a,b]且f恒正。求证:2(63)∫abf(x)dx>0

证明 由于f可积,故f的间断点集为零测集,故f必存在连续点ξ,f(ξ)>0。取ε=f(ξ)2,则∃δ∈(0,b−a2)使得(64)|x−ξ|<δ⟹−f(ξ)2<f(x)−f(ξ)<f(ξ)2⟹f(x)>f(ξ)2 由于[ξ−δ,ξ]⊆[a,b]和[ξ,ξ+δ]⊆[a,b]中必有之一成立,不妨设为[ξ,ξ+δ],否则可以考虑f(a+b−x),则有(65)∫abf(x)dx≥∫ξξ+δf(x)dx>∫ξξ+δf(ξ)2dx=f(ξ)2δ>0 ◻

另证 由定积分(极限)的保号性,很容易证明(66)∫abf(x)dx≥∫ab0dx=0

为了排除这个等式,我们考虑使用反证法。假设∫abf(x)dx=0,任给[a,b]的划分P和标志点集{xk}k=1n,当∥P∥→0时,Darboux上和S―(f,P,{xk}k=1n)收敛于0。于是∀ε1>0,∃[a1,b1]⊂[a,b]使得x∈[a1,b1]⟹f(x)<ε1,否则∃ξi∈[xi−1,xi]使得f(ξi)≥ε1,此时有(67)S―(f,P,{xk}k=1n)≥∑i=1nε1(xi−xi−1)=ε1(b−a) 与其收敛于0矛盾。

记a0:=a、b0:=b。取ε=1i+1,由上述论证可知对任意区间[ai,bi],存在区间[ai+1,bi+1]⊂[ai,bi]且满足bi+1−ai+1≤bi−ai2,使得x∈[ai+1,bi+1]⟹f(x)<ε=1i+1。由有界闭区间套定理可知∃ξ∈⋂i=0+∞[ai,bi]使得f(ξ)=0,与f恒正矛盾。 ◻

例 9.3.15 设非负函数f∈R[a,b],f的间断点集为D,证明:(68)∫abf(x)dx=0⟺f(x)=0,∀x∈[a,b]∖D

证明 ⟹:采用反证法。假设∫abf(x)dx=0,却∃x0∈[a,b]使得f在x0处连续且f(x0)≠0。取ε=12f(x0),则∃δ>0使得(69)x∈(x−δ,x+δ)∩[a,b]⟹|f(x)−f(x0)|<12f(x0)⟹f(x)>12f(x0) 不妨设x0为[a,b]的内点以及δ充分小,使得(x0−δ,x0+δ)⊆[a,b],则有(70)∫abf(x)dx=∫ax0−δf(x)dx+∫x0−δx0+δf(x)dx+∫x0+δbf(x)dx≥0+12f(x0)⋅2δ+0=δf(x0)>0 与∫abf(x)dx=0矛盾。故假设不成立,即f(x)=0,∀x∈[a,b]∖D。

⟸: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f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f的连续点集在[a,b]上稠密就足够了,这样可以通过标志点集的任意选择使得f的Riemann和始终为0。

下面依次证明:(1) f的连续点集在[a,b]上稠密,即对[a,b]的任意子区间I,存在ξ∈I使得f在ξ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f在[a,b]上的积分值为I。根据Riemann积分的定义,∀ε>0,∃[a,b]的划分P:a=x0<x1<⋯<xn−1<xn=b和标志点集{ξi}i=1n,使得(71)I−ε4(b−a)<∑i=1nf(ξi)Δxi<I+ε4(b−a) 由于标志点ξi∈[xi−1,xi]的任意性,因此上述Riemann和的上下确界就满足相应的不等式(72)I−ε4(b−a)≤∑i=1nmiΔxi≤∑i=1nMiΔxi≤I+ε4(b−a) 其中Mi,mi分别是f在[xi−1,xi]上的上、下确界。记ωi:=Mi−mi为f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(73)∑i=1nωiΔxi≤ε2(b−a)<ε(b−a) 此时至少存在一个i∈{1,2,⋯,n}使得ωi<ε。

任取子区间[a0,b0]⊆[a,b],则f∈R[a0,b0]。取εn=12n,使得f在[a0,b0]上的某个子区间的振幅小于12,将它记为区间[a1,b1];在必要时缩小该区间,使得a0<a1<b1<b0。

接下来在[a1,b1]上重复上述过程得到区间[a2,b2],使得f在该区间上的振幅小于14且a1<a2<b2<b1。由此得到了一个区间套{[an,bn]}n=0+∞,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,∃ξ∈⋂n=0+∞[an,bn]⊆[a,b]。

我们接下来证明f在ξ处连续。∀ε>0,∃N>0使得12N<ε,于是[aN,bN]上f的振幅小于ε。由于ξ满足不等式aN<ξ<bN,故只要取δ<min{ξ−aN,bN−ξ}即可保证(74)|x−ξ|<δ⟹|f(x)−f(ξ)|≤12N<ε 即f在ξ处连续。由[a0,b0]的任意性,f在其任意子区间内都有连续点,故f的连续点集在[a,b]上稠密。

(2) 由于连续点稠密,故对[a,b]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f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。 ◻

2本题和下题均参考:谢惠民,恽自求,易法槐,钱定边:数学分析习题课讲义(第2版)(上册)。