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)=supatxg(t)

(4)

f+g,fg,其中f,gR[a,b]

(5)

1/f,其中fR[a,b]是恒不为零的函数。

(6)

gf,其中f,g可积。

(7)

Dirichlet函数。

(8)

Riemann函数。

(9)

fR[a,b]在子区间[α,β][a,b]上。

(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) gf有界。若g连续,则gf的间断点集是f的间断点集的子集,从而是零测集,于是gf可积。若g不连续则存在反例,设g(x)=(sgnx)2f为Riemann函数,则gf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) fR[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++(n1n)n1n+1<0.85n

f(x)={xx,x>00,x=0,容易验证f可积。注意到(2)1n[(1n)1n+(2n)2n++(n1n)n1n+1]=i=1n1nf(in) 因此(3)limn1n[(1n)1n+(2n)2n++(n1n)n1n+1]=01xxdx 由于f(x)是下凸函数且有极小值点x=e1f(x)=xx=exlnx1+xlnx,因此(4)01xxdx>01(1+xlnx)dx=[x+12x2lnx14x2]01=3401xxdx<f(0)+f(e1)2(e10)+f(e1)+f(1)2(1e1)=1+ee12<0.85 因此对充分大的正整数n,有(5)0.75n<(1n)1n+(2n)2n++(n1n)n1n+1<0.85n

例 9.3.3 f:[0,+)R连续且严格增,f(0)=0f1是其反函数。证明:a[0,+)bf([0,+)),有(6)0af(x)dx+0bf1(y)dyab 其中等号成立当且仅当b=f(a)

∫a∫bOabxy∫a∫bOabxyffff(−(−x1x1)()(xxd)d)xxddxx
0000

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f1同样严格增。

Step 1. 1f可微,我们能够通过积分换元来证明。注意到(7)0f(a)f1(x)dxx=f(t)0atf(t)dt=tf(t)|0a0af(t)dt=af(a)0af(t)dt 亦即(8)0af(x)dx+0f(a)f1(x)dx=af(a)

2f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=af(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(f1,f(P),{f(xk)}k=0n1)=k=1n[f(xk)(xkxk1)+f1(f(xk1))(f(xk)f(xk1))]=k=1n[xkf(xk)xk1f(xk1)]=af(a)P0,即得(10)0af(x)dx+0f(a)f1(x)dx=af(a)

Step 2. 若bf(a),则(11)0af(x)dx+0bf1(y)dy=0af(x)dx+0f(a)f1(x)dx+f(a)bf1(y)dyaf(a)+f(a)bf1(f(a))dy=af(a)+f(a)(bf(a))=ab

bf(a),记c=f1(b),则(12)0af(x)dx+0bf1(y)dy=0cf(x)dx+0bf1(y)dy+caf(x)dxcf(c)+caf(c)dx=cf(c)+f(c)(ac)=ab

易见两者的取等条件均为b=f(a)

例 9.3.4 f:[a,b]R是凸函数。证明f可积,且(13)f(a+b2)(ba)abf(x)dxf(a)+f(b)2(ba)

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=bxba[0,1],则有x=λa+(1λ)b,由凸函数的定义可知(14)f(x)bxbaf(a)+xabaf(b)=λf(a)+(1λ)f(b)max{f(a),f(b)} 故函数有上界。再注意到(15)f(x)f+(a+b2)(xa+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)(ba)abf(x)dxf(a)+f(b)2(ba)

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

例 9.3.5 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。

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)h2124[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)]h4R1,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),h0 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)]h3hhf(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=ba6[f(a)+4f(a+b2)+f(b)]+O((ba)5)

9.3.3 定积分计算

例 9.3.6 计算以下定积分:

(1)

02|1x|dx

(2)

011x2dx

(3)

11(2x+1)dx

画图。

例 9.3.7 计算以下定积分:

(1)

01xm1(1x)n1dx,其中m,nN

(2)

0π/2sinnxdx

(3)

0π/4dxcosx

(4)

01x4xdx

(5)

012x+x2dx

(6)

0ln21+exdx

(7)

0πdx2+cosx

(8)

03π/4sinx1+cos2xdx

(1) 记G(m,n):=01xm1(m1)!(1x)n1(n1)!dx,由分部积分可得(25)G(m,n)=01(1x)n1(n1)!dxmm!=(1x)n1(n1)!xmm!|0101xmm!d(1x)n1(n1)!=01(1x)n2(n2)!xmm!dx=G(m+1,n1)==G(m+n1,1)=01xm+n2(m+n2)!dx=1(m+n1)! 因此(26)01xm1(1x)n1dx=(m1)!(n1)!(m+n1)!

(2) 记In=0π/2sinnxdx,由分部积分可得(27)In=0π/2sinn1xdcosx=sinn1xcosx|0π/2+(n1)0π/2sinn2xcos2xdx=(n1)(In2In)=n1nIn2=(n1)(n3)n(n2)In4==(n1)!!n!!Inmod2 其中I0=π2I1=1

(3) (28)0π/4dxcosx=ln(secx+tanx)|0π/4=ln(1+2)

(4) (29)01x4xdx=(8xx32ln(4x))01=9+32ln43

(5) (30)012x+x2dx=[(x+1)x(x+2)2+ln(x+2x)]01=3+ln(31)ln22

(6) (31)0ln21+exdx=[21+ex+x2ln(1+ex+1)]0ln2=2(32)+ln22ln3+12+1

(7) (32)0πdx2+cosx=23arctantanx23|0π=π3

(8) (33)03π/4sinx1+cos2xdx=arctancosx|03π/4=arctan12+π4

例 9.3.8

(1)

fC[0,1],证明:(34)0π/2f(sinx)dx=0π/2f(cosx)dx,0πxf(sinx)dx=π20πf(sinx)dx

(2)

求:(35)0πxsinx1+cos2xdx

(3)

证明:αR,有(36)0π/2dx1+tanαx=0π/2dx1+cotαx

(1) 令t=π2x,则有(37)0π/2f(sinx)dx=π/20f(cost)d(t)=0π/2f(cosx)dx

t=πx,则有(38)0πxf(sinx)dx=π0(πt)f(sint)d(t)=π0πf(sinx)dx0πxf(sinx)dx0πxf(sinx)dx=π20πf(sinx)dx

(2) 由(1)可得(39)0πxsinx1+cos2xdx=π20πsinx1+cos2xdx=π2(arctancosx)0π=π24

(3) 令t=π2x,则有(40)0π/2dx1+tanαx=π/20d(t)1+cotαt=0π/2dx1+cotαx

例 9.3.9

(1)

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

(2)

求:(42)01x(1x2et2dt)dx

(1) 因为f连续,故F(t):=0tf(s)ds可微,由分部积分可得(43)0x0tf(s)dsdt=0xF(t)dt=tF(t)|0x0xtF(t)dt=0x(xt)f(t)dt

(2) 由分部积分可得(44)01x1x2et2dtdx=x221x2et2dt|x=0101x22ex4d(x2)=14(e11)

9.3.4 有关定积分的证明题

例 9.3.10 f可积,在x=0处连续。证明:(45)limh0+11hx2+h2f(x)dx=πf(0)

证明 不妨设f(0)=0,否则可以考虑g:xf(x)f(0),此时有(46)limh0+11hx2+h2g(x)dx=limh0+11hx2+h2f(x)dxf(0)limh0+11hx2+h2dx(47)11hx2+h2dx=arctanxh|11=2arctan1hπ,h0+

由于f可积,故f[1,1]上有界,即x[1,1],有|f(x)|M,其中M>0。由于fx=0处连续,故ε>0δ>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|εδδhx2+h2dx+2hMδ2=εarctanxh|δδ+2hMδ2=2εarctanδh+2hMδ2πε+2hMδ2<?4ε0<h<δ22M(4π)ε即可。因此(49)limh0+11hx2+h2f(x)dx=0=πf(0)

例 9.3.11 fC[0,2π],证明:(50)limn+02πf(x)|sinnx|dx=2π02πf(x)dx

证明 由积分换元、积分中值定理、Riemann和定义可得(51)02πf(x)|sinnx|dx=k=12n(k1)πnkπnf(x)|sinnx|dx=k=12n(k1)πkπf(tn)|sint|dtn=k=12n1nf(ξk)(k1)πkπ|sint|dt,ξk((k1)πn,kπn)=2πk=12nf(ξk)2π2n2π02πf(x)dx,n+

例 9.3.12 fC[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=MbanM,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=M3βαnM3,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/nM<M2limn+(ab|f(x)|ndx)1/n=M

例 9.3.13 (Riemann-Lebesgue)设fR[a,b],证明:(56)limn+abf(x)sinnxdx=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,sinnx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[a2π,a)(b,b+2π]上的值恒为0。设K0ZKN满足(57)2πnK0a<2πn(K0+1),2πn(K0+K1)<b2πn(K0+K)xi:=2πnK0+πniωi=supy,z[x2i2,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)sinnxdx=i=12Kxi1xif(x)sinnxdx=i=12Kf(ξi)xi1xisinnxdx 其中ξi[xi1,xi]。注意到(60)xi1xisinnxdx=2n(1)i1 故有(61)abf(x)sinnxdx=2ni=12K(1)i1f(ξi)=2ni=1K[f(ξ2i1)f(ξ2i)]|abf(x)sinnxdx|2ni=1K|f(ξ2i1)f(ξ2i)|2ni=1Kωi0,n+ 亦即(62)limn+abf(x)sinnxdx=0

例 9.3.14 fR[a,b]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ξf(ξ)>0。取ε=f(ξ)2,则δ(0,ba2)使得(64)|xξ|<δf(ξ)2<f(x)f(ξ)<f(ξ)2f(x)>f(ξ)2 由于[ξδ,ξ][a,b][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+bx),则有(65)abf(x)dxξξ+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)dxab0dx=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P0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[xi1,xi]使得f(ξi)ε1,此时有(67)S(f,P,{xk}k=1n)i=1nε1(xixi1)=ε1(ba) 与其收敛于0矛盾。

a0:=ab0:=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+1ai+1biai2,使得x[ai+1,bi+1]f(x)<ε=1i+1。由有界闭区间套定理可知ξi=0+[ai,bi]使得f(ξ)=0,与f恒正矛盾。

例 9.3.15 设非负函数fR[a,b]f的间断点集为D,证明:(68)abf(x)dx=0f(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fx0处连续且f(x0)0。取ε=12f(x0),则δ>0使得(69)x(xδ,x+δ)[a,b]|f(x)f(x0)|<12f(x0)f(x)>12f(x0) 不妨设x0[a,b]的内点以及δ充分小,使得(x0δ,x0+δ)[a,b],则有(70)abf(x)dx=ax0δf(x)dx+x0δx0+δf(x)dx+x0+δbf(x)dx0+12f(x0)2δ+0=δf(x0)>0abf(x)dx=0矛盾。故假设不成立,即f(x)=0x[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ξI使得fξ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[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<<xn1<xn=b和标志点集{ξi}i=1n,使得(71)Iε4(ba)<i=1nf(ξi)Δxi<I+ε4(ba) 由于标志点ξi[xi1,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)Iε4(ba)i=1nmiΔxii=1nMiΔxiI+ε4(ba) 其中Mi,mi分别是f[xi1,xi]上的上、下确界。记ωi:=Mimif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=1nωiΔxiε2(ba)<ε(ba) 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fR[a0,b0]。取εn=12n,使得f[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14a1<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,ξn=0+[an,bn][a,b]

我们接下来证明fξ处连续。ε>0N>0使得12N<ε,于是[aN,bN]f的振幅小于ε。由于ξ满足不等式aN<ξ<bN,故只要取δ<min{ξaN,bNξ}即可保证(74)|xξ|<δ|f(x)f(ξ)|12N<εfξ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)