6.3 习题课讲解

6.3.1 计算含参积分的导数

例 6.3.1 (star) 设f:R2→R∈C1,计算:(1)ddx∫a(x)b(x)f(x,t)dt

解 分别对积分下限、积分上限和被积函数求导可得(2)ddx∫a(x)b(x)f(x,t)dt=f(x,b(x))b′(x)−f(x,a(x))a′(x)+∫a(x)b(x)∂f∂x(x,t)dt ◻

例 6.3.2 (讲义例5.5,star) 已知(3)I(x):=∫sin⁡xcos⁡xet2+xtdt 求I′(0)。

解 代入上题的公式可得(4)I′(x)=ecos2⁡x+xcos⁡x(−sin⁡x)−esin2⁡x+xsin⁡xcos⁡x+∫sin⁡xcos⁡xtet2+xtdt 因此(5)I′(0)=−1+∫01tet2dt=−1+12et2|01=12(e−3) ◻

例 6.3.3 (例2,star) 设f:R2→R连续,证明:(6)F(x):=∫0xdt∫t2x2f(t,s)ds 可微,并求它的导数。

证明 记G(x,t):=∫t2x2f(t,s)ds,证明思路为:

  • f(t,⋅)连续⟹G(x,t)关于积分上限x2可微,x2关于x可微⟹G(⋅,t)可微、Gx(x,t)=2x⋅f(t,x2)关于x连续⟹F(x)关于被积函数中的参数x可微;
  • G(x,⋅)关于积分下限t2和被积函数的参数t连续、t2关于t连续⟹G连续(见例 2.3.23)⟹F(x)关于积分上限x可微。

因此F可微,且有(7)F′(x)=G(x,x)+∫0xGx(x,t)dt=2x∫0xf(t,x2)dt ◻

例 6.3.4 (讲义题目5.3,star) 设f∈C(R2),求下列函数的导函数:(8)F(x)=∫0xdt∫t2xf(t,s)ds;G(t)=∫0tdy∫0tf(x,y)dx

解 由导数公式(先对积分限求导、再对被积函数求导)可得(9)F′(x)=∫x2xf(x,s)ds+∫0xdt⋅∂∂x∫t2xf(t,s)ds=∫x2xf(x,s)ds+∫0xf(t,x)dtG′(t)=∫0tf(x,t)dx+∫0tdy⋅∂∂t∫0tf(x,y)dx=∫0tf(x,t)dx+∫0tf(t,y)dy ◻

6.3.2 计算含参积分

本小节内容以计算含参积分的方法为主,故略去对一致收敛性的讨论。

例 6.3.5 (习题课3·例12,star) 计算以下积分:

(1)

∫0π/2ln⁡(a2sin2⁡x+b2cos2⁡x)dx,其中a>0、b>0。

(2)

∫0π/2arctan⁡(λtan⁡x)tan⁡xdx,其中λ>0。

解 (1) 令(10)F(b):=∫0π/2ln⁡(a2sin2⁡x+b2cos2⁡x)dx 显然F(a)=0,计算可得(11)F′(b)=∫0π/22bcos2⁡xa2sin2⁡x+b2cos2⁡xdx=2b∫0π/2dxa2tan2⁡x+b2=πa+b 故有(12)F(b)=F(a)+∫abF′(t)dt=πln⁡a+b2

(2) 令(13)G(λ):=∫0π/2arctan⁡(λtan⁡x)tan⁡xdx 注意到(14)limx→0+arctan⁡(λtan⁡x)tan⁡x=limx→0+λtan⁡x+o(tan⁡x)tan⁡x=λlimx→π2−arctan⁡(λtan⁡x)tan⁡x=limx→π2−π2+o(1)tan⁡x=0 故此积分不为瑕积分。显然G(0)=0,计算可得(15)G′(λ)=∫0π/211+λ2tan2⁡xdx=π2(1+λ) 故有(16)G(λ)=G(0)+∫0λG′(t)dt=π2ln⁡(1+λ) ◻

注 若不限定a,b,λ>0,需要特别注意参数的取值范围,此时本题的答案为(17)(1)=πln⁡|a|+|b|2,(2)=π2sgnλln⁡(1+|λ|)

例 6.3.6 (例3) 计算:(18)∫0π/2ln⁡1+12cos⁡x1−12cos⁡x⋅1cos⁡xdx

解 记(19)F(α)=∫0π/2ln⁡1+αcos⁡x1−αcos⁡x⋅1cos⁡xdx,−1<α<1 容易发现F(0)=0,对参数求导可得(20)F′(α)=∫0π/211+αcos⁡x+11−αcos⁡xdx=∫0π/221−α2cos2⁡xdx=∫0π/22dtan⁡x1+tan2⁡x−α2=u=tan⁡x1−α221−α2∫0+∞du1+u2=π1−α2 积分可得(21)F(α)=F(0)+∫0αF′(t)dt=∫0απ1−t2dt=πarcsin⁡α 题目所求即为F(12)=π26。 ◻

例 6.3.7 (例4) 计算:(22)∫0π/2ln⁡(sin2⁡θ+x2cos2⁡θ)dθ

解 不妨设x≥0,记(23)F(x)=∫0π/2ln⁡(sin2⁡θ+x2cos2⁡θ)dθ 容易发现F(1)=0,对参数求导可得(24)F′(x)=∫0π/22xcos2⁡θsin2⁡θ+x2cos2⁡θdθ=u=tan⁡θ2x∫0+∞1u2+x211+u2du=2xx2−1∫0+∞11+u2−1u2+x2du=2xx2−1π2(1−1x)=πx+1 求导后的被积函数在(0,+∞)上内闭一致收敛,故积分可得(25)F(x)=∫1xπt+1dt=πln⁡x+12,x>0 此后需要证明(26)F(0)=2∫0π/2ln⁡sin⁡θdθ=−π2ln⁡2=πln⁡1+02 ◻

例 6.3.8 (例5,star) 证明:(27)∫02πetcos⁡θcos⁡(tsin⁡θ)dθ=2π,t∈R

证明 注意到(28)I(t):=ℜ∫02πetcos⁡θeitsin⁡θdθ=ℜ∫02πexp⁡(teiθ)dθ=:ℜJ(t) 当t>0时,考虑复变函数f:z↦ezz,设Γ={z∈C∣|z|=t},则(29)J(t)=∮Γezdziz=2π⋅12πi∮Γf(z)dz=2πRes[f,0]=2π 因此(30)I(t)=2π,t>0 结合I为偶函数以及I的连续性,可得I(t)=2π对∀t∈R成立。 ◻

另证 如不借助复变函数,可以注意到(31)I′(t)=∫02πetcos⁡θ[cos⁡θcos⁡(tsin⁡θ)−sin⁡θsin⁡(tsin⁡θ)]dθ=1t∫02πetcos⁡θdsin⁡(tsin⁡θ)−∫02πetcos⁡θsin⁡θsin⁡(tsin⁡θ)dθ=1tetcos⁡θsin⁡(tsin⁡θ)|θ=02π−1t∫02πetcos⁡θ(−tsin⁡θ)sin⁡(tsin⁡θ)dθ −∫02πetcos⁡θsin⁡θsin⁡(tsin⁡θ)dθ=0+0=0 也可以利用数学归纳法证明(32)F(n)(t)=∫02πetcos⁡θcos⁡(nθ+tsin⁡θ)dθ,n∈N∗ 且F(n)(t)=0、F(0)=2π,由带Lagrange余项的Taylor公式即可得到F(t)=2π。 ◻

例 6.3.9 (讲义例5.9,star) 已知∫0+∞sin⁡xxdx=π2,计算:(33)∫0+∞cos⁡ax−cos⁡bxx2dx,b>a>0

解 任意给定t>0,作变量替换y=tx,则(34)∫0+∞sin⁡txxdx=∫0+∞sin⁡yydy=π2,∀t>0 注意到(35)∫0+∞cos⁡ax−cos⁡bxx2dx=∫0+∞dx∫absin⁡txxdt 函数sin⁡txx可以连续延拓到R2上,利用Dirichlet判别法可知∫0+∞sin⁡txxdx关于参变量t∈[a,b]一致收敛,因此上式右端可以交换积分次序,于是得到(36)∫0+∞cos⁡ax−cos⁡bxx2dx=∫abdt∫0+∞sin⁡txxdx=∫abπ2dt=π2(b−a) ◻

例 6.3.10 (讲义题目5.6,star) 计算:(37)I=∫01ln⁡(1+x)1+x2dx

解 构造含参积分(38)I(α):=∫01ln⁡(1+αx)1+x2dx,α>0 显然I(0)=0,对参数求导可得(39)I′(α)=∫01x(1+αx)(1+x2)dx 考虑分解(40)x(1+αx)(1+x2)=Ax+B1+x2+C1+αx⟹x=(Ax+B)(1+αx)+C(1+x2) 令x=−1α可得C=−α1+α2;令x=i可得(41)i=(Ai+B)(1+αi)=(B−Aα)+(A+Bα)i⟹A=11+α2,B=α1+α2 因此(42)I′(α)=11+α2∫01[x+α1+x2−α1+αx]dx=11+α2[12ln⁡(1+x2)+αarctan⁡x−ln⁡(1+αx)]01=11+α2[12ln⁡2+π4α−ln⁡(1+α)] 积分可得(43)I(1)=I(0)+∫01I′(t)dt=ln⁡22∫01dt1+t2+π8∫012tdt1+t2−∫01ln⁡(1+t)1+t2dt⏟I(1) 代入α=1可解得(44)I(1)=ln⁡24⋅π4+π16⋅ln⁡2=π8ln⁡2 ◻

例 6.3.11 (讲义题目5.24,star) 计算:(45)I(m):=∫0+∞e−αx−e−βxxsin⁡mxdx

解 显然I(0)=0。设m>0,对参数求导可得(46)I′(m)=∫0+∞(e−αx−e−βx)cos⁡mxdx 利用待定系数法可得(47)∫0+∞e−αxcos⁡mxdx=e−αxm2+α2(−αcos⁡mx+msin⁡mx)|x=0+∞=αm2+α2 因此(48)I(m)=I(0)+∫0mI′(t)dt=∫0m(αt2+α2−βt2+β2)dt=arctan⁡mα−arctan⁡mβ=arctan⁡mα−mβ1+m2αβ=arctan⁡m(β−α)αβ+m2 ◻

例 6.3.12 (讲义题目5.34,star) 计算Laplace积分:(49)I=∫0+∞cos⁡x1+x2dx

解 构造含参积分(50)I(α)=∫0+∞cos⁡αx1+x2dx,α>0 显然I(0)=π2,对参数求导可得(51)I′(α)=−∫0+∞xsin⁡αx1+x2dx=−∫0+∞(1−11+x2)sin⁡αxxdx=−∫0+∞sin⁡αxxdx+∫0+∞sin⁡αxx(1+x2)dx=−π2+∫0+∞sin⁡αxx(1+x2)dx 显然I′(0)=−π2,继续对参数求导可得(52)I″(α)=∫0+∞cos⁡αx1+x2dx=I(α) 由此可得微分方程(53)I″(α)−I(α)=0,I(0)=π2,I′(0)=−π2 解得(54)I(α)=π2e−α⟹I(1)=π2e ◻

另解 令R>0,注意到(55)∫0Rcos⁡αx1+x2dx=∫0Reiαx+e−iαx2(1+x2)dx=12∫−RReiαx1+x2dx,α>0 函数f(z):=eiαz1+z2在上半平面除去一级极点z=i外处处解析,取CR为从(R,0)到(−R,0)的逆时针半圆弧、围道ΓR为从(−R,0)到(R,0)的直线与CR的拼接,由留数定理可得(56)∫−RRf(z)dz+∫CRf(z)dz=2πi⋅Res[f,i]=2πi⋅limz→i(z−i)f(z)=2πi⋅e−α2i=πe−α 令R→+∞,注意到(57)|∫CRf(z)dz|≤∫CR|eiαz1+z2|⋅|dz|≤∫CRdℓ|z−i||z+i|≤πR(R−1)2→0,R→+∞ 故有(58)∫0+∞cos⁡αx1+x2dx=12limR→+∞∫−RRf(z)dz=12⋅πe−α=π2e−α ◻

6.3.3 与含参积分有关的证明题

例 6.3.13 (例1,star) 设f在区间[0,1]连续,讨论F(t):=∫01tx2+t2f(x)dx的连续性。

解 因为F是奇函数,故我们只需要考虑t≥0的情况。当t0>0时,易知tx2+t2f(x)在[0,1]×[t02,2t0]上连续,从而F在t0处连续。

当t0=0时,易知F(0)=0。由f的连续性可得∀ε>0,∃δ(ε)∈(0,1)使得|x|<δ⟹|f(x)−f(0)|<ε,于是(59)F(t)=∫01tx2+t2f(x)dx=x=ty∫01/t11+y2f(ty)dy=∫0δ/t1y2+1f(0)dy⏟I1+∫0δ/t1y2+1[f(ty)−f(0)]dy⏟I2+∫δ/t1/t1y2+1f(ty)dy⏟I3 其中当t→0+时,记M:=maxx∈[0,1]|f(x)|,则有(60)I1=∫0δ/t1y2+1f(0)dy=f(0)arctan⁡δt→π2f(0)|I2|=|∫0δ/t1y2+1[f(ty)−f(0)]dy|≤∫0δ/t1y2+1εdy=εarctan⁡δt→π2ε|I3|=|∫δ/t1/t1y2+1f(ty)dy|≤∫δ/t1/t1y2+1Mdy=M(arctan⁡1t−arctan⁡δt)=M1t−δt1+ξ2t2≤Mt⋅δ2t2=Mtδ2→0,ξ∈(δ,1) 再令ε→0+可得limt→0+F(t)=π2f(0),即F在t=0处连续当且仅当f(0)=0。 ◻

另解 也可以这么处理limt→0+F(t):(61)limt→0+F(t)=limt→0+∫0t1/3tx2+t2f(x)dx⏟I1+limt→0+∫t1/31tx2+t2f(x)dx⏟I2 其中(62)I1=limt→0+f(ξt)limt→0+∫0t1/3tx2+t2dx=f(limt→0+ξt)limt→0+arctan⁡t1/3t=π2f(0)|I2|≤limt→0+t(1−t1/3)t2/3+t2maxx∈[0,1]|f(x)|=0⟹I2=0 因此(63)limt→0+F(t)=π2f(0) ◻

例 6.3.14 (讲义题目5.12,star) 证明:(64)∫0+∞e−1α2(x−1α)2dx 在0<α<1上一致收敛。

解 原积分可化为(65)I=t=xαα∫0+∞e−(t−1α2)2dt≤α∫−∞+∞e−(t−1α2)2dt=u=t−1α2α∫−∞+∞e−u2du=απ≤π 由Weierstrass强函数判别法知原积分在0<α<1上一致收敛。 ◻

例 6.3.15 (讲义题目5.18,star) 证明:(66)∫0+∞xsin⁡αxα(1+x2)dx 在α>0上非一致收敛。

解 注意到(67)∫0+∞xsin⁡αxα(1+x2)dx=∫0+∞(1−11+x2)sin⁡αxαxdx=∫0+∞sin⁡αxαxdx−∫0+∞sin⁡αxαx(1+x2)dx 后项一致收敛,因为由Weierstrass判别法可知(68)∫0+∞|sin⁡αxαx11+x2|dx≤∫0+∞11+x2dx=π2 前项不一致收敛,亦即∃ε0>0使得∀N>0,∃α>0、∃A>B>N使得(69)|∫BAsin⁡αxαxdx|=t=αx1α|∫αBαAsin⁡ttdt|≥ε0 选择合适的α,A,B满足以上条件,如α=ε03n、A=nπα、B=(n−1)πα、n=⌊Nπ⌋+2,则(70)|∫αBαAsin⁡ttdt|=∫(n−1)πnπ|sin⁡t|tdt≥∫nπ−5π6nπ−π6|sin⁡t|tdt≥12⋅1nπ⋅4π6=13n 综上所述,原含参积分在α>0上非一致收敛。 ◻