6.3 习题课讲解

6.3.1 含参积分

例 6.3.1 (star) f:R2RC1,计算:(1)ddxa(x)b(x)f(x,t)dt

分别对积分下限、积分上限和被积函数求导可得(2)ddxa(x)b(x)f(x,t)dt=f(x,b(x))b(x)f(x,a(x))a(x)+a(x)b(x)fx(x,t)dt

例 6.3.2 (习题课3·例12,star) 计算以下积分:

(1)

0π/2ln(a2sin2x+b2cos2x)dx,其中a>0b>0

(2)

0π/2arctan(λtanx)tanxdx,其中λ>0

(1) 令(3)F(b):=0π/2ln(a2sin2x+b2cos2x)dx 显然F(a)=0,计算可得(4)F(b)=0π/22bcos2xa2sin2x+b2cos2xdx=2b0π/2dxa2tan2x+b2=πa+b 故有(5)F(b)=F(a)+abF(t)dt=πlna+b2

(2) 令(6)G(λ):=0π/2arctan(λtanx)tanxdx 注意到(7)limx0+arctan(λtanx)tanx=limx0+λtanx+o(tanx)tanx=λlimxπ2arctan(λtanx)tanx=limxπ2π2+o(1)tanx=0 故此积分不为瑕积分。显然G(0)=0,计算可得(8)G(λ)=0π/211+λ2tan2xdx=π2(1+λ) 故有(9)G(λ)=G(0)+0λG(t)dt=π2ln(1+λ)

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(10)(1)=πln|a|+|b|2,(2)=π2sgnλln(1+|λ|)

例 6.3.3 (例1,star) f在区间[0,1]连续,讨论F(t):=01tx2+t2f(x)dx的连续性。

因为F是奇函数,故我们只需要考虑t0的情况。当t0>0时,易知tx2+t2f(x)[0,1]×[t02,2t0]上连续,从而Ft0处连续。

t0=0时,易知F(0)=0。由f的连续性可得ε>0δ(ε)(0,1)使得|x|<δ|f(x)f(0)|<ε,于是(11)F(t)=01tx2+t2f(x)dx=x=ty01/t11+y2f(ty)dy=0δ/t1y2+1f(0)dyI1+0δ/t1y2+1[f(ty)f(0)]dyI2+δ/t1/t1y2+1f(ty)dyI3 其中当t0+时,记M:=maxx[0,1]|f(x)|,则有(12)I1=0δ/t1y2+1f(0)dy=f(0)arctanδtπ2f(0)|I2|=|0δ/t1y2+1[f(ty)f(0)]dy|0δ/t1y2+1εdy=εarctanδtπ2ε|I3|=|δ/t1/t1y2+1f(ty)dy|δ/t1/t1y2+1Mdy=M(arctan1tarctanδt)=M1tδt1+ξ2t2Mtδ2t2=Mtδ20,ξ(δ,1) 再令ε0+可得limt0+F(t)=π2f(0),即Ft=0处连续当且仅当f(0)=0

另解 也可以这么处理limt0+F(t)(13)limt0+F(t)=limt0+0t1/3tx2+t2f(x)dxI1+limt0+t1/31tx2+t2f(x)dxI2 其中(14)I1=limt0+f(ξt)limt0+0t1/3tx2+t2dx=f(limt0+ξt)limt0+arctant1/3t=π2f(0)|I2|limt0+t(1t1/3)t2/3+t2maxx[0,1]|f(x)|=0I2=0 因此(15)limt0+F(t)=π2f(0)

例 6.3.4 (例2,star) f:R2R连续,证明:(16)F(x):=0xdtt2x2f(t,s)ds 可微,并求它的导数。

证明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)=2xf(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 2.3.23F(x)关于积分上限x可微。

因此F可微,且有(17)F(x)=G(x,x)+0xGx(x,t)dt=2x0xf(t,x2)dt

例 6.3.5 (例5,star) 证明:(18)02πetcosθcos(tsinθ)dθ=2π,tR

证明 注意到(19)I(t):=02πetcosθeitsinθdθ=02πexp(teiθ)dθ=:J(t)t>0时,考虑复变函数f:zezz,设Γ={zC|z|=t},则(20)J(t)=Γezdziz=2π12πiΓf(z)dz=2πRes[f,0]=2π 因此(21)I(t)=2π,t>0 结合I为偶函数以及I的连续性,可得I(t)=2πtR成立。

另证 如不借助复变函数,可以注意到(22)I(t)=02πetcosθ[cosθcos(tsinθ)sinθsin(tsinθ)]dθ=1t02πetcosθdsin(tsinθ)02πetcosθsinθsin(tsinθ)dθ=1tetcosθsin(tsinθ)|θ=02π1t02πetcosθ(tsinθ)sin(tsinθ)dθ 02πetcosθsinθsin(tsinθ)dθ=0+0=0 也可以利用数学归纳法证明(23)F(n)(t)=02πetcosθcos(nθ+tsinθ)dθ,nNF(n)(t)=0F(0)=2π,由带Lagrange余项的Taylor公式即可得到F(t)=2π