6.3 习题课讲解
6.3.1 计算含参积分的导数
例 6.3.1 (
)
设,计算:
解
分别对积分下限、积分上限和被积函数求导可得
例 6.3.2 (讲义例5.5,
)
已知
求。
解
代入上题的公式可得
因此
例 6.3.3 (例2,
)
设连续,证明:
可微,并求它的导数。
证明
记,证明思路为:
- 连续关于积分上限可微,关于可微可微、关于连续关于被积函数中的参数可微;
- 关于积分下限和被积函数的参数连续、关于连续连续(见例 2.3.23)关于积分上限可微。
因此可微,且有
例 6.3.4 (讲义题目5.3,
)
设,求下列函数的导函数:
解
由导数公式(先对积分限求导、再对被积函数求导)可得
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,
)
计算以下积分:
-
(1)
-
,其中、。
-
(2)
-
,其中。
解
(1) 令
显然,计算可得
故有
(2) 令
注意到
故此积分不为瑕积分。显然,计算可得
故有
注
若不限定,需要特别注意参数的取值范围,此时本题的答案为
例 6.3.6 (例3)
计算:
解
记
容易发现,对参数求导可得
积分可得
题目所求即为。
例 6.3.7 (例4)
计算:
解
不妨设,记
容易发现,对参数求导可得
求导后的被积函数在上内闭一致收敛,故积分可得
此后需要证明
例 6.3.8 (例5,
)
证明:
证明
注意到
当时,考虑复变函数,设,则
因此
结合为偶函数以及的连续性,可得对成立。
另证
如不借助复变函数,可以注意到
也可以利用数学归纳法证明
且、,由带Lagrange余项的Taylor公式即可得到。
例 6.3.9 (讲义例5.9,
)
已知,计算:
解
任意给定,作变量替换,则
注意到
函数可以连续延拓到上,利用Dirichlet判别法可知关于参变量一致收敛,因此上式右端可以交换积分次序,于是得到
例 6.3.10 (讲义题目5.6,
)
计算:
解
构造含参积分
显然,对参数求导可得
考虑分解
令可得;令可得
因此
积分可得
代入可解得
例 6.3.11 (讲义题目5.24,
)
计算:
解
显然。设,对参数求导可得
利用待定系数法可得
因此
例 6.3.12 (讲义题目5.34,
)
计算Laplace积分:
解
构造含参积分
显然,对参数求导可得
显然,继续对参数求导可得
由此可得微分方程
解得
另解
令,注意到
函数在上半平面除去一级极点外处处解析,取为从到的逆时针半圆弧、围道为从到的直线与的拼接,由留数定理可得
令,注意到
故有
6.3.3 与含参积分有关的证明题
例 6.3.13 (例1,
)
设在区间连续,讨论的连续性。
解
因为是奇函数,故我们只需要考虑的情况。当时,易知在上连续,从而在处连续。
当时,易知。由的连续性可得,使得,于是
其中当时,记,则有
再令可得,即在处连续当且仅当。
另解
也可以这么处理:
其中
因此
例 6.3.14 (讲义题目5.12,
)
证明:
在上一致收敛。
解
原积分可化为
由Weierstrass强函数判别法知原积分在上一致收敛。
例 6.3.15 (讲义题目5.18,
)
证明:
在上非一致收敛。
解
注意到
后项一致收敛,因为由Weierstrass判别法可知
前项不一致收敛,亦即使得,、使得
选择合适的满足以上条件,如、、、,则
综上所述,原含参积分在上非一致收敛。