6.3 习题课讲解

6.3.1 计算含参积分的导数

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 (讲义例5.5,star) 已知(3)I(x):=sinxcosxet2+xtdt I(0)

代入上题的公式可得(4)I(x)=ecos2x+xcosx(sinx)esin2x+xsinxcosx+sinxcosxtet2+xtdt 因此(5)I(0)=1+01tet2dt=1+12et2|01=12(e3)

例 6.3.3 (例2,star) f:R2R连续,证明:(6)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(7)F(x)=G(x,x)+0xGx(x,t)dt=2x0xf(t,x2)dt

例 6.3.4 (讲义题目5.3,star) fC(R2),求下列函数的导函数:(8)F(x)=0xdtt2xf(t,s)ds;G(t)=0tdy0tf(x,y)dx

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+0xdtxt2xf(t,s)ds=x2xf(x,s)ds+0xf(t,x)dtG(t)=0tf(x,t)dx+0tdyt0tf(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(a2sin2x+b2cos2x)dx,其中a>0b>0

(2)

0π/2arctan(λtanx)tanxdx,其中λ>0

(1) 令(10)F(b):=0π/2ln(a2sin2x+b2cos2x)dx 显然F(a)=0,计算可得(11)F(b)=0π/22bcos2xa2sin2x+b2cos2xdx=2b0π/2dxa2tan2x+b2=πa+b 故有(12)F(b)=F(a)+abF(t)dt=πlna+b2

(2) 令(13)G(λ):=0π/2arctan(λtanx)tanxdx 注意到(14)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(15)G(λ)=0π/211+λ2tan2xdx=π2(1+λ) 故有(16)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(17)(1)=πln|a|+|b|2,(2)=π2sgnλln(1+|λ|)

例 6.3.6 (例3) 计算:(18)0π/2ln1+12cosx112cosx1cosxdx

(19)F(α)=0π/2ln1+αcosx1αcosx1cosxdx,1<α<1 容易发现F(0)=0,对参数求导可得(20)F(α)=0π/211+αcosx+11αcosxdx=0π/221α2cos2xdx=0π/22dtanx1+tan2xα2=u=tanx1α221α20+du1+u2=π1α2 积分可得(21)F(α)=F(0)+0αF(t)dt=0απ1t2dt=πarcsinα 题目所求即为F(12)=π26

例 6.3.7 (例4) 计算:(22)0π/2ln(sin2θ+x2cos2θ)dθ

不妨设x0,记(23)F(x)=0π/2ln(sin2θ+x2cos2θ)dθ 容易发现F(1)=0,对参数求导可得(24)F(x)=0π/22xcos2θsin2θ+x2cos2θdθ=u=tanθ2x0+1u2+x211+u2du=2xx210+11+u21u2+x2du=2xx21π2(11x)=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=πlnx+12,x>0 此后需要证明(26)F(0)=20π/2lnsinθdθ=π2ln2=πln1+02

例 6.3.8 (例5,star) 证明:(27)02πetcosθcos(tsinθ)dθ=2π,tR

证明 注意到(28)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(29)J(t)=Γezdziz=2π12πiΓf(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)=2πtR成立。

另证 如不借助复变函数,可以注意到(31)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(32)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

例 6.3.9 (讲义例5.9,star) 已知0+sinxxdx=π2,计算:(33)0+cosaxcosbxx2dx,b>a>0

任意给定t>0,作变量替换y=tx,则(34)0+sintxxdx=0+sinyydy=π2,t>0 注意到(35)0+cosaxcosbxx2dx=0+dxabsintxxdt 函数sintxx可以连续延拓到R2上,利用Dirichlet判别法可知0+sintxxdx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+cosaxcosbxx2dx=abdt0+sintxxdx=abπ2dt=π2(ba)

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

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+αxx=(Ax+B)(1+αx)+C(1+x2)x=1α可得C=α1+α2;令x=i可得(41)i=(Ai+B)(1+αi)=(BAα)+(A+Bα)iA=11+α2,B=α1+α2 因此(42)I(α)=11+α201[x+α1+x2α1+αx]dx=11+α2[12ln(1+x2)+αarctanxln(1+αx)]01=11+α2[12ln2+π4αln(1+α)] 积分可得(43)I(1)=I(0)+01I(t)dt=ln2201dt1+t2+π8012tdt1+t201ln(1+t)1+t2dtI(1) 代入α=1可解得(44)I(1)=ln24π4+π16ln2=π8ln2

例 6.3.11 (讲义题目5.24,star) 计算:(45)I(m):=0+eαxeβxxsinmxdx

显然I(0)=0。设m>0,对参数求导可得(46)I(m)=0+(eαxeβx)cosmxdx 利用待定系数法可得(47)0+eαxcosmxdx=eαxm2+α2(αcosmx+msinmx)|x=0+=αm2+α2 因此(48)I(m)=I(0)+0mI(t)dt=0m(αt2+α2βt2+β2)dt=arctanmαarctanmβ=arctanmαmβ1+m2αβ=arctanm(βα)αβ+m2

例 6.3.12 (讲义题目5.34,star) 计算Laplace积分:(49)I=0+cosx1+x2dx

构造含参积分(50)I(α)=0+cosαx1+x2dx,α>0 显然I(0)=π2,对参数求导可得(51)I(α)=0+xsinαx1+x2dx=0+(111+x2)sinαxxdx=0+sinαxxdx+0+sinαxx(1+x2)dx=π2+0+sinαxx(1+x2)dx 显然I(0)=π2,继续对参数求导可得(52)I(α)=0+cosαx1+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)=π2eαI(1)=π2e

另解R>0,注意到(55)0Rcosαx1+x2dx=0Reiαx+eiαx2(1+x2)dx=12RReiαx1+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)(R,0)的逆时针半圆弧、围道ΓR为从(R,0)(R,0)的直线与CR的拼接,由留数定理可得(56)RRf(z)dz+CRf(z)dz=2πiRes[f,i]=2πilimzi(zi)f(z)=2πieα2i=πeαR+,注意到(57)|CRf(z)dz|CR|eiαz1+z2||dz|CRd|zi||z+i|πR(R1)20,R+ 故有(58)0+cosαx1+x2dx=12limR+RRf(z)dz=12πeα=π2eα

6.3.3 与含参积分有关的证明题

例 6.3.13 (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(59)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(60)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)(61)limt0+F(t)=limt0+0t1/3tx2+t2f(x)dxI1+limt0+t1/31tx2+t2f(x)dxI2 其中(62)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(63)limt0+F(t)=π2f(0)

例 6.3.14 (讲义题目5.12,star) 证明:(64)0+e1α2(x1α)2dx 0<α<1上一致收敛。

原积分可化为(65)I=t=xαα0+e(t1α2)2dtα+e(t1α2)2dt=u=t1α2α+eu2du=αππ 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+xsinαxα(1+x2)dx α>0上非一致收敛。

注意到(67)0+xsinαxα(1+x2)dx=0+(111+x2)sinαxαxdx=0+sinαxαxdx0+sinαxαx(1+x2)dx 后项一致收敛,因为由Weierstrass判别法可知(68)0+|sinαxαx11+x2|dx0+11+x2dx=π2 前项不一致收敛,亦即ε0>0使得N>0α>0A>B>N使得(69)|BAsinαxαxdx|=t=αx1α|αBαAsinttdt|ε0 选择合适的α,A,B满足以上条件,如α=ε03nA=nπαB=(n1)παn=Nπ+2,则(70)|αBαAsinttdt|=(n1)πnπ|sint|tdtnπ5π6nππ6|sint|tdt121nπ4π6=13n 综上所述,原含参积分在α>0上非一致收敛。