Главная » Математический анализ » Кратные интегралы » Несобственные кратные интегралы

Несобственные кратные интегралы

разделов
от теории до практики
примеров
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
Содержание
  1. Исчерпывающие последовательности множеств.
    Начать изучение
  2. Несобственные интегралы от неотрицательных функций.
    Начать изучение
  3. Несобственные интегралы от знакопеременных функций.
    Начать изучение

Исчерпывающие последовательности множеств.

Пусть \(G\) есть область в \(\boldsymbol{R}^{m}\). Последовательность открытых измеримых по Жордану множеств \(\{G_{n}\}\) будем называть исчерпывающей множество \(G\), если \(G = \displaystyle\bigcup_{i=1}^{\infty}G_{n}\) и \(\overline{G}_{n} \subset G_{n + 1}\), \(n = 1, 2, \ldots\).

Лемма 1.

Если \(\{G_{n}\}\) и \(\{G’_{n}\}\) есть последовательности, исчерпывающие область \(G \subset \boldsymbol{R}^{m}\), то для любого номера \(n\) найдется номер \(k(n)\) такой, что \(\overline{G}_{n} \subset G’_{k(n)}\).

Доказательство.

\(\circ\) Пусть для некоторого множества \(G_{N}\) не существует такого номера \(k\), что \(\overline{G}_{N} \subset G’_{k}\). Тогда найдется точка \(x_{1} \in \overline{G}_{N}\) такая, что \(x_{1} \notin G’_{1}\), найдется точка \(x_{2} \in \overline{G}_{N}\) такая, что \(x_{2} \notin G’_{2}\). Продолжая эти рассуждения, построим последовательность точек \(\{x_{k}\}\) такую, что \(x_{k} \in \overline{G}_{N}\), \(x_{k} \notin G’_{k}\). Так как измеримое по Жордану множество \(\overline{G}_{N}\) ограничено, то из последовательности \(x_{k}\) можно в силу теоремы Больцано-Вейерштрасса выделить сходящуюся подпоследовательность. Без ограничения общности можно считать, что и последовательность \(x_{k}\) сходится, то есть \(\displaystyle\lim_{k \rightarrow \infty} x_{k} = x_{0}\). В силу замкнутости множества \(\overline{G}_{N}\) точка \(x_{0} \in \overline{G}_{N} \subset G_{N + 1} \subset G\).

Так как последовательность множеств \(\{G’_{k}\}\) исчерпывает множество \(G\), то найдется такой номер \(r\), что \(x_{0} \in G’_{r}\). Открытое множество \(G’_{r}\) есть окрестность точки \(x_{0}\). Поэтому в \(G’_{r}\) лежит бесконечное множество членов последовательности \(\{x_{k}\}\). Следовательно, найдется в этом бесконечном множестве точка \(x_{s}\) с номером \(s \geq r\). Тогда \(x_{s} \in G’_{r} \subset G’_{s}\), так как при \(r < s\) и \(G’_{r} \subset G’_{s}\). Но по построению \(x_{s} \notin G’_{s}\). Полученное противоречие доказывает, что для любого \(n\) существует номер \(k(n)\) такой, что \(G_{n} \subset G’_{k(n)}\). \(\bullet\)


Несобственные интегралы от неотрицательных функций.

Определение.

Пусть функция \(f(x)\) непрерывна и неотрицательна в области \(G \subset \boldsymbol{R}^{m}\), а последовательность множеств \(\{G_{n}\}\) исчерпывает множество \(G\). Предел
$$
\lim_{n \rightarrow \infty} \int\limits_{G_{n}} f(x)\ dx\label{ref1}
$$
называют несобственным интегралом от функции \(f(x)\) по множеству \(G\). Несобственный интеграл обозначается символом \(\displaystyle\int\limits_{G} f(x)\ dx\).

Будем говорить, что несобственный интеграл \(\int\limits_{G} f(x)\ dx\) сходится, если предел \eqref{ref1} конечен, и что несобственный интеграл расходится, если предел \eqref{ref1} равен \(+\infty\).

Теорема 1.

Определение несобственного интеграла от непрерывной неотрицательной в области \(G\) функции корректно: предел \eqref{ref1} для любой исчерпывающей область \(G\) последовательности множеств \(\{G_{n}\}\) существует и не зависит от выбора исчерпывающей последовательности.

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(\{G_{n}\}\) и \(\{G’_{n}\}\) — две исчерпывающие последовательности. Так как \(\overline{G}_{n} \subset G_{n + 1} \subset G\) и \(\overline{G}’_{n} \subset G’_{n + 1} \subset G\), а на множестве \(G\) функция \(f(x)\) неотрицательна и непрерывна, то функция \(f(x)\) неотрицательна и непрерывна на любых множествах \(\overline{G}_{n}\) и \(\overline{G}’_{n}\), \(n = 1, 2, \ldots\) Поэтому интегралы \(\displaystyle\int\limits_{G_{n}} f(x)\ dx\) и \(\displaystyle\int\limits_{G’_{n}} f(x)\ dx\) существуют и числовые последовательности \(\alpha_{n} = \displaystyle\int\limits_{G_{n}} f(x)\ dx\) и \(\beta_{n} = \displaystyle\int\limits_{G’_{n}} f(x)\ dx\) являются монотонно возрастающими. Монотонно возрастающая числовая последовательность всегда имеет конечный или бесконечный предел.Пусть \(\alpha = \displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} \alpha_{n}\) и \(\beta = \displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} \beta_{n}\).

В силу леммы 1 для любого \(n\) найдется такой номер \(k(n)\), что \(G_{n} \subset G’_{k(n)}\). Так как \(f(x) \geq 0\), то
$$
\alpha_{n} = \int\limits_{G_{n}} f(x)\ dx \leq \int\limits_{G’_{k(n)}} f(x)\ dx = \beta_{k(n)} \leq \lim_{k \rightarrow \infty} \beta_{k} = \beta.\nonumber
$$

Переходя к пределу при \(n \rightarrow \infty\), получаем, что \(\alpha \leq \beta\). Аналогично доказывается, что \(\beta \leq \alpha\). Поэтому \(\alpha = \beta\). \(\bullet\)

Пример 1.

Интеграл
$$
\int\limits_{0 < x^{2} + y^{2} < R^{2}} \frac{dx\ dy}{(x^{2} + y^{2})^{\alpha}}\label{ref2}
$$
сходится при \(\alpha < 1\) и расходится при \(\alpha \geq 1\).

Решение.

\(\vartriangle\) Положим
$$
G = \{(x, y): 0 < x^{2} + y^{2} < R^{2}\},\ G_{n} = \left\{(x, y): \frac{R^{2}}{n^{2}} < x^{2} + y^{2} < R^{2}\right\}.\nonumber
$$
Тогда последовательность колец \(G_{n}\) образует исчерпывающую последовательность для круга \(G\). Переходя к полярным координатам, получаем
$$
\iint\limits_G \frac{dx\ dy}{(x^{2} + y^{2})^{\alpha}} = \lim_{n \rightarrow \infty} \iint\limits_{G_{n}} \frac{dx\ dy}{(x^{2} + y^{2})^{\alpha}} = \lim_{n \rightarrow \infty} \int\limits_{0}^{2\pi} d\varphi \int\limits_{R/n}^{R} \frac{r\ dr}{r^{2\alpha}} =\\=\lim_{n \rightarrow \infty} 2\pi \int\limits_{R/n}^{R} r^{1 — 2\alpha}dr = 2\pi \int\limits_{0}^{R} r^{1 — 2\alpha}dr.\nonumber
$$
Таким образом, несобственный интеграл \eqref{ref2} сходится в том и только том случае, когда сходится несобственный интеграл
$$
\int\limits_{0}^{R} r^{1 — 2\alpha}dr,\nonumber
$$
то есть при \(1 — 2\alpha > -1\) или \(\alpha < 1\). \(\blacktriangle\)


Несобственные интегралы от знакопеременных функций.

Пусть функция \(f(x)\) непрерывна в области \(G \subset \boldsymbol{R}^{m}\), \(m \geq 2\). Будем говорить, что функция \(f(x)\) интегрируема по области \(G\) в несобственном смысле, если сходятся интегралы \(\displaystyle\int\limits_{G_{n}} f^{+}(x)\ dx\) и \(\displaystyle\int\limits_{G_{n}} f^{-}(x)\ dx\) от неотрицательных функций \(f^{+} = \displaystyle\frac{1}{2}(|f| + f)\) и \(f^{-} = \displaystyle\frac{1}{2}(|f| — f)\). Несобственным интегралом \(\displaystyle\int\limits_{G} f(x)\ dx\) в этом случае будем называть число
$$
\int\limits_{G} f(x)\ dx = \int\limits_{G} f^{+}(x)\ dx — \int\limits_{} f^{-}(x)\ dx.\label{ref3}
$$

В определении \eqref{ref3} не случайно оговорено, что \(m \geq 2\). При \(m = 1\) это определение не совпадает с определением несобственного интеграла (§ 38) \(\displaystyle\int\limits_{a}^{b} f(x)\ dx\) (с особой точкой \(b\)) как предела \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow b — 0} \int\limits_{a}^{\xi} f(x)\ dx\). Функции, интегрируемые на интервале \((a, b)\), могут оказаться неинтегрируемыми в смысле определения \eqref{ref3}. Проще всего в этом убедиться, заметив, что функция \(f(x)\) интегрируема в смысле определения \eqref{ref3} в том и только том случае, когда интегрируем ее модуль, так что определение \eqref{ref3} не допускает существования условно сходящихся интегралов. Для функций одной переменной сохраним определение данное ранее, а для функций двух и большего числа переменных будем использовать определение \eqref{ref3}.

Можно показать, что функция \(f(x)\) интегрируема в несобственном смысле на множестве \(G \subset \boldsymbol{R}^{m}\), где \(m \geq 2\), в том и только том случае, когда для любой исчерпывающей множество \(G\) последовательности \(\{G_{n}\}\) существует конечный предел \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} \iint\limits_{G_{n}} f(x)\ dx\), не зависящий от выбора исчерпывающей последовательности \(\{G_{n}\}\).

Оставить комментарий