Главная » Математический анализ » Интегралы, зависящие от параметра » Собственные интегралы, зависящие от параметра

Собственные интегралы, зависящие от параметра

разделов
от теории до практики
примеров
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
Содержание
  1. Определение собственного интеграла, зависящего от параметра.
    Начать изучение
  2. Свойства собственного интеграла, зависящего от параметра.
    Начать изучение

Определение собственного интеграла, зависящего от параметра.

Определение.

Пусть \(Y\) — произвольное множество (множество параметров), a \(f(x, y)\) — функция, определенная на множестве пар \((x, y)\), где \(x \in [a, b] \subset \boldsymbol{R}\), \(y \in Y\). Если при любом значении параметра \(y \in Y\) функция \(f(x, y)\) как функция \(x\) интегрируема по Риману на \([a, b]\), то интеграл \(\displaystyle\int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx\) есть функция параметра \(y\), определенная на множестве \(Y\). Интеграл
$$
\int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx\label{ref1}
$$
называется собственным интегралом, зависящим от параметра.

Обычно \(Y\) является числовым множеством или множеством в \(\boldsymbol{R}^{n}\). Например,
$$
J_{0}(x) = \frac{1}{\pi} \int\limits_{0}^{\pi} \cos (x \cos \varphi)\ d\varphi\label{ref2}
$$
есть собственный интеграл, зависящий от параметра \(x \in (-\infty, +\infty)\).


Свойства собственного интеграла, зависящего от параметра.

Теорема 1.

(Теорема о непрерывной зависимости собственного интеграла от параметра).

Если функция \(f(x, y)\) непрерывна в прямоугольнике \(K = \{(x, y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d\}\), то интеграл \eqref{ref1} есть непрерывная функция параметра \(y\) на \([c, d]\).

Доказательство.

Доказательство этой теоремы приведено мы приводили ранее.

Теорема 2.

(Теорема о перестановке порядка интегрирования).

Если функция \(f(x, y)\) непрерывна в прямоугольнике \(K = \{(x, y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d\}\), то
$$
\int\limits_{c}^{d} dy \int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx = \int\limits_{a}^{b} dx \int\limits_{c}^{d} f(x, y)\ dy.\label{ref3}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Каждый из повторных интегралов в формуле \eqref{ref3} равен двойному интегралу от функции \(f(x, y)\) по прямоугольнику \(K\) (соответствующую теорему мы доказывали). \(\bullet\)

Теорема 3.

(Теорема о дифференцировании собственного интеграла по параметру).

Пусть функция \(f(x, y)\) непрерывна в прямоугольнике \(K = \{(x, y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d\}\) и имеет непрерывную частную производную \(\displaystyle\frac{\partial f(x, y)}{\partial y}\) в области \(G\) такой, что \(K \subset G\).

Тогда интеграл \eqref{ref1} есть непрерывно дифференцируемая функция параметра \(y\) на отрезке \([c, d]\), причем
$$
\frac{d}{dy} \int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx = \int\limits_{a}^{b} \frac{\partial f}{\partial y}(x, y)\ dx,\ y \in [c, d].\label{ref4}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(y\) — произвольная точка из отрезка \([c, d]\). Применив формулу \eqref{ref3} к функции \(\displaystyle\frac{\partial f(x, \eta)}{\partial y}\) в прямоугольнике \(K_{y} = \{(x, \eta): a \leq x \leq b, c \leq \eta \leq d\}\), получаем равенство
$$
\begin{array}{cc}
& \displaystyle\int\limits_{c}^{y} d\eta \int\limits_{a}^{b} \frac{\partial f}{\partial y}(x, \eta)\ dx = \int\limits_{a}^{b} dx \int\limits_{c}^{y} \frac{\partial f}{\partial y}(x, \eta)\ d\eta = \int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx-C_{0},\\
& \displaystyle C_{0} = \int\limits_{a}^{b} f(x, c)\ dx.
\end{array}\label{ref5}
$$

Так как функция \(\displaystyle\frac{\partial f}{\partial y}(x, y)\ dx\) непрерывна в прямоугольнике \(K\), то в силу теоремы 1 функция
$$
\varphi(\eta) = \int\limits_{a}^{b} \frac{\partial f}{\partial y}(x, \eta)\ dx\nonumber
$$
будет непрерывной функцией \(\eta\) на отрезке \([c, d]\).

Левая часть равенства \eqref{ref5} может быть записана как \(\displaystyle\int\limits_{c}^{y} \varphi(\eta) d\eta\). Так как функция \(\varphi(\eta)\) непрерывна на отрезке \([c, d]\), то
$$
\frac{d}{dy} \int\limits_{c}^{y} \varphi(\eta)\ d\eta = \varphi(y) = \int\limits_{a}^{b} \frac{\partial f}{\partial y}(x, y)\ dx.\nonumber
$$

Так как левая часть равенства \eqref{ref5} есть функция, непрерывно дифференцируемая на отрезке \([c, d]\), то и функция \(\displaystyle\int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx\), стоящая в правой части равенства \eqref{ref5}, непрерывно дифференцируема на отрезке \([c, d]\). Поэтому
$$
\frac{d}{dy} \int\limits_{a}^{b} f(x, y)\ dx = \varphi(y) = \int\limits_{a}^{b} \frac{\partial f}{\partial y}(x, y)\ dx.\ \bullet\nonumber
$$

Замечание 1.

Теоремы 1-3 остаются справедливыми и при замене функции \(f(x, y)\) на функцию \(\psi(x)f(x, y)\), где функция \(\psi(x)\) интегрируема на отрезке \([a, b]\).

Оставить комментарий