Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Baskakov_Integraly,zavisyaschie_ot_parametra_2013

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
396.53 Кб
Скачать

 

 

α+1

 

β+1

= 1

Γ

 

Γ

 

 

2

 

2 .

2Γ α +β +1

2

Пример 4.9. Вычислить J = π sin2m x dx .

0

Представим этот интеграл как

 

π/ 2

π

 

J =

+

sin2m x dx

 

0

π/ 2

 

и подстановкой x = π−t сведем второй интеграл к первому. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

π/ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J = 2

 

 

x dx = B

m

+

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Γ m +

 

 

Γ

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

2

 

2

 

=

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

=

 

Γ(m +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

(2m 1)!!

 

π.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m m!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

xm1 dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 4.10. Вычислить J =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

n > 0 .

 

 

 

 

 

 

(1 + x

n

)

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнив замену переменной t =

 

1

 

 

 

 

,

 

 

x

=

 

1 t 1/ n

, получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x

n

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

 

m

 

1

 

p

m

1

 

 

 

 

1

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J =

 

 

(1 t) n

 

 

 

 

t

 

 

n

 

dt =

 

 

B

 

 

 

 

 

 

, p

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Γ

 

 

 

 

 

Γ p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

Γ( p)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

Интеграл сходится при m > 0 ,

p

m

> 0 , т.е. при 0 < m < np .

 

 

 

 

 

n

 

 

Пример 4.11. Вычислить J = +∞

 

x p1 ln x

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1 + x

 

 

Рассмотрим F ( p) = +∞

x p1

dx – частный случай интеграла, изу-

1 + x

0

 

 

 

 

 

 

 

ченного в задаче 4.10. Имеем

 

 

 

 

 

 

 

F ( p) = B( p, 1 p) = Γ( p) Γ(1 p) =

x

.

sin πp

 

 

 

 

 

 

 

 

Интеграл F ( p) сходится при 0 < p <1 и допускает дифференцирование по p под знаком интеграла (в области 0 < ε ≤ p 1 −ε <1 он сходится равномерно). Поэтому

J =

dF

 

=

d

 

π

 

 

 

 

= −

 

π2

cos πp .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dp

 

dp

 

 

 

 

 

 

sin

2

πp

 

 

 

 

sin πp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

cosbx

 

 

 

 

 

Пример 4.12. Вычислить J =

 

 

 

 

 

 

dx ;

b > 0 , 0 < s <1 .

 

x

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

Положив в интеграле (4.8)

x =

 

 

 

y

 

 

, преобразуем его к виду

1 + y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

 

y

p1

 

 

 

 

 

 

 

B( p, q) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy ,

(4.9)

 

(1 + y)

p+q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

который можно принять за еще одно определение B-функции. Не-

трудно проверить, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

=

 

1

 

 

+∞zs1 ezx dz .

 

 

 

 

 

s

 

Γ(s)

 

Поэтому

 

 

 

x

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J =

1

 

 

 

+∞cosbx dx +∞zs1 ezx dz .

Γ(s)

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

42

Изменив порядок интегрирования, получим

 

1

+∞

 

s1

+∞

zx

 

1

+∞

zs dz

 

 

J =

 

z

 

dz e

 

cosbx dx =

 

 

 

 

 

.

Γ(s)

 

 

Γ(s)

z

2

+b

2

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

 

Выполнив замену переменной z = b t и воспользовавшись формулой (4.9), найдем:

 

 

 

 

 

 

bs1

+∞

 

t

s1

 

 

 

 

bs1

 

 

 

J =

 

2

 

 

dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2Γ(s) 0

1 +t

 

 

 

 

2Γ(s)

 

bs1

s +1

 

s +1

 

 

bs1

 

 

=

 

Γ

 

 

 

 

 

Γ

1

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

2Γ(s)

 

2

 

 

2

 

 

2Γ(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично вычисляется интеграл

 

 

 

 

+∞

 

sin bx

 

 

 

 

 

 

 

πbs1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

x

s

 

 

2Γ(s) sin

πs

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

s +1

 

1 s

 

B

 

,

 

 

 

=

2

2

 

 

 

 

 

π

 

=

πbs1

 

.

s +1

 

2Γ(s) cos

πs

sin

 

 

π

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

b > 0 , 0 < s < 2 .

5. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Собственные интегралы, зависящие от параметра

Найти следующие пределы.

 

1

dx

 

 

 

 

 

1.

limα→0

 

 

 

 

.

1 + x

2

2

 

 

α

 

 

 

 

 

1

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

2.

nlim→∞ 0

 

 

 

 

.

 

 

 

 

x n

 

 

1

+ 1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти F (α) .

 

 

 

 

 

 

3.

F(α) = cosα eα

1x2 dx .

 

 

 

 

sin α

 

 

 

 

 

 

 

43

4.

F(α) = α+1

sin αx

dx .

 

 

α−1

x

5.

F(α) =12α

(1−αx)ex dx .

 

1

 

 

 

 

6.

F(α) = α

ln(1 x)

dx .

 

 

0

 

x

Применяя дифференцирование по параметру под знаком интеграла, вычислить следующие интегралы.

7.

π

ln (1 2αcos x 2 ) dx .

 

0

 

 

 

8.

π/ 2

arctg(αtg x)

dx .

tg x

 

0

 

 

Применяя интегрирование по параметру под знаком интеграла, вычислить следующие интегралы.

1

 

 

1 xb xa

 

 

 

9. sin ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

( a > 0, b > 0 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

x

 

ln x

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

xb xa

 

10.

0

cos ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

( a > 0, b > 0 ).

 

x

 

 

ln x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Несобственные интегралы, зависящие от параметра

Исследовать функцию F(α) на непрерывность на множестве E.

11.

F(α) = +∞e( x−α)2 dx , E = \ .

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.

F(α) = +∞

cos αx

dx , E = \ .

2

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1 + x

 

 

 

13.

F(α) = 1

sin x

dx , E =[0;1) .

 

α

 

 

 

0

 

 

 

 

x

 

 

 

14.

F(α) = +∞

 

 

 

 

xdx

, E = (2; + ∞) .

 

2

α

 

 

 

 

0

 

 

 

+ x

 

 

 

44

15. F(α) = +∞αe−α2 x dx , E = \ .

0

Исследовать на равномерную сходимость интеграл J (α) на множестве E.

 

 

 

 

+∞

ln

α

 

 

 

 

 

 

16.

J (α) =

 

x

dx ,

E =[0;1] .

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17.

J (α) = +∞

 

 

 

dx

 

 

 

, E =[0; + ∞) .

 

(x −α)

2

+

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

18.

J (α) = +∞

e−αx4 dx , E =[α0 ; +∞) , α0

> 0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19.

J (α) = +∞

sin x

e−αx dx , E =[0; + ∞) .

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

20.

J (α) =

sin x

dx ,

E =[0; + ∞) .

 

 

α

 

 

 

 

 

0

1 + x

 

 

 

 

 

 

Используя интеграл Дирихле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

sin αx

dx = πsign α ,

α \,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

x

 

2

 

вычислить следующие интегралы.

 

 

+∞

1 cos αx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.

+∞

sin x3

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞ x sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23.

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

x

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24.

+∞

sin5 x

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применяя формулу Фруллани, вычислить интегралы ( a > 0 , b > 0 ).

45

25.

+∞

cos2 ax cos2 bx

dx .

 

 

 

 

0

 

 

x

 

 

 

26.

+∞

sin2 ax sin2 bx

dx .

 

 

 

0

 

 

x

 

 

 

27.

+∞

eax2 ebx2

dx .

x

 

0

 

 

 

 

28.

1

xa xb

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

ln x

 

 

 

Эйлеровы интегралы

Выразить через значения гамма- и бета-функций следующие интегралы.

29.

+∞

4 x

 

dx .

 

 

(1 + x)

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

30.

+∞

exn dx ( n > 0 ).

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31.

+∞x p1e−αx dx

( p > 0, α > 0 ).

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32.

+∞

1

e−α/ 2 x2 dx ( α > 0, n `).

n+1

 

0

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

33.

+∞eex e px dx

( p > 0 ).

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

34.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

4 (2 x)(1 + x)

3

 

1

 

 

 

 

35.

2

 

 

 

dx

 

.

 

 

 

 

5 x

3

2

 

 

 

0

 

 

(2 x)

 

 

 

 

36.

1

x 3 1 x3 dx .

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46

37.

π/ 2 sin4 x cos6 x dx .

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

38.

1

xα (1 xβ )γ dx

( α −1, β > 0, γ > −1).

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

39.

π

 

sin p x

dx

 

( p >1).

 

 

 

 

0 1 +cos x

 

 

 

 

 

 

1

 

(1 + x)2α−1 (1 x)2β−1

40.

 

 

 

 

 

 

 

dx ( α > 0, β > 0 ).

 

(1 + x

2

)

α+β

 

 

1

 

 

 

 

 

Ответы

1.π4 .

2.ln 12+ee .

3.

(eα

 

sin α

 

sin α +eα

 

cos α

 

cos α)+ cosα

1 x2 eα 1x2 dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin α

 

4.

 

2α +1

sin α(α +1)

 

 

2α −1

sin α(α −1) .

 

 

 

 

 

 

 

α2

α2 −α

 

5.2e12α (2α −1 2α2 ) .

6.α2 ln (1 2 ) .

7. 0, если

 

α

 

1 ; πln α2 , если

 

α

 

>1 .

 

 

 

 

8.

 

πsign α ln (1+

 

α

 

) .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

 

 

 

 

 

 

 

b a

 

 

 

.

arctg

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + (a +1)(b +1)

10.

 

1

ln

 

b2

+ 2b + 2

.

 

 

 

 

 

2

 

a2

+ 2a + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Непрерывна.

12. Непрерывна.

47

13.Непрерывна.

14.Непрерывна.

15.Непрерывна при α ≠ 0 , α = 0 – точка разрыва.

16.Сходится равномерно.

17.Сходится неравномерно.

18.Сходится равномерно.

19.Сходится равномерно.

20.Сходится равномерно.

21.π2α .

22.π6 .

23.π4 .

24.163π .

25.12 ln ba .

26.12 ln ba .

27.12 ln ba .

28.ln ba ++11 .

29.2 π2 .

30.1 Γ 1 . n n

31.Γ( p) .

αp

32.2n/ 21 αn/ 2Γ n .

2

33.Γ( p) .

48

34.π 2 .

35.π . sin 52 π

36.2π 3 .

27

37.5123π .

38.1 B α +1, γ +1 .

β β

39. 2 p1 B p 1, p +1 .

2 2

40. 2α+β−2 B(α, β) .

49

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Кудрявцев Л.Д. Краткий курс математического анализа. М.:

Наука, 1989.

2.Кудрявцев Л.Д. Курс математического анализа. М.: Высшая школа, 1988.

3.Кудрявцев Л.Д. Курс математического анализа. В 3-х т. Т. 2.

М.: Дрофа, 2004.

4.Демидович Б.П. Сборник задач и упражнений по математическому анализу. М.: Наука, 1990.

5.Сборник задач по математике для втузов. Специальные разделы математического анализа / Под ред. А.В. Ефимова, Б.П. Демидовича. М.: Наука, 1981.

50

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]