含参量反常积分的一致收敛判别法及推广作者：蒋碧希 指导老师：张海摘要 本文主要介绍了含参量反常积分（含参量无穷限反常积分、含参量瑕积分）的基本概念、性质.然后参照无穷限反常积分的方法建立了相应的含参量瑕积分的一致收敛性.最后结合例题说明其在解题中的应用.关键词 含参量无穷限反常积分 含参量瑕积分 一致收敛1 引言对于含参量无穷限反常积分的基本概念、性质、一致收敛性判别法大部分教材都有详细论述.而忽视了含参量瑕积分的一致收敛性的判定,其实两者之间是同中有异的.本文主要参照无穷限反常积分的方法建立相应的含参量瑕积分的一致收敛判别法，并探究其在解题中的应用.2 含参量无穷限反常积分的一致收敛判别法 2.1 含参量无穷限反常积分的定义设函数(,)f x y 定义在无界区域{(,)|,}R x y a x b c y =≤≤≤≤+∞上，若对每一个固定的[,]x a b ∈，反常积分(,)cf x y dy +∞⎰(1)都收敛，则它的值是x 在[,]a b 上取值的函数，当这个函数为()I x 时，则有()(,),[,],cI x f x y dy x a b +∞=∈⎰(2)称(1)式为定义在[,]a b 上的含参量x 的无穷限反常积分，或简称含参量反常积分.2.2 含参量反常积分的一致收敛概念若含参量反常积分(1)与()I x 对任给的正数ε，总存在某一实数N c >，使得当M N >时，对一切[,]x a b ∈，都有(,)()Mcf x y dy I x ε-<⎰,即(,)Mf x y dy ε+∞<⎰，则称含参量反常积分(1)在],[b a 一致收敛于()I x ，或简单地说含参量积分(1)在[,]a b 上一致收敛.2.3含参量无穷限反常积分一致收敛的柯西准则含参量反常积分)1(在],[b a 上一致收敛的充要条件是：对任給的正数ε，总存在某一实数c M >，使得当M A A >21,时，对一切],[b a x ∈，都有21(,)A A f x y dy ε<⎰, )3(证明 （必要性） 由于含参量反常积分)1(在],[b a 上一致收敛，则 对0>∀ε,0>∃M ,M A A >∀21,时，使得],[b a x ∈∀时，有1(,)2A f x y dy ε+∞<⎰,且2(,)2A f x y dy ε+∞<⎰由2112(,)(,)(,)A A A A f x y dy f x y dy f x y dy+∞+∞=-⎰⎰⎰12(,)(,)A A f x y dy f x y dy +∞+∞≤+⎰⎰εεε=+<22可知：0,0>∃>∀M ε，当M A A >21,时， 有21(,)A A f x y dy ε<⎰.（充分性) 因为0ε∀>，总存在某一实数c M >，使得M A A >21,时，对一切],[b a x ∈，都有21(,)A A f x y dy ε<⎰,当+∞→2A 时，有1(,)A f x y dy ε+∞<⎰成立.故⎰+∞1),(A dy y x f在),[],[1+∞⨯A b a 上是一致收敛的. 又因为⎰⎰⎰+∞+∞+=11),(),(),(A cA cdy y x f dy y x f dy y x f ,其中⎰1),(A cdy y x f 是含参量正常积分，故一致收敛.所以⎰+∞cdy y x f ),(在),[],[+∞⨯c b a 上是一致收敛的.2.4 含参量无穷限反常积分一致收敛性与函数项级数一致收敛的联系定理2.4.1 含参量反常积分)1(在],[b a 上一致收敛的充要条件是：对任一趋于∞+的递增数列}{n A （其中c A =1），函数项级数)(),(111x u dy y x f n A A n n n n∑⎰∑∞=∞=+= )4(在],[b a 上一致收敛.证明 (必要性）由)1(在],[b a 上一致收敛，故对任给0>ε，必存在c M >，使当M A A >>'"时，对一切],[b a x ∈，总有"'(,)A A f x y dy ε<⎰. )5(又由)(∞→+∞→n A n ，所以对正数M ,存在正整数N ,只要当N n m >>时，就有M A A n m >>.由)5(对一切],[b a x ∈，就有11()()(,)(,)m n m nA A n m A A u x u x f x y dy f x y dy ++++=++⎰⎰1(,)m nA A f x y dy ε+=<⎰.这就证明了级数)4(在],[b a 上一致收敛.(充分性) 用反证法.假若)1(在],[b a 上不一致收敛，则存在某个正数0ε，使得对于任何实数c M >，存在相应的M A A >>'"和],['b a x ∈，使得"''0(,)A Af x y dy ε≥⎰,现取},1m ax {1c M =，则存在112M A A >>及],[1b a x ∈，使得2110(,)A A f x y dy ε≥⎰一般的，取)2}(,m ax {12≥=-n A n M n n ，则有n n n M A A >>-122及],[b a x n ∈，使得2210(,)nn A n A f x y dy ε-≥⎰)6(由上述所得到的数列}{n A 是递增数列，且+∞=∞→n n A lim .现在考察级数∑⎰∑∞=∞=+=111),()(n A A n n n ndy y x f x u由)6(式知存在正数0ε，对任何正整数N ,只要N n >,就有某个],[b a x n ∈，使得21220()(,)n nA n n n A u x f x y dy ε+=≥⎰这与级数)4(在],[b a 上一致收敛的假设矛盾.故含参量反常积分)1(在],[b a 上一致收敛2.5 含参量无穷限反常积分的一致收敛性判别法定理 2.5.1 （维尔斯特拉斯M 判别法）设有函数，使得(,)(),,f x y g y a x b c y ≤≤≤≤<+∞若⎰+∞cdy y g )(收敛，则⎰+∞cdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛.定理 2.5.2 （狄利克雷判别法）设)1( 对一切实数c N >，含参量正常积分⎰Ncdy y x f ),(对参量x 在],[b a 上一致有界，即存在正数M ,对一切c N >及一切],[b a x ∈，都有(,);Ncf x y dy M ≤⎰)2( 对每一个],[b a x ∈，函数),(y x g 关于y 是单调递减且当+∞→y 时，对参量),(,y x g x 一致的收敛于0，则含参量反常积分⎰+∞cdy y x g y x f ),(),(在],[b a 上一致收敛.定理 2.5.3 （阿贝尔判别法） 设)1(⎰+∞cdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛；)2( 对每一个],[b a x ∈，函数),(y x g 为y 的单调函数，且对参量),(,y x g x 在],[b a 上一致有界，则含参量反常积分⎰+∞cdy y x g y x f ),(),(在],[b a 上一致收敛.2.6 含参量无穷限反常积分的性质定理2.6.1 （连续性） 设(,)f x y 在[,][,)a b c ⨯+∞上连续，若反常积分()(,)cI x f x y dy +∞=⎰)7(在[,]a b 上一致收敛，则()I x 在[,]a b 上连续.证明 由定理2.4.1，对任意递增且趋于∞+的数列}{n A )(1c A =，函数项级数∑⎰∑+∞=+∞=+==111)(),()(n A A n n n nx u dy y x f x I )8(在],[b a 上一致收敛.又由于),(y x f 在),[],[+∞⨯c b a 上连续，故每个)(x u n 都在],[b a 上连续.根据函数项级数的连续性定理，函数)(x I 在],[b a 上连续.定理 2.6.2 （可微性） 设 ),(y x f 与),(y x f x 在区域),[],[+∞⨯c b a 上连续，若⎰+∞=cdy y x f x I ),()(在],[b a 上收敛，dy y x f cx ),(⎰+∞在],[b a 上一致收敛，则)(x I 在],[b a 上可微，且dy y x f x I cx ),()('⎰+∞=)9(证明 对任一递增且趋于∞+的数列)}({1c A A n =，令⎰+=1),()(n nA A n dy y x f x u则()dy y x f x u n nA A x n ),(1'⎰+=由()dy y x f cx ⎰+∞,在],[b a 上一致收敛及定理1，可得函数项级数dy y x f x u n A A x n n n n),()(11'1∑⎰∑+∞=+∞=+=在],[b a 上一致收敛，因此根据函数项级数的逐项求导定理，即得()()()()dy y x f dy y x f x u x I cx n A A x n n n n,,11''1⎰∑⎰∑∞+∞=∞====+定理2.6.3 （可积性） 设()y x f ,在),[],[+∞⨯c b a 上连续，若()()dy y x f x I c⎰+∞=,在],[b a 上一致收敛，则()x I 在],[b a 上可积，且()()⎰⎰⎰⎰+∞+∞=b accbadx y x f dy dy y x f dx ,,证明 由定理2.6.1知道()x I 在],[b a 上连续，从而()x I 在],[b a 上可积.又由定理 2.6.1的证明中可以看到，函数项级数()8在],[b a 上一致收敛，且各项()x u n 在],[b a 上连续，因此根据函数项级数逐项求积定理，有⎰∑⎰∑⎰⎰++∞=+∞===1),()()(11n nA A n ban ban bady y x f dx dx x u dx x I()∑⎰⎰+∞=+=11,n A A ban ndx y x f dy (10)这里最后一步是根据关于积分顺序的可交换性定理.(10)式又可写作()()⎰⎰⎰+∞=bacbadx y x f dy dx x I ,定理2.6.4设()y x f ,在),[),[+∞⨯+∞c a 上连续，若 (1)()⎰+∞adx y x f ,关于y 在任何闭区间],[d c 上一致收敛，()⎰+∞cdy y x f ,关于x 在任何闭区间],[b a 上一致收敛； (2)积分(),acdx f x y dy +∞+∞⎰⎰与(),cady f x y dx +∞+∞⎰⎰中有一个收敛， 则()()⎰⎰⎰⎰+∞+∞+∞+∞=accadx y x f dy dy y x f dx ,,3 含参量瑕积分一致收敛判别法 3.1 含参量瑕积分的定义设()y x f ,在区域),[],[d c b a ⨯上有定义，若对x 的某些值，d y =为函数()y x f ,的瑕点（以下的含参量瑕积分未加说明都同此）则称()⎰dcdy y x f , (11)为含参量x 的瑕积分.3.2 含参量瑕积分一致收敛定义对任给的正数ε，总存在某正数c d -<δ，使得当δη<<0时，对一切],[b a x ∈，都有(),dd f x y dy ηε-<⎰则称含参量瑕积分(11)在],[b a 上一致收敛.3.3 含参量瑕积分一致收敛性的判别法定理3.3.1（柯西收敛准则） 含参量瑕积分()⎰dcdy y x f ,在[]b a ,上一致收敛的充要条件是：对任给正数ε，存在不依赖于x 的0>δ，使得当δηη<<<'0时，对一切[]b a x ,∈，都有()',d d f x y dy ηηε--<⎰(12)证明 (必要性）由(11)在[]b a ,上一致收敛，故对任给的)(0c d -<>δε，存在0>δ，使得δηη<<<'0时，有 (),2dd f x y dy ηε-<⎰与'(,)2dd f x y dy ηε-<⎰同时成立，则有()()'',(,),d ddd d d f x y dy f x y dy f x y dy ηηηη----=-⎰⎰⎰'(,)(,)ddd d f x y dy f x y dy ηηε--≤+<⎰⎰（充分性）由所给条件知：对任给正数ε，存在不依赖于x 的)(0c d -<>δδ，使得当δηη<<<'0时，对一切],[b a x ∈，都有()',d d f x y dy ηηε--<⎰成立.令0'→η，则有(,)dd f x y dy ηε-<⎰成立.由定义知：含参量瑕积分)11(在],[b a 上一致收敛.定理3.3.2 （魏尔斯特拉斯M 判别法）设有函数)(y g ，使得(),(),,f x y g y a x b c y d ≤≤≤≤≤ (13) 若⎰dcdy y g )(收敛，则含参量瑕积分⎰dcdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛.证明 因为⎰dcdy y g )(收敛，所以由瑕积分的柯西收敛原理知：对于任给的0>ε，存在)(0c d -<>δδ，对于任意的',ηη，且δηη<<<'0，有 ⎰--<')(ηηεd d dy y g又由)13(可得⎰⎰⎰------<≤≤''')(|),(||),(|ηηηηηηεd d d d d d dy y g dy y x f dy y x f故由定理3.3.1知：含参量瑕积分⎰dcdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛.定理3.3.3 （海涅归结原则） 含参量瑕积分⎰dcdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛的充要条件是：对任意递增数列)(),}({1+∞→→=n d A c A A n n 时，相应的函数项级数)(),(111x u dy y x f n n n A A n n∑∑⎰∞=∞==+ )14(在],[b a 上一致收敛.证明 （必要性）因为)11(在],[b a 上一致收敛，由定理5知：对任给的0>ε，必存在)(0c d -<>δδ，当δηη<<<'0时，对一切],[b a x ∈，总有εηη<⎰'--d d dy y x f ),( )15(成立.令n n A d -=η，由)(∞→→n d A n 且n A 递增，则)(0∞→→n n η且递减.由数列极限定义，对上述0>δ，存在正整数N ，只要N n m >>时，就有δηη<<<n m 0，于是)()()(1x u x u x u m n n ++++ ⎰⎰++++=11),(),(n n m mA A A A dy y x f dy y x f⎰+=1),(m nA A dy y x fεηη<=⎰+--1),(m nd d dy y x f根据函数项级数柯西一致收敛准则，函数项级数)14(在],[b a 上一致收敛.（充分性） 用反证法，假设)11(在],[b a 上非一致收敛，则存在某一正数00>ε，使得)(0c d -<>∀δδ，存在相应的δηη<<'<0和],[b a x ∈'，有0),(εηη≥'⎰'--d d dy y x f现取},1m in{1c d -=δ，则存在1120δηη<<<及],[1b a x ∈，使得121),(εηη≥⎰--d d dy y x f一般的取)2}(,1min{1≤-=-n nn n n ηηδ，则有n n n δηη<<<+10及],[b a x n ∈，使得01),(εηη≥⎰+--n nd d dy y x f )16(令n n d A η-=，则}{n A 是递增数列，且有d A n n =∞→lim .考察级数∑∑⎰∞=∞=+=111),()(n n A A n n ndy y x f x u )17(由)16(式知存在正数00>ε，对任意正整数N ，只要N n >就有某个],[b a x n ∈，使01),()(ε≥=⎰+n nA A n n dy y x f x u这与函数项级数)14(在],[b a 上一致收敛的条件矛盾，故)1(在],[b a 上一致收敛.定理3.3.4（狄利克雷判别法）若含参量瑕积分⎰dcdy y x g y x f ),(),(满足：)1(对一切d d c <'<，含参量正常积分⎰'d cdy y x f ),(对参量x 在],[b a 上一有界，即存在正数M ，对任何d d c <'<及一切],[b a x ∈，有M y x f d c≤⎰'),()2(对每一个],[b a x ∈，函数),(y x g 关于y 单调且当d y →时，对参量),(,y x g x 一致收敛于0.则含参量瑕积分⎰dcdy y x g y x f ),(),(在],[b a 上一致收敛.定理3.3.5 （阿贝尔判别法） 若含参量瑕积分⎰dcdy y x g y x f ),(),(满足：)1(含参量瑕积分⎰dcdy y x f ),(在],[b a 上一致收敛；)2(对每一个],[b a x ∈，函数),(y x g 为y 的单调函数，且对参量),(,y x g x 在],[b a 上一致有界，则含参量瑕积分⎰dcdy y x g y x f ),(),(在],[b a 上一致收敛.定理3.3.6 设),(y x f 在),[],[d c b a ⨯上连续，对任何⎰∈dcdy y x f b a x ),(],,[收敛，且⎰dcdy y b f ),(发散，则⎰dcdy y x f ),(在),[b a 上不一致收敛.证明 用反证法.若⎰dcdy y x f ),(在),[b a 上一致收敛，由柯西收敛准则：对任给的0>ε，存在)(0c d -<>δδ，当δηη<<'<0时，对一切),[b a x ∈有εηη<⎰'--d d y x f ),(根据假设),(y x f 在],[],[ηη'--⨯d d b a 上连续，对含参量正常积分应用连续性定理，令-→b x ，有εηη≤⎰'--d d dy y b f ),(这与假设含参量瑕积分⎰dcdy y b f ),(发散矛盾.故⎰dcdy y x f ),(在),[b a 上不一致收敛.4 典型例题例4.1 证明含参量反常积分dx x xy⎰+∞+021cos )18( 在),(+∞-∞上一致收敛.证明 由于对任何实数y 有22111cos x x xy +≤+，及反常积分⎰+∞+021xdx收敛，故由魏尔斯特拉斯M 判别法，含参量反常积分)18(在),(+∞-∞上一致收敛.例4.2 证明含参量反常积分⎰+∞-0sin dx xxe xy)19( 在],0[d 上一致收敛.证明 由于反常积分dx xx⎰+∞sin 收敛（当然，对于参量y ，它在],0[d 上一致收敛），函数),(y x g xye-=对每个],0[d y ∈单调，且对任何0,0≥≤≤x d y 都有1),(≤=-xy e y x g故由阿贝尔判别法即得含参量反常积分)19(在],0[d 上一致收敛.例4.3 证明含参量瑕积分dy xy xy ⎰-1sin ))1,0((∈x在)1,0(上一致收敛.证明 因为dy xy xy dy y x xydy xy xy xx⎰⎰⎰-+-=-101sin sin sin所以对于含参量瑕积分dy yx xyx⎰-0sin ， 由于⎰⎰---≤-x x xx yx xy dy y x xy ηηsin sinηη21=-≤⎰-dy yx xx 故对于任给的0>ε，取421εδ=，当10δη<<时，即有εη<-⎰-xx yx xysin 因此，对于10<<x 它是一致收敛的. 对于积分dy xy xyx⎰-1sin 由于ηηη2sin =-≤-⎰⎰++x xx xxy dydy x y xy故对于任给的0>ε，取421εδ=，当10δη<<时，即有εη<-⎰+x xdy xy xysin 因此，对于10<<x 它是一致收敛的.于是积分dy xy xy ⎰-1sin对于)1,0(∈∀x 一致收敛.例4.4 证明含参量瑕积分⎰1)ln(dy xy 在],1[b b)0(>b 上一致收敛. 证明 由条件可知y x xy ln ln )ln(+=y x ln ln +≤y b ln ln -≤ 而⎰1)ln(dy xy收敛.所以由魏尔斯特拉斯M 判别法知：⎰1)ln(dy xy在)1](,1[>b b b上一致收敛.例4.5 证明含参量瑕积分dy ye xy11⎰- 在],0[d 一致收敛.证明 由于dy y⎰11 收敛（当然，对于参量x ，它在],0[d 上一致收敛）. 函数xyey x g -=),(，对每个],0[d x ∈单调，且对任何10,0≤≤≤≤y d x ，都有1),(≤=-xy e y x g ，故由阿贝尔判别法知dy ye xy11⎰- 在],0[d 上一致收敛.结束语本文首先介绍了含参量无穷限积分的定义,性质及其一致收敛性判别定理.然后参照含参量无穷限反常积分的方法建立了含参量瑕积分的一致收敛性判别定理.最后结合典型例题说明这些定理在实际解题中的运用.参考文献[1] 华东师范大学数学系编,数学分析[M],北京高等教育出版社,2001. 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