本节的例题和练习题以变限积分方法为中心,而将以 Newton-Leibniz 公式为主的内容放在下一节中.
10.3.1 主要命题
Section titled “10.3.1 主要命题”关于变限积分的主要结果是下面两个命题.
设 f∈ R[a,b] ,则变上限积分 ∫ₐˣf(t)dt 与变下限积分 ∫ₓ^b f(t)dt 都是 [a,b] 上的连续函数.
设 f ∈ R[a, b] , x ∈ [a, b] 是 f 的连续点,则
frac dd x ∫_ a ^ x f (t) d t = f (x).由此就给出了原函数存在的一个充分条件.
设 f ∈ C[a, b] ,则 f 在 [a, b] 上存在原函数.
设 F 在 [a, b] 上有连续的导函数,则对每个 x ∈ [a, b] ,成立 Newton-Leibniz 公式:
∫_ a ^ x F ^ prime (t) d t = F (x) - F (a).在多数文献中将命题 10.3.2 和 (或) 命题 10.3.4 称为微积分基本定理.这是 Newton 和 Leibniz 发现的.在他们之前,微分和积分的许多个别结果已经得到.但是只有当 Newton 和 Leibniz 发现了微分和积分运算的互逆关系之后,微积分才成为统一的整体并开始了全新的发展 (这方面可参看 [6] 和 [60] 的第三章).
比命题 10.3.4 更一般的是
设 f ∈ R[a, b] , F 是 f 在 [a, b] 上的一个原函数,则对每个 x ∈ [a, b],成立 Newton-Leibniz 公式:
∫_ a ^ x f (t) d t = F (x) - F (a).这个命题也被称为微积分基本定理,但是它的证明完全不需要关于变上限积分的命题.此外,两个条件缺一不可.关于这些问题有许多深入的研究,例如可以参考 [57] 以及其中所引的文献.
命题 10.3.5 可推广如下.设 f ∈ R[a, b] , F ∈ C[a, b],且除了有限个点之外满足条件 F' = f,则对于每个 x ∈ [a, b],仍成立等式
∫_ a ^ x f (t) d t = F (x) - F (a),这有时称为广义的 Newton-Leibniz 公式.
例如有
∫_ - 1 ^ 3 operatornamesgn x d x = | x | | _ - 1 ^ 3 = 2.题 举例: (1) 可积函数未必有原函数; (2) 有原函数的函数未必可积.
由于有第一类间断点的函数不能是导函数,因此 (1) 是容易的.对于 (2), 可以考虑在区间 [-1, 1] 上的下列函数的导函数是否可积:
f (x) = { l l x ^ 2 sin frac 1x ^ 2, & x ≠ 0, 0, & x = 0. .10.3.2 例题
Section titled “10.3.2 例题”在命题 10.3.1 中出现的变限积分不仅在建立微积分基本定理时有用,而且是一种非常有效的工具。对于 f ∈ C[a, b] ,引入变限积分 F(x) = ∫ₐˣ f(t) dt ,则 F(x) 为 [a, b] 上的连续可微函数。因此,我们就有可能同时用微分学和积分学的工具去研究它。
下一题的证明和应用一般出现在二重积分理论中,但在这里用变限积分方法来证明还是很容易的.
设 f ∈ C[0, +∞) , a > 0,证明:
∫_ 0 ^ a (∫_ 0 ^ x f (t) d t) d x = ∫_ 0 ^ a f (x) (a - x) d x.证明
将 a 看成非负变量,等式两边就成为变上限积分.当 a = 0 时两边都等于 0,然后将两边对 a 求导,右边求导后得到
(∫_ 0 ^ a f (x) (a - x) d x) ^ prime = (a ∫_ 0 ^ a f (x) d x - ∫_ 0 ^ a x f (x) d x) ^ prime = ∫_ 0 ^ a f (x) d x,与左边求导结果相同,从 Newton-Leibniz 公式就得到所求的等式.
设 f ∈ R[A, B] , a, b ∈ (A, B) 是 f 的两个连续点,证明:
lim _ h arrow 0 ∫_ a ^ b frac f (x + h) - f (x)h d x = f (b) - f (a).证明
要点是利用变量代换改变积分限,然后利用命题 10.3.2 计算如下:
r l & underset h → 0 lim ∫_ a ^ b frac f (x + h) - f (x)h d x = underset h → 0 lim frac 1h (∫_ a ^ b f (x + h) d x - ∫_ a ^ b f (x) d x) & = underset h → 0 lim frac 1h (∫_ a + h ^ b + h f (x) d x - ∫_ a ^ b f (x) d x) & = underset h → 0 lim frac 1h (∫_ b ^ b + h f (x) d x - ∫_ a ^ a + h f (x) d x) & = f (b) - f (a).下面的”证法”是很有诱惑力的:
r l lim _ h → 0 ∫_ a ^ b frac f (x + h) - f (x)h d x & = ∫_ a ^ b lim _ h → 0 frac f (x + h) - f (x)h d x & = ∫_ a ^ b f ^ prime (x) d x = f (b) - f (a).请初学者注意: 上面的三步推导中的每一步都是错误的,即犯了三个错误: (1) 没有根据就将求极限与求积分运算交换顺序; (2) 对差商求极限时忘记了题中 f 只在两点连续,并无可导条件; (3) 即使 f 在 [a, b] 上可导,但导函数也不一定可积,因此不能用 Newton-Leibniz 公式.
设 f ∈ C[a, b],且满足条件
∫_ a ^ b x ^ k f (x) d x = 0 (k = 0, 1, … , n),证明: 函数 f 在 (a, b) 内至少有 n + 1 个不同的零点.
证1
用数学归纳法.对于 n = 0,从 ∫ₐ^(b) f(x) dx = 0 和 f ∈ C[a, b] 可见 f 在 (a, b) 上或变号,或恒等于 0,因此至少有一个零点.
设对于 n 的结论已成立,我们讨论 n + 1 的情况.引入辅助函数
F (x) = ∫_ a ^ x f (t) d t,这时 F(a) = 0 。从 f 满足的条件 ∫ₐ^(b) f(x) dx = 0 得到 F(b) = 0 。又从分部积分可见对 k ≥slant 1 有
r l & ∫_ a ^ b x ^ k f (x) d x = ∫_ a ^ b x ^ k d F (x) = x ^ k F (x) | _ a ^ b - ∫_ a ^ b k x ^ k - 1 F (x) d x & = - ∫_ a ^ b k x ^ k - 1 F (x) d x,因此有
∫_ a ^ b x ^ k f (x) d x = 0 Longrightarrow ∫_ a ^ b x ^ k - 1 F (x) d x = 0, k = 1, … , n + 1.根据归纳假设,F 在 (a,b) 内至少有 n + 1 个零点.将它们记为 x₁ < x₂ < … < xₙ + 1.由于 a 和 b 又都是 F 的零点,改记 a = x₀ , b = xₙ + 2,并对 [xᵢ, xᵢ+1] , i = 0,1,…,n + 1,用 n + 2 次 Rolle 定理,就得到所要求的 n + 2 个零点.square
证2
用反证法.设有一个 f 满足所有题设条件,但其零点个数不超过 n .
这时 f 在 [a, b] 内的任何闭子区间上不会恒等于 0,因此从条件 ∫ₐ^(b) f(x) dx = 0 可见 f 在区间 [a, b] 上一定变号.
利用 f 的所有零点或其中的一部分,可以作出区间 [a, b] 的一个分划
P = {x _ 0, x _ 1, … , x _ k },其中 x₀ = a, xₖ = b, 中间的 k - 1 个分点都是 f 的零点, f 在每个子区间上不变号,而在相邻的子区间上 f 的符号相反.
由反证法前提可见 k - 1 ≤slant n .
对于分划 P 可以构造辅助多项式
g (x) = (x - x _ 1) (x - x _ 2) … (x - x _ k - 1).g 关于分划 P 具有与 f 相同的性质:即在每个子区间上不变号,而在相邻的子区间上符号相反.这样就知道 f· g 在整个区间 [a,b] 上不变号,因此
∫_ a ^ b f (x) g (x) d x > 0 (< 0).另一方面,由于 g 是次数不超过 n 的多项式,从题设条件可见上述积分应当等于 0,从而引出矛盾.square
10.3.3 练习题
Section titled “10.3.3 练习题”- 计算下列各题:
(1) (∫₀ˣtsin1/tdt)'ₓ=0;
(3) limₓ→ 0(∫₀ˣ(arctan t)²dt)/(x²);
(2) (d)/(dx)∫ₓ²ˣ³(sin t)/(t)dt;
(4) limₓ→ +∞frac(∫₀ˣe^(t²dt)²∫₀ˣe²t²dt).
- 设 f ∈ C[a, b],且存在常数 M, η > 0,使对每个 [α, β] ⊆ [a, b],恒有
证明: f≡ 0
-
设 f ∈ C[a, b],且在 [a, b] 上满足不等式 f(x) ≤slant ∫ₐˣ f(t) dt,证明: 在 [a, b] 上 f(x) ≤slant 0 .
-
设函数 f ∈ C[0, π] ,且有 ∫₀^(π) f(t) cos t dt = ∫₀^(π) f(t) sin t dt = 0 ,证明: f 在区间 (0, π) 内至少有两个零点.
-
设 f 为周期函数,且于每个有界区间上可积,证明: 变上限积分
可以表示为一个周期函数与一个线性函数之和.
-
设 f ∈ C(-∞, +∞) ,且积分 ∫ₐ^(a + T) f(x) dx 的值与 a 无关,证明: f 为周期函数.
-
设 f ∈ C(0, +∞),且对任何 a, b > 0 的积分 ∫ₐ^(ab) f(x) dx 的值与 a 无关,试求函数 f .
-
设 f ∈ R[a, b],证明: 存在 ξ ∈ [a, b],使成立 ∫_(ξ)^(b) f(x) dx = ∫ₐ^(ξ) f(x) dx,并举例说明这样的 ξ 在 (a, b) 内不一定存在.
-
设 f ∈ C[a, b],且处处大于 0,证明: 在 [a, b] 上有
- 设 a(t) , b(t) , c(t) , d(t) 均为变量 t 的多项式,证明:
可被 (x - 1)⁴ 整除.
-
设 f ∈ C(-∞, +∞) , g(x) = f(x) ∫₀ˣ f(t) dt 且单调减少,证明: f ≡ 0 .
-
设 f 在 [0, +∞) 上可微,且满足 ∫₀ˣ t f(t) dt = x/3 ∫₀ˣ f(t) dt,求 f .