\chapter{含参变量积分} \begin{definition} 设二元函数$f(x, u)$在闭矩形$I = [a, b] \times [\alpha, \beta]$上连续,那么对于固定的$u \in [\alpha, \beta]$,函数$f(x, u)$对变量$x$在$[a,b]$上Riemann可积,这时称积分 \[\int_a^b f(x, u) \dif x\] 是含参变量$u$的常义积分。如果对于固定的$u$,$f(x, u)$是变量$x$在$[a, b]$中的无界函数,或者$[a, b]$是一个无限区间,则称相应的积分是含参变量$u$的反常积分。 \end{definition} \section{含参变量的常义积分} \begin{theorem} 如果函数$f(x, u)$在闭矩形$I = [a, b] \times [\alpha, \beta]$上连续,那么 \[\varphi(u) = \int_a^b f(x, u) \dif x\] 在区间$[\alpha, \beta]$上一致连续。 \end{theorem} \begin{remark} 这意味着 \[\tolim{t}{t_0} \int_\alpha^\beta f(x, t) \dif x = \int_\alpha^\beta \tolim{t}{t_0} f(x, t) \dif x\] \end{remark} \begin{theorem}[含参积分的连续性] 如果函数$f$及其偏导数$\dfrac{\partial f}{\partial u}$都在闭矩形$I = [a, b] \times [\alpha, \beta]$上连续,那么函数 \[\varphi(u) = \int_a^b f(x, u) \dif x\eqper\] 在$[\alpha, \beta]$上可微,而且 \[\dfrac{\dif}{\dif u} \varphi(u) = \int_a^b \left(\frac{\partial}{\partial u} f(x, u)\right)\dif x\eqper\] \end{theorem} \begin{remark} 这意味着当积分 \[\varphi(u) = \int_a^b f(x, u) \dif x\] 难以计算,而$\varphi(u_0)$容易计算时,可以先求出 \[\deriv{\varphi(u)} = \int_a^b \frac{\partial f}{\partial u} (x, u) \dif x\] 再对$u$积分: \[\varphi(u) = \varphi(u_0) + \int_{u_0}^u \deriv{\varphi}(t) \dif t\eqper\] \end{remark} \begin{theorem}[含参积分的可微性] 设$g(t, x)$。$\dfrac{\partial g}{\partial t} \in C([a, b] \times [c, d])$,$\alpha(t), \beta(t)$在$[a, b]$上可导,且对任意的$t \in [a, b]$,有 \[c \leq \alpha(t), \beta(t) \leq d\] 则 \[f(t) = \int_{\alpha(t)}^{\beta(t)} g(t, x) \dif x\] 在区间$[a, b]$上可导,且 \[\deriv{f}(t) = \dfrac{\dif}{\dif t}\int_{\alpha(t)}^{\beta(t)} g(t, x) \dif x = \int_{\alpha(t)}^{\beta(t)} \dfrac{\partial g}{\partial t}(t, x) \dif x + g(t, \beta(t)) \deriv{\beta}(t) - g(t, \alpha(t)) \deriv{\alpha}(t)\eqper\] \end{theorem} \begin{proof} 令$J(t, \alpha, \beta) = \dint_\alpha^\beta g(t, x) \dif x$,由$g(t, x), \dfrac{\partial g}{\partial t}(t, x)$的连续性, \[\deriv{J_t} = \int_\alpha^\beta \dfrac{\partial g}{\partial t}(t, x) \dif x, \deriv{J_\alpha} = - g(t, \alpha), \deriv{J_\beta} = g(t, \beta)\] 均在$(t, \alpha, \beta) \in D = [a, b] \times [c, d] \times [c, d]$上连续。因此$J(t, \alpha, \beta)$在$D$上可微,复合函数 \[f(t) = \int_{\alpha(t)}^{\beta(t)} g(t, x) \dif x = J(t, \alpha(t), \beta(t))\] 在$t \in [a, b]$上可微,且 \begin{align*} \deriv{f}(t) & = \deriv{J_t} + \deriv{J_\alpha} \cdot \deriv{\alpha}(t) + \deriv{J_\beta} \cdot \deriv{\beta}(t)\\ & = \int_{\alpha(t)}^{\beta(t)} \dfrac{\partial g}{\partial t}(t, x) \dif x + g(t, \beta(t)) \cdot \deriv{\beta}(t) - g(t, \alpha(t)) \cdot \deriv{\alpha}(t)\eqper \end{align*} \end{proof} \begin{theorem}[含参积分的可积性] 设$g(t, x)$在$(t, x) \in D = [a, b] \times [\alpha, \beta]$上连续,则$\dint_\alpha^\beta g(t, x) \dif x$在$t \in [a, b]$上可积,$\dint_a^b g(t, x) \dif t$在$x \in [\alpha, \beta]$上可积,且 \[\int_a^b \left(\int_\alpha^\beta g(t, x) \dif x\right) \dif t = \int_\alpha^\beta \left(\int_a^b g(t, x) \dif t\right)\dif x\] 简记为 \[\int_a^b \dif t \int_\alpha^\beta g(t, x) \dif x = \int_\alpha^\beta \dif x \int_\alpha^\beta g(t, x) \dif t\eqper\] \end{theorem} \section{含参反常积分的一致收敛} 设$f(t, x)$在$D = [\alpha, \beta] \times [a, +\infty)$上连续,对任意的$t \in [\alpha, \beta]$,广义积分 \[I(t) = \int_a^{+\infty} f(t, x) \dif x\] 收敛。那么$I(t) \in C[\alpha, \beta]$吗?这个问题与先前遇到的函数项级数的连续性问题类似,都需要一致收敛的条件。 \begin{definition} 设对任意的$t \in \Omega \subset \realnum$,$\dint_a^{+\infty} f(t, x) \dif x$收敛。如果对于任意给定的$\varepsilon > 0$,总能找到只与$\varepsilon$有关的$A_0(\varepsilon)$,使得当$A > A_0$时 \[\abs{\int_A^{+\infty} f(t, x) \dif x} < \varepsilon\] 对任意的$t \in \Omega$成立,则称反常积分$\dint_a^{+\infty} f(t, x) \dif x$关于$t \in \Omega$一致收敛。 \end{definition} 记 \[\eta(A) = \sup \limits_{u \in [\alpha, \beta]} \abs{\int_A^{+\infty} f(t, x) \dif x} \eqper\] \begin{theorem} 积分$\dint_a^{+\infty} f(t, x) \dif x$在$\Omega$上一致收敛的充分必要条件是 \[\tolim{A}{+\infty} \eta(A) = 0\eqper\] \end{theorem} \begin{theorem}[Cauchy收敛原理] 积分$\dint_a^{+\infty} f(t, x) \dif x$在$\Omega$上一致收敛的充分必要条件是,对任意$\varepsilon > 0$,存在仅与$\varepsilon$有关的$A_0$当$A^\prime, A^{\prime \prime} > A_0$时,不等式 \[\abs{\int_{A^\prime}^{A^{\prime \prime}} f(t, x) \dif x} < \varepsilon\] 对任意$t \in \Omega$都成立。 \end{theorem} \begin{theorem}[Weierstranss判别法] 设$f(t, x)$对$x$在$[a, +\infty)$上连续。如果坐在$[a, +\infty)$上的连续函数$F$,使得$\dint_a^{+\infty} F(x) \dif x$收敛,且对一切充分大的$x$及$\Omega$上的一切$t$,都有 \[\abs{f(t, x)} \leq F(x)\] 那么积分$\dint_a^{+\infty} f(t, x) \dif x$在$\Omega$上一致收敛。 \end{theorem} \begin{theorem}[Dirichlet判别法] 如果$f, g$满足下面两个条件: \begin{enumerate} \item 当$A \to +\infty$时,积分$\dint_a^A f(t, x) \dif x$对$t \in \Omega$一致有界,即存在常数$M$,使得当$A$充分大时,对每个$t \in \Omega$有 \[\abs{\int_a^A f(t, x) \dif x} \leq M\] \item $g(t, x)$是$x$的单调函数,且当$x \to +\infty$时关于$t$一致地趋于0。 \end{enumerate} 那么积分 \[\int_a^{+\infty} f(t, x) g(t, x) \dif x\] 在$\Omega$上一致收敛。 \end{theorem} \begin{theorem}[Abel判别法] 如果$f, g$满足下面两个条件: \begin{enumerate} \item 积分$\dint_a^{+\infty} f(t, x) \dif x$关于$t \in \Omega$一致收敛; \item $g(t, x)$对$x$单调,且关于$t$一致有界。 \end{enumerate} 那么积分 \[\int_a^{+\infty} f(t, x) g(t, x) \dif x\] 在$\Omega$上一致收敛。 \end{theorem} \section{含参变量反常积分的性质} \begin{theorem} 如果函数$f(t, x)$在$[\alpha, \beta] \times [a, +\infty)$上连续,而且积分 \[I(t) = \int_a^{+\infty} f(t, x) \dif x\] 关于$t \in [\alpha, \beta]$一致收敛,则$I(t) \in C[\alpha, \beta]$。 \end{theorem} \begin{theorem} 设函数$f(t, x), \dfrac{\partial f}{\partial t}(t, x) \in C([\alpha, \beta] \times [a, +\infty])$,且对任意的$t \in [\alpha, \beta]$, \[I(t) = \int_a^{+\infty} f(t, x) \dif x\] 收敛,同时 \[\int_a^{+\infty} \dfrac{\partial f}{\partial t}(t, x) \dif x\] 关于$t \in [\alpha, \beta]$一致收敛,那么$I(t) \in C^1[\alpha, \beta]$且 \[\deriv{I}(t) = \frac{\dif}{\dif t} \int_a^{+\infty} f(t, x) \dif x = \int_a^{+\infty} \frac{\partial f}{\partial t}(t, x) \dif x\eqper\] \end{theorem} \begin{theorem} 设函数$f(x, y) \in C([a, +\infty) \times [\alpha, \beta])$,含参积分 \[I(t) = \int_a^{+\infty} f(x, y) \dif x\] 关于$y \in [\alpha, \beta]$一致收敛,则$I(y)$在$[\alpha, \beta]$上可积,且 \[\int_\alpha^\beta I(y) \dif y = \int_a^{+\infty} \left(\int_\alpha^\beta f(x, y) \dif y\right)\dif x\] 即 \[\int_\alpha^\beta \dif y \int_a^{+\infty} f(x, y) \dif x = \int_a^{+\infty} \dif x \int_\alpha^\beta f(x, y) \dif y\eqper\] \end{theorem} \begin{theorem} 如果函数$f(x, y)$满足下列条件: \begin{enumerate} \item $f$在$[a, +\infty) \times [\alpha, +\infty)$上连续; \item 对任意的$\beta > \alpha$,积分 \[\int_a^{+\infty} f(x, y) \dif x\] 在$y \in [\alpha, \beta]$上一致收敛; 对任意的$b > a$,积分 \[\int_\alpha^{+\infty} f(x, y) \dif y\] 在$x \in [a, b]$上一致收敛; \item 积分 \[\int_a^{+\infty} \left(\int_\alpha^{+\infty} \abs{f(x, u)} \dif u\right)\dif x, \quad \int_\alpha^{+\infty} \left(\int_a^{+\infty} \abs{f(x, u)} \dif x\right)\dif u\] 中至少有一个存在, \end{enumerate} 那么积分 \[\int_a^{+\infty} \left(\int_\alpha^{+\infty} f(x, u) \dif u\right)\dif x, \quad \int_\alpha^{+\infty} \left(\int_a^{+\infty} f(x, u) \dif x\right)\dif u\] 都存在且相等,即 \[\int_a^{+\infty} \left(\int_\alpha^{+\infty} f(x, u) \dif u\right)\dif x = \int_\alpha^{+\infty} \left(\int_a^{+\infty} f(x, u) \dif x\right)\dif u\eqper\] \end{theorem} \section[Γ函数与B函数]{$\Gamma$函数与$\Beta$函数} 含参变量的广义积分 \begin{align*} \Gamma(s) = \int_0^{+\infty} t^{s - 1} e^{-t} \dif t, \quad (s > 0)\\ \Beta(p, q) = \int_0^1 t^{p - 1} (1 - t)^{q - 1} \dif t, \quad (p > 0 , q > 0) \end{align*} 分别称为$\Gamma$函数和$\Beta$函数。 \subsection[Γ函数]{$\Gamma$函数} \begin{theorem} $\Gamma(s)$在$(0, +\infty)$上连续,且有各阶连续导数。 \end{theorem} \begin{theorem} $\Gamma$函数具有下面三条性质: \begin{enumerate} \item 对任意$s > 0$,$\Gamma(s) > 0$,且$\Gamma(1) = 1$; \item $\Gamma(s + 1) = s \Gamma(s)$对任意$s > 0$成立; \item $\ln \Gamma(s)$是$(0, +\infty)$上的凸函数。 \end{enumerate} \end{theorem} $\Gamma$函数可以看作是阶乘函数的推广: \[\Gamma(n + 1) = n!, n = 1, 2, 3, \dots\] \begin{theorem}[Bohr-Mollerup] 如果$(0, +\infty)$上的函数$f$满足下面三个条件: \begin{enumerate} \item 对任意$x > 0$,$f(x) > 0$且$f(1) = 1$; \item $f(x + 1) = xf(x)$对任意$x > 0$成立; \item $\ln f$是$(0, +\infty)$上的凸函数, \end{enumerate} 那么$f(x) = \Gamma(x)$对任意$x > 0$成立。 \end{theorem} \begin{theorem} 对任意$x > 0$,有 \[\Gamma(x) = \tolim{n}{\infty} \frac{n^x n!}{x(x + 1) \dots (x + n)}\eqper\] \end{theorem} \begin{theorem}[$\Gamma$函数的余元公式] 对任意的$x \in (0, 1)$,有 \[\Gamma(x) \Gamma(1 - x) = \frac{\pi}{\sin \pi x}\eqper\] \end{theorem} \subsection[B函数]{$\Beta$函数} \begin{theorem} $\Beta$函数有下面的性质: \begin{enumerate} \item $\Beta(p, q) > 0$,且$\Beta(1, q) = \dfrac{1}{q}$; \item $\Beta(p + 1, q) = \dfrac{x}{p + q} \Beta(p, q)$; \item 给定$q > 0$,$\ln \Beta(p, q)$关于$x$在$(0, + \infty)$是凸函数。 \end{enumerate} \end{theorem} \begin{theorem} 对任意$p > 0$,$q > 0$,有 \[\Beta(p, q) = \frac{\Gamma(p) \Gamma(q)}{\Gamma(p + q)}\eqper\] \end{theorem} \begin{corollary} 对任意的$p > 0, q > 0$,$\Beta$函数有如下性质: \begin{enumerate} \item $\Beta(p, q) = \Beta(q, p)$; \item $\Beta(p + 1, q + 1) = \dfrac{pq}{(p + q + 1)(p + q)}B(p, q)$。 \end{enumerate} \end{corollary}