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积分上限函数性质及其应用数学毕业论文
20XX届本科毕业论文(设计)
题目:
积分上限函数性质及其应用
所在学院:
数学科学学院
专业班级:
数学与应用数学09-3班
学生姓名:
指导教师:
答辩日期:
20XX年5月5日
新疆师范大学教务处
摘要:
积分上限函数是微积分学中一类具有特殊形式的函数,在证明原函数存在定理和证明牛顿-莱布尼茨定理中占重要地位。
本文首先对积分上限函数的初等性质进行研究,深入讨论了特性,并用积分上限函数的性质来求特殊函数的倒数,极限,其次讨论积分上限函数在证明不等式中的应用,证明积分中值定理中的应用,最后讨论了二元积分上限函数的性质及其它的应用。
关键词:
积分上限函数,性质,定积分,连续,微分中值定理,二元积分上限函数。
引言
原函数存在定理:
设函数与在区间I上都有定义,若,XI则称为在区间上的一个原函数,函数在区间上的全体原函称为在上的不定积分,。
为方便可写:
于是又有
原函数存在定理是微积分学中基本定理。
牛顿–莱布尼茨公式:
若函数在上连续,且存在原函数,即,,则在上可积,且,这称为牛顿–莱布尼茨公式,
而在积分学中,为证明原函数存在定理及牛顿–莱布尼滋公式,引进了积分上限函数。
本文讨论此函数的相关性质,比如导数存在性,连续性,有界性,周期性等,除此之外本文讨论了一元积分上限函数在微分中值定理中的应用,在证明不等式中的应用,求极限中的应用以及相关问题,更进一步的讨论了二元积分上限函数的定义,性质和应用,而且有关它的问题。
1积分上限函数
定义:
设函数在区间上可积,则对于每一个取定,在上也可积,于是由定义了一个以积分上限为自变量的函数,这称为函数的积分上限函数(简称上限函数),也可以称为变限积分函数。
积分上限函数有明显的几何意义:
设有,则积分上限函数是区间上的上的区边梯形的面积,如图
(1)的阴影部分。
2上限积分函数的性质
(1)有界性
若在上可积,则积分上限函数在上有界。
证明:
因为,在上可积,则在上有界,即,使得,有
即证在上有界。
(2)单调性
若在上可积,且,则积分上限函数在上单调递增(递减)。
(3)连续性
如果函数在上是可积,则积分上限函数在区间上连续。
证明:
又由已知条件,在上有界,即,有,
,
,即,当时,即,在上连续
由在上的任意性,在上连续。
(4)奇偶性
设函数是(-A,A)上的连续函数,则有
1:
若是奇函数,则是偶函数。
2:
若是偶函数,则当时奇函数。
(5)可导性
如果函数在区间上连续,则积分上限所确定的函数
在区间上存在导数,并且,或者说:
积分上限函数所确定的函数是被积函数的一个原函数。
证明:
设取,使,则有:
,已知函数在闭区间连续,则由积分中值定理,至少存在一点,使
取
则或
又由函数在的连续性,有
即,
由此可见,尽管定积分与不定积分(原函数)的概念是完全不同的,但是二者之间存在着密切的关系。
所以在区间上的连续函数存在原函数,而积分上限函数
就是的一个原函数。
对上述导数存在定理,我们有如下推广:
(6)性质5的推广
如果函数在区间上连续
1:
当上限是可微函数时,有下面求道公式
2:
当上限与下线都是的可微函数时,则有如下求导公式
证明:
1,取,使
由已知函数是可微函数,
故
又因为在连续,由积分中值定理则
是可微的,因此是连续,
2:
取便所以
由已知,和都是可微函数
所以
又因为上连续,由积分中值定理
同理得
所以与可微,且它们是连续函数。
所以
(7)周期性
周期为的可积函数的积分,当时以为周期的函数
证明:
为的可积函数
令
则
令
当时,成立,既当
时,函数为以为周期的的周期函数。
(8)进一步下面我们有更一般性的性质定理
若是周期为的连续函数,则
是周期为的函数,其中为任意常数。
证明:
(1)
又因为未周期为的连续函数,所以有
(2)
把
(2)代人
(1)得
故是以为周期的函数
该定理告诉我们当是具有周期为的连续函数,则
可以表示为一次函数与周期为的函数之和。
3积分上限函数的应用
3.1积分上限函数在积分中值定理中的应用
引理:
(积分上限函数的基本定理)
若在上连续,则在上可导。
定理3.1.1(积分中值定理)
若在上连续,则在内至少存在一点使
证明:
设积分上限函数在上连续,所以由引理知可导,且在对使用积分中值定理:
在内至少存在一点使,既。
定理3.2(推广的积分中值定理)
若函数与在区间上都连续,且在上不变号,则
上至少存在一点C使:
证明:
当时定理成立,现设构造两个积分上限函数:
满足微分中值定理的条件,且
在内一点使
由引理1知:
那么
又
故。
3.2积分上限函数在证明不等式中的应用
定理3.2.3设与为定义在上的两格可积函数,若则.
定理3.2.4若与在上可积,则
若在区间上连续,其中等号当且仅当存在常数,
使得时成立(不同时为零)。
4.有关积分上限函数性质的例题
例1设函数
在处连续,求?
解:
例2若连续且在点可导,
求
解:
由导数定义知道:
例3设并且,证明函数
在内为增函数。
证明:
时,分母
在内有定义,
由定理1-7得当
时,
故
从而在内为增函数。
例4设是上连续奇函数且单调上升,
求证:
是奇函数
证明:
故是奇函数。
5.有关一元积分上限函数应用的题
5.1积分上限函数在求极限中的应用
例1
解:
令则是的简短点
是的可去简短点
在上连续
从而
5.2积分上限函数在不等式中的应用
例1已知在上连续,为任意实数
求证:
(1)
证明:
(1)式左端第一项应用Schwarz不等式
(2)
同理(3)
式
(2)+(3)既得式
(1)。
5.3积分上限函数在微分中值定理中的应用
例1设在连续,且单调增加,试证明对任何,恒有
解:
令,则
。
通过这个例子我们可以知道一般涉及某两点的函数值差的题目,可考虑用微分中值定理或微分积分基本公式。
6二元积分上限函数性质和应用
定义:
设是定义在矩形区域上的二元函数,当取上某定值时,函数则是定义在上以为自变量的一元函数,倘若这时在上可积,则其积分值是在上取值的函数,记为,就有。
一般地设为定义在区域
上的二元函数,其中在上的连续函数,若对于上的每一
固定的值,作为的函数在闭区间上可积,则其积分值是在上取值的函数,记作时,就有。
6.1二元积分上限函数的性质
定理6.1.1(连续性)
若二元函数在矩形区域上连续,则函数
在上连续。
证明:
设,对充分小的,有
(1)
由于在有界闭区域上连续,从而一直连续,即对人给的正数,总存在某个正数,对R内任意两点与,只要
就有
(2)
所以由
(1)和
(2)可推得:
当有
这就证得在上连续。
定理6.1.2(可微性)
若函数与其偏导数都在矩形区域
上连续,则
在上可微,
且
证明:
对于内任意一点,设,则
由微分学的拉格郎日中值定理及,在有界区域上连续,对任给正数,存在正数,只要当时,就有
其中,因此
这就证得对一切有
定理6.1.3(可积性)
若在矩形区域上连续,则和分别在和上可积,这就是说:
在连续性假设下,同时存在两个求积顺序不同的积分。
例1求:
解:
因为,所以
通过交换积分顺序得到
求解完毕.
总结
本文中主要讨论积分上限函数的性质和应用,在学习积分上限函数时,要注意区分积分上下限变量与积分变量,不要混淆。
对积分上限函数求导是针对积分限变量的,还有利用积分上限函数的性质而求解函数的解,证明不等式题,积分中值定理是很方便的,很容易达到目的的,因此,深刻理解积分上限函数的定义,准确掌握相关性质,是解决各种积分上限函数有关问题的关键,除此之外二元积分上限函数的应用和用处给了我们很大的帮助,在解决多元函数积分学中二元函数是提供我们基础知识。
参考文献:
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数学分析(上册)[M],高等教育出版社(第三版),2001.220~222
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高等教育出版社,1993258
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积分上限函数,唐山师范学院学报[J],(第30卷第5期)2008.9。
20~22页。
[5]高智民。
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[6]高鸿。
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(第9卷第3期)2002.5138~139页。
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