Processing math: 100%

Критерий сходимости несобственных интегралов

Теорема

Пусть f(x) не изменяет знак на полуинтервале [a,b) и для любого ξ из данного полуинтервала f(x) интегрируема по Риману на отрезке[a,ξ]. Тогда для сходимости несобственного интеграла baf(x)dx необходимо и достаточно, чтобы функция Φ(ξ)=ξaf(x)dx была ограничена на [a,b).

Спойлер

Доказательство

Докажем вначале теорему для f(x) неотрицательной. Покажем, что функция Φ(ξ) возрастает. Действительно, для любых ξ1, ξ2 из [a,b), ξ1<ξ2
Φ(ξ1)Φ(ξ2)=ξ1af(x)dxξ2af(x)dx=ξ2ξ1f(x)dx0, так как f(x) неотрицательна.

Из определения сходимости несобственного интеграла, интеграл baf(x)dx сходится тогда, когда существует конечный предел limξb0ξaf(x)dx=limξb0Φ(ξ), а данный предел существует как предел монотонной и ограниченной функции Φ(ξ).

В случае если f(x) — неположительная, то рассмотрим функцию g(x)=f(x) — неотрицательную. Из сходимости g(x) следует сходимость f(x), а для g(x) теорема уже доказана.

Спойлер

Список Литературы

Критерий сходимости несобственных интегралов

Тест по теме: Критерий сходимости несобственных интегралов

После прочтения статьи, для закрепления материала, рекомендуется пройти тест по данной теме


Таблица лучших: Критерий сходимости несобственных интегралов

максимум из 30 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Равномерная сходимость последовательностей и рядов

Функциональные последовательности

Если каждому натуральному числу n ставится в соответствие по некоторому закону функция fn(x), определенная на множестве E, то говорят, что на множестве E задана функциональная последовательность {fn(x)}. Множество E называется областью определения последовательности {fn(x)}.

Если для некоторого x0E числовая последовательность {fn(x0)} сходится, то говорят, что последовательность функций {fn(x)} сходится в точке x0. Последовательность функций, сходящуюся в каждой точке xE, называют сходящейся на множестве E.

Если limnfn(x)=f(x) для всех xE, то говорят, что последовательность {fn(x)} на множестве E сходится к функции f(x). Эту функцию называют предельной функцией последовательности.

Равномерная сходимость функциональных последовательностей

Пусть задана последовательность функций {fn(x)} и предельная функция f(x). Говорят, что последовательность функций равномерно сходится на множестве E к функции f(x) если
ε>0nεN:nnε xE|fn(x)f(x)|<ε.
Последовательность {fn(x)} называется равномерно сходящейся на E, если существует функция f(x), к которой она равномерно сходится.

Спойлер

Функциональные ряды

Аналогично вводим понятие функциональных рядов. Пусть каждому натуральному числу n ставится в соответствие по некоторому закону функция un(x), определенная на множестве E. Формально говоря нам дана функциональная последовательность {un(x)}.

Выражение вида u1(x)+u2(x)++un(x)+=n=1un(x) называется функциональным рядом. Если для некоторого x0E числовой ряд n=1un(x0) сходится, то говорят, что функциональный ряд n=1un(x) сходится в точке x0. Функциональный ряд, сходящийся в каждой точке xE, называют сходящимся на множестве E.

Сумма n первых членов ряда Sn(x)=k=1nuk(x) называется его частичной суммой. Заметим, что частичная сумма сама является функцией. Мы получаем функциональную последовательность {Sn(x)}.

Спойлер

Равномерная сходимость функциональных рядов

Пусть задан функциональный ряд n=1un(x), члены которого являются функциями, определенными на множестве E. Функциональный ряд называется равномерно сходящимся на множестве E, если последовательность его частичных сумм равномерно сходящаяся на множестве E. Согласно определению равномерной сходимости последовательности функции, существует такая функция S(x), что
ε>0nεN:nnε xE|Sn(x)S(x)|<ε.
Обозначим Sn(x)S(x)=rn(x)n-ый остаток ряда, получаем rn(x)=k=n+1uk(x). Тогда условие сходимости ряда примет вид: ε>0nεN:nnε xE|rn(x)|<ε.
Это означает, что какое бы мы маленькое ε не взяли, начиная с некоторого номера n, n-ый остаток ряда будет меньше этого ε.

Необходимое условие равномерной сходимости функционального ряда

Теорема

Если функциональный ряд n=1un(x) равномерно сходится на множестве E, то последовательность его членов {un(x)} равномерно стремится к нулю на множестве E.

Доказательство

Обозначим частичные суммы ряда как Sn(x), а сумму ряда (предельную функцию последовательности частичных сумм) как S(x). Согласно определению равномерной сходимости ряда
ε>0nεN:nnε xE|Sn(x)S(x)|<ε2,
поэтому для nnε справедливо также неравенство
|un+1(x)|=|Sn+1(x)Sn(x)|=|[Sn+1(x)S(x)]+[S(x)Sn(x)]|<ε2+ε2=ε.
А это и означает равномерную сходимость к нулю последовательности {un(x)}.

Список Литературы

Равномерная сходимость последовательностей и рядов

После прочтения статьи, для закрепления материала, рекомендуется пройти тест по данной теме


Таблица лучших: Равномерная сходимость последовательностей и рядов

максимум из 60 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Критерий Коши сходимости несобственных интегралов

Будем рассматривать несобственный интеграл от неограниченной функции.

Теорема

Пусть f(x) определена на полуинтервале [a,b). Для сходимости несобственного интеграла baf(x)dx необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие Коши: для всякого ε>0 найдется такое δ[a,b), что для любых ξ1,ξ2(δ,b) выполняется неравенство |ξ2ξ1f(x)dx|<ε.

Доказательство

Обозначим функцию Φ(ξ)=ξaf(x)dx. Тогда, сходимость интеграла baf(x)dx означает существование конечного предела limξb0ξaf(x)dx=limξb0Φ(ξ), а этот предел существует, согласно критерию Коши, когда функция Φ(ξ) удовлетворяет условию
ε>0δ[a;b):ξ1,ξ2(δ,b)|Φ(ξ2)Φ(ξ1)|<ε.
И в силу свойств интеграла получаем |Φ(ξ2)Φ(ξ1)|=|ξ2af(x)dxξ1af(x)dx|=|ξ2ξ1f(x)dx|<ε.
А это то, что нам и требовалось доказать.

Список Литературы

Критерий Коши сходимости несобственных интегралов

После прочтения статьи, для закрепления материала, рекомендуется пройти тест по данной теме


Таблица лучших: Критерий Коши сходимости несобственных интегралов

максимум из 30 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

М1606. Построение отрезка параллельного стороне треугольника и видимого из середины этой стороны под прямым углом

Задача из журнала «Квант» (1997, №5)

Условие

Дан треугольник ABC. Постройте отрезок DE с концами на сторонах AB и BC, параллельный стороне AC и видимый из середины стороны AC под прямым углом.

Решение

Задача легко решается методом подобия. Пусть P — точка, в которой продолжение медианы BK пересекает полуокружность с центром K и диаметром AC (см. рисунок). При гомотетии с центром B, переводящей точку P в точку K, отрезок AC перейдет в искомый отрезок   DE: этот отрезок параллелен AC и DKE=APC=90
M1606
Заметим, что треугольник AKP(а также CKP) — равнобедренный, поэтому углы DKA=KAP и DKB=APK равны (и, аналогично, BKE=EKC). Таким образом, для построения нужного отрезка DE достаточно провести биссектрисы KD и KE углов AKB и BKC. То, что полученный отрезок DE обладает нужными свойствами, легко доказать непосредственно: DKE=90, поскольку он состоит из половинок углов, дающие в сумме развернутый угол, а параллельность DE и AC вытекает из равенств, использующих свойства биссектрис:

ADDB=AKKB=CKKB=CEEB.

Задача имеет и другие решения, связанные с подсчетом углов.

Р.Травкин, Н.Васильев, В.Сендеров