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数学分析原理答案——第七章 习题12

【第七章 习题12】

假设gggfn(n=1,2,3,…)f_{n}(n = 1,2,3,\ldots)fn(n=1,2,3,)都定义在(0,∞)(0,\infty)(0,)上,只要0<t<T<∞0 < t < T < \infty0<t<T<,便都在[t,T]\lbrack t,T\rbrack[t,T]上Riemann可积分。∣fn∣≤g\left| f_{n} \right| \leq gfng,在(0,∞)(0,\infty)(0,)的每个紧子集上fn→ff_{n} \rightarrow ffnf是一致的,而且

∫0∞g(x)dx<∞\int_{0}^{\infty}{g(x)dx} < \infty0g(x)dx<

试证

lim⁡n→∞∫0∞fn(x)dx=∫0∞f(x)dx\lim_{n \rightarrow \infty}{\int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx}} = \int_{0}^{\infty}{f(x)dx}nlim0fn(x)dx=0f(x)dx

【解】

(a) 首先由于在(0,∞)(0,\infty)(0,)的每个紧子集上fn→ff_{n} \rightarrow ffnf是一致,所以在[t,T]\lbrack t,T\rbrack[t,T]f(x)f(x)f(x),Riemann可积分。

(b) 然后根据极限的定义可知

∫0∞g(x)dx=lim⁡t→∞∫0tg(x)dx\int_{0}^{\infty}{g(x)dx} = \lim_{t \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{g(x)dx}}0g(x)dx=tlim0tg(x)dx

翻译成ε−δ\varepsilon - \deltaεδ语言就是

∃A∈R,∀ε>0, ∃t>0, ∀T≥t  ∣∫0Tg(x)dx−A∣<ε\exists A\mathbb{\in R,\forall}\varepsilon > 0,\ \exists t > 0,\ \forall T \geq t\ \ \left| \int_{0}^{T}{g(x)dx} - A \right| < \varepsilonAR,ε>0, t>0, Tt  0Tg(x)dxA<ε

从数理逻辑来看,等价于(注意此处不是柯西序列)

∀ε>0, ∃t>0, ∀T≥t  ∣∫0Tg(x)dx−∫0tg(x)dx∣<ε⇔∣∫tTg(x)dx∣<ε\forall\varepsilon > 0,\ \exists t > 0,\ \forall T \geq t\ \ \left| \int_{0}^{T}{g(x)dx} - \int_{0}^{t}{g(x)dx} \right| < \varepsilon \Leftrightarrow \left| \int_{t}^{T}{g(x)dx} \right| < \varepsilonε>0, t>0, Tt  0Tg(x)dx0tg(x)dx<εtTg(x)dx<ε

这是因为:前者的否命题

∀A∈R,∃ε>0, ∀t>0, ∃T≥t  ∣∫0Tg(x)dx−A∣≥ε\forall A\mathbb{\in R,\exists}\varepsilon > 0,\ \forall t > 0,\ \exists T \geq t\ \ \left| \int_{0}^{T}{g(x)dx} - A \right| \geq \varepsilonAR,ε>0, t>0, Tt  0Tg(x)dxAε

选取

A=∫0tg(x)dxA = \int_{0}^{t}{g(x)dx}A=0tg(x)dx

此时与后者命题有矛盾,所以后者能推出前者;

另外容易看出,前者可直接推出后者。

(c) 由于

∣fn∣≤g\left| f_{n} \right| \leq gfng

所以

∀ε>0, ∃t>0, ∀T≥t,∀n,  ∣∫tTfn(x)dx∣≤∫tTg(x)dx<ε\forall\varepsilon > 0,\ \exists t > 0,\ \forall T \geq t,\forall n,\ \ \left| \int_{t}^{T}{f_{n}(x)dx} \right| \leq \int_{t}^{T}{g(x)dx} < \varepsilonε>0, t>0, Tt,n,  tTfn(x)dxtTg(x)dx<ε

根据(b)的结论,也就是说极限

∫0∞fn(x)dx=lim⁡t→∞∫0tfn(x)dx\int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx} = \lim_{t \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{f_{n}(x)dx}}0fn(x)dx=tlim0tfn(x)dx

是存在的。

(d) 由于

∣∫tTf(x)dx∣≤∣∫tT[f(x)−fn(x)]dx∣+∣∫tTfn(x)dx∣\left| \int_{t}^{T}{f(x)dx} \right| \leq \left| \int_{t}^{T}{\left\lbrack f(x) - f_{n}(x) \right\rbrack dx} \right| + \left| \int_{t}^{T}{f_{n}(x)dx} \right|tTf(x)dxtT[f(x)fn(x)]dx+tTfn(x)dx

而在(0,∞)(0,\infty)(0,)的每个紧子集上fn→ff_{n} \rightarrow ffnf是一致的,所以无论t、Tt、TtT如何取值,都有

∀t∈R,∀T≥t,∀ε>0,∃N>0,∀n>N  ∣∫tT[f(x)−fn(x)]dx∣<ε(T−t)\forall t\mathbb{\in R,\forall}T \geq t,\forall\varepsilon > 0,\exists N > 0,\forall n > N\ \ \left| \int_{t}^{T}{\left\lbrack f(x) - f_{n}(x) \right\rbrack dx} \right| < \varepsilon(T - t)tR,Tt,ε>0,N>0,n>N  tT[f(x)fn(x)]dx<ε(Tt)

根据(c)的结论

∀ε>0, ∃t>0, ∀T≥t  ∣∫tTfn(x)dx∣<ε\forall\varepsilon > 0,\ \exists t > 0,\ \forall T \geq t\ \ \left| \int_{t}^{T}{f_{n}(x)dx} \right| < \varepsilonε>0, t>0, Tt  tTfn(x)dx<ε

∀ε>0, ∃t>0, ∀T≥t  ∣∫tTf(x)dx∣≤∣∫tT[f(x)−fn(x)]dx∣+∣∫tTfn(x)dx∣<ε(T−t)+ε{\forall\varepsilon > 0,\ \exists t > 0,\ \forall T \geq t\ \ }{\left| \int_{t}^{T}{f(x)dx} \right| \leq \left| \int_{t}^{T}{\left\lbrack f(x) - f_{n}(x) \right\rbrack dx} \right| + \left| \int_{t}^{T}{f_{n}(x)dx} \right| < \varepsilon(T - t) + \varepsilon}ε>0, t>0, Tt  tTf(x)dxtT[f(x)fn(x)]dx+tTfn(x)dx<ε(Tt)+ε

根据(b)的结论,也就是说极限

∫0∞f(x)dx=lim⁡t→∞∫0tf(x)dx\int_{0}^{\infty}{f(x)dx} = \lim_{t \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{f(x)dx}}0f(x)dx=tlim0tf(x)dx

是存在的

又因为

∣∫0∞f(x)dx−∫0∞fn(x)dx∣≤∣∫0∞f(x)dx−∫0tf(x)dx∣+∣∫0tf(x)dx−∫0tfn(x)dx∣+∣∫0tfn(x)dx−∫0∞fn(x)dx∣{\left| \int_{0}^{\infty}{f(x)dx} - \int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx} \right| }{\leq \left| \int_{0}^{\infty}{f(x)dx} - \int_{0}^{t}{f(x)dx} \right| + \left| \int_{0}^{t}{f(x)dx} - \int_{0}^{t}{f_{n}(x)dx} \right| + \left| \int_{0}^{t}{f_{n}(x)dx} - \int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx} \right|}0f(x)dx0fn(x)dx0f(x)dx0tf(x)dx+0tf(x)dx0tfn(x)dx+0tfn(x)dx0fn(x)dx

所以

∀ε>0,∃t>0, ∀T≥t,∃N>0,∀n>N  ∣∫0∞f(x)dx−∫0∞fn(x)dx∣≤ε3+ε3+ε3=ε{\forall\varepsilon > 0,\exists t > 0,\ \forall T \geq t,\exists N > 0,\forall n > N\ }{\ \left| \int_{0}^{\infty}{f(x)dx} - \int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx} \right| \leq \frac{\varepsilon}{3} + \frac{\varepsilon}{3} + \frac{\varepsilon}{3} = \varepsilon}ε>0,t>0, Tt,N>0,n>N  0f(x)dx0fn(x)dx3ε+3ε+3ε=ε

(先选ttt,再选nnn,顺序很重要!!!)也就是

lim⁡n→∞∫0∞fn(x)dx=∫0∞f(x)dx\lim_{n \rightarrow \infty}{\int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx}} = \int_{0}^{\infty}{f(x)dx}nlim0fn(x)dx=0f(x)dx

备注:

翻译ε−δ\varepsilon - \deltaεδ语言成极限操作就是

lim⁡n→∞∫0∞fn(x)dx−∫0∞f(x)dx=lim⁡n→∞lim⁡t→∞∫0tfn(x)dx−lim⁡t→∞∫0tf(x)dx=lim⁡n→∞lim⁡t→∞∫0tfn(x)dx−lim⁡t→∞lim⁡n→∞∫0tfn(x)dx{\lim_{n \rightarrow \infty}{\int_{0}^{\infty}{f_{n}(x)dx}} - \int_{0}^{\infty}{f(x)dx} }{= \lim_{n \rightarrow \infty}{\lim_{t \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{f_{n}(x)dx}}} - \lim_{t \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{f(x)dx}} }{= \lim_{n \rightarrow \infty}{\lim_{t \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{f_{n}(x)dx}}} - \lim_{t \rightarrow \infty}{\lim_{n \rightarrow \infty}{\int_{0}^{t}{f_{n}(x)dx}}} }nlim0fn(x)dx0f(x)dx=nlimtlim0tfn(x)dxtlim0tf(x)dx=nlimtlim0tfn(x)dxtlimnlim0tfn(x)dx其实在(0,∞)(0,\infty)(0,)的每个紧子集上fn→ff_{n} \rightarrow ffnf是一致的,可以得到在(0,∞)(0,\infty)(0,)的每个紧子集上

∫0tfn(x)dx→∫0tf(x)dx\int_{0}^{t}f_{n}(x)dx \rightarrow \int_{0}^{t}f(x)dx0tfn(x)dx0tf(x)dx

也是一致的。

沃尔特·鲁丁(Walter Rudin)所著《数学分析原理》中第七章
习题12的个人答案,仅供参考

http://www.xdnf.cn/news/19378.html

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