Курсовая работа: Интеграл Стилтьеса

Стилтьес Томас Иоаннес (29.21.1856, Эволле-31.12.1894, Тулуза) нидерландский ученый математик и астроном, член Нидерландской академии наук, иностранный член-корреспондент Санкт-Петербургской академии наук по Физико-математическому отделению. Окончил Политехническую школу в Делфте. Работал на Лейденской обсерватории, с 1886 года преподаватель, затем профессор Университета в Тулузе. Научные исследования Стилтьеса в основном касаются теории функциональных непрерывных дробей, проблемы моментов, теории ортогональных многочленов, интегрального преобразования, приближенного интегрирования и других вопросов классического анализа. Обобщенное Стилтьесам понятие интеграла Г.Римана, предложенное в 1894 году, играет важную роль в современной математике.

Определяется интеграл Стилтьеса следующим образом.

Пусть в промежутке [a , b ] заданы две ограниченные функции f ( x ) и g ( x ). Разложим точками

промежуток [a , b ] на части и положим Выбрав в каждой из частей (i =0, 1,…,n-1) по каждой точке , вычислим значение f ( ) функции f ( x ) и умножим его на соответствующее промежутку приращение функции g ( x )

Наконец, составим сумму всех таких произведений:

Эта сумма носит название интегральной суммы Стилтьеса.

Конечный предел суммы Стилтьеса при стремлении к нулю называется интегралом Стилтьеса функции f ( x ) по функции g ( x ) и обозначается символом

Чтобы особенно отчетливо подчеркнуть, что интеграл рассматривается в смысле Стилтьеса, употребляют обозначение

Предел здесь понимается в том смысле, что и в случае обыкновенного определенного интеграла.

Точнее говоря, число I называется интегралом Стилтьеса, если для любого числа существует такое число , что лишь только промежуток [a , b ] раздроблен на части так, что , тотчас же выполняется неравенство

Как бы ни выбирать точки в соответствующих промежутках.

При существовании интеграла (3) говорят также, что функция f ( x ) в промежутке [a , b ] интегрируема по функции .

Единственное (но существенное) отличие данного выше определения от обычного определения интеграла Римана состоит в том, что умножается не на приращение независимой переменной, а на приращение второй функции. Таким образом, интеграл Римана есть частный случай интеграла Стилтьеса, когда в качестве функции взята сама независимая переменная x :

Мы для определенности предполагали a<b; нетрудно аналогично рассмотреть и случай, когда a>b. Впрочем, он непосредственно приводится к предыдущему ввиду равенства

2.Общие условия существования интеграла Стилтьеса.

Установим общие условия существования интеграла Стилтьеса, ограниченность, впрочем, предположением, что функция монотонно возрастает.

Отсюда следует, что при a<b теперь все , наподобие того, как раньше было . Аналогично сумма Дарбу, здесь целесообразно ввести сумм

где означают, соответственно, нижнюю и верхнюю точные границы функции f ( x ) в i -ом промежутке . эти суммы мы будем называть нижней и верхней суммами Дарбу - Стилтьеса.

При одном и том же разбиении , причем s и S служат точными границами для стилтьесовых сумм . Сами суммы Дарбу – Стилтьеса обладают следующими свойствами:

1-е свойство: Если к имеющимся точкам деления добавить новые точки, то нижняя сумма Дарбу – Стилтьеса может от этого разве лишь возрасти, а верхняя сумма – разве лишь уменьшится.

2-е свойство: Каждая нижняя сумма Дарбу – Стилтьеса не превосходит каждой верхней суммы, хотя бы и отвечающей другому разбиению промежутка.

Если ввести нижний и верхний интегралы Дарбу – Стилтьеса:

то оказывается, что

Наконец, с помощью сумм Дарбу – Стилтьеса легко устанавливается для рассматриваемого случая основной признак существования интеграла Стилтьеса:

Теорема. Для существования интеграла Стилтьеса необходимо и достаточно, чтоб было

или

если под понимать колебание функции f ( x ) в i -ом промежутке .

3.Классы случаев существования интеграла Стилтьеса.

Определение функции с ограниченным изменением:

Пусть функция f ( x ) определена в некотором конечном промежутке [a , b ]. Разложим этот промежуток произвольным образом на части с помощью точек деления:

Из абсолютных величин приращений функции, отвечающих отдельным частичным промежуткам, образуем сумму

Если такие суммы в их совокупности ограничены сверху, то говорят, что функция f ( x ) в промежутке [a , b ] имеет ограниченное изменение ( или ограниченную вариацию). При этом точную верхниюю границу этих сумм называют полным изменением функции в указанном промежутке и обозначают символом

I . Если функция f ( x ) непрерывна, а функция имеет ограниченное изменение, то интеграл Стилтьеса

существует.

Сначала предположим, что монотонно возрастает: тогда применим критерий предыдущего пункта. По произвольному заданию ввиду равномерной непрерывности функции f ( x ) найдется такое , что в любом промежутке с длиной, меньшей , колебание f ( x ) будет меньше . Пусть теперь промежуток [a , b ] произвольно разбит на части так, что . Тогда все и

откуда и следует выполнение условия (4), а стало быть и существование интеграла.

В общем случаи, если функция имеет ограниченное изменение, она представима в виде разности двух ограниченных возрастающих функций: . В соответствии с этим преобразуется и сумма Стилтьеса, отвечающая функции :

Так как каждая из сумм и при стремится к конечному пределу, то это справедливо и относительно суммы , что и требовалось доказать.

Можно ослабить условия, налагаемые на функцию f ( x ), если одновременно усилить требования к функции

II . Если функция f ( x ) интегрируема в [a , b ] в смысле Римана, а удовлетворяет условию Липшица:

(L=const., ), то интеграл существует.

Предположим, что функция не только удовлетворяет условию (6), но и является монотонно возрастающей.

Ввиду (6), очевидно, , так что

Но последняя сумма при и сама стремится к 0 вследствие интегрируемости (в смысле Римана) функции f ( x ) , а тогда стремится к нулю и первая сумма, что доказывает существование интеграла (5).

В общем случаи функции удовлетворяющей условию Липшица (6), представим ее в виде разности

Функция , очевидно, удовлетворяет условию Липшица и в то же время монотонно возрастает. То же справедливо и для функции , так как, в силу (6) , при

III . Если функция f ( x ) интегрируема в смысле Римана, а функция представима в виде интеграла с переменным верхним пределом:

где абсолютно интегрируема в промежутке [a , b ], то интеграл (5) существует.

Пусть , так что монотонно возрастает. Если интегрируема в собственном смысле и, следовательно, ограничена:

, то для имеем

Таким образом, в этом случаи удовлетворяет условию Липшица, и интеграл существует в силу II.

Предположим теперь, что интегрируема в несобственном смысле. Ограничимся случаем одной особой точки, например, b . Прежде всего, т.к. выберем так, чтобы было

где - общее колебание функции в рассматриваемом промежутке.

Разобьем промежуток [a , b ] произвольным образом на части и составим сумму

Она распадается на две суммы из которых первая отвечает промежуткам, целиком содержащимся в промежутке а вторая – остальным промежуткам. Последнее содержатся в промежутке [b - , b ], если только тогда, в силу (8),

С другой стороны, так как в промежутке функция интегрируема в собственном смысле, то по доказанному при достаточно малом и сумма станет меньше . Отсюда следует (4), что и требовалось доказать.

В общем случаи, когда функция абсолютно интегрируема в промежутке [a , b ]:

неотрицательные и интегрируемые в названном промежутке. Так как

то вопрос сводится, как и выше, к уже рассмотренному случаю.

Замечание. Пусть функция непрерывна в промежутке [a , b ] и имеет, исключая лишь конечное число точек, производную , причем эта производная (если ее значения в точках, где она не существует, выбрать произвольным образом) интегрируема (в собственном или несобственном смысле) от a до b ; тогда имеет место формула типа (7):

Если абсолютно интегрируема, то к функции полностью приложимо изложенное в III.

4.Свойства интеграла Стилтьеса.

Из определения интеграла Стилтьеса непосредственно вытекают следующие свойства:

Доказательство:

Что и требовалось доказать.

При этом в случаях из существования интегралов в правой части вытекает существование интеграла в левой части.

Затем имеем

в предложении, что a < c < b и существуют все три интеграла.

Для доказательства этой формулы достаточно включить точку с в число точек деления промежутка [a , b ] при составлении суммы Стилтьеса для интеграла

Из существования интеграла следует существование обоих интегралов .

Для своеобразного предельного процесса, с помощью которого

из стилтьесовой суммы получается интеграл Стилтьеса, имеет

место принцип сходимости Больцано–Коши. Таким образом, по заданному ввиду существования интеграла найдется такое, что любые две суммы и Стилтьеса, которым отвечают разнятся меньше чем на . Если при этом в состав точек деления включить точку с, а точки деления, приходящиеся на промежуток [с, b], брать в обоих случаях одними и теми же, то разность( ) сведется к разности() двух сумм Стилтьеса , относящихся уже к промежутку [а, с], ибо прочие слагаемые взаимно уничтожатся. Применяя к промежутку [a, с] и вычисленным для него стилтьесовым суммам тот же принцип сходимости, заключим о существовании интеграла. Аналогично устанавливается и существование интеграла

Надо отметить что из существования обоих интегралов , вообще говоря, не вытекает существование интеграла .

Теорема( Больцано–Коши ). Для того чтобы функция f ( x ) при стремлении x к а имела конечный предел ,т.е. сходилась, необходимо и достаточно, чтобы для каждого числа существовало такое число >0 , чтобы неравенство \ f ( x )- f ( x ')\ выполнялось, лишь только

5. Интегрирование по частям.

Для интегралов Стилтьеса имеет место формула

в предположении, что существует один из этих интегралов. Формула эта носит название формулы интегрирования по частям.

Доказательство:

Пусть существует интеграл . Разложим промежуток [a , b ] на части (i =0, 1, …, n -1 ), выберем в этих частях произвольно , так что

Сумму Стилтьеса для интеграла

можно представить в виде

Если прибавить и отнять справа выражение

то перепишется так:

Выражение в фигурных скобках представляет собою стилтьесову сумму для интеграла (существование которого предположено!). Она отвечает разбиению промежутка [a , b ] точками деления

если в качестве выбранных из промежутков (i = 1, …, n -1 ) точек взять , а для промежутков [ a , ] и [ , b ] , соответственно, a и b . Если положить , то теперь длины всех частичных промежутков не превзойдут 2. При сумма в квадратных скобках стремится к следовательно, существует предел , т.е. интеграл и этот интеграл определяется формулой (9).

Если функция g ( x ) в промежутке [a , b ] интегрируема по функции f ( x ), то и функция f ( x ) интегрируема по функции g ( x ).

6. Приведение интеграла Стилтьеса к интегралу Римана.

Пусть функция f ( x ) непрерывна в промежутке [a , b ], а g ( x ) монотонно возрастает в этом промежутке, и притом в строгом смысле (для упрощения). Тогда, как показал Лебег, интеграл Стилтьеса с помощью подстановки = g ( x ) непосредственно приводится к интегралу Римана.

На рисунке изображен график функции = g ( x ) . Для тех значений x = x ’, при которых функция g ( x ) испытывает скачок, дополним график прямолинейным вертикальным отрезком, соединяющим точки (x ’, g ( x ’-0) ) и (x ’, g ( x ’+0 )). Так создается непрерывная линия, которая каждому значению v между и V = g ( b ) относит одно определенное значение x между a и b . Эта функция будет непрерывной и монотонно возрастающей в широком смысле; ее можно рассматривать как своего рода обратную для функции .

Именно, если ограничиться лишь теми значениями , которые функция действительно принимает при изменении от a до b , то является обратной для нее в обычном смысле, т.е. относит именно те значения , при которых . Но из промежутка значений [ g ( x ’-0), g ( x ’+0)] , связанного со скачком функции , лишь одно значение имеет себе соответствующим значение ; другим значениям в упомянутом промежутке никакие значения не отвечают. Условно относим и им то же значение ; геометрически это и выразилось в дополнении графика функции рядом вертикальных отрезков.

Теперь докажем:

где последний интеграл берется в обычном смысле, его существование обеспечено, так как функция , а с нею и сложная функция , непрерывна.

С этой целью разложим промежуток [a , b ] на части с помощью точек деления

и составим стилтьесову сумму

Если предположить (i =0, 1, …, n ), то будем иметь

Так как , то

Это выражение имеет вид римановой суммы для интеграла

Отсюда, однако, нельзя еще непосредственно заключить, переходя к пределу, о равенстве (10), ибо даже при может оказаться, что к нулю не стремится. Тогда имеем

так что

Предположим теперь настолько малым, чтобы колебания функции во всех промежутках были меньше произвольного наперед заданного числа . Так как при очевидно,

То одновременно и В таком случаи

Этим доказано, что

откуда и следует (10).

7. Вычисление интегралов Стилтьеса.

Если функция интегрируема в смысле Римана в промежутке , а представлена интегралом

где функция абсолютн интегрируема в , то

Интеграл справа существует. Существование Стилтьеса было уже доказано в п.3 (III). Остается лишь установить равенство (11).

Предположим, что - положительная функция (для упрощения).

Составим сумму Стилтьеса

Так как, с другой стороны, можно написать

то будем иметь

Очевидно, для будет где - это колебание функции в промежутке . Отсюда выкает оценка написанной выше разности:

Т.к. в п.3 (III) мы доказали, что при стремится к 0, следовательно

Если с интегралом сходится и интеграл , то интеграл называют абсолютно сходящимся, а функцию fix ) - аб солютно интегрируемой в промежутке [а, + ]

что и доказывает формулу (11).

При прежних предложениях относительно функции допустим, что функция непрерывна во всем промежутке и имеем, исключая разве лишь конечное число точек, производную , которая в абсолютно интегрируема. Тогда

Интеграл справа в формуле (12) формально получается из интеграла слева, если, понимая символ буквально как дифференциал, заменить его выражением .

Если функция оказывается разрывной, то начнем с рассмотрения «стандартной» разрывной функции , определяемой равенствами

Она имеет разрыв первого рода - скачок - в точке x=0 справа, причем величина скачка равна 1; в точке x=0 слева и в остальных точках функции непрерывна. Функция будет иметь такой же разрыв в точке x=c справа; наоборот, будет иметь подобный разрыв в точке x=c слева, причем величина скачка будет равна -1.

Предположим, что функция непрерывна в точке x=c, и вычислим интеграл

где при (c=b этот интеграл равен нулю).

Составим сумму Стилтьеса:

Пусть точка c попадет в k -й промежуток, так что Тогда , а при . Таким образом, вся сумма сводится к одному слагаемому: . Пусть теперь . По непрерывности . Следовательно, существует (при )

Аналогично можно убедиться в том, что (при )

(при c=a этот интеграл обращается в нуль).

Пусть функция в промежутке непрерывна, а имеет в этом промежутке, исключая разве лишь конечное число точек, производную , которая абсолютно интегрируема в . При этом пусть функция в конечном числе точек

Терпит разрыв первого рода. Тогда существует интеграл Стилтьеса и выражается формулой

Характерно здесь наличие внеинтегральной суммы, где фигурируют скачки функции в точках a или b – односторонние (если на деле какой-либо из этих точек скачка нет, то соответствующее слагаемое суммы обращается в нуль).

Для упрощения записи введем обозначения для скачков функции справа и слева:

очевидно, для

Составим вспомогательную функцию:

которая как бы вбирает в себя все разрывы функции , так что разность оказывается непрерывной (по доказанному ранее).

Для значений , отличных от всех , непрерывность функции не вызывает сомнений, т.к. для этих значений непрерывны обе функции и . Докажем непрерывность в точке справа. Все слагаемые суммы , кроме члена , непрерывны при справа; поэтому достаточно изучить поведение выражения При оно имеет значение ; но таков же и предел при

Аналогично проверяется и непрерывность функции в точке слева.

Далее, если взять точку (отличную от всех ), в которой функция имеет производную, то вблизи этой точки сохраняет постоянное значение, следовательно, в ней и функция имеет производную, причем

Для непрерывности функции по предыдущей теореме, существует интеграл Стилтьеса

Точно так же легко вычислить и интеграл (с учетом (13), (14))

Складывая почленно эти два равенства, придем к равенству (15); существование интеграла Стилтьеса от по функции

устанавливается попутно свойство в п.4.

Геометрическая иллюстрация интеграла Стилтьеса.

Рассмотрим интеграл

предполагая функцию непрерывной и положительной а -монотонно возрастающей (в строгом смысле); функция может иметь и разрывы (скачки).

Система параметрических уравнений

выражает некоторую кривую (K ) , разрывную, как на рисунке.

Если при некотором функция испытывает скачок, так что , то этим предельным значениям отвечает одно и то же предельное значение , равное ). Дополним кривую (K ) всем горизонтальным отрезками, соединяющими пары точек

отвечающие всем скачкам функции (по рисунку). Таким образом, составится уже непрерывная кривая (L ). Покажем, что интеграл (16) представляет площадь фигуры под этой кривой, т.е. площадь фигуры, ограниченной кривой (L ), осью x и двумя крайними ординатами, отвечающими абсциссам и .

С этой целью разложим промежуток на части точками

и в соответствии с этим промежуток на оси - на части точками

Введя наименьшее и наибольшее значения функции в i -ом промежутке , составим нижнюю и верхнюю суммы Стилтьеса – Дарбу

Они представляют площади фигур, составленных из входящих и из выходящих прямоугольников, между которыми содержится рассматриваемая криволинейная фигура.

Так как при стремлении в 0 всех обе суммы стремятся к общему пределу (16), то отсюда следует, что фигура, изображенная на рисунке квадрируема и площадью ее служит действительно интеграл (16).

Теорема о среднем, оценки.

Пусть в промежутке функция ограничена: , а монотонно возрастает. Если существует интеграл Стилтьеса от и , то имеет место формула

То есть это теорема о среднем для интегралов Стилтьеса.

Доказательство:

Переходя к пределу, получим

Возьмем , т.к. случай (т.е. ) не представляет интереса: обе части формулы (18) – нули.

Тогда

Обозначая написанное отношение через и придем к (18).

Если в промежутке непрерывна, тогда и есть значение функции в некоторой точке этого промежутка, и формула (18) имеет вид

Пусть непрерывна, а функция имеет ограниченное изменение. Для этого случая справедлива оценка интеграла Стилтьеса:

где

Доказательство:

так что остается лишь перейти к пределу, чтобы получить (21).

Пусть в промежутке функция ограничена, монотонно возрастает. Если существует интеграл Стилтьеса от и , то имеет место формула

и почленно вычитая эти равенства, получим

Обозначим через колебание функции в промежутке , тогда

для , то, применяя оценку (21) к каждому интегралу с границами в отдельности, получаем:

Если промежуток раздроблен на столь мелкие части, что все – произвольное наперед заданное взятое число, тогда

10. Предельный переход под знаком интеграла Стилтьеса.

Пусть функции непрерывны в промежутке и при равномерно стремятся к предельной функции

также непрерывной, а - функция с ограниченным изменением. Тогда

Доказательство:

По заданному найдется такое N , что при n > N будет для всех x

Тогда в силу (21), для n > N

т.к. - произвольное, то теорема доказана.

Пусть функция непрерывна в промежутке , а функция - все с ограниченным изменением в этом промежутке. Если полные изменения этих функций в их совокупности ограничены:

и при стремятся к предельной функции

то

Доказательство:

Докажем, что имеет ограниченное изменение. Разложим промежуток произвольным образом на части точками

Тогда для любого

Перейдем к пределу при

откуда и

Составим суммы Стилтьеса

Если предположить, что промежуток при этом разложен на столь мелкие части, что колебание функции в каждой из них будет уже меньше произвольного наперед взятого числа , то, в силу оценки (22), при всех

С другой стороны, если разбиение фиксировать, то, очевидно, при , так что найдется такое N , что для n > N будет

Тогда для тех же значений n в силу (23) и (24) получаем:

Т.к. - любое, то теорема доказана.

11. Сведение криволинейного интеграла второго типа к интегралу Стилтьеса.

Пусть кривая задана параметрическими уравнениями

в направлении от к , когда . Тогда точкам (), взятым на кривой для образования интегральной суммы, будут отвечать возрастающие значения параметра :

а выбранной на дуге точке – значение

(). Сама же интегральная сумма, например, для первого из интегралов, напишется в виде

Эта интегральная сумма представляет собою стилтьесову сумму, так что криволинейный интеграл второго типа по самому определению отождествляется с частным случаем интеграла Стилтьеса:

Аналогично и

Отсюда следуют общие условия существования криволинейного интеграла (25); достаточно предположить функцию непрерывной, а функцию имеющей ограниченное изменение (п.3, ).

В частности, если кривая AB спрямляема, а функции P ( x , y ) и Q ( x , y ) непрерывны, то существует интеграл

12. Примеры.

№1 Вычислить по формуле

а)

б ) (s)

в)(s)=

№2 Вычислить по формуле

а) (S)

функция g(x) терпит скачок 1, при х=-1

скачок -2, при х=2

в остальных точках , т.к. g(x)=const

(S)

б ) ( S)

функция g(x) терпит скачок 1, при х=

скачок -2, при х=

в остальных точках , т.к. g(x)=const

(S)

№ 3 Вычислить по формуле При

а)

функция g(x) терпит скачок 1, при х=-1

скачок 1, при х=

б)

функция g(x) терпит скачок 1, при х=-1

скачок 1, при х=

в)

функция g(x) терпит скачок 1, при х=-1

скачок 1, при х=

№4

а) Составить выражение Ф(х) и построить график его для следующего распределения масс: массы величины 1 в точках х= 1, 2 и 3 и непрерывно распределенные массы с плотностью 2 в промежутке [1;3]

Решение.

Ф(х)=

Ф(а)=о => Ф(1)=0

В точке х=1 функция терпит скачок =1 => Ф(х)=2х-1

В точке х=2 функция терпит скачок =1 => Ф(х)=2х

В точке х=3 функция терпит скачок =1 => Ф(х)=2*3+1=7

Итого:

Ф(х)=

б) Составить выражение Ф(х) для следующего распределения масс: массы величины 2 в точках х= 2 и 4 и непрерывно распределенные массы с плотностью 2х в промежутке [0;5]

Решение.

Ф(х)=

Ф(а)=о => Ф(1)=0

В точке х=2 функция терпит скачок =2 => Ф(х)=

В точке х=4 функция терпит скачок =2 => Ф(х)=

Итого:

Ф(х)=

в) Выяснить распределение масс, если Ф(х)

Решение.

При х=-1 и 0 функция испытывает скачок =1 => массы величины 1 в точках х=-1 и 0, в промежутке [-2,-1] непрерывно распределенные массы с плотностью 1, т.к. , в промежутке [0,2] непрерывно распределенные массы с плотностью 2х, т.к.

Список литературы

1. Г. М. Фихтенгольц. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Том 3.Москва 1960

2. http://www.phismat.ru/dif.php