Залежний від параметра інтеграл

Інтеграл, залежний від параметра — математичний вираз, що містить визначений інтеграл і залежність від однієї або декількох змінних («параметрів»).

Залежний від параметра власний інтеграл

Нехай у двовимірному евклідовому просторі задана область ${\displaystyle {\overline {G}}=\left\{\left(x,y\right)|a\leq x\leq b,c\leq y\leq d\right\}}$, на якій визначена функція ${\displaystyle ~f(x,y)}$ двох змінних.

Нехай далі, ${\displaystyle \forall y\in \left[c;d\right]\,\exists I\left(y\right)=\int \limits _{a}^{b}f\left(x,y\right)\,dx}$.

Функція ${\displaystyle ~I(y)}$ і називається інтегралом, що залежить від параметра.

Властивості інтеграла, залежного від параметра

Неперервність

Нехай функція ${\displaystyle ~f(x,y)}$ неперервна в області ${\displaystyle {\overline {G}}}$ як функція. Тоді функція ${\displaystyle I\left(y\right)=\int \limits _{a}^{b}f\left(x,y\right)\,dx}$ неперервна на відрізку ${\displaystyle ~[c;d]}$.

Доведення  

Розглянемо приріст інтеграла, залежного від параметра. ${\displaystyle \Delta I\left(y\right)=I\left(y+\Delta y\right)-I\left(y\right)=\int \limits _{a}^{b}f\left(x,y+\Delta y\right)\,dx-\int \limits _{a}^{b}f\left(x,y\right)\,dx=}$

${\displaystyle =\int \limits _{a}^{b}\left(f\left(x,y+\Delta y\right)-f\left(x,y\right)\right)\,dx}$.

За , неперервна на компакті функція рівномірно неперервна на ньому, тобто ${\displaystyle \forall \epsilon >0\,\exists \delta =\delta \left(\epsilon \right)>0\,\forall M_{1}(x_{1},y_{1}),M_{2}(x_{2},y_{2})\in {\overline {G}}:}$

${\displaystyle {\sqrt {(x_{2}-x_{1})^{2}+(y_{2}-y_{1})^{2}}}<\delta \,\left|f(M_{1})-f(M_{2})\right|<\epsilon }$.

Тому, ${\displaystyle \Delta I(y)<\epsilon (b-a)}$ при ${\displaystyle \Delta y<\delta }$, що й означає неперервність функції

Диференціювання під знаком інтеграла

Нехай тепер на області ${\displaystyle {\overline {G}}}$ неперервна не лише функція ${\displaystyle ~f(x,y)}$, але і її частинна похідна ${\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y\right)}$.

Тоді ${\displaystyle {\frac {d}{dy}}I(y)=\int \limits _{a}^{b}{\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y\right)\,dx}$, або, що те саме, ${\displaystyle {\frac {d}{dy}}\int \limits _{a}^{b}f(x,y)\,dx=\int \limits _{a}^{b}{\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y\right)\,dx}$

Доведення  

${\displaystyle {\frac {\Delta I(y)}{\Delta y}}={\frac {1}{\Delta y}}\int \limits _{a}^{b}(f(x,y+\Delta y)-f(x,y))dx=\int \limits _{a}^{b}{\frac {\partial f}{\partial y}}(x,\eta )dx=\int \limits _{a}^{b}{\frac {\partial f}{\partial y}}(x,y+\Theta \Delta y)dx}$ ${\displaystyle (\eta \in [y;y+\Delta y],\Theta \in [0;1])}$ Дані перетворення були виконані з використанням . Розглянемо тепер вираз ${\displaystyle {\frac {\Delta I(y)}{\Delta y}}-\int \limits _{a}^{b}{\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y\right)\,dx=\int \limits _{a}^{b}\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y+\Theta \Delta y\right)-{\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y\right)\right)\,dx}$.

Використовуючи знову теорему Кантора, але для функції ${\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial y}}}$ ми отримуємо, що ${\displaystyle {\frac {\Delta I(y)}{\Delta y}}-\int \limits _{a}^{b}{\frac {\partial f}{\partial y}}\left(x,y\right)\,dx=o(1)}$ при ${\displaystyle \Delta (y)\to 0}$, що і доводить дану теорему

Інтегрування під знаком інтеграла

Якщо функція ${\displaystyle ~f(x,y)}$ неперервна в області ${\displaystyle {\overline {G}}}$, то

${\displaystyle \int \limits _{c}^{d}I(y)\,dy=\int \limits _{a}^{b}\left(\int \limits _{c}^{d}f(x,y)\,dy\right)\,dx}$, або, що те саме:

${\displaystyle \int \limits _{c}^{d}\left(\int \limits _{a}^{b}f(x,y)\,dx\right)\,dy=\int \limits _{a}^{b}\left(\int \limits _{c}^{d}f(x,y)\,dy\right)\,dx}$

Доведення  

Розглянемо дві функції:

${\displaystyle F(x)=\int \limits _{a}^{x}\left(\int \limits _{c}^{d}f(x,y)\,dy\right)\,dx}$

${\displaystyle G(x)=\int \limits _{c}^{d}\left(\int \limits _{a}^{x}f(x,y)\,dx\right)\,dy}$

${\displaystyle {\frac {dF}{dx}}=\int \limits _{c}^{d}f(x,y)\,dy}$

${\displaystyle {\frac {dG}{dx}}=\int \limits _{c}^{d}\left({\frac {\partial f}{\partial x}}(x,y)\,dx\right)\,dy=\int \limits _{c}^{d}f(x,y)\,dy}$

${\displaystyle {\frac {dF}{dx}}\equiv {\frac {dG}{dx}}}$ на ${\displaystyle [a;b]}$, тому ${\displaystyle F(x)\equiv G(x)+C}$.

Так як ${\displaystyle F(a)=0,G(a)=\int \limits _{c}^{d}0dy=0}$, то ${\displaystyle C=0}$ і ${\displaystyle F(x)\equiv G(x)}$ На ${\displaystyle [a;b]}$. Підставляючи ${\displaystyle x=b}$ отримаємо умови теореми.