Главная » Просмотр файлов » 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84

1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701), страница 71

Файл №824701 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (Зорич 2-е издание (на английском)) 71 страница1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701) страница 712021-01-17СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 71)

, n), and then pass to the limit as λ(P ) → 0.Theorem 4 can be interpreted as asserting that the integral is monotonic as afunction of the integrand.Theorem 4 has a number of useful corollaries.Corollary 1 If a ≤ b, f ∈ R[a, b]; and m ≤ f (x) ≤ M at each x ∈ [a, b], then bf (x) dx ≤ M · (b − a),(6.22)m · (b − a) ≤aand, in particular, if 0 ≤ f (x) on [a, b], then b0≤f (x) dx.aProof Relation (6.22) is obtained by integrating each term in the inequality m ≤f (x) ≤ M and using Theorem 4.Corollary 2 If f ∈ R[a, b], m = infx∈[a,b] f (x), and M = supx∈[a,b] f (x), thenthere exists a number μ ∈ [m, M] such that bf (x) dx = μ · (b − a).(6.23)ab1Proof If a = b, the assertion is trivial.

If a = b, we set μ = b−aa f (x) dx. It thenfollows from (6.22) that m ≤ μ ≤ M if a < b. But both sides of (6.23) reverse signif a and b are interchanged, and therefore (6.23) is also valid for b < a.Corollary 3 If f ∈ C[a, b], there is a point ξ ∈ [a, b] such that bf (x) dx = f (ξ )(b − a).a(6.24)3546IntegrationProof By the intermediate-value theorem for a continuous function, there is apoint ξ on [a, b] at which f (ξ ) = μ ifm = min f (x) ≤ μ ≤ max f (x) = M.x∈[a,b]x∈[a,b]Therefore (6.24) follows from (6.23).The equality (6.24) is often called the first mean-value theorem for the integral.We, however, reserve that name for the following somewhat more general proposition.Theorem 5 (First mean-value theorem for the integral) Let f, g ∈ R[a, b], m =infx∈[a,b] f (x), and M = supx∈[a,b] f (x).

If g is nonnegative (or nonpositive) on[a, b], then b b(f · g)(x) dx = μg(x) dx,(6.25)aawhere μ ∈ [m, M].If, in addition, it is known that f ∈ C[a, b], then there exists a point ξ ∈ [a, b]such that b b(f · g)(x) dx = f (ξ )g(x) dx.(6.26)aaProof Since interchanging the limits of integration leads to a simultaneous signreversal on both sides of Eq. (6.25), it suffices to verify this equality for the casea < b. Reversing the sign of g(x) also reverses the signs of both sides of (6.25), sothat we may assume without loss of generality that g(x) ≥ 0 on [a, b].Since m = infx∈[a,b] f (x) and M = supx∈[a,b] f (x), we have, for g(x) ≥ 0,mg(x) ≤ f (x)g(x) ≤ Mg(x).Since m · g ∈ R[a, b], f · g ∈ R[a, b], and M · g ∈ R[a, b], applying Theorem 4and Theorem 1, we obtain b b bmg(x) dx ≤f (x)g(x) dx ≤ Mg(x) dx.(6.27)aaabIf a g(x) dx = 0, it is obvious from these inequalities that (6.25) holds.bIf a g(x) dx = 0, then, settingμ=bg(x) dxa−1 b·(f · g)(x) dx,awe find by (6.27) thatm ≤ μ ≤ M,but this is equivalent to (6.25).6.2 Linearity, Additivity and Monotonicity of the Integral355The equality (6.26) now follows from (6.25) and the intermediate-value theoremfor a function f ∈ C[a, b], if we take account of the fact that when f ∈ C[a, b], wehavem = min f (x)x∈[a,b]and M = max f (x).x∈[a,b]We remark that (6.23) results from (6.25) if g(x) ≡ 1 on [a, b].c.

The Second Mean-Value Theorem for the IntegralThe so-called second mean-value theorem4 is significantly more special and delicatein the context of the Riemann integral.So as not to complicate the proof of this theorem, we shall carry out a usefulpreparatory discussion that is of independent interest.Abel’stransformation. Thisis the name given to the following transformation ofthe sum ni=1 ai bi . Let Ak = ki=1 ai ; we also set A0 = 0. Thenmai bi =i=lnnn(Ai − Ai−1 )bi =Ai bi −Ai−1 bi =i=1=ni=1Ai bi −i=1n−1i=1Ai bi+1 = An bn − A0 b1 +i=0n−1Ai (bi − bi+1 ).i=1Thusnai bi = (An bn − A0 b1 ) +i=1n−1Ai (bi − bi+1 ),(6.28)i=1or, since A0 = 0,nai bi = An bn +i=1n−1Ai (bi − bi+1 ).(6.29)i=1Abel’s transformation provides an easy verification of the following lemma.Lemma 2 If the numbers Ak = ki=1 ai (k = 1, .

. . , n) satisfy the inequalities m ≤Ak ≤ M and the numbers bi (i = 1, . . . , n) are nonnegative and bi ≥ bi+1 for i =1, . . . , n − 1, thenmb1 ≤nai bi ≤ Mb1 .(6.30)i=14 Under an additional hypothesis on the function, one that is often completely acceptable, Theorem 6 in this section could easily be obtained from the first mean-value theorem. On this point, seeProblem 3 at the end of Sect.

6.3.3566IntegrationProof Using the fact that bn ≥ 0 and bi − bi+1 ≥ 0 for i = 1, . . . , n − 1, we obtainfrom (6.29),nai bi ≤ Mbn +i=1n−1M(bi − bi+1 ) = Mbn + M(b1 − bn ) = Mb1 .i=1The left-hand inequality of (6.30) is verified similarly.Lemma 3 If f ∈ R[a, b], then for any x ∈ [a, b] the function xf (t) dtF (x) =(6.31)ais defined and F (x) ∈ C[a, b].Proof The existence of the integral in (6.31) for any x ∈ [a, b] is already knownfrom Proposition 4 of Sect. 6.1; therefore it remains only for us to verify that thefunction F (x) is continuous.

Since f ∈ R[a, b], we have |f | ≤ C < ∞ on [a, b].Let x ∈ [a, b] and x + h ∈ [a, b]. Then, by the additivity of the integral and inequalities (6.19) and (6.20) we obtain x x+hF (x + h) − F (x) = f (t) dt −f (t) dt =a= xax+h f (t) dt ≤ x f (t) dt ≤ C|h|.x+h Here we have used inequality (6.20) taking account of the fact that for h < 0 wehave x+h x x f (t) dt = −f (t) dt =f (t) dt.

xx+hx+hThus we have shown that if x and x + h both belong to [a, b], thenF (x + h) − F (x) ≤ C|h|(6.32)from which it obviously follows that the function F is continuous at each point of[a, b].We now prove a lemma that is a version of the second mean-value theorem.Lemma 4 If f, g ∈ R[a, b] and g is a nonnegative nonincreasing function on [a, b]then there exists a point ξ ∈ [a, b] such thatbaξ(f · g)(x) dx = g(a)f (x) dx.a(6.33)6.2 Linearity, Additivity and Monotonicity of the Integral357Before turning to the proof, we note that, in contrast to relation (6.26) of the firstmean-value theorem, it is the function f (x) that remains under the integral sign in(6.33), not the monotonic function g.Proof To prove (6.33), as in the cases considered above, we attempt to estimate thecorresponding Riemann sum.Let P be a partition of [a, b].

We first write the identityb(f · g) dx =n xi(f · g)(x) dx =i=1 xi−1a=nxif (x) dx +g(xi−1 )xi−1i=1n )*g(x) − g(xi−1 ) f (x) dxxii=1 xi−1and then show that the last sum tends to zero as λ(P ) → 0.Since f ∈ R[a, b], it follows that |f (x)| ≤ C < ∞ on [a, b]. Then, using theproperties of the integral already proved, we obtain n n xi xi ) *g(x) − g(xi )f (x) dx ≤g(x) − g(xi−1 ) f (x) dx ≤xi−1xi−1i=1i=1≤Cn xig(x) − g(xi−1 ) dx ≤i=1 xi−1≤Cnω(g; Δi )Δxi → 0i=1as λ(P ) → 0, because g ∈ R[a, b] (see Proposition 2 of Sect. 6.1). Thereforebn(f · g)(x) dx = limλ(P )→0axif (x) dx.g(xi−1 )xi−1i=1We now estimate the sum on the right-hand side of (6.34).

SettingF (x) =xf (t) dt,aby Lemma 3 we obtain a continuous function on [a, b].Letm = min F (x)x∈[a,b]and M = max F (x).x∈[a,b](6.34)358Since6 xixi−1Integrationf (x) dx = F (xi ) − F (xi−1 ), it follows thatnxig(xi−1 )f (x) dx =nF (xi ) − F (xi−1 ) g(xi−1 ).xi−1i=1(6.35)i=1Taking account of the fact that g is nonnegative and nonincreasing on [a, b], andsettingai = F (xi ) − F (xi−1 ),bi = g(xi−1 ),we find by Lemma 2 thatnmg(a) ≤F (xi ) − F (xi−1 ) g(xi−1 ) ≤ Mg(a),(6.36)i=1sinceAk =kai = F (xk ) − F (x0 ) = F (xk ) − F (a) = F (xk ).i=1Having now shown that the sums (6.35) satisfy the inequalities (6.36), and recalling relation (6.34), we havemg(a) ≤b(f · g)(x) dx ≤ Mg(a).(6.37)aIf g(a) = 0, then, as inequalities (6.37) show, the relation to be proved (6.33) isobviously true.If g(a) > 0, we set b1(f · g)(x) dx.μ=g(a) a x It follows from (6.37) that m ≤ μ ≤ M, and from the continuity of F (x) =a f (t) dt on [a, b] that there exists a point ξ ∈ [a, b] at which F (ξ ) = μ.

But thatis precisely what formula (6.33) says.Theorem 6 (Second mean-value theorem for the integral) If f, g ∈ R[a, b| and gis a monotonic function on [a, b], then there exists a point ξ ∈ [a, b| such thatab(f · g)(x) dx = g(a)aξbf (x) dx + g(b)f (x) dx.(6.38)ξThe equality (6.38) (like (6.33), as it happens) is often called Bonnet’s formula.55 P.O. Bonnet (1819–1892) – French mathematician and astronomer. His most important mathematical works are in differential geometry.6.2 Linearity, Additivity and Monotonicity of the Integral359Proof Let g be a nondecreasing function on [a, b]. Then G(x) = g(b) − g(x) isnonnegative, nondecreasing, and integrable on [a, b]. Applying formula (6.33), wefind b ξ(f · G)(x) dx = G(a)f (x) dx.(6.39)aaButbb(f · G) dx = g(b)αf (x) dx −aξG(a)a(f · g)(x) dx,aξf (x) dx = g(b)bξf (x) dx − g(a)af (x) dx.aTaking account of these relations and the additivity of the integral, we obtain theequality (6.38), which was to be proved, from (6.39).If g is a nonincreasing function, setting G(x) = g(x) − g(b), we find that G(x)is a nonnegative, nonincreasing, integrable function on [a, b].

We then obtain (6.39)again, and then formula (6.38).6.2.4 Problems and Exercises1. Show that if f ∈ R[a, b] and f (x) ≥ 0 on [a, b], then the following statementsare true.a) If the function f (x) assumes a positive value f (x0 ) > 0 at a point of continuity x0 ∈ [a, b], then the strict inequality bf (x) dx > 0aholds.bb) The condition a f (x) dx = 0 implies that f (x) = 0 at almost all points of[a, b].2.

Show that if f ∈ R[a, b], m = inf]a,b[ f (x), and M = sup]a,b[ f (x), thenba) a f (x) dx = μ(b − a), where μ ∈ [m, M] (see Problem 5a of Sect. 6.1);b) if f is continuous on [a, b], there exists a point ξ ∈ ]a, b[ such that bf (x) dx = f (ξ )(b − a).a3.

Show that if f ∈ C[a, b], f (x) ≥ 0 on [a, b], and M = max[a,b] f (x), thenblimn→∞1/nnf (x) dxa= M.3606Integration4. a) Show that if f ∈ R[a, b], then |f |p ∈ R[a, b] for p ≥ 0.b) Starting from Hölder’s inequality for sums, obtain Hölder’s inequality forintegrals:6 b (f · g)(x) dx ≤ab1/p |f | (x) dx·pab1/q|g| (x) dxq,aif f, g ∈ R[a, b], p > 1, q > 1, and p1 + q1 = 1.c) Starting from Minkowski’s inequality for sums, obtain Minkowski’s inequality for integrals:b1/p|f + g| (x) dxpa≤b1/p|f | (x) dxpa+b1/p|g| (x) dxp,aif f, g ∈ R[a, b] and p ≥ 1. Show that this inequality reverses direction if 0 <p < 1.d) Verify that if f is a continuous convex function on R and ϕ an arbitrarycontinuous function on R, then Jensen’s inequality c11 c fϕ(t) dt ≤f ϕ(t) dtc 0c 0holds for c = 0.6.3 The Integral and the Derivative6.3.1 The Integral and the PrimitiveLet f be a Riemann-integrable function on a closed interval [a, b].

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
5,08 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6418
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее