第二積分均值定理

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 積分, 均值定理

第一積分均值定理說:若 ff 在 [a,b][a, b] 上連續,則存在點 ξ\xi 使得 ∫abf=f(ξ)(b−a)\int_a^b f = f(\xi)(b - a)。但若你想對乘積 f(x)g(x)f(x) g(x) 積分,且 gg 只是單調的而非連續的,該怎麼辦?第二積分均值定理——以 Bonnet 定理這一名稱廣為人知——恰好處理這種情形。它不是將 gg 提取為單一數值,而是給出一個分拆公式:積分等於 g(a)g(a) 乘以 [a,ξ][a, \xi] 上的積分,加上 g(b)g(b) 乘以 [ξ,b][\xi, b] 上的積分。證明的思路是連續版的 Abel 求和,結合分部積分。

定理陳述:Bonnet 形式

定理(第二積分均值定理)。 設 gg 在 [a,b][a, b] 上單調遞減,ff 在 [a,b][a, b] 上 Riemann 可積。則存在 ξ∈[a,b]\xi \in [a, b] 使得

∫abf(x) g(x) dx  =  g(a)∫aξf(x) dx  +  g(b)∫ξbf(x) dx.\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx \;=\; g(a) \int_a^\xi f(x)\,dx \;+\; g(b) \int_\xi^b f(x)\,dx.

單調遞增 gg 的情形由以 −g-g 替換 gg 得出。

動機:離散類比(Abel 求和)

在證明連續情形之前,先看看離散版本是有益的,這稱為 Abel 求和法(Abel summation)(又稱 Abel 求和公式)。給定數列 (ak)(a_k) 和 (bk)(b_k),前者的部分和 Ak=∑j=1kajA_k = \sum_{j=1}^k a_j,則

∑k=1nakbk  =  Anbn  −  ∑k=1n−1Ak(bk+1−bk).\sum_{k=1}^n a_k b_k \;=\; A_n b_n \;-\; \sum_{k=1}^{n-1} A_k (b_{k+1} - b_k).

這是分部積分的離散類比:將 aka_k 「積分」為累加和 AkA_k,再將 bkb_k 「微分」為差分。若 bkb_k 遞減,則差分 bk+1−bk≤0b_{k+1} - b_k \le 0 有確定的符號,從而可以用 AkA_k 的極值來估計求和。完全相同的結構在連續情形中也適用。

證明

第一步:分部積分。 定義 G(x)≔∫axf(t) dtG(x) \coloneqq \int_a^x f(t)\,dt,即從 aa 出發的 ff 的反導函數。分部積分給出

∫abf(x) g(x) dx=∫abG′(x) g(x) dx=[G(x) g(x)]ab−∫abG(x) g′(x) dx.\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx = \int_a^b G'(x)\,g(x)\,dx = \bigl[G(x)\,g(x)\bigr]_a^b - \int_a^b G(x)\,g'(x)\,dx.

由 G(a)=0G(a) = 0,邊界項化簡為 G(b) g(b)G(b)\,g(b)。用 G(b)=∫abfG(b) = \int_a^b f 改寫:

∫abf(x) g(x) dx=g(b)∫abf(x) dx−∫abG(x) g′(x) dx.(∗)\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx = g(b)\int_a^b f(x)\,dx - \int_a^b G(x)\,g'(x)\,dx. \tag{$*$}

第二步:對 −∫G g′-\int G\,g' 施用第一均值定理。 因為 gg 遞減且可微(暫時假設),g′(x)≤0g'(x) \le 0,故 −g′(x)≥0-g'(x) \ge 0。函數 −g′-g' 是非負的可積權函數。由第一均值定理的帶權形式(見積分均值定理),存在 ξ∈[a,b]\xi \in [a, b] 使得

−∫abG(x) g′(x) dx=G(ξ)⋅(−∫abg′(x) dx)=G(ξ) (g(a)−g(b)).-\int_a^b G(x)\,g'(x)\,dx = G(\xi) \cdot \left(-\int_a^b g'(x)\,dx\right) = G(\xi)\,\bigl(g(a) - g(b)\bigr).

第三步:整合。 代入 (∗)(*):

∫abf(x) g(x) dx=g(b)∫abf(x) dx+G(ξ) (g(a)−g(b)).\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx = g(b)\int_a^b f(x)\,dx + G(\xi)\,\bigl(g(a) - g(b)\bigr).

利用 ∫abf=∫aξf+∫ξbf\int_a^b f = \int_a^\xi f + \int_\xi^b f 以及 G(ξ)=∫aξfG(\xi) = \int_a^\xi f 改寫:

=g(b)(∫aξf+∫ξbf)+∫aξf (g(a)−g(b))=g(a)∫aξf(x) dx+g(b)∫ξbf(x) dx.□= g(b)\left(\int_a^\xi f + \int_\xi^b f\right) + \int_a^\xi f\,(g(a) - g(b)) = g(a)\int_a^\xi f(x)\,dx + g(b)\int_\xi^b f(x)\,dx. \quad \square

備注。 以上證明假設 gg 可微。對僅單調的 gg,論證可用 Riemann-Stieltjes 分部積分或以光滑單調函數逼近 gg 來補全;結論相同。

特例:非負遞減權函數

若 g≥0g \ge 0 且遞減,則 g(b)≥0g(b) \ge 0,公式可以簡化。

推論。 若 g≥0g \ge 0 在 [a,b][a, b] 上遞減,ff 可積,則存在 ξ∈[a,b]\xi \in [a, b] 使得

∫abf(x) g(x) dx  =  g(a)∫aξf(x) dx.\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx \;=\; g(a)\int_a^\xi f(x)\,dx.

證明。 在完整的 Bonnet 公式中,g(b)≥0g(b) \ge 0,∫ξbf\int_\xi^b f 有界。當 g(b)=0g(b) = 0 時,第二項消失。一般的非負遞減情形,對 h=g−g(b)≥0h = g - g(b) \ge 0(滿足 h(b)=0h(b) = 0)施用 Bonnet 定理,並吸收 g(b)∫abfg(b)\int_a^b f 的餘項即得。□\square

這個推論有時在教科書中被稱為第二均值定理;Bonnet 形式是保留了 g(b)g(b) 項的更精確版本。

應用:∫1∞sin⁡xx dx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 的收斂性

積分 ∫1∞sin⁡xx dx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 並非絕對收斂(這將在反常積分收斂性節中說明),但它確實收斂。Bonnet 定理是關鍵工具。

命題。 對所有 1≤A<B1 \le A < B,

∣∫ABsin⁡xx dx∣  ≤  4A.\left|\int_A^B \frac{\sin x}{x}\,dx\right| \;\le\; \frac{4}{A}.

證明。 在 [A,B][A, B] 上取 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x,g(x)=1/xg(x) = 1/x(正且遞減),施用 Bonnet 定理。存在 ξ∈[A,B]\xi \in [A, B] 使得

∫ABsin⁡xx dx=1A∫Aξsin⁡x dx+1B∫ξBsin⁡x dx.\int_A^B \frac{\sin x}{x}\,dx = \frac{1}{A}\int_A^\xi \sin x\,dx + \frac{1}{B}\int_\xi^B \sin x\,dx.

對任意區間 [u,v][u, v],∣∫uvsin⁡x dx∣=∣cos⁡u−cos⁡v∣≤2|\int_u^v \sin x\,dx| = |\cos u - \cos v| \le 2。因此

∣∫ABsin⁡xx dx∣  ≤  1A⋅2+1B⋅2  ≤  2A+2A=4A.\left|\int_A^B \frac{\sin x}{x}\,dx\right| \;\le\; \frac{1}{A} \cdot 2 + \frac{1}{B} \cdot 2 \;\le\; \frac{2}{A} + \frac{2}{A} = \frac{4}{A}.

由於右側當 A→∞A \to \infty 時趨於 00,反常積分的 Cauchy 判則(在下一節中給出)確認了收斂性。□\square

這是一個典型論證:每當 gg 單調趨於 00 且「振盪部分」ff 的反導函數有界時,Bonnet 定理提供關鍵估計。

摘要

  • 第二積分均值定理(Bonnet 形式):若 gg 在 [a,b][a, b] 上單調遞減,ff 可積,則存在 ξ∈[a,b]\xi \in [a, b] 使得 ∫abfg=g(a)∫aξf+g(b)∫ξbf\int_a^b fg = g(a)\int_a^\xi f + g(b)\int_\xi^b f。
  • 證明對 ∫fg\int fg 做分部積分,令 F(x)=∫axfF(x) = \int_a^x f,再對所得積分 −∫Fg′-\int F g'(具有非負權 −g′≥0-g' \ge 0)施用第一均值定理。
  • 若 g≥0g \ge 0 且遞減,公式簡化為對某個 ξ\xi 有 ∫abfg=g(a)∫aξf\int_a^b fg = g(a)\int_a^\xi f。
  • Bonnet 定理是證明振盪積分(如 ∫1∞sin⁡xx dx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx)收斂性的關鍵工具:絕對收斂性不成立,但 1/x1/x 的單調衰減抑制了振盪。