浙大14年数分题:Dirichlet引理的证明 - Eufisky - The lost book
一个具有概率背景的积分题
2015年浙大数分题

浙大14年数分题:Dirichlet引理的证明

Eufisky posted @ 2015年9月11日 15:58 in 数学分析 with tags 定理 , 1687 阅读

Riemann-Lebesgue引理大家都很熟悉,那Dirichlet引理呢?


$f(x)$在$[0,1]$单增,证明:

\[\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {f\left( x \right)\frac{{\sin xy}}{x}dx} = \frac{\pi }{2}f\left( {{0_ + }} \right).\]


这是Dirichlet引理,菲赫金哥尔茨的《微积分教程》第三卷P358有详细的证明.另外,汪林的《数学分析问题研究与评注》P147上有他的推广及其证明.


对任意给出的$\varepsilon>0$, $\exists 0<\delta<1$,使得对于$0<t\leq \delta$,

\[0 \le g\left( t \right) - g\left( {{0_ + }} \right) < M_1\varepsilon ,\]

其中$M_1$是任意给定的常数.

 

考察积分

\begin{align*}\int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} &= \left( {\int_0^\delta {} + \int_\delta ^1 {} } \right)\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx\\&= {I_1} + {I_2}.\end{align*}

 

对于$I_1$,运用积分第二中值定理,我们有

\[{I_1} = \left[ {f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\int_\eta ^\delta {\frac{{\sin xy}}{x}dx} = \left[ {f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\int_{y\eta }^{y\delta } {\frac{{\sin z}}{z}dz} ,\]

 

其中第二个因子对于一切值$y$一致有界.事实上,由反常积分$\displaystyle \int_0^\infty {\frac{{\sin z}}{z}dz}$的收敛性,可见当$z\to \infty$时, $z(z\geq 0)$的连续函数$\displaystyle \int_0^z {\frac{{\sin z}}{z}dz} $有有限的极限,并且对于一切值$z$有界

\[\left| {\int_0^z {\frac{{\sin z}}{z}dz} } \right| \le L\left( L \text{为常数}\right),\]从而

\[\left| {\int_{y\eta }^{y\delta } {\frac{{\sin z}}{z}dz} } \right| = \left| {\int_0^{y\delta } {} + \int_0^{y\eta } {} } \right| \le 2L.\]

 

对于第一个因子,取$M_1=\frac{1 }{{4L}}$,则有$f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right) < \frac{\varepsilon }{{4L}}$.

 

 

因此\[\left| {{I_1}} \right| \le \left[ {f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\left| {\int_{y\eta }^{y\delta } {\frac{{\sin z}}{z}dz} } \right| < \frac{\varepsilon }{{4L}} \cdot 2L = \frac{\varepsilon }{2}.\]

 

至于$I_2$,由于$\displaystyle \int_\delta ^1 {\frac{{f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)}}{x}dx} $存在,由Riemann-Lebesgue引理可知$\mathop {\lim }\limits_{y \to \infty } {I_2} = 0$,即对$\varepsilon >0,\exists M_2>0$,使得$y>M_2$时,有$\left| {{I_2}} \right| < \frac{\varepsilon }{2}$.

 

因此\[\left| {\int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} } \right| \le \left| {{I_1}} \right| + \left| {{I_2}} \right| < \varepsilon .\]

即\[\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} = 0.\]

 

从而

\begin{align*}&\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {f\left( x \right)\frac{{\sin xy}}{x}dx} = \frac{\pi }{2}f\left( {{0_ + }} \right)\\=& \mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} + f\left( {{0_ + }} \right)\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {\frac{{\sin xy}}{x}dx} \\= &0 + f\left( {{0_ + }} \right)\int_0^{ + \infty } {\frac{{\sin z}}{z}dz} = \frac{\pi }{2}f\left( {{0_ + }} \right).\end{align*}


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