Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Telyakovsky_3_semestr.pdf
Скачиваний:
318
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1.1 Mб
Скачать

§ 17.5. B-функция

143

§ 17.5. B-функция

B-функцией (читается бета-функция) называется функция

двух переменных

 

 

 

B( , ) := 0

1

−1(1 − ) −1 ,

(17.5.1)

где и положительны. При > 1, > 1 интеграл в (17.5.1) является собственным.

B-функцию называют функцией Эйлера первого рода, а - функцию – функцией Эйлера второго рода.

Интеграл из (17.5.1) сходится равномерно относительно и , удовлетворяющих условиям > 0 > 0, > 0 > 0. В этом легко убедиться с помощью признака сравнения, так как тогда при всех[0, 1] выполняется неравенство

1(1 − ) 1 6 01(1 − ) 01.

Замена переменной интегрирования = 1 − в (17.5.1) приводит к равенству

B( , ) = B( , ).

При > 0, > 0

1

B( + 1, ) = (1 − ) −1

0

и с помощью интегрирования по частям находим

B( + 1, ) =

 

(1 − )

1 +

1 −1

(1 − )

=

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

0

−1(1 − ) =

 

 

 

 

 

 

= ( ∫0

1

 

 

(1 − ) −1 0

1

 

−1

−1(1 − ) −1 ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

B( , ) −

 

 

B( + 1, ).

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

 

 

 

(1 + )B( + 1, ) = B( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

144

Гл. 17. Интегралы, зависящие от параметра

и, значит,

 

 

 

 

 

B( + 1, ) =

B( , ).

(17.5.2)

 

 

 

+

Это равенство называют формулой приведения для B-функ- ции.

В силу симметрии B-функции имеем также

B( , + 1) = + B( , ).

Для натуральных и применив −1 раз формулу (17.5.2), в силу того, что (1, ) = 1/ , получаем

 

+

 

1

 

· · ·

 

B( , ) =

− 1

B(

 

1, ) =

 

=

 

 

 

 

 

 

 

( − 1)!

= ( + − 1)( + − 2) · · · ( + 1) B(1, ) =

= ( − 1)!( − 1)! . ( + − 1)!

Докажем подобное равенство для всех положительных и .

Теорема 17.5.1. При любых положительных и

B( , ) =

( ) ( )

(17.5.3)

( + ) .

Доказательство. Сделаем в интеграле

+∞

( + ) = + −1 −

0

замену = (1 + ) , где – новая переменная интегрирования, а – некоторый положительный параметр. Тогда получим

( + ) = (1 + ) + 0+∞

+ −1 −(1+ ) .

Перейдем теперь в интеграле из (17.5.1) к новой переменной

интегрирования по формуле

 

 

=

 

.

1 +

 

 

§ 17.5. B-функция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

145

Тогда

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1 − =

 

,

 

 

=

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

(1 + )2

 

и таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

(

 

 

)

−1

(

1

 

)

−1

 

 

 

B( , ) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1 +

 

 

1 +

 

(1 + )2

+∞

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

.

 

 

 

 

 

(17.5.4)

 

(1 + ) +

 

 

 

 

 

Умножим обе части этого равенства на ( + ):

 

 

 

+∞ ( + ) −1

 

 

 

 

 

 

B( , ) ( + ) = 0

 

 

=

 

 

 

 

(1 + ) +

 

 

 

= +∞( ∫ +∞ + −1 −(1+ ) −1 ) .

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(17.5.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если изменить здесь порядок интегрирования, получим

+∞( ∫ +∞ )

( + ) B( , ) = + −1 −(1+ ) −1 =

00

+∞ ( ∫ +∞ )

= −1 − ( ) −1 − =

00

+∞ ( ∫ +∞ )

= −1 − −1 − =

00

=( ) ( ).

Таким образом, для завершения доказательства теоремы достаточно обосновать изменение порядка интегрирования в правой части (17.5.5).

Если > 1, то каждый из этих интегралов имеет особенность только в верхнем пределе интегрирования.

Чтобы говорить об интегралах, к которым легко применить теорему 17.3.4, докажем сначала, что

+∞( ∫ +∞ )

+ −1 −(1+ ) −1 =

0

0

0

+∞

( ∫

+∞

 

 

 

 

)

 

 

 

= →+0

 

 

(17.5.6)

 

lim

 

 

 

+

 

1

(1+ )

 

1

.

 

146

Гл. 17. Интегралы, зависящие от параметра

 

Для этого введем функцию

 

( , ) := +∞ + −1 −(1+ ) −1

и, чтобы воспользоваться теоремой 17.3.1, покажем, что интеграл

+∞

( , ) (17.5.7)

0

сходится равномерно относительно , а функция ( , ) при → 0 сходится к (0, ) равномерно на каждом конечном отрезке изменения параметра .

Равномерная относительно сходимость интеграла (17.5.7) согласно признаку сравнения (теорема 17.2.2) вытекает из оценок

06 ( , ) 6 (0, )

исходимости интеграла

0+∞ (0, ) .

 

 

 

Далее, если [0, ], то

 

 

 

 

 

(0, ) − ( , ) = 0

+ −1 −(1+ ) −1 <

< −1 0

 

6 −1

+

+ −1

 

,

+

и значит, ( , ) при → 0 сходится к (0, ) равномерно на отрезке [0, ].

Таким образом, равенство (17.5.6) обосновано. Докажем теперь, что

+∞( ∫ +∞ )

+ −1 −(1+ ) −1 =

=

+∞( ∫ +∞ + −1 −(1+ ) −1 ) .

(17.5.8)

 

0

 

Чтобы воспользоваться теоремой 17.3.4, убедимся в равномерной сходимости каждого из внутренних интегралов в (17.5.8) на

§ 17.5. B-функция

147

произвольных конечных отрезках изменения параметров и соответственно.

Интеграл

+∞

+ −1 −(1+ ) −1

сходится равномерно относительно [0, ] при каждом конечном , так как тогда

+ −1 −(1+ ) −1 6 + −1 − −1

и сходится интеграл

+∞

+ −1 − −1 .

А интеграл

+∞

+ −1 −(1+ ) −1

0

сходится равномерно относительно [ , ] при любом конечном, так как для таких

+ −1 −(1+ ) −1 6 + −1 − −1

и сходится интеграл

+∞

+ −1 − −1 .

0

Наконец, интеграл

+∞( ∫ +∞

)

+ −1 −(1+ ) −1

0

сходится, так как

+∞( ∫ +∞ )

+ −1 −(1+ ) −1 6

0

6

+∞( ∫ +∞ + −1 −(1+ ) −1 ) .

00

148

Гл. 17. Интегралы, зависящие от параметра

Следовательно, условия теоремы 17.3.4 выполнены и, значит, справедливо равенство (17.5.8).

Из (17.5.6) и (17.5.8) вытекает возможность изменения порядка интегрирования в интегралах из правой части равенства (17.5.5).

Таким образом, теорема доказана для > 1.

Освободиться от условия > 1 можно с помощью формул приведения. В самом деле, если > 0, то

B( , ) =

+

B( + 1, ) =

+ ( + 1) ( )

=

( ) ( )

.

 

 

 

( + + 1)

 

 

 

 

 

 

( + )

Теперь теорема 17.5.1 доказана полностью.

Теорема 17.5.2 (Формула дополнения для -функции). Если 0 < < 1, то

( ) (1 − ) = sin . (17.5.9)

Доказательство. В силу (17.5.3) и (17.5.4)

( ) (1 − ) = ( , 1 − ) = 0

+∞ −1

 

 

 

 

.

1 +

Положим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 −1

+∞ −1

1 := 0

 

 

,

2 := 1

 

 

 

 

1 +

1 +

ирассмотрим сначала интеграл 1.

Всилу непрерывности интеграла как функции предела интегрирования имеем

1

= →+0 0

1− −1

1 + .

 

lim

 

 

 

Воспользуемся равенством

1 = (−1) , 1 +

=0

ряд в котором сходится равномерно на любом отрезке [0, 1 − ],

> 0.

§ 17.5. B-функция

 

 

 

 

 

149

Используя почленное интегрирование, получаем

 

1− −1

1−

 

 

 

0 1 + =

0

 

=0(−1) + −1 =

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

 

1

 

=

0

−1 + 0

=1(−1) + −1

 

 

 

 

 

 

 

 

1−

=(−1) + −1 =

 

=0

0

 

 

 

 

 

=

( 1)

+

1− =

( 1) (1 − ) + .

 

=0

+

0

=0

+

 

 

 

 

 

 

Признак Лейбница (теорема 15.3.5) показывает, что ряд

(−1) 1

+

=0

сходится. Значит, согласно второй теореме Абеля о степенных рядах (теорема 16.6.7) ряд

( 1) (1 − ) +

 

=0

+

 

 

сходится равномерно относительно [0, 1] и, таким образом,

1

= →+0

1−

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

0

 

=0(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

lim

(

 

1) (1 − ) +

=

 

( 1)

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+0

=0

 

 

+

 

 

 

 

=0

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим теперь интеграл 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С помощью замены = 1/ получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞ −1

 

 

0 1−

(

 

1

) = 0

1 (1− )−1

 

2 = 1

 

 

= 1

 

 

 

 

 

 

 

,

 

1 +

1 + 1/

 

2

 

1 +

т.е. интеграл такого же вида, как 1. Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

(−1)

 

=

 

 

 

( 1)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1 − +

 

 

 

 

 

 

=0

=1