83. Дифференцирование под знаком интеграла
Рассмотрим интеграл, зависящий от параметра у:
Пределы а и b будем считать пока независящими от у. Положим, что
непрерывна и имеет непрерывную частную производную
в прямоугольнике: Покажем, что при этих предположениях существует производная — которую можно получить, дифференцируя по у под знаком интеграла, т. е.
Приращение
функции
определяется формулой
Применяя формулу конечных приращений, получим
Принимая во внимание равномерную непрерывность функции
в упомянутом выше прямоугольнике, можем написать
и утверждать, что
равномерно по отношению к
и у стремится к нулю, когда
, т. е. при любом положительном
существует такое
, что
, если только
Отсюда следует, между прочим, что
и ввиду произвольной малости
мы имеем
Вернемся к формуле (14). Пользуясь (15) и (16), можем написать, принимая во внимание, что
не зависит от х:
Деля на
и переходя к пределу, получим, в силу (17),
т. e. формула (13) доказана. Заметим, что если предположить непрерывность только самой функции
, то из формулы (14) и из того, что разность
, равномерно по отношению
и у стремится к нулю при
вытекает уже, что
есть непрерывная функция от у.
Рассмотрим теперь при прежних предположениях относительно
интеграл
в котором и пределы интегрирования
, принадлежащие промежутку (а, b), зависят от у, причем мы предположим, что эти функции имеют производную по у, а тем самым и непрерывны.
Обозначим через
приращения, которые получают
когда у получает приращение
. Мы имеем
Заметив, что [I, 94]
мы можем переписать равенство (19) так:
При этих вычислениях мы предполагаем, конечно, что функция
удовлетворяет указанным выше условиям при и при всех значениях
которые принадлежат промежуткам интегрирования в написанных интегралах.
По теореме о среднем
можем написать
Если
, то и
и, в силу непрерывности
можем утверждать, что при этом
Подставив эти выражения в формулу (20) и пользуясь формулами (15) и (16), получим, деля на
Переходя к пределу, получим, в силу (17), следующую формулу для дифференцирования интеграла (18):
Если
не зависят от у, то получается формула (13). Эта последняя формула справедлива и при дифференцировании кратного интеграла по параметру, если только область интегрирования (В) не зависит от параметра. Если, например, в двукратном интеграле по области (В) подынтегральная функция
зависит не только от
переменной точки М интегрирования, но и от параметра t, то
При этом считается, что
и суть непрерывные функции при изменении М в области (В), включая контур, и при изменении t в некотором промежутке.
Заметим, что при доказательстве формул (13) и (22) существенно, что промежуток интегрирования конечен. В примерах мы будем применять формулу (13) и для бесконечного промежутка. В дальнейшем мы укажем условия законности такого применения.
Из предыдущих формул вытекает также, что если
суть непрерывные функции, то и интеграл (18) есть непрерывная функция от у.