Kaksinkertainen integraali¶
Seuraavaa lausetta käytetään apuna todistamaan, että kaksinkertainen integraali suorakulmiossa voidaan laskea kummassa järjestyksessä tahansa.
Lause 1.1.1
Olkoon \(I\subset \mathbf{R}\) avoin väli ja \(f\colon [a,b]\times I\to\mathbf{R}\) jatkuva. Jos osittaisderivaatta \(f_t(x,t)\) on jatkuva, niin
kun \(t\in I\).
Kaava täytyy todistaa erotusosamäärän raja-arvon määritelmää käyttämällä, joten olkoon \(\varepsilon > 0\). Olkoon lisäksi \(t\in I\) ja \(t+h\in I\), ja merkitään
Yhden muuttujan väliarvolauseen nojalla
jollakin \(c=c(x,t,h)\in [t,t+h]\). Näin ollen
joten
Koska \(f_t\) on (tasaisesti) jatkuva joukossa \([a,b]\times [t,t+h]\), niin on olemassa sellainen \(\delta >0\), että
kaikilla \(x\in [a,b]\), kun \(|h|<\delta\). Näillä \(h\):n arvoilla pätee siis
josta väite seuraa. (Tasaista jatkuvuutta tarvitaan, jotta sama yläraja saadaan kaikilla muuttujan \(x\) arvoilla, eikä vain jokaisessa kohdassa erikseen. Tasaista jatkuvuutta käsitellään kurssilla Metric spaces.)
Integraalin derivointi parametrin suhteen tarjoaa joissakin tilanteissa ovelan tempun integraalin laskemiseen. Näistä tunnetuin (mutta ei mielenkiintoisin) on seuraava esimerkki, jonka perinteinen ratkaisu perustuu osittaisintegroimalla johdettavaan palautuskaavaan.
Esimerkki 1.1.2
Laske epäoleellinen integraali \(\displaystyle{\int_0^{\infty} x^n e^{-x}\, dx}\), kun \(n\in \mathbf{N}\).
Sijoitetaan eksponenttiin keinotekoinen parametri \(a\):
kun \(a=1\). Toisaalta
joten
Sijoittamalla tähän kaavaan \(a=1\) saadaan
Ratkaisusta on jätetty pois epäoleellisen integraalin määritelmään kuuluva katkaisu, joka lisää teknisiä yksityiskohtia.
Kahden muuttujan funktiota \(f(x,y)\) voidaan integroida peräkkäin eri muuttujien suhteen kuhunkin muuttujaan liittyvällä välillä \(a\le x\le b\) ja \(c\le y\le d\). Ensimmäisessä integraalissa yksi muuttuja häviää, jolloin esimerkiksi lauseke
riippuu vain muuttujasta \(x\), joka voidaan tulkita parametriksi integroitavassa lausekkeessa. Kun integraalin tulos integroidaan muuttujan \(x\) suhteen, saadaan pelkkä reaaliluku, joka on kyseisen kaksinkertaisen integraalin arvo. Seuraava lause osoittaa, että lopputulos ei riipu integraalien järjestyksestä. Tämä muistuttaa osittaisderivaattoja koskevaa tulosta, jonka mukaan (riittävän sileän) funktion toisen kertaluvun osittaisderivaatat eivät riipu derivointijärjestyksestä.
Lause 1.1.3
Olkoon \(f\colon [a,b]\times [c,d]\to\mathbf{R}\) jatkuva. Tällöin
Olkoon
ja
kun \(a\le t\le b\). Selvästi \(u(a)=v(a)=0\). Osoitetaan, että yhtäsuuruus pätee kaikilla \(a\le t < b\), jolloin jatkuvuuden perusteella se pätee myös arvolla \(t=b\), josta väite seuraa.
Analyysin peruslauseen nojalla
ja integraalin derivoimista parametrin suhteen koskevan lauseen nojalla
kun \(a<t<b\). Funktioilla \(u\) ja \(v\) on siis sama alkuarvo kohdassa \(t=a\) ja samat derivaatat (Erotuksen derivaatta on siis \(D(u(t)-v(t))=0\)), joten ne ovat yhtäsuuria arvoilla \(a\le t<b\).