курсовые

Асимптотические методы исследования интегралов с параметром

Курсовая работа

Выполнил: ст-т 4 курса Бутаев Г.Н.

Дагестанский государственный университет

Махачкала 2006

Введение

Многочисленные задачи математики, математической физики,механики,техники приводят к необходимости исследовать интегралы вида

при больших значениях параметра .

Можно по пальцам пересчитать те случаи,когда такие интегралы явно вычисляются.

С другой стороны,при больших значениях параметра вычисление значений таких интегралов не под силу даже самым современным ЭВМ.Единственное,что остается – это попытаться воспользоваться асимптотическими методами.

Асимптотические методы, к сожалению, также имеют свои границы. Не следует думать, что асимптотику любого интеграла вышеприведенного вида можно вычислить. Но в ряде случаев получающиеся асимптотические формулы настолько просты,что сомневаться в применении именно этих методов не приходится.

1.Основные формулы

Интегралами Лапласа называются интегралы вида

, (1.1)

где -вещественнозначная функция,-большой положительный параметр.Функция

может принимать комплексные значения.Будем считать для простоты,что конечный отрезок и что -достаточно гладкие при функции.Тривиальный

случай не рассматривается.

рис.1

Пусть и достигается только в точке .Тогда функция имеет максимум в точке ,который тем резче,чем больше (рис.1).Интеграл можно приближенно заменить интегралом по малой окрестности точки максимума , и это приближение будет тем точнее,чем больше .В этой окрестности функции можно приближенно заменить по формуле Тейлора,и мы получим интеграл,асимптотика которого легко вычисляется.Этот метод был предложен Лапласом.

Пусть .Тогда ;пусть для простоты .Тогда

,

где - малое фиксированное число,и

, .

Следовательно,

.

Заметим,что .Последний интеграл равен

(),

так как

.

Итак,мы получили асимптотическую формулу

(). (1.2)

Пример 1.Вычислим интеграл

. ().

Здесь функция на отрезке [-1,1] имеет максимум в точке ;также

.Все вышеперечисленные условия выполняются, следовательно можно использовать формулу (1.2).

.

Получили формулу:

. ().

Пример 2.Получим асимптотическое разложение гамма-функции Эйлера

Метод Лапласа непосредственно неприменим к этому интегралу, так как функция не имеет максимума на данном интервале.

Представим подинтегральную функцию в виде

и сделаем замену переменной, положив .Тогда имеем:

.

Наш интеграл примет вид:

.

Это интеграл Лапласа: здесь и .Функция достигает максимума при , причем Поэтому по формуле (1.2) получаем

Получили формулу:

Из этой формулы непосредственно следует формула Стирлинга

так как для любого натурального .

Пусть теперь совпадает с одним из концов отрезка, например ,и пусть для простоты .Заменяя интегралом по отрезку и заменяя приближенно на этом отрезке функции

, получаем,что

Заметим,что .Вычисляя последний интеграл,получаем

, () (1.3)

Пример 3.Вычислим интеграл

Здесь функция на отрезке [0,2] имеет максимум в точке ; также

Следовательно, можно применить формулу (1.3):

Получили формулу:

По существу эти две формулы являются основными асимптотическими формулами для интегралов Лапласа.Нам удалось получить простые асимптотические формулы по двум следующим причинам:

1).Подытегральная функция имеет при больших резкий максимум (т.е. интеграл по отрезку I можно приближенно заменить интегралом по малой окрестности точки максимума).

2).В окрестности точки максимума подынтегральную функцию можно заменить более простой (например,такой,что интеграл от нее берется или его асимптотика легко вычисляется).

2.Простейшие оценки Лемма 1.1. Пусть

и при некотором интеграл (1.1) сходится абсолютно:

.

Тогда имеет место оценка

.

3.Лемма Ватсона

Рассмотрим интеграл Лапласа,в котором S-степенная функция

(1.4)

где .Так как в окрестности точки максимума S(x) можно приближенно заменить степенной функцией (вообще говоря),то вычисление асимптотики интегралов Лапласа (1.1) сводится к вычислению асимптотики эталонных интегралов (1.4).

Получим асимптотические оценки для при . Лемма 1.2 (Ватсона).Пусть .Тогда при справедливо асимптотическое разложение

(1.5)

Главный член асимптотики имеет вид

(1.5´)

Пример 4.Вычислим интеграл

()

Здесь , функция непрерывна на [0,] .Применим формулу (1.5´):

Получили формулу:

()

4.Вклад от граничной точки максимума (основной случай)

Рассмотрим интеграл Лапласа (см.(1.1)).

Теорема 1.1. Пусть - конечный отрезок и выполнены условия:

1º. достигается только в точке .

2º..

3º. при ,близких к ,и .

Тогда при справедливо разложение

(1.6)

Коэффициенты имеет вид

, (1.7)

Главный член асимптотики имеет вид

, ().

Рассмотрим интеграл

().

Пусть при имеем и функция достигает максимума только в точке .Тогда при справедлива формула

. (1.8)