Г.М. Фихтенгольц
КУРС ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО И ИНТЕГРАЛЬНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ
ТОМЗ
Содержание
ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ.
ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
§ 1. Криволинейные интегралы первого типа	11
543.	Определение криволинейного интеграла первого типа	11
544.	Сведение к обыкновенному определенному интегралу	13
545.	Примеры	15
§ 2. Криволинейные интегралы второго типа	20
546.	Определение криволинейных интегралов второго типа	20
547.	Существование и вычисление криволинейного интеграла второго __
типа
548.	Случай замкнутого контура. Ориентация плоскости	25
549.	Примеры	27
550.	Приближение с помощью интеграла, взятого по ломаной	30
551.	Вычисление площадей с помощью криволинейных интегралов	32
552.	Примеры	35
553.	Связь между криволинейными интегралами обоих типов	38
554.	Физические задачи	40
§ 3. Условия независимости криволинейного интеграла от пути	45
555.	Постановка задачи, связь с вопросом о точном дифференциале	45
556.	Дифференцирование интеграла, не зависящего от пути	46
557.	Вычисление криволинейного интеграла через первообразную	49
558.	Признак точного дифференциала и нахождение первообразной в	,„
случае прямоугольной области
559.	Обобщение на случай произвольной области	52
560.	Окончательные результаты	55
561.	Интегралы по замкнутому контуру	56
562.	Случай неодносвязной области или наличия особых точек	57
563.	Интеграл Гаусса	62
564.	Трехмерный случай	64
565.	Примеры	67
566.	Приложение к физическим задачам	71

§ 4. Функции с ограниченным изменением	74
567.	Определение функции с ограниченным изменением	74
568.	Классы функций с ограниченным изменением	76
569.	Свойства функций с ограниченным изменением	79
570.	Критерии для функций с ограниченным изменением	82
571.	Непрерывные функции с ограниченным изменением	84
572.	Спрямляемые кривые	87
§ 5. Интеграл Стилтьеса	89
573.	Определение интеграла Стилтьеса	89
574.	Общие условия существования интеграла Стилтьеса	91
575.	Классы случаев существования интеграла Стилтьеса	92
576.	Свойства интеграла Стилтьеса	95
577.	Интегрирование по частям	97
578.	Приведение инйгоааа Стилтьеса к интегралу Римана	98
579.	Вычисление интегралов Стилтьеса	100
580.	Примеры	104
581.	Геометрическая иллюстрация интеграла Стилтьеса	111
582.	Теорема о среднем, оценки	112
583.	Предельный переход под знаком интеграла Стилтьеса	114
584.	Примеры и дополнения	115
585.	Сведение криволинейного интеграла второго типа к интегралу	19„
Стилтьеса
ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
§ 1. Определение и простейшие свойства двойного интеграла	122
586.	Задача об объеме цилиндрического бруса	122
587.	Сведение двойного интеграла к повторному	123
588.	Определение двойного интеграла	125
589.	Условия существования двойного интеграла	127
590.	Классы интегрируемых функций	128
591.	Нижний и верхний интегралы как пределы	130
592.	Свойства интегрируемых функций и двойных интегралов	131
593.	Интеграл, как аддитивная функция области; дифференцирование по 1 _.
области
§ 2. Вычисление двойного интеграла	137
594.	Приведение двойного интеграла к повторному в случае	137

прямоугольной области
595.	Примеры	141
596.	Приведение двойного интеграла к повторному в случае	1 ._
криволинейной области
597.	Примеры	152
598.	Механические приложения	165
599.	Примеры	167
§ 3. Формула Грина	174
600.	Вывод формулы Грина	174
601.	Приложение формулы Грина к исследованию криволинейных	п „„
1 /о
интегралов
602.	Примеры и дополнения	179
§ 4. Замена переменных в двойном интеграле	182
603.	Преобразование плоских областей	182
604.	Примеры	184
605.	Выражение площади в криволинейных координатах	189
606.	Дополнительные замечания	192
607.	Геометрический вывод	194
608.	Примеры	196
609.	Замена переменных в двойных интегралах	204
610.	Аналогия с простым интегралом. Интеграл по ориентированной 9„,
области
611.	Примеры	207
§ 5. Несобственные двойные интегралы	214
612.	Интегралы, распространенные на неограниченную область	214
613.	Теорема об абсолютной сходимости несобственного двойного	917
интеграла
614.	Приведение двойного интеграла к повторному	219
615.	Интегралы от неограниченных функций	221
616.	Замена переменных в несобственных интегралах	223
617.	Примеры	225
ГЛАВА СЕМНАДЦАТАЯ. ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
§ 1. Двусторонние поверхности	241
618.	Сторона поверхности	241
617. Примеры	243

620.	Ориентация поверхностей и пространства	244
621.	Выбор знака в формулах для направляющих косинусов нормали 246
622.	Случай кусочно-гладкой поверхности	247
§ 2. Площадь кривой поверхности	248
623.	Пример Шварца	248
624.	Определение площади кривой поверхности	251
625.	Замечание	252
626.	Существование площади поверхности и ее вычисление	253
627.	Подход через вписанные многогранные поверхности	258
628.	Особые случаи определения площади	259
629.	Примеры	260
§ 3. Поверхностные интегралы первого типа	274
630.	Определение поверхностного интеграла первого типа	274
631.	Сведение к обыкновенному двойному интегралу	275
632.	Механические приложения поверхностных интегралов первого типа 277
633.	Примеры	279
§ 4. Поверхностные интегралы второго типа	285
634.	Определение поверхностного интеграла второго типа	285
635.	Простейшие частные случаи	287
636.	Общий случай	290
637.	Деталь доказательства	292
638.	Выражение объема тела поверхностным интегралом	293
639.	Формула Стокса	297
640.	Примеры	299
641.	Приложение формулы Стокса к исследованию криволинейных	„„,
интегралов в пространстве
ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ
ИНТЕГРАЛЫ
§ 1. Тройной интеграл и его вычисление	308
642.	Задача о вычислении массы тела	308
643.	Тройной интеграл и условия его существования	309
644.	Свойства интегрируемых функций и тройных интегралов	310
645.	Вычисление тройного интеграла, распространенного на	„ 19
параллелепипед
646.	Вычисление тройного интеграла по любой области	314

647.	Несобственные тройные интегралы	315
648.	Примеры	316
649.	Механические приложения	323
650.	Примеры	325
§ 2. Формула Гаусса—Остроградского	333
651.	Формула Остроградского	333
652.	Приложение формулы Остроградского к исследованию	__,
поверхностных интегралов
653.	Интеграл Гаусса	336
654.	Примеры	338
§ 3. Замена переменных в тройных интегралах	342
655.	Преобразование пространств и криволинейные координаты	342
656.	Примеры	343
657.	Выражение объема в криволинейных координатах	345
658.	Дополнительные замечания	348
659.	Геометрический вывод	349
660.	Примеры	350
661.	Замена переменных в тройных интегралах	358
662.	Примеры	359
663.	Притяжение со стороны тела и потенциал на внутреннюю точку 364
§ 4. Элементы векторного анализа	366
664.	Скаляры и векторы	366
665.	Скалярное и векторное поля	367
666.	Градиент	368
667.	Поток вектора через поверхность	370
668.	Формула Остроградского. Дивергенция	371
669.	Циркуляция вектора. Формула Стокса. Вихрь	372
670.	Специальные поля	374
671.	Обратная задача векторного анализа	378
672.	Приложения	378
§ 5. Многократные интегралы	384
673.	Задача о притяжении и потенциале двух тел	384
674.	Объем n-мерного тела, n-кратный интеграл	386
675.	Замена переменных в n-кратном интеграле	388
676.	Примеры	391

ГЛАВА ДЕВЯТНАДЦАТАЯ. РЯДЫ ФУРЬЕ
§ 1.Введение	414
677.	Периодические величины и гармонический анализ	414
678.	Определение коэффициентов по методу Эйлера—Фурье	417
679.	Ортогональные системы функций	419
680.	Тригонометрическое интерполирование	424
§ 2. Разложение функций в ряд Фурье	427
681.	Постановка вопроса. Интеграл Дирихле	427
682.	Первая основная лемма	429
683.	Принцип локализации	432
684.	Признаки Дини и Липшица сходимости рядов Фурье	433
685.	Вторая основная лемма	436
686.	Признак Дирихле—Жордана	438
687.	Случай непериодической функции	440
688.	Случай произвольного промежутка	441
689.	Разложения только по косинусам или только по синусам	442
690.	Примеры	446
691.	Разложение In Г(х)	461
§ 3. Дополнения	463
692.	Ряды с убывающими коэффициентами	463
693.	Суммирование тригонометрических рядов с помощью	.,_
аналитических функций комплексной переменной
694.	Примеры	472
695.	Комплексная форма рядов Фурье	477
696.	Сопряженный ряд	480
697.	Кратные ряды Фурье	483
§ 4. Характер сходимости рядов Фурье	484
698.	Некоторые дополнения к основным леммам	484
699.	Признаки равномерной сходимости рядов Фурье	487
700.	Поведение ряда Фурье вблизи точки разрыва; частный случай	490
701.	Случай произвольной функции	495
702.	Особенности рядов Фурье; предварительные замечания	497
703.	Построение особенностей	500
§ 5. Оценка остатка в зависимости от дифференциальных свойств функции 502
704.	Связь между коэффициентами Фурье функции и ее производных 502

705.	Оценка частичной суммы в случае ограниченной функции	503
706.	Оценка остатка в случае функции с ограниченной k-й производной 505
707.	Случай функции, имеющей k-ю производную с ограниченным
изменением
708.	Влияние разрывов функции и ее производных на порядок малости
коэффициентов Фурье
709.	Случай функции, заданной в промежутке [0, к]	514
710.	Метод выделения особенностей	516
§ 6. Интеграл Фурье	524
711.	Интеграл Фурье как предельный случай ряда Фурье	524
712.	Предварительные замечания	526
713.	Достаточные признаки	527
714.	Видоизменение основного предположения	529
715.	Различные виды формулы Фурье	532
716.	Преобразование Фурье	534
717.	Некоторые свойства преобразований Фурье	537
718.	Примеры и дополнения	538
719.	Случай функции двух переменных	545
§ 7. Приложения	547
720.	Выражение эксцентрической аномалии планеты через ее среднюю , ._
аномалию
721.	Задача о колебании струны	549
722.	Задача о распространении тепла в конечном стержне	553
723.	Случай бесконечного стержня	557
724.	Видоизменение предельных условий	559
725.	Распространение тепла в круглой пластине	561
726.	Практический гармонический анализ. Схема для двенадцати	_ ,_
ординат
727.	Примеры	565
728.	Схема для двадцати четырех ординат	569
729.	Примеры	570
730.	Сопоставление приближенных и точных значений коэффициентов _71
Фурье
ГЛАВА ДВАДЦАТАЯ. РЯДЫ ФУРЬЕ (продолжение)
§ 1. Операции над рядами Фурье. Полнота и замкнутость	574
731.	Почленное интегрирование ряда Фурье	574

732.	Почленное дифференцирование ряда Фурье	577
733.	Полнота тригонометрической системы	578
734.	Равномерная аппроксимация функций. Теоремы Вейерштрасса	580
735.	Аппроксимация функций в среднем. Экстремальные свойства	.„„
отрезков ряда Фурье
736.	Замкнутость тригонометрической системы. Теорема Ляпунова	586
737.	Обобщенное уравнение замкнутости	589
738.	Умножение рядов Фурье	592
739.	Некоторые приложения уравнения замкнутости	593
§ 2. Применение методов обобщенного суммирования к рядам Фурье	599
740.	Основная лемма	599
741.	Суммирование рядов Фурье по методу Пуассона—Абеля	601
742.	Решение задачи Дирихле для круга	605
743.	Суммирование рядов Фурье по методу Чезаро—Фейера	607
744.	Некоторые приложения обобщенного суммирования рядов Фурье 609
745.	Почленное дифференцирование рядов Фурье	611
§ 3. Единственность тригонометрического разложения функции	613
746.	Вспомогательные предложения об обобщенных производных	613
747.	Риманов метод суммирования тригонометрических рядов	616
748.	Лемма о коэффициентах сходящегося ряда	620
749.	Единственность тригонометрического разложения	621
750.	Заключительные теоремы о рядах Фурье	623
751.	Обобщение	626
ДОПОЛНЕНИЕ. ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ
752.	Различные виды пределов, встречающиеся в анализе	631
753.	Упорядоченные множества (в собственном смысле)	632
754.	Упорядоченные множества (в обобщенном смысле)	633
755.	Упорядоченная переменная и ее предел	636
756.	Примеры	637
757.	Замечание о пределе функции	639
758.	Распространение теории пределов	640
759.	Одинаково упорядоченные переменные	643
760.	Упорядочение с помощью числового параметра	644
761.	Сведение к варианте	645
762.	Наибольший и наименьший пределы упорядоченной переменной 647

Алфавитный указатель
Алфавитный
Абель 237
Абсолютная сходимость рядов Фурье
593
Аддитивная функция от области
плоской 134, 165
	пространственной 311
	определение ее по производной
136,312
-	промежутка 119, 137
Аппроксимация функции в среднем
583
-	- равномерная 579
Архимеда закон 340
АрцелаШ, 591,626, 627
Астроида 35
Бернштейн 505, 593
Бесселевы функции 144, 235, 401,
411,422,478,541,548,561
Бессель 584, 585, 586
Био и Савара закон 44
Буняковского неравенство 146, 169
Бэта-функция 213, 230
Валле-Пуссен 626
Вейерштрасс 580, 610
Вектор 366
-	потока тепла 370
Векторная линия, поверхность 367,
368
-	трубка 368, 376
Векторное поле 367
-	произведение 45, 367
Вивиани тело 163, 208, 210, 261, 263,
265
Винтовая поверхность 265
Виртингер 596
Вихревая линия 383, 384
-	поверхность 383
-трубка383, 384
Вихрь 373
Вихря поток 373
Вольтерра 158
650
указатель
Вращение плоской фигуры 170
Вращение тела 331, 332
Вращения поверхность 264, 266
-	тело 170, 355
Гамильтон 369
Гамма-функция 159, 161, 230, 392,
394—, 403, 407, 411, 461, 541
Гармоники 492
Гармоническая функция в круге 605
	области плоской 180
	пространственной 339, 381
Гармонические колебания 492
Гармонический анализ 492
-	- практический, схема на ординат,
12, 563
	схема на ординаты, 24, 568
Гаусс 62, 336, 412
Гаусса—Остроградского формула
333
Гауссовы коэффициенты
поверхности 256
Гейне—Кантора теорема 621
Гельмгольц 383
Гиббс 495, 497
Главное значение несобственного
интеграла 240, 533
Градиент 368
Грам413
Грина формула 174
Гульдина теорема 171, 355
Гурвиц 596
Дарбу верхние и нижние интегралы
128
	как пределы 130, 649
-	- Стилтьеса суммы 91
-	суммы для интеграла двойного 127
	тройного 310
Двойной интеграл 123, 126
-	- выражение через первообразную
147

-	- как аддитивная функция области
135
-	- классы интегрируемых функций
128
-	- несобственный 214, 221
Двойной интеграл, приведение к
повторному 123, 137, 149
-	- свойства 131
-	- условия существования 128, 131
-	ряд, сопоставление с двойным
интегралом 240
-	- Фурье 483
Двусторонняя поверхность 242, 248
Декартов лист 36
Диаметр точечного множества 126
Дивергенция 371
Дини признаки 434, 487, 528, 531
Дирихле—Жордана признаки 438,
489,529,531,609
-	задача для круга 605
-	интеграл 423
-лемма 436, 486
-	разрывный множитель 536
-	условие 439
-	формулы 158, 231, 237, 394, 407
Дифференциал точный,
интегрирование 50, 52, 65, 68
-	- признаки 50, 65, 178
-	- связь с криволинейным
интегралом 46, 65, 66, 306
Дифференциальное уравнение
гидродинамики 379, 382
-	- колебания струны 550
-	- теплопроводности 380, 554, 561
Дифференцирование по области 135,
312
-	ряда Фурье, почленное 577, 611
Длина дуги 14, 358, 643
Дю Буа-Реймонд 497, 625, 626
Жидкий контур 381, 383
Жордан 74, 87, 88
Жордана—Дирихле признаки 438,
489,529,531,609
Замена переменных в интегралах
двойных 204
	несобственных 223
	тройных 358
	и-кратных 388
Замкнутая ортогональная система
функций 585
Замкнутости уравнение 585, 586, 589,
590
Замкнутость тригонометрической
системы 586
Изгибающий момент 108
Изопериметрическая задача 596
Инверсия 186, 344
Инерции главные оси 169, 170, 332
-	момент плоской фигуры 166
Инерции момент полярный 168
-	- поверхности 277
-	- прямолинейного отрезка 106
-	- тела 324
-	- цилиндрического бруса 167
Интегральная сумма 12, 20, 90, 126,
274, 286, 308
Интегральное уравнение 158, 237,
534, 535, 539
Интегральный косинус 540
-	логарифм 542
-	синус 541
Интегрирование по частям для
интегралов Стилтьеса 97
	обыкновенных интегралов 110
-	рядов Фурье, почленное 574, 590,
591
-	точных дифференциалов 51, 52, 65,
68
Интегрируемая функция 90, 127, 310
Интегрируемости условие (для
дифференциальных выражений)
46,50
Источники 372
-	плотность 372
-	производительность 372
Кантор 620
Кантора—Гейне теорема 621

Каталан 405
Каталана формула 160, 232, 270, 407,
409
Квадрируемая поверхность 251
Квази-стационарный процесс 43
Кеплера уравнение 547
Кинетическая энергия вращающегося
тела 331
Колмогоров 502
Конфинальная
подпоследовательность 646
Координатные линии 184
-	поверхности 343
Косинус-преобразование Фурье 535,
545
Косинус-преобразование Фурье для
функции двух переменных 547
Котангенс, разложение на простые
дроби 452
Коши 524, 533, 535
Кратные интегралы 126, 309, 386
-	- Фурье 545
-	ряды Фурье 483
Кривизна поверхности, гауссова 272
Криволинейные координаты в
пространстве 343
-	- на плоскости 184
-	- элемент объема 348
-	- элемент площади 192, 257
Криволинейный интеграл второго
типа 20, 21
	вычисление через
первообразную 49, 65
	дифферренцирование 46
	независимость от пути 29, 46,
55, 65, 121, 178, 306
	наведение в случае
неодносвязной области 57, 70
	по замкнутому контуру 25, 56,
67, 178, 305
	приближение интегралом по
ломаной 30
	сведение к интегралу Стилтьеса
120
	сведение к обыкновенному
интегралу 22
	связь с криволинейным
интегралом первого типа 38
-	- первого тина 11
	сведение к обыкновенному
интегралу 13
Крылов 516, 578
Куммер 461
Кусков 355
Лагранж 383, 470
Лаплас 381, 536, 605
Лебег 98, 497, 502, 624
Левая координатная система 26, 246
Левая ориентация плоскости 26
-	- пространства 245
Лежандр 230, 271
Лежандра многочлены 233, 422
Лейбниц 234, 278, 376, 410, 448
Лемниската 196
Линейный интеграл 372
Липшиц 77, 93, 435, 489, 593
Липшица признаки 435, 489
Лиувилль 234, 405, 412
Лиувилля формулы 161, 213, 214,
231,396,403,407
Ляпунов 586
Малиев 515
Масса кривой 11, 17
-	- поверхности 277, 281
-	плоской фигуры 137, 165
-	тела 308, 323
Мёбиус 242, 248
Многократные интегралы 387
-	- замена переменных 388
-	- сведение к повторному 387
Монотонная переменная,
возрастающая и убывающая 641
Мур632
Набла 369
Направление на замкнутом контуре
26
Напряжение поля 40

Начальные условия 550, 555, 556,
557, 560, 561
Неравномерная сходимость рядов
Фурье 495, 497
Неразрывности уравнение 379
Несобственный двойной интеграл
215, 222, 240
-	абсолютная сходимость 217, 222
-	замена переменных 223
-	приведение к повторному 219
-	признаки сходимости 226
-	тройной интеграл 315
Нечетная функция 442, 533, 535, 546
Нормальная ортогональная система
функций 420
Ньютона закон притяжения 18, 72,
277, 324, 364, 371, 384
Объем в криволинейных координатах
345, 349
-	выражение поверхностным
интегралом 298, 333
-	различные формулы 301
-	тела по поперечным сечениям 323
-	формула Кускова 355
-	цилиндрического бруса 122, 323
-	и-мерного параллелепипеда 386
-	- симплекса 391
-	- тела 386
-	и-мерной сферы 392
Ограниченного изменения функции
74
-	классы 76
-	критерии 82
-	непрерывные 84
-	ограниченность частичных сумм
ряда Фурье 611
-	порядок коэффициентов Фурье
508
-	свойства 79
Односвязность плоской области 53,
178
-	пространственной области 305, 336
Односторонняя поверхность 242
Ориентация плоскости 26
-	поверхности 244, 245
-	- связь со стороной поверхности 245
-	пространства 245
Ориентированная область, интеграл
по ней 207, 359
Ортогональная система функций 420,
583
Ортогональные функции 420
-	- с весом 423, 562
Особенностей выделение как метод
улучшения сходимости 516, 578
Особенности рядов Фурье 497
Остаток ряда Фурье, оценка 505, 508
Остроградский 333, 335, 371, 379, 388
Остроградского—Гаусса формула
333
Парсеваль 585, 589
Первообразная функция 46, 60, 65,
136, 147
Перерезывающее усилие 108
Периодическая функция 414
-	- интеграл по периоду 427
Плотность линейная 11
-	объемная 308, 324
-	поверхностная 135, 277
Площадь винтовой поверхности 265
-	кривой поверхности 248, 251, 356
	особые случаи 259
-	параметрическое задание 252,
273
	явное задание 257, 273
-	плоской фигуры в криволинейных
координатах 189, 194
	выражение криволинейным
интегралом 32, 121, 176
-	поверхности вращения 264, 266
-	- и-мерной сферы 393
-	цилиндрической поверхности 266
Поверхностные интегралы второго
типа 285, 287
	независимость от формы
поверхности 336
	по замкнутой поверхности 335
	сведение к двойному 288, 291

	связь с поверхностными
интегралами первого типа 289,
291
-	- в и-мерном пространстве 388, 405
-	- первого типа 274
	сведение к двойному 275
Поверхность вращения 264, 266
-	уровня 367
Поле векторное 367
-	магнитное 44
-	ньютоновского притяжения 72, 369,
371
-силовое 40, 71,372
-	скалярное 367
Поле скорости 42, 370, 374
-	температуры 369
Полное изменение функции 74, 82, 86
Полнота тригонометрической
системы 578, 610
Положительное ядро 600, 603, 608,
610,612,619
Полярное уравнение поверхности 266
Полярные координаты в
пространстве 344
-	- в и-мерном пространстве 401
-	- на плоскости 184
-	- обобщенные 198
-	- элемент площади 192, 195
Потенциал векторный 375
-	ньютоновский, созданный
материальной точкой 72
	поверхностью 278
	сферическим слоем 285
-	- - сферой 329
	телом 325, 364
	эллипсоидом 363
-	- тела на само себя 385
	другое тело 385
Потенциальная функция 71, 374
Потенциальное попе 71, 374
Поток вектора через поверхность 370
-	тепла 370
-	- вектор 371
Правая координатная система 26, 246
-	ориентация плоскости 26
-	- пространства 245
Предел упорядоченной переменной
636
	наибольший, наименьший 648
	условие существования 642, 648
Предельные условия 550, 555, 556,
557, 559, 561
Преобразование плоских областей
182
	сохраняющее площадь 203
-	пространственных областей 342
Приложения к механике и физике:
интеграла двойного 137, 165,
173, 208
-	криволинейного второго типа 41,
43, 44, 72, 73, 382
-	- первого типа 11, 17, 42
-	многократного 384
-	поверхностного 277, 281, 370, 379,
380
-	Стилтьеса 106, 108
-	- интеграла тройного 308, 324—332,
340, 362, 364, 379, 380
-	Фурье 558
-	- рядов Фурье 551, 555, 557, 560,
565, 570
Притяжение материальной точки
кривой 19
	поверхностью 277
	сферическим слоем 284
-	- - сферой 328
	телом 325, 364
-тела телом 385
Произведение инерции 169, 331
Производная обобщенная, первая и
вторая 613, 614
-	по направлению 368
-	- области 135,312
Простой слой 277
Пуассон 228, 280, 407, 603, 606
Пучности 553
Работа силового поля 40, 71, 372

Равномерная сходимость рядов
Фурье 419, 487
Расходимость 371
Расходящихся рядов суммирование,
см. Суммирование рядов
обобщенное
Регулярная точка 434
Риман 429, 432, 619, 631
Римана метод суммирования 616, 618
Ротор 373, 374
Рунге 564, 569
Силовая функция 71
Силовое поле 40, 71, 372
Синус-преобразование Фурье 535,
545
-	для функции двух переменных
547
Синус, разложение обратной
величины на простые дроби 452
Скаляр 366
Скалярное поле 367
-	произведение 367
Смит 632
Соленоидальное поле 375
Сонин 400, 407, 409
Сопряженные функции первого и
второго рода 536
Сопряженный тригонометрический
ряд 480
Спрямляемая кривая 11, 88, 89
Среднее значение, теорема 112,116,
134,311
Среднее квадратичное отклонение
583
Статические моменты кривой 18
-	поверхности 281
-	- плоской фигуры 166
-	- прямолинейного отрезка 106
-	- тела 324
-	- цилиндрического бруса 166
Стеклов 585, 595
Стилтьеса—Дарбу суммы 91
-	интеграл 90
-	- вычисление 100
-	- геометрическая иллюстрация 111
-	- интегрирование по частям 97
-	- классы случаев существования 92,
98
-	- непрерывность по верхнему
пределу 118
-	- оценка 112
-	- предельный переход 114, 119
-	- приведение к обыкновенному 98
-	- свойства 95
-	- теорема о среднем 112,116
-	- условие существования 96
Стилтьеса сумма 90
Стокса формула 297, 373
Сторона поверхности 241, 242, 248
Стоячих волн метод, см. Фурье метод
Струны колебание 549
Суммирование рядов обобщенное,
метод Римана 619
-	тригонометрических рядов в
конечном виде 469
	обобщенное, метод Пуассона—
Абеля 601
	Римана616
	Чезаро—Фейера 607
Сфера, притяжение и потенциал 328,
329
Сферические координаты 266
-	- обобщенные 360
-	- элемент площади кривой и
поверхности 267
Сферический слой, притяжение и
потенциал 284, 285
Сходимость интеграла Фурье,
признак Дини 528, 531
	Дирихле—Жордана 529, 531
-	рядов Фурье абсолютная 593
	неравномерная 495, 497
	признак Дини 434
Сходимость рядов Фурье, признак
Дирихле 438
	Дирихле—Жордана 438
	Липшица 435
	равномерная 419

	признак Дини 487
	Дирихле—Жордана 489
	Липшица 489
Телесный угол 272, 337
Тепла распространение в круглой
пластине 561
	стержне бесконечном 557
	конечном 553, 559
	полубесконечном 559
-	теле 370
Тепло, поглощенное газом 43, 73
Теплопроводности уравнение 380,
554, 561
Томсон 383
Тригонометрическая система
функций, замкнутость 586
	полнота 578, 610
Тригонометрический многочлен 424,
580, 585
-ряд 416
-	- лемма о коэффициентах 620
-	- не являющийся рядом Фурье 624
-	- сопряженный 480
Тригонометрическое
интерполирование 424
Тройной интеграл 309
-	- как аддитивная функция области
311
-	- классы интегрируемых функций
310
-	- несобственный 315
-	- приведение к повторному 312, 314
-	- свойства 310
-	- условие существования 310
Угол видимости кривой 63
-	- поверхности 338, 371
Узлы 553
Улучшение сходимости рядов Фурье
516
Умножение рядов Фурье 592
Упорядоченная переменная 636
-	- предел 636
-	- сведение к варианте 645
Упорядоченное множество 632, 633
Фату теорема 611
Фейер 497, 607
Фурье 417
-	интеграл 524
-	коэффициенты 419, 432, 586
-	- обобщенные 424, 560, 562
-	- порядок малости 509
-	- экстремальное свойство 584, 586
-	метод 550, 553, 555, 560, 561, 606
-	преобразование 534, 537
-	- для функции двух переменных 547
-	ряд 419, 427
-	- двойной 483
-	- комплексная форма 477
-	- обобщенный 424
-	формула, различные виды 525, 532
-	- для функции двух переменных 545
Центр тяжести кривой 18
-	- поверхности 277
-	- плоской фигуры 166
-	- тела 324
-	- цилиндрического бруса 167
Центробежная сила 332
Центробежный момент 169, 331
Циклическая постоянная 59, 70
Цилиндрические координаты 343,
354
Цилиндрический отрезок 172
Циркуляция вектора 372
Частичная сумма ряда Фурье,
ограниченность 610
	оценка 503
-	- сопряженного ряда, оценка 504
Чебышев 146
Четная функция 443, 534, 535, 546
Шатуновский 632
Шварц 248, 603, 614, 616, 629
Эйлер 417
Эйлера метод суммирования 470
-	- Фурье формулы 419
Эйлерова постоянная 463
Эквивалентная нулю функция 579
Экстремальное свойство отрезков
ряда Фурье 584, 586

Элемент площади в криволинейных
координатах 192, 195, 257
	полярных координатах 192, 195
	сферических координатах 267
-	объема в криволинейных
координатах 348, 350
	сферических координатах 350
	цилиндрических координатах 350
Эллипс 35
-	инерции 169
Эллипсоид 172, 173, 268, 269, 363,
396
Эллипсоид инерции 332
Эллиптические интегралы 270, 363
-	координаты 189, 228, 229, 345, 355
Энтропия 74
Юнг 463, 590
Ядро положительное 600, 612, 619
-	Дирихле 610
-	Пуассона 603
-	Фейера 608
Якоби 230, 394, 403
Якобиан как коэффициент
растяжения 193, 349

ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ
КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
§ 1. Криволинейные интегралы первого типа
543. Определение криволинейного интеграла первого типа.
Для того чтобы естественным путем прийти к этому новому понятию,
рассмотрим одну механическую задачу, которая к нему приводит.
Пусть на плоскости дана непрерывная простая * спрямляемая кри-
кривая (К) (рис. 1), вдоль которой расположены массы, причем из-
известна их линейная плотность р(М) во всех точках М кривой. Тре-
Требуется определить массу тп всей
кривой (К).
С этой целью между концами
А и В кривой вставим произвольно
ряд точек Аь Аъ ... , /!„_, (Ао
и Ап для симметрии обозначений
отождествляются с А и В). Мы
считаем, что точки эти перенумеро-
перенумерованы в направлении от А к В
[см. 246], хотя ничто не мешало бы
нам нумеровать их и в обратном
направлении.
Взяв какую-нибудь точку Mt на дуге А; Д;+1 кривой, вычислим
плотность р(М{) в этой точке. Приближённо считая, что
такова же плотность во всех точках этого участка,
и обозначая длину дуги А{ Л,-+1 через аг, для массы mt этой дуги
будем иметь приближенное выражение
Рис.
а для всей искомой массы — выражение
m=
Ограничимся для определенности случаем незамкнутой кривой.

12	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	|543
Погрешность этого последнего, связанная с сделанным выше
приближенным допущением, будет стремиться к нулю, если длины
о,- всех участков стремятся к нулю. Таким образом, обозначая через
X наибольшую из длин ait для получения точной формулы остается
¦ лишь перейти к пределу:
л-1
Станем же изучать вообще пределы этого рода и, отвлекаясь от
рассмотренной задачи, возьмем произвольную «функцию точки»
f(M)—f(x,y), заданную вдоль непрерывной простой спрямляемой
кривой (К)*, и повторим указанный процесс: разбив кривую (К) на
элементарные дуги А( Л^+1 и выбрав на них произвольно по точке
Mi (?,-, i\i), вычислим значения f(Mi) =/(?,•, ¦»],•) в них и составим
сумму
2
она представляет собой также своего рода «интегральную сумму».
Аналогичный процесс может быть применен и в случае замкну-
замкнутой кривой, если за точку Ло (Л„) выбрать любую ее точку, а
остальные точки At расположить в соответствии с тем или другим
направлением на кривой [246].
Если при стремлении X = max а к нулю интегральная сумма
имеет определенный конечный предел 1, не зависящий ни от спо-
способа дробления кривой (К), ни от выбора точек Mt на участках
AiAi+u то он называется криво линейным интегралом
{первого типа**) от функции f(M)=f(x,y), взятым по
кривой или по пута (К), и обозначается символом
I=\f(M)ds=\f(x,y)ds	A)
(К)	(К)
(где s есть длина дуги кривой и ds напоминает об элементарных
длинах о;). Точную характеристику предельного процесса можно пре-
предоставить читателю.
Таким образом, полученное выше выражение для массы матери-
материальной кривой может быть переписано так: ¦
= \ p(M)ds.	B)
* При этом предполагается, что в основу положена некоторая прямоуголь-
прямоугольная система координат.
** В отличие от криволинейных интегралов второго типа, рассматри-
рассматриваемых ниже [546].

§ 1. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	13
Отметим особо, что в приведенном определении не играет
никакой роли напр а в ле ние, которое может быть придано
пути (К). Если, например, эта кривая не замкнута и под (АВ) и
(ВА) разуметь разно направленные кривые, то
\ f(M)ds = \ f(M)ds.
(АВ)	(ВА)
Аналогично рассмотренному, мы могли бы ввести понятие интег-
интеграла, распространенного на пространственную кривую (К)'.
$ f(M)ds=\ f(x,y,z)ds*.
\К)	(К)
Ввиду отсутствия новых принципиальных моментов нет надоб-
надобности вдаваться здесь в подробности.
544. Сведение к обыЬнбвеяному определённому интегралу.
Предположим, что на кривой (К) произвольно установлено направ-
направление (одно из двух возможных), так что положение хочки М на
кривой может быть определено дайной дуги s = AM, отсчитываемой
от начальной точки А. Тогда кривая (К) параметрически выразится
уравнениями вида:
x = x(s), y=y(s)
а функция f(x,y), заданная в точках кривой, сведется к сложной
функции f(x(s), y(s)) от переменной 5.
Если через s; A = 0,1, ... , п) обозначить значения дуги, отвечаю-
отвечающие выбранным на кривой точкам деления Л,-, то, очевидно,
о; = 5г+1 — $г- = Д.уг. Обозначив через st значения s, определяющие
точки Mt (причем, очевидно, st =^ st ^ si+1), видим, что интегральная
сумма для криволинейного интеграла
л-1	п-1	_	_
2 /(Ж,-) о, = 2 fix (sd, У (st)) As,
j = 0	i = 0
является в то же время1 интегральной суммой для обыкновенного
определенного интеграла, так что сразу имеем:
s
$ /(Ж) ds = да ^ f{x (s), у is)) ds **	C)
(К)	О
причем существование одного из интегралов влечет за собой суще-
существование другого.
* В основу кладется некоторая прямоугольная система координат. Функ-
Функция / определена лишь в точках кривой (К).
** Значок (R) указывает, что интеграл понимается здесь в согласии с обык-
обыкновенным, римановым определением.

14	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	{544
Эта непосредственность сведения криволинейного интег-
интеграла первого типа к обыкновенному интегралу, разумеется, понижает
его теоретическое значение, но методическое значение он все же
сохраняет.
Интеграл, очевидно, существует, например, в случае непрерыв-
непрерывности функции f(M) *, что мы будем впредь предполагать.
Пусть теперь простая кривая (К) задана произвольными парамет-
"рическими уравнениями
T),
где функции ср и ф непрерывны со своими производными ер' и ф'.
Тогда кривая заведомо спрямляема, и если возрастание дуги
* = AM= s (^) отвечает возрастанию параметра t, то
[248 (Ю)]. Заменяя переменную в интеграле C) справа, сразу по-
получим:
т
$ f(M)ds=$/(«p(t), ф(о)VWW+WWdt. D)
Таким образом, для вычисления криволинейного интеграла перво-
первого типа надлежит заменить в подинт^гральной функции пере-
переменные х и у выражениями координат через параметр, а мно-
множитель ds — дифференциалом дуги, как функции параметра.
Подчеркнем, что нижний преде'л определенного интег-
интеграла D) должен быть меньше верхнего.
В случае кривой, заданной явным уравнением
у=у(х)
формула D) принимает вид:
^ /(Af)^ = 5 f{x, у (х))Kl+ [/(*)]' dx.	E)
(К)	а
Этому соотношению можйо придать и другую форму. В предположении
непрерывности функции у (х) вместе с ее производной у' (х), кривая (К) в
каждой точке будет иметь определенную касательную, не параллельную оси у.
Обозначив через о угол касательной с осью х, получим:
tg о = у (х), I cos о I = —
П + 1У ()li#
* Мы имеем в виду непрерывность в точках кривой (К) вдоль нее.
На языке «s-8» это означает, что по е > 0 найдется такое 8 > 0, что
|/(М')—/(М)|<е при ММ'<8 (М и АР — точки кривой). При этом пред-
предположении и сложная 'функция /(x(s), y(s)), поскольку x(s) и y(s) непре-
непрерывны, есть также непрерывная функция от s.

545J	'	§1. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	15
Поэтому
(К)	a
В частности, так как, очевидно,
J ds = S,
где через S обозначена длина всей кривой (Аб), то
s-\uo^t-	G)
о
Замечание. Формула G) получена нами в результате формальных пре-
преобразований. Если бы мы определили длину дуги кривой, как предел периметра
описанной (а не вписанной) ломаной, то это определение — в случае
явного задания кривой — непосредственно привело бы к формуле G). Пред-
Предлагаем читателю самому убедиться в этом.
545. Примеры. 1) Вычислить интеграл [=[xyds, если (К) есть чет-
ь эллипса -f + T5-=l,
Решение, (а) Имеем
верть эллипса -f + T5-=l, лежащая в первом квадранте.
Ъх
у' =	,
у	а?-х*
так что по формуле E)
a
I
0*
С* Ь ,/•-»	,1 т fak— (as —
= \х-у о. —х* — I/ 	——
J a '	ay	as —
_ JL \ Ya* — (a2 — b») x3 ¦ x dx.
Выполняя интегрирование, найдем:
i	"	. _ f „i	(„a	/,2\ j-21 2
'~2а>(а* — ft2) 3 l (	> J
а _ аЬ а3 + аЬ + b*
о~3 а+Ь '
Следует заметить, что проведенная выкладка на деле требует еще неко-
некоторых оговорок, поскольку при х = а угловой коэффициент касательной обра-
обращается в бесконечность. Or этого недостатка свободно следующее
решение.
(б) Если перейти к параметрическому представлению эллипса: х = а cos t,
y — 6sin t, так что
x't = — a sin*, y't = bcost, yx'ta-\-y't* = }f tfsin* t-\-bscosat,

16	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	1545
то вычисление можно произвести по формуле D):

I=\a cos t-bsmt-У a2 sin2 t + b2 cos* * dt =
о
= ^\ sin 2г.
Положим здесь cos 2t = z, тогда sin 2t dt = — ^- dz и
'=?!*? т/~^1
__ ab a3 -f aS + <
2 Га*-И8 6г — а8 ^-
2) Вычислить интеграл/=J .yrfs, где (Доесть участок параболы у2 — 2рх
от начала координат до точки (х0, у0).
Решение. Из уравнения кривой имеем уу'=р, так что
¦ у fifs =.y '
и
/= \ Ур% + 2pF rfx = w- |
оЗ	з^
3) Вычислить интеграл ? = ^ (л:2 -\-ya) ds, где (Л) есть прямолинейный
отрезок, соединяющий точки (а, а) и F, J) (р > а).
2 1^2
Указание. Уравнение прямой: у — х. Ответ: —^— (б3 — а8).
о
4) Вычислить интеграл К= \ уе~х ds, где (С) есть участок кривой
(С)
х = In (I +12), у = 2 arctg t —
между точками t = 0 и t=l.
Указание: Уx't2-\-y't3 = 1,
5) Для большинства постоянно встречающихся кривых (эллипс, гипербола,
синусоида, лемниската и пр.) длина дуги не может быть выражена в элемен-
элементарных функциях, так как ds не интегрируется в конечном виде. Тем не ме-

545J	S I. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	17
нее, интеграл t f(x,y)ds и для таких кривых часто может быть вычислен
(К)
в элементарных функциях [см., например, упр. 1)], так KaR присоединение мно-
множителя / (х, у) меняет всю структуру подинтегрального дифференциала. Пред-
Предлагаем читателю построить примеры интегралов f f(x,y) ds, распространенных
<*)
на синусоиду у = sin x или гиперболу ху — 1 и выражающихся через элемен-
элементарные функции.
6) Вычислить интеграл /== \ xyz ds, где (С) есть дуга кривой
«5
x = t, ^ = о" V*№, z~2tS междУ точками t — О и t = \.
Решение: ds = V х? + У* + г? «И = A +1) dt,
 )
7)	Дать формулу для вычисления интеграла / = ^ / (х, у) ds в случае,
(Ю
когда кривая (AJ задана уравнением г = гF) ^^вг^ба) в полярных коор-
координатах.
Ответ. 1= \ f{r cos 6, г sin 6)/г2 + г'2 dd.
С ds
8)	Вычислить интеграл Н= I	з~", если (К) есть отрезок гипер-
болической спирали гв = 1 от в = ]/^3 до в = 2 |/ .
_	19
Ответ. -%-,
о
9) Найти массу участка кривой у — In x между точками с абсциссами лг,
и лг8, если (линейная) плотность кривой в каждой точке равна квадрату абс-
абсциссы точки.
Решение. По формуле B), гак как в нашем случае р = лг2, имеем:
т=\х2 ds. Но ds = '—^— ^,
так что
*2
10) Найти массу участка цепной линии у = a ch — между точками
дг = 0 и х = л, если плотность кривой в каждой ее точке обратно пропорцио-
пропорциональна ординате

18	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[545
Указание. р = —, ds = ch — dx = ^- dx, m = k.
И другие вопросы, связанные с массами, непрерывно распределенными
вдоль материальной кривой, естественным образом приводят к криволинейным
интегралам рассмотренного типа.
11) Мы уже имели дело в главе X [349] с вычислением статических момен-
моментов плоской кривой относительно осей координат, а также координат ее центра
тяжести, в предположении, что «линейная плотность> р=1. Читатель легко
распространит полученные там формулы на общий случай непрерывного рас-
распределения масс. Если использовать введенное понятие криволинейного интег-
интеграла, то результаты напишутся в следующем виде:
W	(Ю
px ds	§ py ds
•*? = -——-<:	"	,	Ус	 ~ 	~~r	~	•
"» \ p ds	m \ p ds
(К)	(Ю
12) Укажем еще одно применение криволинейного интеграла первого
типа — к вопросу о притяжении материальной точки материальною же
кривою.
Как известно, по закону Ньютона, материальная точка М массы m
притягивает материальную точку Мо массы т0 с силой, направленной от Мо
к М и численно равной k	5^ где
	ом,	г
г — расстояние М0М, a k — коэффи-
коэффициент, зависящий от выбора основных
единиц измерения; впрочем, для про-
простоты мы будем обычно считать его
равным единице.
Если точка Мо притягивается си-
системой точек МиМ2, ... , Мп, с мас-
массами ти т2, ... , тп, то результирую-
результирующая сила, или равнодействующая, по-
получается геометрическим сло-
¦*- жением сил притяжения отдельными
х точками. В то же время проекции ре-
рИС- 2.	зультирующей силы на координат-
координатные оси равны алгебраическим
суммам проекций отдельных сил.
Если обозначить проекции равнодействующей на оси через X и Г, а угол,
составленный вектором r"i = M0Mi с осью х, через 9,- (рис. 2), то, очевидно,
О
sinl
(где rit как обычно, означает длину вектора г{).
Пусть теперь притягивающая масса распределена непрерывным образом
по кривой (К). Для нахождения притяжения разобьем кривую на участки и,
сосредоточив массу каждого участка в произвольно выбранной на нем

545]	S 1- КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	19
точке Mi, найдем приближенные значения проекций равнодействующей иа оси:
ибо в этом случае масса отдельного участка приближенно равна р(М,-)ог.
Если устремить все о» к нулю, го в пределе получатся точные равенства,
причем суммы заменятся интегралами:
f p(M)cos8	С
А = т0 \ 	-j	dst У = т0 \
Сю	(ю
р (М) sin 8
ds;
(8)
здесь г означает длину вектора г = М„М, а 6 — угол, составленный им с осью х.
13) Найти притяжение, оказываемое однородной полуокружностью (при
р = 1) на единицу массы, помещен-
помещенную в центре.
Решение. Поместим начало
координат в центр полуокружности и
ось абсцисс проведем через ее концы
(рис. 3).
По соображениям симметрии
ЛГ = О, так что дело приводится к на-
нахождению лишь проекции Y. По фор-
мУле (8)	. . .	~	о	л
iSl	Рис. 3.
Но в нашем случае г = R (радиус полуокружности) и ds = R rf9. Поэтому
14) Найти притяжение, оказываемое бесконечной однородной прямой (р= 1)
на точку единичной массы (то=1), лежащую на расстоянии h от прямой.
Решение. Рассмотрим искомое притяжение, как предел притяжения,
оказываемого конечным отрезком названной прямой при условии, что концы
удаляются в разные стороны до бесконечности. Если саму прямую принять
за ось х, а ось у провести через заданную точку, то получим (учитывая, что
в данном случае ds = dx)
оо
dx
{x'
Аналогично, ^ = 0 (что; впрочем, ясно из соображений симметрии).
15) Найти притяжение, оказываемое дугой астроидых = a cos31,y=a sin8/,
лежащей в первом- квадранте, на единицу массы, помещенную в начале коор-
координат, если плотность кривой в каждой ее точке равна кубу расстояния этой
точки от начала координат.
Ответ. Х==У—~.

20	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	1546
§ 2. Криволинейные интегралы второго типа
546. Определение криволинейных интегралов второго типа.
Переходя к практически более важному понятию криволинейного ин-
интеграла второго типа, мы здесь начнем прямо с его определения,
отложив приложения этого понятия до дальнейших номеров [см., на-
например, п° 554]. Пусть дана непрерывная кривая (АВ) (которую мы
для простоты предположим незамкнутой) и пусть вдоль нее снова
задана некоторая функция f(x, у) *. Разложив кривую точками
А{ (х{, у{) на части, выберем на отрезке кривой И,-Л!+1. по произволу
точку Mjfa, т)г) и вычислим в ней, как и раньше, значение функции
/GW(-)=jf(?/( Tjj). Но это значение мы умножим на этот раз не на
длину дуги Л,Л,-+1, а на величину проекции этой дуги, скажем,
на ось х, т. е. на xi+l — xi = kxi; затем составим сумму
t = 0	t=0
Если при стремлении (j. = max AtAi+i к нулю эта сумма имеет
конечный предел I, не зависящий ни от способа дробления кривой,
ни от выбора точек Mir то этот предел называется криволи-
криволинейным интегралом (второго типа) от f(M)dx, взя-
взятым по кривой или по пути (АВ), и обозначается символом
1= \ f(M)dx = $ f(x,y)dx.	A)
(АВ)	(АВ)
Аналогично, умножая значение f(Mt) не на Дл:г, а на Ду,-, т. е.
на проекцию дуги AtAi+l на ось у, и составляя сумму
л-1	л-1
1=0	1=0
как предел ее получим кр и во линейный интеграл (второго
типа) от f(M)dy
^	= \ f(x,y)dy.	B)
(АВ)	(АВ)
Если вдоль кривой (АВ) определены две функции Р (М) = Р (х, у),
Q(M) = Q(x, у) и существуют интегралы
$ Р(М) dx= \ Р(х, у) dx, ^ Q(M) dy= \,Q(x,y)dy,
(АВ)	(АВ)	(АВ)	(АВ)
* См. примечание на стр. 12.

546J	§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	21
то и их сумму называют криволинейным интегралом («общего вида»)
и полагают
$ P(x,y)dx+Q(x,y)dy=\ P(x,y)dx-\- $ Q(x,y)dy.
(АВ)	(АВ)	(АВ)
Сопоставим теперь определение криволинейного интеграла вто-
второго типа A) [или B)] с определением криволинейного интеграла
первого типа [см. 543 A)]. При очевидном сходстве оба опре-
определения имеют существенное различие: в случае интеграла первого
типа при составлении интегральной суммы значение функции f(Mt)
умножается на длину o, = As/ участка AtAi+l кривой, а в слу-
случае интеграла второго типа это значение f(M{) умножается на
проекцию Дат,- (или Ду() упомянутого участка на ось х (или на
ось у).
Мы видели, что направление пути (АВ), вдоль которого произво-
производится интегрирование, не играет роли в случае интеграла первого
типа, ибо длина at дуги A{Ai+l от этого направления не зависит.
Иначе обстоит (дело с интегралом второго типа: проекция упомя-
упомянутой дуги на ту или другую из осей существенно зависит от на-
направления дуги и меняет знак с изменением этого направления
на обратное. Таким образом, для интегралов второго типа
будет
$ /.(•*, y)dx = — $ fix, У) dx
№)	(АВ)
и, аналогично,
\ f(x, y)dy = — $ fix, у) dy,
(ВА)	(АВ)
причем из существования интегралов справа уже вытекает существо-
существование интегралов слева, и обратно.
Подобным же образом можно ввести понятие криволинейного
интеграла второго типа, распространенного на пространствен-
пространственную кривую (АВ). Именно, если функция f(M)=f(x,y,z) задана
в точках этой кривой, то, как и выше, строим сумму
и рассматриваем ее предел при условии стремления к нулю [а =
= max A{Ai+l. Этот предел называется криволинейным ин-
интегралом (второго типа) от f(M)dx и обозначается сим-
символом
\f(M)dx= \f(x,y,z)dx.
(АВ)	UB)

22	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[547
Аналогично определяются интегралы вида
\f{M)dy= ] f(x,y,z)dy
(АВ)	(АВ)
\f(M)dz = \ f(x,y,z)dz.
(АВ)	(АВ)
Наконец, рассматривается и интеграл («общего вида»)
\Pdx+Qdy-\-Rdz = \Pdx-\- \Qdy-\-\ Pdz.
(АВ)	(АВ)	(АВ)	(АВ)
Здесь также изменение направления интегрирования меняет знак
интеграла.
Заметим в заключение, что простейшие свойства обыкновенного
определенного интеграла [302, 303] легко переносятся на рассматри-
рассматриваемый криволинейный интеграл; останавливаться на этом не будем.
547. Существование и вычисление криволинейного интеграла
второго типа. Пусть кривая (/(") = (ЛЯ) задана параметрическими
уравнениями
C)
причем функции <р и ф непрерывны, и при изменении параметра t от
а до р кривая описывается именно в направлении от А к В. Функ-
Функцию f(x, у) вдоль кривой (АВ) также будем предполагать непре-
непрерывной.
Если речь идет об интеграле A), то дополнительно обусловим
еще существование и непрерывность производной у'(t).
При этих предположениях криволинейный интеграл A) суще-
существует, и имеет место равенство
\ f(x, у) dx = (R) $ /ft @, ф @) ?' @ dt.	D)
(АВ)	а
Таким образом, для вычисления криволинейного интеграла A) над-
надлежит заменить в подинтегральной функции переменные х и у
их выражениями C) через параметр, а множитель dx — диффе-
дифференциалом переменной х, как функции от параметра. Поря-
Порядок расстановки пределов в последнем интеграле
отвечает на этот раз выбранному на кривой на-
направлению.
Переходим к доказательству. Пусть точки А{A = 0, 1, 2,,.,
,.. , п), взятые на кривой, определяются значениями tt параметра, а

547]	g 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	23
выбранная на дуге Л;Л,-+1 точка Mt — значением xt (очевидно, лежа-
лежащим между tt n f/+1). Тогда интегральная сумма
в-1
i=0
если учесть, что
V1
5
может быть переписана в виде
л— 1	U + 1
/
С другой стороны, и интеграл в D) справа * можно представить
в виде суммы:
р	п— 1 '«+1
' = $/(? @.4> @) ?' @* = 2 5 Дт W- Ф@) т' @Л-
Отсюда
п—1 'г-и
Задавшись произвольным е^>0, предположим теперь все &tt на-
настолько малыми, чтобы в промежутках [tt, ^[+1] колебания непре-
непрерывной функции /(<р(О»Ф(О) были <^е. Так как непрерывная
функция 9' @ ограничена | <pr (t) | ^ L, то будем иметь
Таким образом, при стремлении к 0 величины X = max | Д^ | **,
чем одновременно доказано как существование криволинейного интег-
интеграла, так и требуемое равенство.
* Самое существование интеграла очевидно ввиду непрерывности подин-
тегральной функции.
** А это (в случае незамкнутой кривой) равносильно стремлению к 0 наи-
наибольшей из хорд |245].

24	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[547
Переходя к интегралу B), прдобным же образом можно устано-
установить его существование и доказать формулу
$ /(*, У) dy = (R) $/(<р @, ф @) f @dt	E)
(ЛВ)	а
при условии существования непрерывной производной ф'(t).
Наконец, если речь идет об интеграле общего вида
\ Р (х, y)dx-\-Q (x, у) dy,
(АВ)
где Р и Q суть непрерывные функции, то на кривую (АВ) наложим
требование, чтобы обе функции C) имели непрерывные произ-
производные. В этом предположении будет справедлива формула
\ Pdx-\-Qdy —
(АВ)
= №(<? @. ф @) ?' @ + Q (? @. <!> @) f @1 *. F)
л
Определение криввлинейного интеграла и указанный здесь способ
сведения его к обыкновенному определенному интегралу непосред-
непосредственно распространяются и на случай кривой C), которая сама
себя пересекает, если только направление на ней по-прежнему
определяется монотонным изменением параметра t от а до C.
В заключение укажем некоторые случаи, когда вычисление криво-
криволинейного интеграла представляется особенно простым. Пусть интег-
интеграл A) берется по кривой, заданной явным уравнением:
у=у(х),
причем перемещение точки из А и В происходит при изменении х
от а до Ь. Тогда без каких-либо предположений о кривой, кроме ее
непрерывности, имеем
ь
\ fix, у) dx = (R) \ f(x, у (х)) dx.	. G)
(АВ)	а
Аналогично, если интеграл B) распространяется на непрерывную кри-
кривую, заданную явным же уравнением, но другого типа:
х = х(у)
(где у изменяется от с до d), то
d
\ fix, у) dy = (R) \ f(x (у),у) dy.	(8)
(АВ)	с

548]	§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	25
Наконец, если интеграл A) распространяется на прямолиней-
прямолинейный отрезок (АВ), параллельный оси у, то он равен О
(ибо в этом случае равны 0 все Дд;,, а с ними и все суммы- а). Ана-
Аналогично равен 0 и интеграл B), взятый по прямолинейному
отрезку, параллельному оси х.
Если путь интегрирования (К) распадается на конечное число
примыкающих одна к другой кривых и вдоль каждой из них в от-
отдельности кривелинейный интеграл
существует и вычисляется по одной
из указанных формул, то, как легко
показать, существует интеграл вдоль
всей кривой (К) и равен сумме ин-
интегралов по ее частям.
648. Случай замкнутого кон-
контура. Ориентация плоскости. 06-
ратимея к рассмотрению замкнутого	""" т
контура (К), т. е. к случаю, когда	-РЯС. 4.
начало Л и конец В пути интегри-
интегрирования совпадают. Взяв на кривой отличную от А точку С, пола-
полагают по определению, с учетом выбранного на кривой направления
(на рис. 4 оно указано стрелкой):
Н 5 + $
(К) (АМС) (CNA)
в предположении, что интегралы справа существуют.
Легко показать, что существование и величина интеграла не зави-
зависят от выбора точек 'А и С. Кроме того, и для замкнутого кон-
контура (К) оказываются применимыми формулы D), E) и F), выведен-
выведенные в предыдущем номере.
Замечание. Впрочем, можно и здесь криволинейный интеграл полу-
получить в результате предельного перехода (как.и в случае незамкнутой
кривой), но ограничив предельный переход, например, требованием,
чтобы две наперед фиксированные точки Л, Л' неизменно входили в со-
состав точек деления. Ничем не ограниченный предельный переход при
max 'Л,-Л,-+1 —- О здесь к цели не привел бы [ср. 330].
Особенность рассматриваемого случая заключается в том, что ука-
указание начальной и (совпадающей с ней) конечной точки на этот раз
не определяет направления, в котором описывается кривая (К).
Можно было бы в каждом случае указывать особо, какое именно на-
направление имеется в виду. Так и приходится делать, если речь идет
о пространственной кривой. В случае же плоского замкнутого кон-
контура (К) обыкновенно поступают иначе.
Из двух возможных для данной плоскости направлений вра-
вращения — «против часовой стрелки» и «по часовой стрелке» — одно вы-
выбирается за положительное: этим создается определенная ориентация

26
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
1548
плоскости. Если положительным считается вращение против часо-
часовой стрелки, то ориентация плоскости называется правой, в дру-
другом же случае — левой.
В случае правой ориентации плоскости мы именно вращение про-
против часовой стрелки положим в основу определения поло-
положительного направления на простом замкнутом контуре
Против
часовой стрелки
По часовой стрелке
Рис. 5.
г
aJ
У
Рис. 6.
(рис. 5, а). Правда, это определение имеет достаточно ясный харак-
характер лишь для контуров, близких к окружности. Поэтому мы усло-
условимся более точно так: положительным направлением
обхода (простого) замкнутого контура на-
х	зывается то, при котором ближайшая к
наблюдателю часть области, ограниченной
контуром, оказывается лежащей слева от
наблюдателя (рис. 5, а). В случае левой
*у ориентации плоскости положитель-
)	*% ным будет обход контура по часовой
/90° J	^У	стрелке, так что область остается
справа от наблюдателя (рис. 5, б).
Заметим, что самое расположение ко-
б) ординатных осей на плоскости всегда ста-
ставится в связь с ее ориентацией: ось у по-
лучается из оси х поворотом ее на 90° про-
против часовой стрелки при правой
ориентации плоскости и по часовой стрелке — при левой
(см. рис. 6, а, б). В первом случае сама координатная система назы-
называется правой, а во втором — левой.
После этих пояснений заключим раз навсегда такое соглашение:'
если путь интегрирования (К) есть простая замкнутая кривая,
то под символом
\ Pdx-\-Qdy
(К)
при отсутствии указаний на направление обхода контура разумеется
интеграл, взятый в положительном направлении. Конечно,

$49]
§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА
это соглашение не мешает нам рассматривать в случае надобности
и интеграл, взятый в отрицательном направлении, но обозначать его
мы будем через
— \ Pdx+Qdy.
iK)
549. Примеры. 1) Найти интеграл / = \ (дга—д»2) dx, если (И) есть от-
•(«
резок параболы у = х2 от точки с абсциссой х = 0 до точки с абсциссой х = 2.
Решение. Так как кривая интегрирования задана явным уравнением, то
применим формулу G); мы получим
Л (x*-y*)i
А)
2) Найти интеграл 7= \ (х2—ys) dy, где (К) означает ту же кривую,
что и выше.
Решение. Здесь следует воспользоваться формулой (8). Заметив, что
из уравнения кривой лг2=.у и что пределы
"изменения у суть 0 и 4, будем иметь
•ч .	40
3) Вычислить значение криволинейного ин-
интеграла
Н= \ 2ху dx -f Xsdy,
/ х
Рис. 7.
взятого по пути (/.), соединяющему точки О
(О, 0) и Л A, 1), если путь (I) есть: (а) прямая
у = х, (б) парабола у — х3, (в) парабола х = у2, (г) кубическая пара-
парабола у = Xs (рис. 7).
Решение, (а) Так как dy*=dx, то \ 2ху dx+x2dy= \3xadx=\;
A)	о
F) dy — 2xdx, ' H —

28	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[549
4)	Вычислить криволинейный интеграл
G= \ xydx + {y — x)dy
d)
при тех же путях интегрирования.
Ответ, (а) —, (б) ^, (в) ^, (г) — ^.
5)	Найти криволинейный интеграл
/= \ (x-y°)dx + 2xydy,
№)
если в качестве пути интегрирования берется одна из следующих линий, со-
соединяющих точки О@, 0) и А(\, 1) (см. рис. 7): (а) прямолинейный отрезок
ОА(у — х); (б) ломаная ОРА, состоящая из отрезка ОР оси х (у = 0) и
отрезка РА прямой х==\;'(ъ) ломаная OQA, состоящая из отрезка OQ оси
_у(х = 0) и отрезка QA прямой у.= 1.
Решение, (а) Так как у = х ¦ и rfy = rfx, то
(б) В этом случае естественно разбить путь интегрирования на два
отрезка:
(ОРА) (ОР) (РА)
Вдоль ОР имеем: _у = 0 и dy = 0, так что
1
i= \ xdx= -2
Вдоль РА будет: х=1 и dx = 0, поэтому
1
3
Таким образом, окончательно / = -^-,
(в) Аналогично предыдущему найдем (так как интеграл вдоль отрезка 00
равен нулю):
/= [ =[ (X-\)dx=-±-.
(QA) б'
6) То же для интеграла
= \
(О
Ответ. Во всех случаях J = 2.
J=
(ОА)

549]	§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	29
Замечание. Читатель, вероятно, уже обратил внимание на различие
между результатами упражнений 3)и6), с одной стороны, и 4) и 5) — с другой.
Величины интегралов, рассмотренных в 3) и 6), оказались не зависящими от
л и ни и, соединяющей начальную и конечную точки. Напротив, в примерах 4),
5) мы столкнулись с интегралами, значения которых зависят от того, какой
линией соединены начальная и конечная точки. Ниже [§ 3] мы займемся
этим вопросом специально и выясним его важность.
7) Вычислить интеграл
где (С) означает верхнюю половину эллипса —^ -j-^j-= 1, пробегаемую
против часовой стрелки.
Решение. Воспользуемся параметрическим представлением эллипса:
x = acost, y = b sint; t изменяется здесь от 0 до п. Подставляя вместо х и
у их выражения через t и заменяя dy через Ь cos t dt, получим [по фор-
формуле E)]
я
/ = V (a3 coss t -f 2ab cos t sin t)bcostdt =
' 0
1С
= a*b i Cos31 dt + 2afta \ cos21 sin t dt = -^ ab>.
8) Вычислить интеграл
/(¦= \ у* dx — х2 dy,
где (L) есть окружность раДиуса 1 с центром (а) в начале координат или (б)
в точке A, 1).
Решение, (а) Исходя из параметрических уравнений x = cost, y = sint,
где t меняется от 0 до 2я, по формуле E) будем иметь
cos31) dt = 0.
Аналогично с помощью параметрического представления
х — 1 = cos t, у — 1 = sin ^
получим *
2я
АТ=— \ B + sin t + cos t + sin31 + cos31) dt=—A%.
9) Найти значение'интеграла
х dy—у dx
Ax2. + 2Bxy + Cy*
где (К) есть окружность xs -\-y2 = r2.
(А, С и АС — В2>0),
Указание. Ср. 339, 14). Ответ.	2л
Vac—в* '

30	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[550
10) Вычислить интеграл
,_ f xdx . dy
(А)
если (А) есть отрезок циклоиды
x — a(t— stilt), у —a (I—cos<)
от точки t==~ до точки t = ~.
6	3
Решение.
те
"
L = V а (? — sin 0	 \dt = al
cost
~6
11) Вычислить интеграл
/ =
ТГ~»
если (А^) есть часть астроиды
х = а cos31, y = a sin3 ?
от точки А (а, 0) до точки В @, а).
Решение.
я
4~	4
= За \ sin2 < cos21 dt = -r^- тса .
16
550. Приближение с помощью интеграла, взятого по лома-
ломаной. Во многих случаях, имея дело с криволинейным интегралом,
представляется удобным приблизиться к нему с помощью интеграла,
взятого по ломаной. Такое приближение основывается на следующем
предложении, которое нам не раз будет полезно.
Кривая (I), которая в нем упоминается, предполагается простой
и незамкнутой. Она задается уравнениями вида C), где функции
9 и <|) непрерывны вместе со своими производными; этим обеспечи-
обеспечивается существование криволинейного интеграла в написанном ниже
равенстве [547], а также спрямляемость самой кривой (L) [248].
Лемма. Пусть функции Р(х,у) и Q(x,y) непрерывны в открытой
области (Е), a (L) — содержащаяся в ней кривая указанного класса.
Если вписать в (L) ломаную (Л), то при стремлении к нулю
наибольшей из ее сторон будем иметь
lim [ Pdx-\-Qdy= ^ Pdx-\-Qdy.
(Л)	A)

5S0J	8 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	3f
Достаточно остановиться на интегралах V Pdx и \ Pdx; для
(A)	(Z)
интегралов I Qrfy и \ Qdy рассуждения вполне аналогичны. Пусть
I Qrfy и \
(А)	(I)
(А)	(I)	• '
вписанная в (/.) ломаная (Л) имеет вершины в точках
А = Ао, At,..., At, Ai+l,..., Ап=В;
обозначим через х{, Pt значения х, Р в точке At. Задавшись произ-
произвольным числом е^>0, можно звенья ЛгЛ1+1 представить себе на-
настолько малыми, чтобы 1) колебание непрерывной функции Р вдоль
звена AtAi+l было <^е и 2) интегральная сумма ^P^Xi отличалась
i
от своего предела i Pdx тоже меньше, чем на е.
ш
Имеем, очевидно,
и, с другой стороны,
так что
i (Aj,
(A)	,	| (Д.Л.+1)
Но первое слагаемое справа разнится от интеграла \ Pdx меньше,
щ
чем на в [см. 2)], а второе по абсолютной величине не превосходит
е 2 Л,Л,-+1 [см. 1)], т. е. и подавно <^ L • е, где L — длина
i
кривой (I).
Итак, окончательно,
\ Pdx— \ Pdx
(А)	(I)
что и доказывает наше утверждение.
Замечание. 'Доказанное утверждение в некотором смысле
может быть распространено и на случай замкнутой простой
кривой (L), если разложить ее на две незамкнутые кривые и к
каждой из последних в отдельности применить лемму. Предельный
переход здесь ограничен требованием, чтобы в числе точек деления
были две наперед фиксированные точки [ср. замечание в п° 548].

32
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[551
551. Вычисление площадей с помощью криволинейных инте-
интегралов. Покажем теперь,\как с помощью криволинейных интегралов
(второго типа) можно вычислять площади плоских фигур.
Рассмотрим сначала (рис. 8) фигуру (D) = PQRS, ограниченную
отрезками PS и QR прямых, параллельных оси у (они в частных
случаях могут стягиваться и в точ-
точку), и двумя кривыми PQ и SR,
которые любой параллелью.к оси_у
пересекаются каждая только в од-
одной точке. Пусть явные уравнения
О
\
Ш
I
кривых (PQ) и (SR) будут
(PQ):y=yo(x),
(SR):y=Y(x),
Рис. 8.
^ ^ причем х изменяется в проме-
промежутке [а, Ь]. •
Рассматривая площадь D «кри-
«криволинейной трапеции» PQRS как
разность площадей двух «криволинейных трапеций» abRS и abQP,
можем написать
ь	ь
D=[ Y(x)dx —
С другой стороны, по формуле G)
ь
Поэтому
V у dx = \ уа (х) dx, \ у dx = \ Y (x) dx.
(.PQ)	a	(SR)	a
D= \ ydx-\-
(SR)	(QP)
мы изменили знак перед вторым интегралом, но зато изменили и
направление интегрирования. Если прибавить к правой части равенства
интегралы
\ у dx и \ у dx,
(PS)	(RQ)
равные нулю (так как они взяты по отрезкам, параллельным оси у),
то равенство не нарушится. В результате получим
D = \ у dx,
(PSRQP)
причем контур пробегается в порядке букв, указанных под символом
интеграла.

551)	8 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	33
Если обозначить контур области (D) через (I), то символ \ у dx
по заключенному в п° 548 условию будет означать интеграл, взятый
в положительном направлении. При правой ориентации
осей, которая принята на рис. 8, это будет направление обхода,
оставляющее область слева, в то время как направление PSRQP
оставляет эту область справа. Поэтому
\ ydx —— \ ydx
(PSkQP)	(I)
и, следовательно,
D
= ~\ydx.
(L)
(9)
Предположим теперь, что хотя фигура (D) ограничена контуром
более сложного вида (который может даже состоять из нескольких
отдельных кривых), но эту фи-
фигуру прямыми, параллельными
оси у, можно разложить на ко-
конечное число частей рассмот-
рассмотренного типа (рис. 9). Каждая из
этих частей будет иметь пло-
площадь, выражающуюся по фор-
формуле (9). Сложив все эти ра-
равенства, мы получим слева пло-
площадь всей фигуры (D),.a справа
сумму интегралов, распростра-
распространенных на все частичные кон-
0
Рис. 9.
туры. Эти интегралы, однако,
приводятся к одному, взятому по общему контуру (L), ибо интегралы
по каждому из вспомогательных отрезков равны нулю. Таким образом,
и в этом случае площадь D выражается по формуле (9).
Для фигуры PQRS (рис. 10), ограниченной прямолинейными
отрезками PQ и SR, параллельными оси х, и двумя кривыми
(PS): х=ха(у)
(QR): х = Х(у) (
с помощью сходных рассуждений получается формула
D=[xdy.
A0)
Впрочем, она может быть выведена и непосредственно из формулы (9),
если обменять ролями оси х и у. Знак при этом придется изменить
именно потому, что, несмотря на изменение ролей координатных осей,
положительное направление обхода все же осталось прежним.

34
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[551
Легко понять, что формула A0) будет справедлива и для более
сложной фигуры, которая прямыми, параллельными оси х, разлагается
на конечное число «криволинейных трапеций» второго типа.
Полученный результат на деле имеет уже вполне достаточную
общность. Однако проверка в конкретных случаях возможности раз-
разложить предложенную фигуру на части упомянутых специальных типов
представляется обременительной. Поэтому мы укажем и другое —
тоже весьма общее, но легко проверяемое условие, при котором ока-
зываются приложимыми одновре-
менно обе формулы (9) и A0).
Именно, предположим, что об-
область (D) ограничена произволь-
произвольной кусочно-гладкой кривой
(L) *. Так как эта область квад-
рируема [337], то можно по-
строить входящую и выходящую
многоугольные области (Л) и (В)
так, чтобы было
О
\q
Рис. 10.
9™
В — Л<е,
где е — наперед заданное положительное число [335]. При этом
можно предположить также, что контуры всех этих областей попарно
не имеют общих точек. Обозначим через 8 наименьшее расстояние
между точками различных контуров [см. 336, сноска]. Если вписать в (Z.)
ломаную (Л) так, чтобы ее звенья все были <^8, то эта ломаная
уже не может иметь общих точек с контурами многоугольников
(А) и (В), так что ограниченный ею многоугольник (Д) содержит в себе
(А) и сам содержится внутри (В). Отсюда
так что Д—>D при стремлении к нулю наибольшего из звеньев впи-
вписанной ломаной.
Теперь нетрудно убедиться, что к вычислению площади Д много-
многоугольника приложимы как формула (9), так и формула A0), т. е.
у dx =:Л х dy
)	W
(ибо прямыми, параллельными оси у или оси х, легко разложить
этот многоугольник на трапеции того или другого типа). Если, опи-
опираясь на лемму предыдущего п° (см. замечания), перейти здесь к
пределу, то и получим окончательно: площадь фигуры (D), ограни-,
ченной кусочно-гладкой кривой, выражается любой из названных
формул.
* Напомним, что к у с о ч н о-г л ад ко й называется кривая, состоящая из
нескольких гладких дуг [см. 337; ср. 261].

552]
§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА
35
Чаще всего, впрочем, для вычисления площади применяется дру-
тая, более симметричная, формула:
D~~2 \ xdy—ydx,
(П)
<?>¦
которая легко получается из формул (9) и A0) [ср. 339 A6)].
Замечание. Легко убедиться, что и наличие на кривой конеч-
конечного числа особых точек не мешает на деле справедливости выве-
выведенных формул. Если выделить эти точки с помощью их окрест-
окрестностей, то к остающейся части фигуры формулы приложимы. Затем
нужно лишь перейти к пределу, предполагая диаметры упомянутых
окрестностей стремящимися к нулю.
552. Примеры. Л) Найти площадь эллипса с полуосями а и Ь.
Решение. Воспользуемся параметрическими уравнениями эллипса:
x = acost, y = bsint @sg*sg2jc). По формуле (И)
D = ¦— \ a cos t- b cos t dt — b sin t ¦ (— a sin t) dt = -~- V dt = naft.
0	0
Для вычисления криволинейного интеграла мы применили формулу F); при
расстановке пределов интегрирования было принято во внимание, что положи-
положительный обход контура отвечает возрастанию
параметра.	и
2) Найти площадь астроиды
х = a cos* t, у = a sin81
В
Ответ.
= -^-аа\ sins t cos» t dt = -
3) Найти площадь фигуры, ограниченной од-
одной аркчр эпициклоиды
х = а [A + т) cos mt — т cos (I + т) t],
y=a[(l -\-m) sinmt — т sinA -\-m)t]
Рис. 11.
и соответствующей дугой круга (рис. 11).
Решение. Интеграл A1) нужно взять сначала по кривой (ABC), а затем
по кривой (CDA). В лервом случае мы можем воспользоваться написанными
выше уравнениями, изменяя t от 0 до 2я. Тогда
х dy—у dx = а*т A + т) A + 2т) A — cos t) dt,
так что
{ЛВС)

36
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[552
Что же касается дуги круга (CDA), то, сохраняя тот же параметр, ее можно
выразить уравнениями
х = a cos tnt,
у = a sin tnt,
изменяя t на этот раз от 2я до 0. Соответствующий интеграл будет
о
1 С 1	f
-~- V = -^- asm \dt = — жа2т.
(CDA)	2
(CDA)
Итак, искомая площадь равна
2п
4) Найти площадь петли декартова листа (рис. 12)
Решение. Для получения параметрических уравнений контура положим
у — tx*. Тогда [ср. 224, 5)]
3at
x=t+w> у'-
Из геометрических соображений ясно, что петля описывается при измене-
О
нии параметра t от 0 до оо (ибо t = — =
= tg в, где в изменяется от 0 до -^- ].
Имеем
2t	t*
dy=3a „,.,,, dt
Рис. 12.
Отметим, что здесь мы использовали
несобственный интеграл с бесконечным
пределом, в то время как при выводе формулы F) мы считали, что промежуток
изменения параметра конечен. Оправдать сделанное легко, если предвари-
предварительно ввести другой параметр с конечным промежутком изменения (например,
у
угол в), а затем уже перейти к параметру t = — .
X
5) То же для кривой:
(а) (х + уУ = ах3у, (б) (х + y)sn+i = ахпуп (я — натуральное).
Указание. Ввести tz=+-t меняя t от 0 до со. В случае (б)
х dy—у dx = a2
dt.
* Такая подстановка оказывается удобной, как правило, в тех случаях,
когда в уравнении алгебраической кривой имеются две однородные группы
членов, причем степени этих групп различаются на единицу.

552]
§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА
37
При интегрировании разложение на простые дроби можно получить, исходя
из тождества
й=0
2я
(— 1)* (!+*)*•
Ответ, (a) D = -^-; (б) & = -% ? ^~ ^ 4п~-
6) Найти площадь фигуры, ограниченной осями координат и кривой
! = х2+у.
7) В качестве примера применения
площадей плоских фигур любой формы
задаче.-
Пусть основанием некото-
некоторого тела служат две произволь-
произвольного вида фигуры, лежащие в
двух параллельных плоскостях,
а боковая поверхность его яв-
является линейчатой и образована
прямыми, соединяющими по
произвольному закону точки
контуров упомянутых фигур
(рис. 13). Доказать, что объем
V тела выражается формулой
«? + 4<?+ <?) 02)
общей формулы A0) для вычисления
* остановимся в заключение на такой
где h означает высоту тела,, а
Qo, Qi и Qs суть площади его
оснований и среднего сечения.
Мы знаем, что объем К по
площади Q=zQ(x) поперечных
сечений выражается формулой
ь
V=\Q (x) dx
а
[см. 342]» С другой стороны,
формула Симпсона:
Q (х) dx=^ (Qo +4Q,
Рис. 13.
если Q (х) есть многочлен степени не выше третьей, является точной [см.
327, сноска]. На деле, как мы увидим, Q (х) представляет собой многочлен
второй степени.
Пусть
ЛГ + Р	Z tX + b	A3)
* С соблюдением, конечно, высказанных условий, о которых для простоты
мы здесь уже не будем упоминать.

88	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[553
будут уравнения образующей той линейчатой поверхности, которая ограничи-
ограничивает наше тело. При этом можно предположить, что коэффициенты а, р, f, Ь яв-
являются функциями от некоторого параметра t, при изменении которого (скажем,
от t0 до Г) образующая и описывает поверхность. Если теперь пересечь по-
поверхность плоскостью, параллельной плоскости уг, на расстоянии х от нее, то
в сечении получится кривая, проекция которой (без искажения!) на плоскость
уг как раз и будет иметь уравнения A3) своими параметрическими уравне-
уравнениями. Предположим, что при изменении t от t0 до Т контуры всех сечений
описываются (соответствующими точками образующей) в положительном на-
направлении. Тогда площадь сечения, например, по формуле, аналогичной A0),
выразится так:
Q(x)= J ydzJ
т
<**>	'•
и2
т. е. действительно представится квадратным трехчленом от х.
Легко показать, что формула, аналогичная формуле A2), применима и к вы-
вычислению статического момента нашего тела относительно плоскости уг. Этот
момент выражается интегралом
ь
[356, 1I, и здесь подинтегральная функция будет полиномом третьей
степени.
553. Связь между криволинейными интегралами обоих типов.
Рассмотрим гладкую кривую (/(")= (АВ) и, выбрав в качестве
параметра дугу s = AM, представим ее уравнениями
xs=x(s), y=y(s), @<5<5).
Функции x(s), y(s) будут иметь непрерывные производные- x'(s),
у'(s). Если через а обозначить угол, составленный с осью х каса-
касательной, направленной в сторону возрастания дуг, то,
как известно [249 A5)],
cos а = х1 (s), sin а =/ (s).
Если вдоль кривой (К) задана непрерывная функция /(Ж) =
=/(х,у), то последовательно имеем
5
lf{M)dx = \f(x E), у (я)) х' (s) ds =
(Ю	о
S
= \ f (х E)> У (s)) cos a ds = ^ / {Щ cos а ds,
О	(К)
и криволинейный интеграл второго типа оказался сведенным к
криволинейному интегралу первого типа.

553]	§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	39
Аналогично получается
J f(M)dy= \ f(M) sin ads.
(Ю	CO
Если же заданы две непрерывные вдоль кривой (К) функции
Р(М) = Р(х, у) и Q(M)=Q(x,y), то
$ Pdx-{- Qdy=\ (P cos a -j- Q sin a) ds.	A4)
(К)	(К)
Подчеркнем, что во всех этих формулах угол а связан с тем
направлением касательной, которое отвечает направлению самой кри-
кривой (К)- Если изменить направление кривой, то не только интеграл
слева изменит знак: ввиду изменения направления касательной угол а
изменится на zt тс, в связи с чем изменит знак и интеграл справа.
Очевидно, выведенные формулы остаются справедливыми и для
кусочно-гладкой кривой без кратных и особых точек; в этом
легко убедиться, если написать их для каждого из гладких кусков
кривой и почленно сложить.
В виде упражнения предложим себе преобразовать формулу A1) для пло-
площади к криволинейному интегралу первого типа:
?> = -н- \ X dy—ydx—-K- \ (xsina— ycosa)ds.
(к)	(К)
Если перейти к полярным координатам г, в, то получим, далее,
?>=-к- \ г (sin a cos в —cos а sin 6) ds=-w- \ r sin (a — в) ds.
(К)	(К)
Заметив, что а — 8 есть угол (г, t) между радиусом-вектором точки и касатель-
касательной в ней, можно придать формуле такой окончательный вид:
1 (*
D=-k- \ r sin(r, t)ds.
до
Аналогичные соображения можно развить и для криволинейных
интегралов по пространственной кривой. В результате полу-
получится формула
\ Pdx + Qdy-{-Rdz= $ (Р cos а.-}- Q cos $ -\-R cos i) ds,
(К)	(К)
где cos a, cos p, cos -f- суть направляющие косинусы касательной, в
предположении, что ее направление отвечает направлению пути ин-
интегрирования.
Для случая плоской кривой иногда удобна формула, связываю-
связывающая криволинейные интегралы обоих типов и содержащая угол между

40	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	|554
осью х и нормалью к кривой, на которую распространены инте-
интегралы. Если приписать нормали такое направление, чтобы угол
'; л) между касательной и нормалью был равен-[--к-*, так что
то
cos a = sin (x, л),
sin а = — cos (x, л).
Тогда, например, формула A4) может быть написана в виде
^ Р dx -\- Q dy = ^ [Р sin (х, л) — Q cos (x, л)] ds. A5)
(К)	(К)
554. Физические задачи. Остановимся в заключение на нескольких
физических задачах, в которых криволинейные интегралы находят себе
применение.
1) Работа силового поля. Пусть в каждой точке М плоскости ху (или
определенной части плоскости) на помещенную в нее единицу массы действует
определенная сила F, величина и направление которой зависят только от
положения точки М; если масса т помещенной в точке М материальной точки
отлична от единицы, то действующая на
нее сила будет равна mF. При этих усло-
условиях плоскость (или рассматриваемая ее
часть) называется (плоским) силовым
полем, а сила F, действующая на единицу
массы, — напряжением поля. Задание
силы F по величине и направлению рав-
равносильно заданию ее проекций X, Y на
оси, очевидно, являющихся функциями от
координат х, у точки М:
Х=Х(х,у), Y=Y(x,y).
Если обозначить через <р угол, составлен-
Рис. 14.	ный вектором Ж с осью х, то (рис. 14)
X=Fcos<f, Y=Fsm<f.	A6)
Предположим теперь, что материальная точка М с единичной массой, на-
находящаяся в поле, движется и описывает некоторую непрерывную кривую (К)
в определенном направлении. Задача состоит в вычислении работы А, кото-
которую при этом движении совершают силы поля.
Если бы действующая на точку сила сохраняла постоянную величину F и
постоянное направление, а само перемещение точки происходило прямоли-
прямолинейно, то, как известно, работа А выразилась бы произведением перемеще-
перемещения / на проекцию силы на направление перемещения:
Л =7=7 cos 6,
где в—угол между силой F и направлением перемещения.
* Направление отсчета углов должно быть согласовано с ориентацией
плоскости!

554]
§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА
41
В случае непрямолинейного движения и непостоянной силы работа опре-
определяется с помощью некоторого предельного процесса. Можно, впрочем, при-
прибегнуть для краткости к привычному в приложениях «методу суммирования
бесконечно малых» [ср. 348]. Станем определять положение точки М на кривой
(К) (рис. 15) длиной s дуги AM. Рассмотрим бесконечно малый элемент
MV= ds кривой и будем приближенно считать, что сила F и угол 8 на пере-
перемещении ds сохраняют свою вели-
величину. Тогда соответствующий эле- У'
мент работы будет
dA = Fcos 6 ds.
Теперь остается лишь «просумми-
«просуммировать» эти элементы вдоль всей
кривой (К), в результате чего ра-
работа А выразится криволиней-
криволинейным интегралом первого
типа:
'=,1,
А= \ Fcosbds. A7) О
РИС. 15.
Введем угол а между напра-
направлением элемента ds(T..e.направле-
ds(T..e.направлением касательной к кривой в точке М) и осью х. Очевидно, 8 =<р — а, так что
cos в = cos <p cos a -\- sin tf sin а,
и элемент интеграла пишется так: (Fcostp • cosa -\- F&m<ij • sina) ds или, ввиду A6):
(ATcosa + ^sina)^.
Само выражение A7) для работы примет вид:
А =
¦ [ (X cos a -f- Y sin a) ds.
Если теперь учесть формулу A4), устанавливающую связь между криволиней-
криволинейными интегралами обоих типов, то, окончательно, работа силового поля выра-
выразится к ]&и волинейным интегралом второго типа:
'-Л,
А = \ Xdx + Ydy.
A8)
Это и есть наиболее употребительное выражение для работы, удобное для
исследования ряда важных, связанных с нею вопросов: зависит ли произведен-
произведенная работа от формы траектории, соединяющей данные две точки; будет ли
работа по замкнутой траектории всегда равна нулю (об этом см. ниже
nV 555—562).
2) Плоское установившееся течение несжимаемой жидкости. Такое
движение характеризуется тем, что, во-первых, все частицы, лежащие
на одной вертикали к некоторой плоскости, имеют одну
и ту же скорость, параллельную этой плоскости, так что для характе-
характеристики всего движения достаточно изучить движение в одной лишь пло-
плоскости *, и, во-вторых, скорость Тчастицы жидкости зависит
только от положения частицы, но не от времени. Таким об-
образом, с каждой геометрической точкой рассматриваемой плоскости (или ее
* Которую мы и выберем за плоскость ху.

42
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[554
части) связана определенная по величине и направлению скорость; иными
словами, задано некоторое «поле скорости:».	_^
Если обозначить угол, составленный вектором с с осью х, через <р, а про-
проекции этого вектора на координатные оси (слагающие скорости по осям) через
и и v, то (рис. 16, а)
и = сх = с cos 9, v = су = с sin «р.
Возьмем теперь в плоскости ху какую-нибудь кривую (К) и постараемся
определить количество Q жидкости, протекающей через нее в определен-
определенную от нее сторону в единицу времени. Предполагая жидкость несжи-
несжимаемой, можно количество жидкости намерять площадью закрытой ею фигуры.
П	у
О
х
х Q\
Рис. 16.
б)
Если фактически жидкость течет в сторону, противоположную выбранной, то
количество протекающей жидкости будем считать отрицательным.
Рассмотрим элемент ds = AB кривой (К). За время dt через этот элемент
протечет количество жидкости, равное
сп ds dt,	A9)
где сп есть проекция скорости с на нормаль п к.элементу ds, направлен-
направленную в выбранную сторону от кривой. Действительно, это коли-
количество равно площади параллелеграмма со сторонами ds и с ¦ dt, высотой кото-
которого как раз и является произведение cndt (рис. 16, б). Для подсчета коли-
количества жидкости, протекающей через элемент ds в единицу времени, суммируем
выражения A9) по элементам dt, что дает cnds. Суммируя же найденные вы-
выражения по всем элементам кривой (/Q, мы представим искомое количество Q
жидкости в виде криволинейного интеграла первого типа
B0)
Q = \ cnds.
(К)
Если угол между осью х и нормалью к кривой есть (х, л), то угол между
нормалью и скоростью с будет
(я, с) = (х, с) — (х, п) = <р —(лг, л);
поэтому
сп = с cos (л, с) = с [cos <p cos (л:, л) + sin <p sin (х, л)] = и cos (л:, п) -\- v sin {x, n),
и выражение B0) принимает вид
Q = \ [и cos {x, n)-\-v sin (*, я)] ds.	B1)

5541	§ 2. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	43
Теперь, согласно формуле A5) п* 553, этот интеграл можно представить
и в форме криволинейного интеграла второго типа:
Q= \ vdx — udy,	B2)
причем важно подчеркнуть, что направление на этой кривой должно быть
взято так, чтобы угол между соответствующим направлением касательной и
выбранным заранее направлением нормали был равен-)--н- [ибо именно в
этом предположении и выведена была формула A5)].
Если (К) есть замкнутый контур и интеграл B2) считать взятым
(как обычно, 548) в положительном направлении, то нормаль в формуле B2)
должна была бы быть направлена внутрь области; ограниченной конту-
контуром (К) (чтобы было соблюдено упомянутое только что условие). Следова-
Следовательно, в этом случае формула B2) дает количество жидкости, протекающей
через контур (К) в единицу времени внутрь области. Если желаем полу-
получить количество жидкости, вытекающей наружу из области, ограниченной
контуром (К), то следует лишь в формуле B2) изменить знак.
Далее, если поле.не имеет ни «источников», ни «стоков» жидкости, то
в любой ограниченной области количество жидкости остается постоянным.
Поэтому, какую бы замкнутую кривую ни взять, интеграл B2), взятый по ней,
должен быть равен нулю.
Итак, если и и v суть слагающие скорости в плоском установив-
установившемся течении несжимаемой жидкости, то при отсутствии
источников и стоков
? v dx — и dy = О,
(Ю
каков бы ни был замкнутый контур (К)-
Впоследствии [566, 2)] мы увидим, что этот результат, полученный с по-
помощью физических соображений, позволяет дать и некоторую аналитическую
характеристику функций ми».
3) Тепло, поглощенное газом. Рассмотрим некоторую массу, например,
1 моль газа. Состояние газа характеризуется тремя величинами: его объе-
объемом V, Давлением р и абсолютной температурой Т. Если считать газ иде-
идеальным, то эти три величины оказываются связанными между собой урав-
уравнением Клапейрона:
где R есть постоянная. Таким образом, любая из величин р, V и Т может
быть выражена через две другие. Поэтому для определения состояния газа
достаточно знать две из этих величин. Пусть это будут, например, V и р.
Тогда точк а с абсциссой V и ординатой/)служит изображением состояния
газа. Если состояние газа меняется от начального состояния, отвечающего
точке А, до конечного состояния, определяемого точкой В, то весь про-
процесс изменения характеризуется кривой (/Qs(AB), устанавливающей
последовательность непрерывно меняющихся состояний *.
* И здесь, и впредь мы имеем в виду так называемые квазистацио-
квазистационарные процессы, т. е. представляем изменение состояния газа происхо-
происходящим настолько медленно и сопровождающимся настолько хорошим п.ере'-
мешиванием, что вся масса газа одновременно проходит через всякое
промежуточное состояние.

44	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[554
Поставим теперь себе задачу установить, какое количество тепла U (кал)
поглощается данной массой газа во время всего этого процесса, характери-
характеризуемого кривой (К). С этой целью, как обычно, рассмотрим некоторый «беско-
«бесконечно малый» элементарный процесс, переводящий газ из состояния (V, р, Т)
в бесконечно близкое состояние (V-\- dV, р -f- dp, T-\-dT). Ему отвечает
элемент кривой (Af) (рис. 17). Определение того элементарного количества
тепла dU, которое при этом ему было сообщено, мы однажды уже произвели
[при выводе формулы Пуассона, 361, 3)]. Воспользуемся полученным там
выражением:
Для того чтобы найти общее количество тепла U, сообщенное газу в те-
течение всего процесса его изменения, характеризуемого кривой (АГ), остается
лишь «просуммировать» Элементы dU
вдоль этой кривой:
p+dp
B3)
Итак, количество тепла U непо-
непосредственно выражается криволиней-
криволинейным интегралом второго типа.
Если бы мы выражали элементар-
элементарное приращение тепла Л/не через dV
_.	»_ и dp, а через dVu dT, или через dp и dT,
v v+uv	v то и тогда дело свелось бы к криволи-
р 17 *	нейному интегралу,'который, однако,
пришлось быбратьпокривой, лежащей,
соответственно^ плоскости VTunupT.
4) Действие тока на магнит. Закон Био и Савара, характеризую-
характеризующий действие тока на магнит, имеет «дифференциальную» форму. Согласно
этому закону, элемент^ проводника, по которому идет ток силы /, дей-
действует на отстоящую от него на расстояние г «магнитную массу» т с силой,
величина которой равна
Im sin 9 ds
	р	.	B4)
где !р@<?<я) есть угол между вектором ~г, соединяющим магнитный по-
полюс с элементом тока, и направленным в сторону течения тока
элементом ds проводника. Направление же этой элементарной силы перпенди-
перпендикулярно к плоскости, определяемой векторами г я ds, а идет в ту сторону,
с которой вращение от г к ds на угол <р кажется происходящим против
часовой стрелки. [Ср. 356, 8).]
Поставим себе задачей охарактеризовать магнитное поле тока,
идущего по конечному замкнутому проводнику (К) произвольной формы и
произвольно расположенному в пространстве; иными словами, установить силу,
с которой весь этот проводник в целом действует на «магнитную массу> т,
помещенную в любой точке М пространства. Получение закона Био и Са-
Савара в «интегральной» форме затрудняется, однако, тем обстоятельством,
что отдельные элементарные силы, о которых была речь выше, по-разному
направлены и складывать их надо геометрически.
В подобном случае обычно переходят, к проекциям векторов на оси какой-
либо прямоугольной системы координат в пространстве, ибо проекции эле-
элементарных сил складываются уже алгебраически,

555J	§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	45
Для упрощения выкладок используем аппарат векторной алгебры. Если
переписать выражение B4) для величины элементарной силы dF в виде
ml . .
-f-rds sin <f,
ml
то легко заметить, что оно лишь множителем -j- отличается от величины
векторного произведения"? X~ds. Так как и направление dF, опре-
определяемое законом Био и Савара, совпадает с направлением этого произ-
произведения, то можно написать
Рассмотрим теперь произвольную (правую) прямоугольную координатную
систему Oxyz. Если через х, у, z обозначить координаты (начальной точки)
элемента ds, а через 5, ц, ? — координаты рассматриваемой точки М про-
пространства, то проекциями вектора ~г на оси будут
х—Ь, у—-ц, г—С;
вектор же "ds имеет проекции
dx, dy, dz.
*n T
В таком случае проекциями dF будут произведения множителя -g-, соответ-
соответственно, на
(у—ц)dz—(z—Qdy, (г —С) dx-(x-i)dz,
Таким образом, суммируя по всем элементам кривой (К), окончательно
получим выражения для проекций искомой силы ~~F на оси в виде криволи-
криволинейных интегралов по пространственной кривой (К):
„mA(y-n)dz-(z-t.)dy
причем направление на кривой определяется направлением течения тока.
Это и дает решение нашей задачи.
§ 3. Условия независимости криволинейного интеграла
от пути
555. Постановка задачи, связь с вопросом о точном диффе-
дифференциале. Пусть в некоторой связной области (D) заданы две не-
непрерывные функции
' Р=Р(х, у) и Q=Q(x, у).

46	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	1556
Рассмотрим криволинейный интеграл второго типа
\Pdx-\-Qdy.	A)
(АВ)
Здесь А и В— какие-нибудь две точки из области (D), а (АВ)—
произвольная соединяющая их кусочно-гладкая * кривая, которая це-
целиком лежит в этой области.
Основная задача настоящего параграфа состоит в выяснении ус-
условий, при которых величина этого интеграла оказывается не
зависящей от формы пути (АВ), т. е. однозначно определяется
начальной и конечной точками А и В, где бы эти точки не лежали.
Поведение интеграла A) определяется свойствами дифференциаль-
дифференциального выражения
Pdx+Qdy,	B)
стоящего под знаком интеграла. Напомним, что мы уже имели дело
с подобного рода выражением, когда речь шла о дифференци-
дифференцируемой функции F (х, у) от двух переменных и о (полном)
дифференциале ее [179]
,„ dF , I dF ,	,„.
dF	dx + d	C)
которое отождествляется с выражением B) при
Однако далеко не каждое выражение вида B) есть «точный диф-
дифференциал», т. е. не для каждого такого выражения существует
«первообразная функция» F(x, у), для которой это выражение слу-
служит (полным) дифференциалом. И вот оказывается, что интеграл A)
не зависит от пути именно в тех случаях, когда его подинтеграль-
ное выражение есть точный дифференциал! Сформулируем это фун-
фундаментальной важности утверждение в виде теоремы, доказательству
которой будут посвящены ближайшие два пп°:
Теорема 1. Для того чтобы криволинейный интеграл A) не
зависел от формы пути интегрирования, необходимо и доста-
достаточно, чтобы дифференциальное выражение B) было в рассмат-
рассматриваемой области дифференциалом от некоторой (однозначной **)
функции двух переменных.
556. Дифференцирование интеграла, не зависящего от пути.
Допустим сначала, что интеграл A) не зависит от пути.
* Мы ограничимся в этом параграфе рассмотрением только таких путей
интегрирования; этим заведомо обеспечивается существование интеграла A).
** Читателю впоследствии [562] станет ясной необходимость подчерки-
подчеркивания однозначности первообразной функции.

556J
5 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ
47
В этом случае интеграл однозначно определяется заданием точек
А(Хо,Уо) и B(Xi,y1), в связи с чем его обозначают символом
\Pdx-\-Qdy или \ Pdx-\-Qdy.
А	(*о, Vo)
Здесь указаны только начало и конец пути интегрирования; сам
путь не указан, но он безразличен — можно интегрировать
по любому. Конечно, без сделанного предположения о независимости
от пути такое обозначение не имело бы определенного смысла.
Если точку А(хо,уо) фиксировать, а точку В заменить произ-
произвольной точкой М{х,у) области (D), то полученный интеграл пред-
представит собой некоторую функ-
функцию от точки Ж, т. е. от ее
координат х, у; в области (D):
. ¦	(х, У)
F(x,y)= \ Pdx+Qdy. D)
(Хо, Уо)
Займемся теперь вопросом об
ее частных производных как
по х, так и по-у.
Взяв произвольную точку
В(хьух) в области (D), при-	Рис. 18.
дадим Xi приращение Дл: и
перейдем к точке C(Xi~\-Ддг,у{), которая при достаточно малом Ддг
будет также принадлежать (D) вместе со всем отрезком ВС
(рис. \о). Соответствующие значения функции будут
= \ Pdx+Qdy,
o. Уо)
FCx1-\-Hx,y1)= I Pdx+Qdy.
(Хо.Уо)
Первый из этих интегралов мы возьмем по произвольной кри-
кривой (К), соединяющей точки А и В, а для второго интеграла путь
интегрирования составим из этой же кривой (АГ) и из прямолиней-
прямолинейного отрезка ВС. Таким образом, приращение функции F будет
F(xx + Lx,yl) — F{xi,yi)= \ Pdx+Qdy= $ P(x,y)dx;
(ВС)	(ВС)
интеграл, содержащий Qdy, обращается в нуль, так как отрезок ВС
перпендикулярен к оси у.

48	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	E56
Оставшийся интеграл непосредственно приводится к обыкновен-
обыкновенному определенному интегралу: для этого в подинтегральной функ-
функции нужно заменить у на _yi (из уравнения у =у\ прямой ВС) и
в качестве пределов интегрирования по х взять абсциссы точек В
и С. Окончательно
P(x,yi)dx.
Применяя к полученному обыкновенному интегралу теорему о сред-
среднем и деля обе части равенства на Ах, найдем
F(*,
Устремим теперь Ах к нулю. В силу непрерывности функции
Р(х,у), правая часть равенства, а с нею и левая, стремится к P(Xi,y{).
Следовательно, в точке {xt,y\) частная производная функция F по X
существует и выражается равенством
дх
Аналогично устанавливается и формула
Так как точка (Xi,yi) была взята произвольно внутри области (D),
то для всех точек этой области будем иметь
¦Р{х,у),
Поскольку эти частные производные непрерывны, функция F(x,y)
имеет дифференциал:
совпадающий с подынтегральным выражением для интеграла
[191*
()
Таким образом, для криволинейного интеграла, не зависящего
от пути, нам удалось установить результат, вполне аналогичный
теореме о дифференцировании обыкновенного определенного инте-
интеграла по переменному верхнему пределу [305, 12°].
Вместе с тем доказана необходимость условия, сформули-
сформулированного в теореме предыдущего п°. Если интеграл A) не
* Отсюда, между прочим, вытекает и непрерывность самой функ-
функции F(x,y) по обеим переменным.

557]	§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	49
зависит от пути, то выражение B) действительно
будет точным дифференциалом: сам интеграл D) при сде-
сделанном предположении и дает нам однозначную первообразную функ-
функцию для подинтегрального выражения!
557. Вычисление криволинейного интеграла через первооб-
первообразную. Предположим теперь, обратно, что выражение B)
представляет собой (полный) дифференциал от не-
некоторой однозначной функции Ф{х,у), так что
Рассмотрим какую-нибудь кусочно-гладкую кривую (К), соединяю-
соединяющую две данные точки: А с координатами хА, у А и В с координа-
координатами хв, ув. Пусть параметрическое представление ее будет
и при изменении параметра от а до р кривая описывается в направ-
направлении от Л к В. Таким образом,
Вычисляя теперь криволинейный интеграл вдоль кривой (К) путем
сведения его к обыкновенному интегралу [по формуле F) п° 647],
получим
I=\ Pdx-\-Qdy =
\ (О, ф @) ?' (О + Q (? (О, «I» @) ? @}
или, принимая во внимание E),
} $ |- «ко)#
¦— по правилу дифференцирования сложной функции.
Окончательно
/=Ф (ср (t), ф @) |=Ф (? (Р), ф (Р)) - Ф (? («), 4- (¦)) =
= Ф(хв,
Итак, при наличии первообразной функции

50	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	E58
криволинейный интеграл вычисляется по простой формуле:
(АВ)
= Ф(х,у)	F)
Ял, у л
или, короче,
$ Pdx-\-Qdy = G>(B) — Ф(А) = Ф(М)\*.	F*)
(АВ)
Эта формула вполне аналогична основной формуле интегрального
исчисления [308], выражающей обыкновенный определенный инте-
интеграл через первообразную. Подчеркнем, однако, еще раз, что она
приложима только к таким интегралам, для которых подинтегральное
выражение есть точный дифференциал.
Одновременно эта формула показывает, что в рассматривае-
рассматриваемом случае интеграл A) не зависит от выбора кри-
кривой АВ*, чем устанавливается и достаточность условия, ука-
указанного в теореме п° 555. Таким образом, эта теорема теперь пол-
полностью доказана.
558. Признак точного дифференциала и нахождение перво-
первообразной в случае прямоугольной области. Теперь естественно
возникает вопрос о том, по какому признаку можно установить,
является ли предложенное дифференциальное выражение B) точ-
точным дифференциалом или нет. Ответ на этот вопрос позволит окон-
окончательно выяснить и условия независимости криволинейного инте-
интеграла от пути.
Для того чтобы получить признак в простой и удобной для про-
проверки форме, мы впредь будем дополнительно предполагать, что
в рассматриваемой области (D) существуют и не-
дР дЬ
прерывны обе частные производные j- и -^.
При этом предположении искомый признак получается сразу.
Если выражение B) есть дифференциал некоторой функции Ф(х,у),
так что имеют место равенства E):
р — дЛ п — ?*
^~~ дх' ^~ду '
то
дР _ д2Ф dQ _ д'Ф
ду дхду' дх дудх'
* Ибо, именно ввиду однозначности функции Ф, ее значения Ф (А)
и Ф{В) вполне определяются заданием точек А а В.

558]	§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	5
гт	дР дО
Предположенная непрерывность частных производных -s— и -р
обеспечивает равенство двух смешанных производных [190], следо
вательно,
дР_дд	А.
Таким образом, это замечательное по простоте соотношение ока-
оказывается необходимым условием для того, чтобы выражение B]
было точным дифференциалом.
Обращаясь к исследованию достаточности условия (А), мь
ограничимся сначала случаем, когда область (D) представляет собо*
прямоугольник; пусть, для определенности, это будет конечный
замкнутый прямоугольник [а, Ъ; с, d\. В предположении, что выпол-
выполняется условие (А), мы непосредственно дадим для этого случа5
построение первообразной.
Задача состоит в том, чтобы определить в прямоугольнике [а, Ь
с, d\ функцию Ф(х,у), которая удовлетворяла бы двум уравнениям
^Qfryy	E*;
Действительно, ввиду непрерывности функций Р и Q отсюда уже
следовало бы, что выражение B) является для упомянутой функции
полным дифференциалом [179].
~ Взяв любые значения лг0 и х в [а, Ь], проинтегрируем первое ш
уравнений E*) по х от дг0 до х при любом фиксированном значении у
из [с, d\, мы найдем
Ф(х,у) = \р (х, у) dx + Ф (Jffc у)-
Если теперь во втором из уравнений E*) положить х = х0 и про-
проинтегрировать его по у между любыми значениями у0 и у из [с, d]
то получится, что
у
Ф (** У) = \ Q (х„ У) dy + Ф (* * у о).
Ув
Таким образом, искомая функция Ф{х, у) необходимо имеет вид
\
= \Р{х, y)dx + \ Q(x0, y)dy + Q	G
где С=Ф(хв, J/o) = const.
Остается теперь проверить, что функция, определяемая формулой G
(какова бы ни была постоянная Q, в действительности удовлетворяет

52	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[559
обоим уравнениям E*). Относительно первого это очевидно, ибо
производная по х первого слагаемого в G) справа равна Р(х, у)
[305], а последние два слагаемых не зависят от х. Продифференци-
Продифференцируем теперь равенство G) по у, причем к первому интегралу справа
применим правило Лейбница [507]:
о	,„	дР	дО
В силу (А), вместо -г- можно сюда подставить ^; тогда интеграл
сведется к разности Q(x, у) — Q(x0, у), а производная -р ока-
окажется равной просто Q(x, у), что и требовалось доказать.
Заметим, что если бы мы начали с интегрирования по у, то при-
пришли бы к такому выражению для искомой первообразной:
*	У
Ф(х, y) = lP(x, yo)dx-\-]Q(x, y)dy-\-C,	(8)
лишь по форме отличающемуся от прежнего.
Полезно дать себе отчет в том, что, фиксируя значение перво-
первообразной в какой-нибудь точке области, мы тем самым выбираем по-
постоянную в общем выражении первообразной и получаем уже вполне
определенную и однозначную первообразную.
559. Обобщение на случай произвольной области. Рассмотрим
теперь произвольную (конечно, связную) область (?)), ограниченную
одной или несколькими кусочно-гладкими кривыми и при этом конеч-
конечную или простирающуюся в бесконечность. Эту область мы впредь
будем предполагать открытой. В таком случае каждая ее точка
является внутренней [163] и принадлежит ей вместе с некоторой, ска-
скажем, прямоугольной окрестностью. Так как к последней прило-
жимы рассуждения предыдущего п°, то при выполнении усло-
условия (А) в окрестности каждой точки области (?)) для
выражения B) существует первообразная и даже беско-
бесконечное множество первообразных, разнящихся одна от другой на по-
постоянную. Однако согласование всех этих первообразных так, чтобы
получилась однозначная первообразная для всей области (?>),
оказывается не всегда возможным! Вопрос здесь зависит от характера
самой области.
Чтобы обеспечить существование такой однозначной перво-
первообразной в общем случае, приходится наложить на область (D) свое-
своеобразное ограничение. Его можно сформулировать так: какой бы про-
простой замкнутый контур, лежащий в области (D), ни взять, огра-
ограниченная извне этим контуром область должна также целиком
принадлежать области (D). Иными словами, область не должна со-

559]
S. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ
53
держать «дырок», даже точечных. Связную область, обладающую этим
свойством, называют односвязной.
Если речь идет о конечной области (т. е. не простирающейся
в бесконечность), то понятие односвязности можно сформулировать
еще проще: область должна быть ограничена единственным
замкнутым контуром. На рис. 19 представлены примеры одно-
связных и неодносвязных областей, из них а), г), д) конечны, а б),
в), е) простираются в бесконечность.
Пусть же рассматриваемая область (D) будет односвязной;
сначала мы предположим ее конечной, так что она попросту ограни-
ограничена единственной кусочно-гладкой кривой (/Q. Построение перво-
первообразной для области (D) мы будем производить постепенно, исходя
Односеязные области
НеоВносвязные области
Рис. 19.
из содержащихся в (D) областей, разлагающихся на прямо-
прямоугольники.
Задавшись произвольно малым числом е^>0, мы можем каждую
точку М контура (К) окружить таким квадратом со стороной
<^е, чтобы в его пределах контур выражался явным уравнением
одного из двух типов [ср. 223]; лишь в угловой точке мы будем
иметь стык двух подобных кривых.
По лемме Бореля [175], можно, сохранив лишь конечное число
этих квадратов, покрыть ими весь контур (К). Этой конечной цепью
квадратов извне ограничивается некоторая замкнутая область (D),
целиком лежащая в (D) и очевидным образом разлагающаяся на пря-
прямоугольники. Она будет связной *, а тогда уже и односвязной вместе
с (D); ей заведомо будут принадлежать все точки области (D),
отстоящие от контура на расстояние ^ &.
* Если две точки Мо и Mt принадлежат (D), то их можно соединить ло-
ломаной (I), целиком лежащей в (D) [163]. Эта ломаная, вообще говоря, может
и выходить за пределы (D), попадая внутрь каких-либо из упомянутых в тек-
тексте квадратов. Но часть ломаной, содержащаяся в таком квадрате, всегда мо-
может быть заменена, соответствующей частью его обвода. Таким путем и полу-
получается соединяющая точки Мо и Мг ломаная (?), целиком лежащая в 0).

54
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
E59
Мы покажем ниже, как строится первообразная для области (D).
Чтобы иметь дело с определенной первообразной, мы фиксируем ее
значение в какой-нибудь точке Мо, принадлежащей (D). Заметим,
что две первообразные, определенные для двух налегающих одна
на другую областей, в общей их части могут разниться лишь
на постоянную (так как их разность имеет нулевые частные произ-
производные, 183). Следовательно, если эти первообразные совпадают хоть
в одной точке, они тождественны во всей упомянутой общей части.
Отсюда ясно, что, устремляя е к нулю, мы, действительно, постепенно
распространим определение первообразной на всю область (D) с со-
сохранением ее однозначности.
Чтобы построить первообразную для области (D), мы представим
себе эту область разложенной на прямоугольники, которые примы-
примыкают один к другому по вертикальному отрезку (рис. 20, а). Два
О
х
а.)
Рис. 20.
таких смежных прямеугольника dy и d2 изображены на рис. 20, б.
В каждом из них мы умеем строить первообразные, пусть это будут
<3>t и Ф2. Вдоль отрезка аC, общего прямоугольникам dx и rf2, они
могут разниться лишь на постоянную; это становится ясным, если
вспомнить, что каждая из них разнится вдоль <хC разве лишь посто-
постоянным слагаемым от какой-либо первообразной, построенной для за-
заштрихованного прямоугольника, которая существует в силу предыду-
предыдущего п°. Изменяя одну из первообразных, Фх или Ф2, на надлежащую
постоянную, можно, следовательно, добиться их совпадения вдоль
отрезка <хC.
Начнем с построения первообразной для того из прямоугольни-
прямоугольников, где лежит точка М<>, причем озаботимся, чтобы в этой точке
первообразная имела именно наперед фиксированное значение. Затем
построим первообразные для примыкающих к нему прямоугольников,
так, чтобы переход через их общие границы не нарушал непрерыв-
непрерывности, и т. д.
Постараемся теперь уяснить себе, в чем же сказывается усло-
условие односвязности ебласти (?>), а с нею и (D). Ряд прямоуголь-
прямоугольников на рис. 20, а при замысловатости контура (К) может и р а з-

560]
§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ
53
ветвиться, как на рис. 21, а: это не помешает непрерывному
распространению первообразной вдоль отделенных друг от друга
отрогов. Но если область имеет «дырку» (см. рис. 21, б) и два
ответвления вновь смыкаются, то для первого замыкающего пря-
прямоугольника выбор первообразной с сохранением непрерывности
перехода на обоих стыках оф и -ft сразу — может оказаться не-
невозможным!
Случай области (D), простирающейся в бесконечность, исчерпы-
исчерпывается аналогично, исходя из конечных подобластей, с постепенным
распространением первообразной на всю область (D).
*-*
о
В)
560. Окончательные результаты. Все сказанное в двух предше-
предшествующих пп° может быть суммировано в виде следующего предло-
предложения:
Теорема 2. Для того чтобы во всей области (D) выраже-
выражение B) было дифференциалом от некоторой однозначной функ-
функции двух переменных, необходимо, а в пред по ложе нии одно-
связности области (D) и достаточно, выполнение условия (А),
В. связи с этим условие (А) часто называют «условием интегри-
интегрируемости» выражения B).
Если вспомнить теперь теорему 1, то непосредственно получается
и следующая заключительная
Теорема 3. Для того чтобы криволинейный интеграл A), где бы
в области (D) ни были взяты начальная и конечная точки Аи Б
пути интегрирования, не зависел от формы этого пути, необхо-
необходимо, а в предположении односвязности области
(D) и достаточно, выполнение условия (А).
Таким образом, мы нашли, наконец, в условии (А) удобный и легко
проверяемый критерий независимости криволинейного интеграла от пути
С помощью этого критерия, например, легко расклассифицировать инте-
интегралы, предложенные в задачах 3), 4), 5), 6) п° 549, и предвидеть т
особенности, указанные в замечании.
Ниже мы встретим важные приложения полученных результатов
К особенностям случая неодносвязной области мы вернемся в п° 662

56
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[561
561. Интегралы по замкнутому контуру. До сих пор мы рас-
рассматривали криволинейный интеграл A)
Pdx+Qdy
(АВ)
и изучали тот важный класс случаев, когда этот интеграл не зависит
от пути интегрирования. Обратимся теперь к рассмотрению интеграла
Pdx-\~Qdy,	(9)
взятого по любому простому замкнутому контуру (L) в пределах
области (D), и поставим вопрос об условиях, при которых
этот интеграл всегда
обращается в нуль. Оказы-
Оказывается, что этот вопрос совершен-
совершенно эквивалентен вопросу, решен-
решенному выше: если при данном диф-
дифференциальном выражении B) ин-
интеграл A) не зависит от пути, то
интеграл (9) всегда равен нулю,
и обратно.
Действительно, предположим
сначала независимость интегра-
интеграла A) от пути. Если (L) есть лю-
любой простой замкнутый контур
в области (D) (рис. 22), то произвольно взятыми на нем точками
А и В разложим его на части (АМВ) и (ANB). Так как интегралы
по этим кривым должны быть равны:
О\
Рис. 22.
то отсюда
5 = 5»
(АМВ) (ANB)
5= 5 + 5 = 5 ¦
(I) (АМВ) (BNA) (АМВ)
5 = <>•
(ANB)
A0)
A1)
Пусть теперь, обратно, дано, что интеграл (9) по простому замк-
замкнутому контуру всегда равен нулю. Взяв две точки А и В, соединим
их двумя путями (АМВ) и (ANB); из них составится замкнутый контур
(L)=(AMBNA). ¦
Легким будет случай, когда линии (АМВ) и (ANB), кроме то-
точек А и В, общих точек не имеют; тогда контур (L) сам себя
не пересекает, т. е. оказывается простым.
Если же кривые (АМВ) и (ANB) взаимно пересекаются, то замк-
замкнутая кривая (L) уже не будет простой.

562]	| 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	57
Однако, как показывает следующая лемма, можно все же огра-
ограничиться рассмотрением интегралов по простым (т. е. не пересека-
пересекающим себя) замкнутым контурам.
Лемма. Если интеграл (9) равен нулю, по какому бы просто-
простому (т. е. не пересекающему себя) замкнутому контуру его ни
взять, то он будет нулем и при всяком замкнутом контуре,
Хотя бы и самопересекающемся.
В силу леммы, установленной в п° 550, достаточно доказать это
утверждение для любой замкнутой ломаной, хотя бы и самопере-
самопересекающейся. Пусть (I) и будет такая ломаная, определенным обра-
образом направленная. Исходя из некоторой ее точки М<, и следуя на-
направлению ломаной, опишем часть ломаной до первого самопе-
самопересечения—в точке Mi. Отбросив получившуюся замкнутую ломаную
(Z-i), продолжим путь MoMi до нового самопересечения, что позволит
выделить еще одну замкнутую ломаную A2), и т. д. После конечно-
конечного числа шагов ломаная (I) окажется распавшейся на конечное число
не пересекающих себя замкнутых ломаных
вдоль по которым интеграл заведомо нуль. Значит, он равен нулю
и вдоль ломаной (I), что и требовалось доказать.
Таким образом, нами доказана полезная
Теорема 4. Для того чтобы криволинейный интеграл A) не
зависел от пути, необходимо и достаточно, чтобы интеграл, (9)
по любому замкнутому контуру был равен нулю. При этом
условие остается достаточным и в том случае, если ограничиться
лишь простыми (т. е. не пересекающими себя) замкнутыми кон-
контурами.
Теперь ясно, что об обращении в нуль интеграла (9) по замкну-
замкнутому пути можно судить с помощью того же критерия, который в
теореме 3 был установлен для независимости интеграла A) от пути:
Теорема 5. Для того чтобы интеграл (9), по какому бы
замкнутому контуру в пределах области (D) его ни взять, обра-
обращался в нуль, необходимо, а в с лу чае односвязности об-
области (D) и достаточно выполнение условия (А). Это условие
остается необходимым и в том случае, если ограничиться лишь
простыми (т. е. не пересекающими себя) замкнутыми контурами.
Ниже [601], располагая более развитым аппаратом (двойные инте-
интегралы, формула Грина), мы вернемся к вопросам, рассмотренным в
настоящем параграфе, и некоторые из установленных здесь резуль-
результатов получим вновь и притом более экономным образом.
562. Случай неодносвязной области или наличия особых точек.
Вся теория, развитая в настоящем параграфе и связанная с использова-
использованием условия интегрируемости (А), основана на предположении, что
1) рассматриваемая область (D) односвязна, т. е. лишена «дырок»,

58
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[562
читься
и 2) функции Р и Q вместе со своими производными ^— и -^ в области
(Z)) непрерывны. Если эти условия нарушены, то высказанные
выше утверждения, вообще говоря, перестают быть верными. Разобрать-
Разобраться в представляющихся при этом особенностях и составляет цель этого п°.
Отметим, что «особые» точки, в которых нарушены условия не-
непрерывности 2), тоже могут трактоваться, если их выключить из области,
как своего рода точечные «дырки». Таким образом, вопрос сводится
к рассмотрению области (D), в которой выполнены все тре-
требования непрерывности и условие (А), но зато имеется
одна или несколько «дырок», точечных или нет. Впрочем, для
определенности в дальнейшем изложении мы предпочтем ограни-
именно случаем точечных «дырок», т. е. особых точек.
Общий случай трактуется совершенно ана-
аналогично.
Предположим сначала, что область (D)
содержит одну особую точку М (но не
имеет других «дырок»). Возьмем в этой
области простой замкнутый контур (L) и
рассмотрим интеграл (9)
\Pdx-\-Qdy.
(D
Рис- ^3.	Если этот контур не охватывает особой
точки, то интеграл по-прежнему равен
нулю. Если же точка М лежит внутри контура (I), то интеграл
может оказаться и отличным от нуля.
Весьма замечательно, однако, что все интегралы, взятые в по-
положительном направлении [548] по всевозможным контурам ука-
указанного типа, окружающим точку М, равны между собой.
В самом деле, рассмотрим два кусочно^гладких контура (Lt) и (Ц),
окружающих точку М. Можно считать их взаимно не пересекающи-
пересекающимися, ибо в противном случае мы ввели бы третий контур (L3), охва-
охватывающий оба контура (Ij), (Z.2) и не пересекающий их, и рассмотрели
бы отдельно пары контуров (Zi), (I3) и (Ц), (Ц).
Кривые (Ij) и A3) вместе составляют контур кольцеобразной
области (Д), заключенной между ними (рис. 23). С помощью двух
разрезов (А^) и (BtBt) разобьем эту область на две уже односвяз-
ные части (Д') и (Д"). Тогда мы имеем право писать:
J + J -О
MA) (AtA{)
S + $ +
S + \ + S + 5 =
^Л	(AA) (ДЛГВ) (BB)

562]	§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	59
При складывании интегралы, взятые по разрезам в противоположных
направлениях, взаимно уничтожатся, и мы получим
$ + $ =0,
(A^lAyBiNiAi) (ЛаЛГ2йААг)
откуда, наконец,
= $ или J = $»
[AMBNA)	(L) U)
причем последние интегралы берутся оба в положительном напра-
направлении. Наше утверждение доказано.
Обозначим общее значение всех подобных интегралов через о; его
называют циклической постоянной, отвечающей особой точке М *.
Покажем теперь, что если (L) — любой замкнутый контур в
области (D), хотя бы и пересекающий себя, но не проходящий через
особую точку М, то
\Pdx-\-Qdy = na,	A2)
(?)
где п есть целое число (положительное, отрицательное или нуль).
Это очевидно для многоугольного контура, так как он распадается
на конечное число не пересекающих себя замкнутых многоугольных
контуров, вдоль каждого из которых интеграл равен нулю или
it: о. В общем же случае мы снова воспользуемся леммой, установ-
установленной в п° 550 (и замечанием к ней) и прибегнем к предельному пере-
переходу, исходя из вписанной в кривую ломаной. Так как выражение
вида па (при и^О и целом и) может стремиться к конечному пре-
пределу лишь того же вида (с тем, что число п в конце концов пере-
перестает изменяться), то формула A2) оказывается верной для любого
контура (I).
Перейдем теперь к рассмотрению интеграла по кривой, соеди-
соединяющей точки А(хй, Уо) и В(хи ух) области (D), но не проходящей
через особую точку. Если (АВ)9 есть одна из таких кривых, а (АВ) —
любая другая, то (АВ) и (ВА\ вместе составят замкнутый контур,
так что, в силу A2),
(АВ)
откуда
Pdx-\-Qdy-\- \
(ВА)
\
АВ
\	= J Pdx-\-Qdy-\-nc.
(АВ)	(АВH
* Совершенно так же определяется и циклическая постоянная, отвечающая
настоящей — неточечной — «дырке>.

60
ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
[562
Здесь интеграл реально зависит от пути инте-
интегрирования, но лишь в смысле прибавления целого кратного
циклической постоянной о. Присоединяя к кривой (АВ)й то или иное
число петель, окружающих точку М (рис. 24), можно добиться
того, чтобы множитель я принял любое наперед выбранное целое
значение.
Иными словами, в рассматриваемом случае символ
(XI, Уl)
\ Pdx-{-Qdy= \ Pdx-{-Qdy
(АВ)	(*о. Уо)
при заданных А и В уже не является (если о^О) однозначным; он
определен с точностью до слагаемого вида па, где я = 0, dr 1, ±2, ...
Если точку В заменить пе-
переменной точкой М(х, у), то
интеграл
(х.У)
F{x,y)= $ Pdx-\-Qdy
(*о. Уо)
по-прежнему представит
первообраз ну ю функцию
для выраженияPdx-\-Q dy,не-
dy,непрерывную (исключая, конечно,
точкуМ),но многозначную.
Важно дать себе отчет в существенном отличии рассматриваемого
случая от изученного выше [556, 558, 559J. И там можно было бы
говорить о «многозначности» первообразной, поскольку последняя со-
содержала в своем выражении произвольную постоянную. Однако
стоило лишь фиксировать эту постоянную, чтобы получить одно-
однозначную функцию во всей рассматриваемой области; никакой при-
принудительной связи между отдельными «ветвями» многозначной перво-
первообразной там не было. Здесь же «ветви», разнящиеся на крат-
кратное циклической постоянной, уже нельзя рассматривать
обособленно, ибо при вращении вокруг особой точки они непре-
непрерывным образом переходят одна в другую *.
Для иллюстрации всего изложенного здесь в качестве примера
положим
У
О
х
Рис. 24.
р —
Q=-
Эти функции с их производными непрерывны во всей плоскости
за исключением начала координат О@, 0), которое, таким образом,
* С подобным обстоятельством мы имеем дело в случае многозначных
функций комплексной переменной [ср., например, 458]; нетрудно усмотреть,
что и то, и другое связано со свойствами плоскости.

562]	§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	61
является единственной особой точкой. Непосредственно проверяется,
что условие интегрируемости везде (разумеется, кроме начала коор-
координат) выполнено:
dP_dQ_ у1 — х*
ду дх (
Легко вычислить, что интеграл
С х йу—у dx
взятый в положительном направлении по любой окружности с цент-
центром в начале, равен 2тс. Такова здесь циклическая постоянная, отве-
отвечающая начальной точке.
Первообразная для дифференциального выражения
xdy—ydx
легко угадывается: это — полярный угол 6, в чем легко убедиться,
если подставить сюда x = rcos0, j/ = г sin 6. Следовательно, общий
вид первообразной будет б —j— С (С= const). Однако с каким бы зна-
значением полярного угла 0 мы не исходили в данной точке плоскости,
отличной од начала, если заставить точку сделать п оборотов во-
вокруг начала в ту или другую сторону, угол 6, непрерывно из-
изменяясь, получит при возвращении точки в исходное положение
приращение ± 2tm, кратное циклической постоянной. Таким образом,
если рассматривать здесь первообразную во всей плоскости или в ее
части, содержащей внутри начало координат (конечно,
само начало исключается), то приходится считаться с многозначностью,
как с неотъемлемым ее свойством: ветви ее, разнящиеся на целое
кратное 2тс, в известном смысле неотделимы.
Изложенное исследование читатель без труда распространит и на
случай, когда налицо несколько особых точек или «дырок». Пусть,
например, имеется k особых точек
Мъ Мь ..., Mk.
Если А а В— две (отличные от особых) точки области и через
(АВ)о обозначена какая-либо определенная кривая, соединяющая
эти точки (и не проходящая через особые точки), то общая форма
интеграла по любой подобной же кривой (АВ) будет
^ Pdx-\-Qdy= § Pdx-j- Q ф/-|-Я1°1 + Л2аа + ••• +«Л-
Здесь о,- (i = 1, 2, ..., k) есть циклическая постоянная, отвечающая

62	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[563
особой точке Mt, т. е. величина интеграла
\Pdx-\-Qdy,
взятого в положительном направлении по простому замкнутому кон-
контуру (?,), содержащему внутри себя особую точку Mi и не содер-
содержащему других особых точек. Коэффициенты пх, л2, ..., пк незави-
независимо друг от друга могут принимать
любые целые значения.
У
563. Интеграл Гаусса. В некоторых
вопросах математической физики прихо-
приходится рассматривать криволинейный ин-
интеграл первого типа:
= С cos (r, n)ds
g
(I)
связываемый с именем Гаусса. Здесь
через г обозначена длина
Рис.25.	r = VVt-W + (y—V
вектора, соединяющего внешнюю точку
А (;, г,) с переменной точкой М (х, у)
кривой (L) (рис. 25), через (г, п) — угол между этим вектором и нормалью к
кривой в точке М.
Так как точка А неизменна, то подинтегральное выражение ———-
представляет собой функцию от координат х, у точки М. Представим интеграл
Гаусса в форме криволинейного интеграла второго типа. Если (х, п) и
(х, г) суть углы между положительным направлением оси х и направлениями
радиуса-вектора и нормали, то, очевидно,
(г, п) = (х, п) — (х, г),
так что
cos (г, п) = cos (x, n) cos (х, г) + sin (x, n) sin (x, г) =
х — 5 . . . v — ч . ,
=	cos(xn)+^ism(x «)
Подставляя это в интеграл Гаусса, приведем его к виду
е = 5 Г7^sia (-х> га) + ^~cos ^' "Ч ds'
Если же воспользоваться формулой A5) п° 353, то и получим искомое выраже-
выражение интеграла g в виде криволинейного интеграла второго типа:
С У — Т ^ х — S .
где двойной знак отвечает тому или иному выбору направления нормали.

563]
§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ
63
Функции Р =
и Q =	j—, равно как и их производные, непре-
непрерывны во всей плоскости ху за исключением точки А, где г = 0. Во всех
точках, отличных от А, удовлетворяется условие интегрируемости. Действи-
Действительно,
д Iх —i\-'* — 2(У — ч)*_(* —9' —(У—т)*
ду\ га /~" г4	г4
х—?
_(х—у—(у—
так что эти производные равны.
Если кривая A) замкнута, но не охватывает точки А (и не проходит
через нее), то необходимо g=0. Если же замкнутая кривая (Z.) охватывает
точку А, то интеграл Гаусса может быть и отличным от нуля, но, как мы
видели в предыдущем п°, его значение должно быть одним и тем же для всех
таких кривых. Для выяснения этого значения возьмем в качестве кривой (Z.)
окружность радиуса R с центром в точке А. Тогда
= R и
cos (г, п) = 1
(если считать, что нормаль и радиус-вектор имеют одно и то же направление),
так что
Итак, для каждой замкнутой кривой (L), внутри которой находится точка
А, будет
если нормаль направить во внешнюю сторону, как мы это сделали в случае
окружности.
Полученные результаты можно было бы легко предвидеть, если предвари-
предварительно установить геометрический смысл интеграла Гаусс a: g есть мера угла,
под которым видна из точки А
кривая (L) (если угол, описывае- У
мыйрадиусом-вектором.идущим из
А, при обходе кривой брать со
знаком).
Для обнаружения этого обстоя-
обстоятельства, предположим сначала, что
кривая (Z.) пересекается с каждым
исходящим из А лучом не более
чем в одной точке (рис. 26). Пусть,
далее, нормаль п к кривой напра-
направлена в сторону, противоположную
точке А, так что
0<(г, п)<~.
О
Возьмем на кривой (L) элемент ds	C- •
и определим угол, под которым
этот элемент виден из точки А. Если М есть (например, начальная) точка
этого элемента, то опишем вокруг А окружность радиусом AM и спроекти-
спроектируем на эту окружность элемент ds. Пусть элемент окружности, который

64	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[564
служит проекцией элемента ds, будет da. Так как угол между ними (считая
оба элемента приближенно прямолинейными) равен углу (г, я), то
da = cos (г, я) ds.
С другой стороны, очевидно,
da = rdy,
где d(f есть центральный угол, отвечающий дуге da, т. е. именно тот угол,
под которым элемент ds виден из точки А. Отсюда имеем для этого элемен-
элементарного угла видимости выражение
. cos (г, я) .
rf<p = —^—'- ds.
Наконец, суммируя все элементарные углы, мы получим, что угол видимости
для всей кривой (L) как раз и выражается интегралом g.
Если кривая пересекается лучами, исходящими из точки А, более чем в
одной точке, но может быть разбита на части, каждая из которых пересекает-
пересекается этими лучами уже лишь в одной точке, то нужно лишь просуммировать
интегралы Гаусса, относящиеся к этим частям.
Выберем на кривой (L) определенное направление, а нормаль будем направ-
направлять, например так, чтобы угол между положительно направленной касатель-
касательной и нею был -\- -к-. Тогда в одних частях кривой нормаль окажется направ-
ленной в сторону, противоположную точке А, и интеграл Гаусса даст угол ви-
видимости с плюсом, в других же частях
У	v	нормаль будет направлена в сторону точки Л,
и угол видимости получится с минусом.
В общем интеграл Гаусса в этом случае
даст алгебраическую сумму углов
видимости. Впрочем, именно эту сумму и
называют углом видимости для всей кри-
кривой (?), понимая, таким образом, под углом
видимости полную меру вращения луча
зрения от начала к концу кривой.
Если кривая замкнута и окружает точ-
точку А, то непосредственно ясно, что угол
видимости кривой есть 2тс. Если же замкну-
замкнутая кривая не охватывает точку А, то углы
Рис. 27С	видимости, взаимно уничтожаясь благодаря
разнице знаков, в сумме дают нуль. Для
простого случая, изображенного на рис. 27, кривая (L) распадается на две
части: (L,) и (Z.2), видные из А под одним и тем же углом; но для кривой (?j)
этот угол получается с плюсом, а для (L2) — с минусом.
Все это полностью согласуется со сказанным выше.
Замечание. Геометрическая трактовка интеграла Гаусса позволяет
усмотреть, что в случае, когда замкнутая кривая (L) проходит через точку А
и в этой точке имеет касательную, значение интеграла будет л.
Если точка А будет угловой и угол между односторонними касательными
в ней равен а, то таково же будет и значение интеграла Гаусса. Для ана-
аналитического обоснования указанного результата следовало бы сначала выделить
из (L) некоторую окрестность точки А, а затем перейти к пределу, сжимая
эту окрестность.
564. Трехмерный случай. Все проведенное выше исследование
может быть повторено и для трехмерного случая.
Пусть в некоторой трехмерной области (V) определены и непре-
непрерывны три функции: Р(х, у, z), Q(x, у, z), R(x, у, z); станем

564J	g 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	65
рассматривать криволинейный интеграл
$ Pdx-\-Qdy-\-Rdz	A3)
(АВ)
по произвольной лежащей в этой области кривой (АВ). Рассуждения
пп° 556 и 557 переносятся на рассматриваемый случай непосред-
непосредственно и без изменений. Таким образом, и здесь имеет место тео-
теорема, аналогичная теореме 1 п° 555: вопрос о независимости интег-
интеграла A3) от пути интегрирования приводится к вопросу о том,
будет ли дифференциальное выражение
Pdx+Qdy + Rdz	A4)
точным дифференциалом, т. е. будет ли существовать такая («перво-
(«первообразная») функция Ф(х, у, z), полный дифференциал которой
дФ , . дФ , , дФ ,
dx+dy + dz
совпадает с выражением A4).
Отметим попутно, что если такая функция существует, то ин-
интеграл A3) выражается разностью двух ее конечных значений;
.$ Pdx + Qdy + Rdz = Q(B) — Ф(Л) = Ф(УИ)|*	A5)
(АВ)
[ср. 557 F*)].
Затем, как и выше, встает вопрос о признаках точного диффе-
дифференциала. Допустим существование в области (V) непрерывных про-
производных
дР дР, dQ dQ. dj? d_R
ду ' дг ' дг ' дх ' дх' ду '
Тогда, если выражение A4) есть дифференциал некоторой функции
Ф(х, у, z), так что имеют место равенства
"-Б- <?=?• «-S-
то
дР
ду
02Ф
дхду'
дР
dz
dR
дх
д2Ф
дх dz''
dzdx'
dQ
dz
dv
?2 ф
dydz '
dz dv '
dQ
dx~
а2Ф
~ dy dx
Все эти производные, по предположению, непрерывны; а тогда [191]
имеют место равенства
dP_dQ dQ_dR dR_dP
ду~~дх' дг~~ду' дх ~dz '	^
3 Г. М. Фихтенгольц, т. III

66	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ, ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	1564
Таким образом, какова бы ни была область (V), условия (Б) яв-
являются необходимыми для того, чтобы выражение A4) было
точным дифференциалом, а следовательно, и для того, чтобы
интеграл A3) не зависел от пути.
Переходя к вопросу о достаточности этих условий, мы
ограничимся здесь случаем, когда область (V) есть прямоугольный
параллелепипед
(V) = [a, b; с, d; e, /].
Здесь мы повторим построения п° 558.
Для определения функции Ф(х,у,г) из условий A6), проинтег-
проинтегрируем первое из них по х между ха и х(а^Хо, х^Ь), считая
у a z произвольно фиксированными в соответствующих промежутках.
Мы получим
х
Ф(х, у, z) = \P(x, у, z)dx-\-O(x9, у, z).
Полагая во втором из уравнений A6) х==хй и интегрируя по у от
У о ДО y (c^y0, y^d), найдем
у
Ф (х0, у, z) = \ Q (х0, у, z) dy + Ф (*о, у9, z).
Уа
Наконец, интегрируем третье уравнение A6), полагая в нем х =
и у — уо, по z от Zf, до z	f
г
ф (-Ко, Уо, z) = \R (*о, у0, z) dz -f- Ф (x0, j/0, z0).

Если постоянное значение Ф(ха, у0, Zq), которое, очевидно, остается
произвольным, обозначить через С, то окончательно придем к такому
выражению для искомой функции:
Ф{х, у, z) = \P(x, у, z)dx-\-\Q(xu, у,
0, уЛ, z)dz-\-C. A7)
г
«о
Применяя, в случае надобности, правило Лейбница, теперь легко
проверить, что эта функция, действительно, удовлетворяет всем
условиям A6).
Это непосредственное построение первообразной убеждает нас в
том, что, по крайней мере, для параллелепипедальвой области (V)
условия (Б) достаточны для того, чтобы выражение (Н)

Л 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	67
было точным дифференциалом, а значит а для того, чтобы
интеграл A3) не зависел от пути.
Распространение на общий случай возможно и здесь, с тем лишь,
что область (V) удовлетворяет некоторому условию (аналогичному
односвязности плоской области). Но так как на этот раз про-
проведение всех рассуждений представляет трудности, мы от него от-
отказываемся. Ниже [641], после ознакомления с поверхностными ин-
интегралами и формулой С т о к с а, мы к этим вопросам вернемся.
565. Примеры. 1) Будет ли криволинейный интеграл
$ (x'+y*)(xdx+ydy)
(i)
по любому замкнутому контуру равен нулю?
Ответ утвердительный, так как подинтегральное выражение явно пред-
представляет собой полный дифференциал от функции -j- (ха -\- у*)г.
2)	Не прибегая к условию (А), выяснить, зависит ли от пути интегриро-
интегрирования интеграл
{ xdy—ydx.
(ЛВ)
Ответ: зависит (вообще говоря), ибо подобный же интеграл по непересе-
кающему себя замкнутому контуру выражает удвоенную площадь ограничен-
ограниченной этим контуром области [551] и, следовательно, отличен от 0.
3)	Установить существование первообразной и найти ее для следующих
дифференциальных выражений:
(а)	Dл:V — Эу! + 5)dx + Cxly2 — блгу — 4) dy,
(б)	(\0ху — 8v) dx + Eл:* — 8л: + 3) dy,
(в)	Dлгу — 2у«) dx + (Зл-у — 2ху) dy,
()lD+l)*y\d + {*(+
()lDy+)e\x + {e(x+y+)e]y.
Решение. С помощью условия интегрируемости выясняется, что в слу-
случаях (а), (б), (г) мы имеем точный дифференциал, а в случае (в) нет.
(а) По формуле (8), полагая л:о=.у0 = 0, имеем
х	у
Ф (л:, у) = \ bdx + ИЗлтУ — блгу — 4) dy + С ==
о	о
= 5л: + х*уг — Злгу» — 4у + С.
То же получается и по формуле G):
= ху — Ъху3 + 5х — 4у + С.
(б) Выгодно, взяв лго=.уо = О, вычислять по формуле (8), ибо тогда пер-
первый интеграл обратится в нуль:
у,
Ф (лг, у) = \Eл:8 — 8лг + 3) dy + С = Eлг* — 8л: + 3)у + С.
3»

68	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТШПЪЕСА	1565
(г) По любой из указанных формул получим:
4) Доказать, что условие ^— = -? равносильно тождеству
$ Р(лг,у) dx+lQ (x0, у)dy = IP(x,y0)dx+^Q(x, у)dy
•*о	Уо	х0	Уо
(в предположении непрерывности функций Р, Q, ^- и ^М.
5) Иногда разыскание первообразной (если условие интегрируемости вы-
выполнено) оформляют иначе, чем это сделано в 558. Покажем это на примере 3 (а).
Из условия
интегрируя по х, найдем для Ф выражение х*у3— Зху3 + 5х с точностью до
«постоянной интегрирования». Эта последняя не зависит от х, по которому мы
интегрировалиг но может зависеть от «параметра» у; поэтому мы возьмем ее
в виде <р (у). Итак,
Ф = ху — Ъху* + 5х + <р.
Условие
дФ
у- = Зх*у2 — 6ху — 4
дает нам, при подстановке, вместо Ф его выражения
откуда <р = —4_у + С. Окончательно
Ф = х*у3 — Зху2 + 5х — Ау + С.
6)	Если тот же прием применить к примеру 3) (в), не обращая вни-
внимания на нарушение условия интегрируемости, то для опре-
определения <р получим условие
-г* = 2ху.
dy •у>
Оно явно противоречиво, ибо справа стоит выражение, содержащее х,
в то время как <р от х не зависит!
7)	Интересно в общем виде выяснить, какую роль в осуществлении ука-
указанного приема играет условие интегрируемости.
Интегрируя по х равенство
дФ
найдем, как и в частном примере,
Xq

565J	g 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ
Второе равенство	Лф
даст затем для определения tp(y) условие
| = (?(д., у)-! J P(x,y)dx = Q(x, у)- J *?**.
A8)
Если последнее выражение фактически от х не зависит (т. е. при у = const
не меняется с изменением х), то простая квадратура под» приводит к выраже-
выражению для <р. Если же выражение A8) содержит х, то полученное для <р условие
противоречиво, ибо <р не должно зависеть от х. Таким образом, успех
зависит исключительно от того, свободно ли от х или нет выражение A8),
а это проще всего установить по тому, обращается ли в нуль или нет
частная производная от выражения
A8) по х. Но производная эта равна
dQ дР	,
-^ —j-; таким образом, выполнение
условия (А), и только оно, гарантирует
успех!.
8) Какому условию должна удов-
удовлетворять функция F(x, у), чтобы
выражение
F(x,y)(xdx+ydy)
было точным дифференциалом?
Ответ: хд^=уд^.
О
Рис. 28.
9)	Вывести формулы G) и (8)
п° 558 для первообразной, воспользо-
воспользовавшись выражением первообразной через криволинейный интеграл [556 D)] и
выбрав в качестве пути интегрирования один раз ломаную АСМ, а другой
раз ADM (рис. 28).
10)	Чтобы дать другой пример применения общей формулы D) п° 556 для
разыскания первообразной, решим наново по этой формуле задачу 3) (а), взяв
в качестве пути интегрирования прямолинейный отрезок, соединяю-
соединяющий начало координат с произвольной точкой (х1, у') плоскости (мы иначе
обозначаем ее координаты, чтобы не путать их с координатами х, у пере-
переменной точки пути интегрирования).
В интеграле
<*',У)
Р{Х\У')=1 \ Dхгу* — 3ys -{- 5) dx -f- (Злгу — бху — 4) dy
@, 0)
у'х , .	у'х	j
нужно у заменить на ¦—¦ (ибо у = ^—г как раз и будет уравнение пути ин-
интегрирования) и тем свести дело к вычислению обыкновенного определенного
интеграла по х от 0 до х'. В результате получим
— ~ \dx
х'3	х'3
== х'4у'3 — Зх'у'г + Ъх' — 4/,
что с точностью до обозначений совпадает с найденным выше выражением.

70	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[565
11) Установить область, в которой выражение
Pdx+Q dy = Vy'xr+yu— xdx + VVx^+f + xdy * -
является полным дифференциалом, и найти первообразную для этой области.
Решение. Имеем (при фО)
дР_	1		у _ _._ Уух^+У + х
_^	, Л У
дх VV^	ty#+* '
причем в первом случае знак плюс или минус берется в соответствии со зна-
знаком у. Таким образом, условие интегрируемости выполняется лишь для^у>0.
Ограничиваясь, в силу этого, верхней полуплоскостью, воспользуемся для
восстановления первообразной тем же приемом, что и в 10), но уравнения пря-
прямолинейного отрезка возьмем в параметрической форме:
x = x't, y=y't @<f==?l).
Тогда
- (*', У)
F(*,?)= ^ Pdx + Q dy =
@,0)
= \ {x'VVx'a+y>2-x' + у'УУ*"+У*'+Х') V~tdt =
= j (x'Vyjcir+?i — xl+y VVx'*+?*'+*').
12) Положим
^^Щ^ (A, C, AC-B^O).
Проверить выполнение условия (А) и найти циклическую постоянную, отве-
отвечающую особой точке @, 0).
Указание. Проще всего вычислить криволинейный интеграл по эллипсу
А х3 + 2Вху + Cy*=l,	(Е)
ибо тогда
\ Pdx+Qdy = 4? \ xdy—ydx
(Е\
сведется [551 A0)] попросту к площади этого эллипса, которая нам изве-
известна [339, 6I. Ср. 549, 9).
13) Если соблюдено условие интегрируемости, криволинейный интеграл
иной раз может оказаться не зависящим от пут и, а первооб]	чя функ-
функция однозначной — даже при наличии особой точки! Г ер: для
выражения
х dx+ydy
х*+у* '
* Символом у обозначен, как обычно, арифметический корень.

566]	$ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	71
имеющего особой точкой начало координат, первообразной будет, например,
функция In (л:8 -{-у% однозначная и непрерывная вместе с произ-
производными во всей плоскости (исключая начало). Читатель легко уяснит себе
что это связано с фактом обращения в нуль циклической постоянной, отве-
отвечающей началу.
14) Проинтегрировать дифференциальное выражение
~ 7^ I Г^ I "-т- ~1~ ТГГ9 **У I I 9 i Те	ГГ"". 1 dZ.
Решение. Легко проверяются «условия интегрируемости:»:
дР	dQ	 г dQ	дЦ	 1 дЦ	дР	 1 . z2 — ха
ду дх хау*' dz ду ху2' дх dz xay (ха + г2)а'
Вычисление проведем по формуле, аналогичной формуле A7), но с переста-
перестановкой ролей л: и г, и полагая при этом г0 = 0, а х0 и у0 > 0. Тогда сохра-
сохранится лишь один из трех интегралов, и мы сразу найдем:
Ф (х, у, z) = у ( ^ ^_ ^2 — -^ ] dz -j- С = arctg —
566. Приложение к физическим задачам. Вернемся в свете изложенной
теории к некоторым ранее рассмотренным задачам из области механики и фи-
физики.
1) Работа силового поля. В п° 554 мы видели, что работа силового поля
при перемещении материальной точки с массой 1 вдоль по траектории (fQ вы-
выражается криволинейным интегралом [см. 554 A8)]:
А= \Xdx+Y dy,	A9)
где Х=Х(х, у) и К=^К(лг, у) суть проекции напряжения поля на коорди-
координатные оси.
Весьма естественно заняться выяснением условий, при которых работа сил
поля зависит лишь от начального и конечного положений точки, но не от формы
траектории. Этот вопрос, очевидно, равносилен вопросу о независимости значе-
значения криволинейного интеграла A9) от пути интегрирования. Поэтому искомым
условием является равенство
дХ_д?
Ъу-~Тх'	B0)
в предположении, конечно, что область, охватываемая полем, односвязна и что
особые точки отсутствуют.
То же условие можно выразить и в такой форме: работа, сил поля при
перемещении материальной точки из одного положения в другое не за-
зависит от формы траектории в том и только в том случае, когда ъ ле-
ментарная работа
Xdx+Ydy
служит полным дифференциалом от некоторой однозначной функции
U(x,y). Эту функцию обычно называют силовой или потенциальной; в случае
ее существования само поле получает наименование потенциального.
Работа потенциального поля при перемещении точки из положения
А (х0, у„) в положение В (xlt yt) равна [см. 557 F)] просто соответствующему
приращению силовой функции:
yt) - U (*„ у0) = U(B)-U (A).

72	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[566
В качестве примера рассмотрим поле ньютоновского притяжения. Если
в начале координат О поместить массу ц, а в точку А— массу 1, то эта по-
последняя будет притягиваться к центру О с силой F, равной по величине
где г = У"л:2+У есть расстояние точки А от начала. Так как косинусы уг-
углов, составляемых этой силой с осями, будут	и — —, то проекции си-
силы F на оси выразятся так:
Непосредственно ясно, что ньютоновское поле является потенциальным,
поскольку выражение
— ^-Цг dx— Щ dy	B1)
служит дифференциалом для функции
которая и играет здесь роль потенциальной функции; ее называют ньютонов-
ньютоновским потенциалом (поля точки О). Несмотря на наличие особой точки (на-
(начало координат), функция эта однозначна: интеграл от выражения B1) по
замкнутому контуру будет нулем, даже если контур охватывает начало («цик-
(«циклическая постоянная» здесь равна нулю!).
При перемещении точки из положения А в положение В силы поля произ-
произведут работу
ГВ ГА
где гА и гв суть расстояния точек А и В от центра. При удалении точки В
в бесконечность работа превратится в	—; она будет равна как раз вели-
ГА
чине ньютоновского потенциала —, если точка перемещается из бесконечно-
г А
сти в положение А.
Примерами не потенциальных полей могут служить поля, образованные
силой
k
F = kr или F =— (k = const),
направление которой составляет угол-)--к- с направлением радиуса-вектора г.
Все сказанное здесь легко переносится и на случай пространствен-
пространственного силового поля.
2) Плоское установившееся течение несжимаемой жидкости. Если
через и, v обозначить слагающие по осям вектора-скорости, то, как мы вывели
в п° 554, 2), количество жидкости, втекающей в единицу времени через замк-
замкнутый контур (IQ внутрь, равно
Q = С v dx — udy

566]	§ 3. УСЛОВИЯ НЕЗАВИСИМОСТИ ИНТЕГРАЛА ОТ ПУТИ	73
|см. 554 B2)]. В случае несжимаемой жидкости и при отсутствии источников
и стоков этот интеграл всегда будет нулем. Отсюда следует, что слагающие
и, v вектора-скорости необходимо подчинены условию
дх ду
Тогда подинтегральное выражение v dx— и dy имеет первообразную функ-
функцию »(М) = tp (лг, у), которую в гидромеханике называют функцией тока.
Если взять любую кривую (АВ), соединяющую точки А и В, то, как из-
известно [554 B2)], количество жидкости, протекающей через нее в единицу вре-
времени в определенную с то р о н у, выражается интегралом
Q = I v dx — и dy,
причем направление на кривой (АВ) должно быть таким, чтобы нормаль,направ-
нормаль,направленная в упомянутую сторону, составляла с положительно направленной каса-
касательной угол-f--^-. Теперь мы видим, что эта величина попросту равна раз-
разности <р (В) — <р (А) значений функции тока на концах кривой!
3) Тепло, поглощенное газом. Рассмотрим вновь [554, 3)] вопрос о коли-
количестве тепла, полученном данной массой (скажем, 1 молем) идеального газа при
изменении его состояния. Если самый процесс изменения состояния газа ха-
характеризуется кривой (К) на плоскости V, то, как мы видели в п° 554, 3),
упомянутое количество тепла выразится криволинейным интегралом
[см. там B3)]:
(мы сохраняем прежние обозначения):
Если, как это делается обычно, считать теплоемкости cv и ср газа (при
постоянном объеме и при постоянном давлении) неизменными, то условие ин-
интегрируемости здесь явно нарушено. Действительно, ввиду того что срфсъ,
будет
Отсюда следует, что количество тепла U не является функцией от
состояния газа и зависит от того процесса, который к этому состоянию при-
привел. Даже при циклическом процессе, возвращающем газ в его первоначальное
состояние, газ может приобрести (или потерять) некоторое количество тепла.
Если выражение элементарного количества тепла
	^„. , R
1	pV
умножить на -=, где Г=%- есть абсолютная температура газа, то придем к
выражению
dU _ dV dp
T~CpV + CvJ'
которое явно представляет собой полный дифференциал. Первообразной здесь
служит функция
S = ср In V+cv\n р.

74	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	|567
Криволинейный интеграл
Т ш
т
)
уже не зависит от пути интегрирования, соединяющего постоянную точку
(УоуРо) с переменной точкой (V, р)и лишь постоянной отличается от указан-
указанной выше функции S. Этим интегралом определяется некоторая физическая вели-
величина (так называемая энтропия), уже являющаяся функцией состояния газа
и играющая важную роль в тепловых расчетах.
§ 4. Функции с ограниченным изменением
567. Определение функции с ограниченным изменением. На-
Настоящий параграф представляет некоторое отступление от основной
линии этой главы. Он посвящен ознакомлению читателя с важным
классом функций (указанным в заголовке), который был введен в
науку Жорданом (С. Jordan). Этот класс функций будет играть
основную роль в том обобщении понятия определенного интеграла,
которым мы займемся в следующем параграфе. Впрочем, и во многих
других вопросах математического анализа класс функций с ограни-
ограниченным изменением имеет важное значение.
Пусть функция f(x) определена в некотором конечном промежутке
[а, Ь), где а<^Ь. Разложим этот промежуток произвольным образом
на части с помощью точек деления:
(подобно тому, как мы это делали при составлении интегральных
или римановых сумм, устанавливая понятие определенного интеграла).
Из абсолютных величин приращений функции, отвечающих отдельным
частичным промежуткам, образуем сумму
i=0
Теперь весь вопрос в том, будет ли множество этих чисел, отве-
отвечающих различным способам дробления промежутка [а, Ь] на части,
ограничено сверху или нет.
Если суммы A) в их совокупности ограничены сверху, то го-
говорят, что функция f(x) в промежутке [а, Ь] имеет о гран и-
ченное изменекие (или ограниченную вариацию). При этом
точную верхнюю границу этих сумм называют полным изме-
изменением (или полной вариацией) функции в указанном промежутке
и обозначают символом

567]	§ 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	75
Можно применять это понятие и • в случае функции не ограниченного
изменения, но тогда полное изменение будет равно -f- <х>.
По самому определению точной верхней границы, в обоих слу-
случаях, надлежаще выбирая подразделения промежутка [а, Ь], можно
достигнуть произвольной близости сумм v к полному изменению
\f(x). Иными словами, можно выбрать такую последовательность
а
подразделений, чтобы полное изменение служило пределом для
последовательности соответствующих сумм v.
Иногда ставится вопрос об ограниченности изменения функции
/(л)вбесконечном промежутке, например, в промежутке [а, -]-- °°]-
Говорят, что функция fix) имеет ограниченное изменение в. про-
промежутке [а, -{- оо], если она является функцией с ограниченным
изменением в любой его конечной части [а, А] и полные измене-
изменения у f(x) ограничены в их совокупности. Во всех случаях мы
а
полагаем
+оо
= sup {V/Wl.
A>a \	J
Отметим, что в этих определениях никакой роли не играет вопрос
о непрерывности функции f(x).
Примером функции с ограниченным изменением в конечном или
бесконечном промежутке [а, Ь] может служить любая ограничен-
ограниченная монотонная функция. Если промежуток [а, Ь] конечный, то
это сразу следует из того, что '
п-1	п-1
*= 21/(*м)-/(*<I = | 21/(*м)-/(*1
ft
так что и \ f(x) = \f(b)—f(a)\. Для промежутка [a, -J- оо], оче-
а
видно, будет
+00
= sup \\f(A)-f(a) | } = |/(+ «о) -/(а) |,
А>а
а
разумея под /(-)- оо), как обычно, предел lim /(Л).
Л-» + оо
Дадим теперь пример непрерывной функции, которая, однако, не
будет функцией с ограниченным изменением. Положим
= xcos^ (для

76	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[568
и рассмотрим, например, промежуток [0, 1]. Если за точки деления этого про-
промежутка принять точки
то, как легко убедиться,
и [см. 365, 1)]
1
V f (*) = SUP М = + «>•
568. Классы функций с ограниченным изменением. Мы уже
упоминали о том, что монотонная функция имеет ограничен-
ограниченное изменение. Можно следующим образом расширить этот класс
функций:
1°. Если функция f{x), заданная в промежутке [а, Ь], такова,
что этот промежуток может быть разложен на конечное число
частей
iak> ak+i] (k = 0, 1, ... , от —1; ао = а, am = b),
в каждой из которых f(x) монотонна *, то она имеет в [а, Ь]
ограниченное изменение.
Разбив произвольным образом промежуток [а, Ь] на части, соста-
составим сумму v. Так как от присоединения каждой новой точки деле-
деления сумма v может разве лишь увеличиться **, то, присоединив к
точкам деления все точки ak, о которых была речь выше, мы полу-
получим сумму v ^>= v. Если выделить из суммы v те слагаемые, которые
относятся к промежутку [ak, ak+l], то, обозначая их сумму значком (&)
наверху, будем иметь
так что
Так как произвольная сумма v не превосходит этого числа, то оно
и будет полным изменением функции.
* Про такую функцию говорят, что она кусочно-монотонна в про-
промежутке [а, Ь].
** Если между xt и xi+l вставлена точка х', то слага емое |/(х,-+1) —/(*,•) |
заменяется суммой

568J	§ 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	77
2°. Если функция f(x) в промежутке [а, Ь] удовлетворяет
условию
\f(x)-f(x)\^L\x~x\,	C)
где L^const, ахи х — любые точки промежутка*, то она
имеет ограниченное изменение, причем
ь
V f(x)^L(b-a).
а
Это следует из неравенства
п-1	п-1
v= Ц |/(*w - f(xt) |<i^ (xi+l - xt) = L(b~ a).
j = 0	« = 0
В частности,
3°. Функция f(x) будет в промежутке [а, Ь] функцией с огра-
ограниченным изменением, если она имеет в нем ограниченную произ-
производную: \f (x)\^L (где L = const).
В самом деле, по теореме о среднем в этом случае
так что выполнено условие Липшица C).
На основании этого замечания можно, например, утверждать ограничен-
ограниченность изменения функции
= *« sin J (*540),/@)=0
в любом конечном промежутке, ибо производная ее
ограничена. Любопытно отметить, что в каждом промежутке, содержащем
точку 0, эта функция «бесконечно колеблется», т. е. бесконечное число раз
переходит от возрастания к убыванию, и наоборот.
Обширный класс функций с ограниченным изменением дается сле-
следующим предложением:
4°. Если f(x) в конечном (или даже в бесконечном) проме-
промежутке [а, Ь] представима в виде интеграла с переменным верх-
верхним пределом:
\	D)
* Это условие обычно называется условием Липшица (R. Lipschitz).

78	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА. E68
где <р (t) предполагается абсолютно интегрируемой * » этом про-
промежутке, то f(x) имеет в нем ограниченное изменение. При этом
a	a
Пусть [a, b] — конечный промежуток; тогда
n-l	n-1 *l + \
S
1=0 х{
откуда и следует наше утверждение.
Если же речь идет о бесконечном промежутке [a, -J- оо], то до-
достаточно заметить, что
\<?(t)\dt
а	а	а
Замечание. Можно доказать, что как в случае конечного, так
и в случае бесконечного промежутка на самом деле имеет место
точное равенство
Если же функция <р(^) в промежутке [а, Ь) интегрируема, но не
абсолютно, то полное изменение/(лг) заведомо бесконечно. Мы
не будем останавливаться на этом, но поясним лишь последнюю часть
замечания примерами.
Пусть f(x) = х2 sin ^j (х ф 0), / @) = 0, так что
Тогда, например, для
X
* Т. е. интегрируемой (хотя бы в несобственном смысле) вместе со своей
абсолютной величиной | у@1 •

f 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	79
но в п* 482 мы показали, что интеграл этот — неабсолютно сходящийся. Поль-
Пользуясь той же идеей, что и там, разложим промежуток [0, 2] точками
2/1-1,
для соответствующей суммы v, очевидно, будет
откуда и следует, что
о
Аналогично этому легко показать, что функция
/W
в промежутке [0, + оо] имеет неограниченное изменение [ср. 476].
669. Свойства функций с ограниченным изменением. Промежу-
Промежуток [а, Ь], в котором здесь рассматриваются все функции, предпо-
предполагается конечным.
1°. Всякая функция с ограниченным изменением ограничена.
В самом деле, при а<^х'^.Ь имеем
ь
откуда
~f(a) | +1/(а)
2°. Сумма, разность и произведение двух функций f(x) a g(x)
с ограниченным изменением также являются функциями с огра-
ограниченным изменением.
Пусть s(x)=f(x)±g(x). Тогда
- s (*,) | < |/(xi+1) -f{Xi) | +1 g(xi+i) - g(Xi} |

80	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	J569
и, суммируя по значку /,
откуда следует
V
Положим теперь p(x)=f(x)g(x) и пусть для
\/(х) \^К, | g(x) К Z, (/С, I = const)
[см. 1°]. Очевидно,
откуда уже легко получить, что
ь	ь	ь
\р(х)^к\ g(x) + L\f(x).
а	а	а
3°. Если f(x) и g(x) суть функции с ограниченным изменением
fix)
и, сверх того, \g(x)\~^a^>0, то и частное ^f-\ будет функ-
цией с ограниченным изменением.
Ввиду свойства 2°, достаточно доказать ограниченность измене-
изменения функции h (х) = —г-г. Имеем
w	v ' g{x)
так что
ь
\g(x).
4°. Пусть функция f(x) определена в промежутке [а, Ь] и
a<^c<^b. Если функция f(x) имеет ограниченное изменение
в промежутке [а, Ь], то она имеет ограниченное изменение и

¦569]	§ 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	81
в каждом из промежутков [а, с] и [с, Ь], и обратно. При этом
b	с	b
f(x) + Yf(x).	E)
а	а	с
Пусть f(x) имеет ограниченное изменение в [а, Ь\. Разложим на
части каждый из промежутков [а, с] и [с, Ь] порознь:
.. <2Г„ = &; F)
этим будет разбит на части и весь промежуток [а, Ь]. Составим
суммы отдельно для промежутков [а, с] и [с, Ь\.
ъ = 2 1/(у*+о -/о») I. ^=S i/(zw) -/(**) I;
k	i
соответствующая сумма для промежутка [а, Ь] будет v = Vi-\-Vi.
Таким образом
и, следовательно, каждая из сумм vt, г»9 порознь ограничена, т. е.
функция f(x) оказывается с ограниченным изменением в промежут-
промежутках [а, с] и [с, Ь]. Выбирая подразделения F) так, чтобы суммы г>,
и г»а стремились к соответствующим полным изменениям, в пределе
получим
ebb
V / w < V/
Допустим теперь, что f(x) имеет ограниченное изменение в каж-
каждом из промежутков [а, с] и [с, Ь]. Произведем произвольное разбие-
разбиение промежутка [а, Ь] на части. Если точка с не входит в состав
точек деления, то мы ее дополнительно введем, отчего, как мы знаем *,
сумма v может лишь увеличиться. Сохраняя прежние обозначения,
будем иметь
с	b
Отсюда сразу вытекает ограниченность изменения f(x) в проме-
промежутке [а, Ь\ и неравенство.
* См. сноску ** на стр. 76.

82	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	1570
Наконец, из G) и (8) следует Щ
Из доказанной теоремы, в частности, вытекает:
5°. Если в промежутке [а, Ь] функция f(x) имеет ограничен-
ограниченное изменение, то для а^х^.Ь полное изменение
будет монотонно возрастающей (и ограниченной) функцией от х.
Действительно, если a «S x" <^ x" «g; b, то
х" ,	х'	х"
а	а	х'
так что
X"
0	(9)
х'
(так как по самому определению полного изменения оно не может
быть отрицательным числом).
Теперь становится ясным, что определение полного изменения
в бесконечном промежутке [а, -|-оо] вместо B) может быть
дано в следующей форме:
+оо	А
f(x).	B*)
С помощью этого замечания теоремы настоящего п° легко обоб-
обобщаются и на случай бесконечного промежутка.
570. Критерии для функций с ограниченным изменением. Пусть
функция f(x) определена в конечном или бесконечном промежут-
промежутке [а, Ь].
6°. Для того чтсбы функция f(x) имела в промежутке [а, Ь]
ограниченное изменение, необходимо и достаточно, чтобы для
нее в этом промежутке существовала монотонно возрастающая
и ограниченная функция F(x), такая, что в любой части [х', х"],
(х'<^х") промежутка [а, Ь] приращение функции f no абсолют-
абсолютной величине не превосходит соответствующего приращения функ-
функции F:
* Можно было бы, впрочем, ограничиться и неравенством без знака абсо-
абсолютной величины:
«")-/ С*1) ^ F (х") -F (х-).

670]	§ 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	83
[Функцию F(x), обладающую этим свойством, естественно было бы
назвать мажорантой для функции/(jc).]
Необходимость следует из того, что для функции /(jc)
с ограниченным изменением роль мажоранты может играть, например,
функция
монотонно возрастающая и ограниченная в силу 5°. Неравенство
¦ .	х"
\f{x") -fix') | ^ g(x") ~g(x') = \f(t)
х'
вытекает из самого определения полного изменения функции.
Достаточность для случая конечного промежутка видна сразу
из неравенства
1=0	i = 0
а для бесконечного — получается предельным переходом.
Очень важной является другая форма критерия:
7°. Для того чтобы функция fix) имела в промежутке [а, Ь]
ограниченное изменение, необходимо и достаточно, чтобы она
представлялась в этом промежутке в виде разности двух моно-
монотонно возрастающих и ограниченных функций:
f(x) = g(x)-h(x).	A0)
Необходимость. В силу 6°, для функции/(jc) с ограничен-
ограниченным изменением существует монотонно возрастающая и ограниченная
мажоранта F(x). Положим
h(x) = F(x)-f(x),
так что A0) выполнено. Остается убедиться в монотонности функ-
функции п(ху, но при jc'<^jc"
h (x") - h {x') = [F (x") - F (x')] - [f(x") -f(x')] ^ 0
по самому определению мажоранты.
Достаточность ясна из того, что при наличии равенства A0)
функция
служит мажорантой, ибо

84	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[571
В виде упражнения предлагается читателю:
1)	опираясь на установленные критерии, наново доказать утвер-
утверждения 1° — 4° предыдущего п°;
2)	для рассмотренных в п° 568 классов функций с ограниченным
изменением непосредственно установить наличие монотонной мажо-
мажоранты и возможность представления в виде разности монотонных
функций.
По поводу теоремы 7° сделаем дополнительное замечание.
Так как функции g и h обе ограничены, то путем прибавления к ним
одной и той же постоянной всегда можно добиться того, чтобы они
обе стали положительными. Точно так же, прибавляя к функ-
функциям g и h какую-либо возрастающую в строгом смысле, но ограни-
ограниченную функцию (например, arctgx), придем к такому разложению
вида A0), где обе функции будут уже строго возрастающими.
Установленная в 7° возможность сведения функций с ограничен-
ограниченным изменением в некотором смысле к монотонным функциям не
должна создавать у читателя иллюзий относительно «простоты» пове-
поведения функций с ограниченным изменением: ведь бесконечно
колеблющаяся функция	t
f(x) = x* sin ~ (хф 0), /@) = 0,
х
„о
которая была рассмотрена в п° 568, тоже допускает представление
в виде разности двух монотонных функций!
Тем не менее, именно в связи с представлением A0), некоторые
свойства монотонных функций переносятся и на функции с ограни-
ограниченным изменением. Так, если вспомнить, что для монотонной огра-
ограниченной функции f{x) при любом х — хй существуют односторон-
односторонние пределы, слева и справа,
/(*e-0)= lim f(x), /(*в + 0)= lim fix) A1)
х-+х0 — 0	x	+ Q
[71, 1°], то, применяя это сеойстео к каждой из функций g и h,
заключим, что и
8°. Для функции fix) с ограниченным изменением в проме-
промежутке [а, Ь] в любой точке х = х0 этого промежутка суще-
существуют конечные односторонние пределы A1)*.
571. Непрерывные функции с ограниченным изменением.
9°. Пусть в промежутке [а, Ь] задана функция fix) с ограни-
ограниченным изменением. Если fix) в некоторой точке х = х0 непре-
непрерывна, то в этой же точке непрерывна и функция
gix)=\fit).
* Конечно, если х0 есть один из концов промежутка, то речь может идти
только об одном из этих пределов.

571)	§ 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	85
Предположим, что хл<^Ь, и докажем, что g(x) непрерывна
в точке хй справа. С этой целью, взяв произвольное е ^> 0, разло-
разложим промежуток [xq, Щ точками
*oOi<-¦•<>„ = *
на части так, чтобы оказалось
я- 1	Ь
v= 2 \f(xt+o-f(xd\>\/m-^	(I2)
Г= 0	х„
Опираясь на непрерывность функции f(x), можно предположить
при этом, что jci уже настолько близко к х0, что выполняется нера-
неравенство .
|/(*i)-/(*,) |< е
(в случае надобности, можно было бы вставить еще одну точку
деления, отчего сумма v разве лишь увеличилась бы). Тогда из A2)
следует, что
ft	п- 1
п- 1
^ А*.Ч.) -/(**) I < 2е + V
i! = 1	Xt
стало быть,
XI
или, наконец,
@ ()< 2е.
Отсюда и подавно
О < Я(^о + 0) — ?
следовательно, ввиду произвольности е,
Аналогично доказывается, что (при JCo ^> а)
g(x9—0)=g(x0),
т. е. что g(x) в точке лг0 непрерывна слева.
Из доказанной -теоремы вытекает такое следствие:
10°. Непрерывная функция с ограниченным изменением пред'
ставима в виде разности двух непрерывных же возрастаю-
возрастающих функций.

86	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	|571
В самом деле, если вернуться к доказательству предложения 7°
(в части, относящейся к необходимости) и в качестве моно-
монотонной мажоранты взять именно функцию
непрерывную в силу 9°, то и получится требуемое разложение.
В заключение покажем, что для непрерывной функции в оп-
определении полного изменения:
ь
supremum можно заменить пределом как в том случае, когда полное
изменение конечно, так и в том, когда оно бесконечно.
11°. Пусть функция f(x) непрерывна в конечном промежут-
промежутке [а, Ь]. Разложив этот промежуток, на части точками
и составив сумму
п- 1
« = 0
будем иметь
ь
llm v=\f(x),	A3)
Х->0	*
а
где X = max (лг,+1 — jcf) *.
Как уже отмечалось, сумма v не убывает от добавления новой
точки деления **. С другой стороны, если эта новая точка попадает
в промежуток между xk и xk+l, то увеличение суммы v, проистекаю-
проистекающее из появления этой точки, не превосходит удвоенного ко-
колебания функции f(x) в промежутке [xk, xk+i\.
Заметив это, возьмем какое-либо число
и найдем сумму v* такую, что
г»*>А	(И)
* Здесь имеется в виду предельный переход такого же типа, как и для
римановых сумм или сумм Дарбу [259, 30].
** См. сноску ** на стр. 76.

572j	§ 4. ФУНКЦИИ С ОГРАНИЧЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ	87
Пусть эта сумма отвечает следующему способу деления:
Выберем теперь столь малое 8^>0, что
лишь только | х" — х" | <^ 8 (это сделать можно ввиду равномерной
непрерывности функции /). Докажем, что для любого способа деле-
деления, которому отвечает Х<^8, будет
г»>А	A5)
В самом деле, имея подобный способ деления (I), составим новый
способ (II), получающийся из (I) добавлением всех точек х%. Если
способу (II) отвечает сумма г»0, то
¦»oS=f*.	A6)
С другой стороны, способ (II) получается из (I) путем (самое
большее) /й-кратного добавления по одной точке. Так как каждое
, v* — А
добавление вызывает увеличение суммы v, меньшее, чем —s	> т0
^ v*—A .
Отсюда, а также из A6) и A4), следует, что
v*-A
2 ^ 2
Итак, при \<^Ь выполнено A5); но, поскольку всегда
а
о действительно имеет место A3), что и требовалось доказать.
672. Спрямляемые кривые. Понятие функции с ограниченным
изменением находит себе применение в вопросе о спрямляемости
кривой линии, в связи с которым названное понятие и было впервые
введено Жорданом. Изложением этого вопроса мы хотим заклю-
заключить настоящий параграф.
. Пусть кривая (К) задана параметрическими уравнениями
* = ?@> y = ^(t),	A7)
где функции ср(?) и ф(<) предположены только непрерывными. Допу-
Допустим при этом, что кривая не имеет кратнцх точек.
Взяв вершины вписанной в кривую ломаной в точках кривой,
отвечающих значениям параметра
=7;	A8)

88	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[572
будем иметь для периметра ломаной выражение
Р= %У[<? См) - ? С/)]' + [Ф См) - Ф ft)]'-
i = 0
Как мы знаем [247], длина 5 рассматриваемой дуги кривой опре-
определяется как точная верхняя граница множества всех периметров р.
Если эта граница конечна, кривая и называется спрямляемой.
Достаточные условия спрямляемости мы указали уже в первом томе
[278]. Нижеследующая теорема устанавливает самые общие — необхо-
необходимые и достаточные условия для этого.
Теорема Жордана. Для спрямляемости кривой A7) необходимо
и достаточно, чтобы функции <р (t) и ф (t) обе имели ограниченное
изменение в промежутке [ta, T].
Необходимость. Если кривая спрямляема и имеет длину s,
то при любом подразделении A8) промежутка [t0, Т] имеем
Р= S У\чСм)- ?С*)]' + [фСм) - Фft)]' <s>
откуда, в силу очевидного неравенства
I ? См) - ? ft) I < V"l<P См) - 9 ft)]2 + 1Ф См) - Ф ft)]'.
следует, что
п-1
/==0
так что функция <f(t), действительно, имеет ограниченное изменение.
Аналогичное заключение применимо и к функции ф (t).
Достаточность. Допустим теперь, что обе функции <р(t) и
ф {t) имеют ограниченное изменение. Ввиду очевидного неравенства
Р = "% У [? См) - ? С«)Г2 + [ф См) - Ф ft-)]2 <
< 2 IT См) - ? ft) I + "Ё 1Ф См) - Ф ft) I
можно утверждать, что все числа р ограничены сверху, например, числом
т	т
а отсюда по доказанному выше уже вытекает спрямляемость кри-
кривой (/С).

573J	§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	89
Присовокупим еще два важных замечания.
Из только что сказанного явствует, что вся длина s кривой A7)
удовлетворяет неравенству
Рассматривая переменную дугу s = s(f), отвечающую промежутку
[t9, t] изменения параметра, применим написанное неравенство к про-
промежутку [t, t -)- Д^], где, скажем, At ^> 0. Тогда
Так как при бесконечно малом Д^ обе вариации справа [в силу 571
9°], а с ними и As, также бесконечно малы, то мы приходим к заклю-
заключению: для непрерывной спрямляемой кривой переменная дуга s(t)
является непрерывной функцией параметра.
Так как эта функция монотонно возрастает от 0 до длины 5 всей
кривой, то, каково бы ни было натуральное число я, можно себе
представить кривую разделенной на я частей длины — [теорема
К о ш и, 82]. Если плоскость покрыта сеткой квадратов со стороной
—, то каждая из упомянутых частей не может встретить больше четы-
четырех таких квадратов. Таким образом, сумма площадей всех квадратов,
встречающих нашу кривую, во всяком случае не превосходит 4я • -j
и может быть сделана сколь угодно малой: кривая имеет площадь
нуль.
Отсюда — такое интересное следствие: область, ограниченная
спрямляемой кривой {или несколькими такими кривыми), за-
заведомо к в адриру е ма, т. е. имеет площадь [337].
§ 5. Интеграл Стилтьеса
573. Определение интеграла Стилтьеса. Интеграл Стилтьеса
(Th. J. Stieltjes) является непосредственным обобщением обычного
определенного интеграла Р и м а н а [295]. Определяется он следующим
образом.
Пусть в промежутке [а, Ь] заданы две ограниченные функции
f(x) и g(x). Разложим точками
a = jfo<x,<x2<...<xn_1<xn = ft	A)
промежуток [a, b] на части и положим X = max Ax{. Выбрав в каж-
каждой из частей [xit xM] (i = 0, 1, .... я—1) по точке $,•, вычислим

90	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	|573
значение /($,) функции f(x) и умножим его на соответст-
соответствующее промежутку [xt,xi+i] приращение функции g(x)
&g (xt) — g (лг,+1) — g (хд.
Наконец, составим сумму всех таких произведений:
E	)•	B)
Эта сумма носит название интегральной суммы Стилтьеса.
Конечный предел суммы Стилтьеса а при стремлении
Х = тахДлг,- к нулю называется интегралом Стилтьеса функ-
функции f(x) по функции g(x) и обозначается символом
\f(x)dg(x) = lim a = lim ? /fc) ?bg{xt) *.	C)
x->o x-*o 4_0
a
Иной раз, желая особенно отчетливо подчеркнуть, что интеграл
рассматривается в смысле Стилтьеса, употребляют обозначение
ь	ь
(S)^f(x)dg(x) или S/C*) <**(•*)•
а	а
Предел здесь понимается в том же смысле, что и в случае обык-
обыкновенного определенного интеграла. Точнее говоря, число / называется
интегралом Стилтьеса, если для любого числа е^>0 существует
такое число 8^>0, что лишь только промежуток [а, Ь] раздроблен
на части так, что Х<^8, тотчас же выполняется неравенство
как бы ни выбирать точки ^ в соответствующих промежутках.
При существовании интеграла C) говорят также, что функция
f(x) в промежутке [а, Ь] интегрируема по функции g(x).
Читатель видит, что единственное (но существенное) отличие дан-
данного выше определения от обычного определения интеграла Р и м а н а
состоит в том, что /(?г) умножается не на приращение Длг,- незави-
независимой переменной, а на приращение Д?(лгг) второй функции. Таким
образом, интеграл Р и м а н а есть частный случай интеграла Стил-
Стилтьеса, когда в качестве функции g(x) взята сама независимая пере-
переменная х:
* Мы для определенности предполагали а < Ь\ нетрудно аналогично рас-
рассмотреть и случай, когда а>Ь. Впрочем, он непосредственно приводится
к предыдущему ввиду равенства \ = — \.
a	b

574J	§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	91
574. Общие условия существования интеграла Стилтьеса.
Установим общие условия существования интеграла Стилтьеса,
ограничиваясь, впрочем, предположением, что функция g(x) моно-
монотонно возрастает.
Отсюда следует} что при а<^Ь теперь все Ag(X;)^>0, напо-
наподобие того, как раньше было Длг,^>0. Это позволяет слово за сло-
словом, заменяя лишь Длг,- на Д^(лг(), повторить все построения пп°
296 и 297.
Аналогично суммам Дарбу, и здесь целесообразно ввести суммы
я—1 .	п—1
«= 0	i = О
где mt и Mt означают, соответственно, нижнюю и верхнюю точные
границы функции f(x) в 1-й промежутке [xt, xiAri]. Эти суммы мы
будем называть нижней и верхней суммами Дарбу—Стилтьеса.
Прежде всего, ясно, что (при одном и том же разбиении)
причем s и S служат точными границами для стилтьесовых сумм о.
Сами суммы Дарбу — Стилтьеса обладают, как и в простей-
простейшем случае [296], следующими двумя свойствами:
1-е свойство. Если к имеющимся точкам деления добавить
новые точки, то нижняя сумма Дарбу — Стилтьеса может
от этого разве лишь возрасти, а верхняя сумма —разве лишь
уменьшиться.
2-е свойство. Каждая нижняя сумма Дарбу — Стил-
Стилтьеса не превосходит каждой верхней суммы, хотя бы и отве-
отвечающей другому разбиению промежутка.
Если ввести нижний и верхний интегралы Дарбу — Стил-
Стилтьеса:
/!)! = sup{s} и /* = i
то оказывается, что
Наконец, с помощью сумм Дарбу — Стилтьеса легко устана-
устанавливается для рассматриваемого случая основной признак
существования интеграла Стилтьеса:
Теорема. Для существования интеграла Стилтьеса необ-
необходимо и достаточно, чтобы было
X —О
или
-1
Нш 2 «*Aff(*i) = 0,	D)
Х-0 i=i

92	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	|575
если под ш,-, как обычно, разуметь колебание УИ,- — Щ функции f(x)
в 1-й промежутке [х{, лг,-+1].
Все доказательства, как указывалось, копируются с соответствую-
соответствующих доказательств, проведенных в пп° 296, 297, и мы можем предо-
предоставить их читателю.
В следующем п° мы применим этот критерий к установлению важ-
важных парных классов функций f{x) и g(x), для которых интеграл
Стилтьеса существует.
575. Классы случаев существования интеграла Стилтьеса.
I. Если функция f(x) непрерывна, а функция g(x) имеет огра-
ограниченное изменение, то интеграл Стилтьеса
ь
\f{x)dg(x)	E)
существует.
Сначала предположим, что g(x) монотонно возрастает: тогда при-
применим критерий предыдущего п°. По произвольно заданному е^>0
ввиду равномерной непрерывности функции f(x) найдется такое
8^>0, что в любом промежутке с длиной, меньшей 8, колебание/(jc) бу-
будет меньше —-т-	г~р Пусть теперь промежуток [а, Ь] произвольно
разбит на части так, что X = max Длг,- <^ 8. Тогда все ю,<^ . '—р
g(b)-g(a)
откуда и следует выполнение условия D), а стало быть и существо-
существование интеграла.
В общем случае, если функция g(x) имеет ограниченное изме-
изменение, она представима в виде разности двух ограниченных возра-
возрастающих функций: g(.*0 = g-i(.xr) — gi(x) [575, 7°]. В соответст-
соответствии с этим преобразуется и сумма Стилтьеса, отвечающая функ-
функции g(x):
Так как по уже доказанному.каждая из сумм о, и <з2 при Х-»-О
стремится к конечному пределу, то это справедливо и относительно
суммы з, что и требовалось доказать.
Можно ослабить условия, налагаемые на функцию f(x), если одно-
одновременно усилить требования к функции g(x):

575J	§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	93
II. Если функция f(x) интегрируема в [а, Ь] в смысле Ри-
мана, a g(x) удовлетворяет условию Липшица:
\g(x)-g(x)\^L(x-x)	F)
(L — const, a < Jt < Jc < ?),
то интеграл E) существует.
Для того чтобы опять иметь возможность применить установлен-
установленный выше критерий, предположим сначала функцию g(x) не только
удовлетворяющей условию F), но и монотонно возрастающей.
Ввиду F), очевидно* Д^(лг,M?1Длгг, так что
л—1	л—1
i = 0	i = 0
Но последняя сумма при X —>0 и сама стремится к 0 вследствие ин-
интегрируемости (в смысле Р и м а н а) функции f(x) [297], а тогда
стремится к нулю и первая сумма, что доказывает существование
интеграла E).
В общем случае функции g(x), удовлетворяющей условию Лип-
Липшица F), представим ее в виде разности
g(x) = Lx — [Lx — g(x)] = gt (x) — g, (x).
Функция gi (x) = Lx, очевидно, удовлетворяет условию Липшица
и в то же время монотонно возрастает. То же справедливо и для
функции .ga(jc) = Zjc — g(x), так как, в силу F), при	^
В таком случае- рассуждение завершается, как и выше.
III. Если функция f(x) интегрируема в смысле Римана, а
функция g(x) предетавима в виде интеграла с переменным верх-
верхним пределом:
X
G)
где y(t) абсолютно интегрируема в промежутке [а, Ь], то
интеграл E) существует.
Пусть ip(t)^O, так что g(x) монотонно возрастает. Если ср(?)
интегрируема в собственном смысле и, следовательно, ограничена:
| <р (t) | s^L, то для a sg; x <^ x ^ b имеем
X
\g{x) — g(x)\= \<?(t)dt ^L{Jc — x).

94	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	E75
Таким образом, в этом случае g(x) удовлетворяет условию Лип-
Липшица, и интеграл существует в силу II.
Предположим теперь, что <р(?) интегрируема в несобственном
смысле. Ограничимся случаем одной особой точки, скажем Ь. Прежде
всего, по произвольно взятому е ^> О выберем tq ^> 0 так, чтобы было
\	55,	(8)
6-4
где 2 — общее колебание функции/(х) в рассматриваемом проме-
промежутке.
Разобьем промежуток [а, Ъ\ по произволу на части и составим
сумму
2= %
Она разлагается на две суммы ^2==2Ч~л2"> из коих первая отве-
отвер
чает промежуткам, целиком содержащимся в промежутке а, Ъ — -5-L
а вторая — остальным промежуткам. Последние наверное содержатся в
промежутке \Ъ — tq, b], если только Х = тахДлг,<^-3-; тогда,
в силу (8),
ь ,
Ь—ц
С другой стороны, так как в промежутке I a, b — ~-\ функция <р(t)
интегрируема в собственном смысле, то по доказанному при достаточно
малом X и сумма ?' станет меньше 4-. Отсюда следует D), что и
требовалось доказать.
В общем случае, когда функция <p(t) абсолютно интегрируема
в промежутке [а, Ь], мы рассмотрим функции
очевидно, неотрицательные и интегрируемые в названном промежутке.
Так как
то вопрос сводится, как и выше, к уже рассмотренному случаю.
Замечание. Пусть функция g(x) непрерывна в промежутке
[а, Ь] и имеет, исключая разве лишь конечное число точек, произ-

576J	S 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	95
водную g" (х), причем эта производная * интегрируема (в собственном
или несобственном смысле) от а до Ь\ тогда, как известно [470°, за-
замечание], имеет место формула типа G):
Если g"(x) абсолютно интегрируема, то к функции g(x) полно-
полностью приложимо изложенное в III.
676. Свойства интеграла Стилтьеса. Из определения интеграла
Стилтьеса непосредственно вытекают следующие его свойства:
1°.
2°. $ [/, (х) ±/, (*)] <**(*) = $/, (x) dg(x) ± J/, (x) ^(x);
a	a	a .
3°. \f(x) d [gl (x) ±й (x)] = $/(*) rfft (x) ± \f(x) dgt (x);
a	a	a
4°. I kf(x) d [Ig (x)] = kl If(x)dg(x) (k, 1= const).
a	a
При этом в случаях 2°, 3°, 4° из существования интегралов в пра-
правой части вытекает существование интеграла в левой части.
Затем имеем
5°. \f(x) dg(x) = ^ f(x) dg (x) -f- \f(x) dg(x),
а	а	с
в предположении, что а<^с<^Ь и существуют все три интеграла.
Для доказательства этой формулы достаточно лишь озаботиться
включением точки с в число точек деления промежутка [a, b] при
ь
составлении суммы Стилтьеса для интеграла \fdg.
а
По поводу этой формулы сделаем ряд замечаний. Прежде всего,
ь
из существования интеграла \fdg следует уже существование
а
с	b
обоих интегралов \fdg и \fdg.
йч • Если ее значения в точках, где она не существует, выбрать по про-
Вйводу.

96	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	E76
Для своеобразного предельного процесса, с помощью которого
из стилтьесовой суммы получается интеграл Стилтьеса, имеет
место принцип сходимости Больцано — Кош и. Таким образом, по
ь
заданному е^>0 ввиду существования интеграла \fdg найдется та-
кое Ь ^> 0, что любые две суммы а и а Стилтьеса, которым отве-
отвечают X и Х<Г8, разнятся меньше чем на е. Если при этом в состав
точек деления включить точку с, а точки деления, приходящиеся на
промежуток [с, Ь], брать в обоих случаях одними и теми же, то раз-
разность а — а сведется к разности <ji — а1 двух сумм Стилтьеса, от-
лосящихся уже к промежутку [а, с], ибо прочие слагаемые взаимно
уничтожатся. Применяя к промежутку [а, с] и вычисленным для него
стилтьесовым суммам тот же принцип сходимости, заключим о суще-
с
ствовании интеграла \fdg. Аналогично устанавливается и суще-
ь
ь ¦
ствование интеграла \fdg.
с
Особенно заслуживает быть отмеченным тот не имеющий прецеден-
с	Ь
тов факт, что из существования обоих интегралов \fdg и \fdg,
вообще говоря, не вытекает существование интеграла \fdg.
Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть пример. Пусть в про-
промежутке [—1, 1] функции f{x) и g(;t) заданы следующими равенствами:
0 при —
Легко видеть, что интегралы
о
]f(x)dg{x), \f{x)dg{x)
оба существуют и равны 0, ибо соответствующие им суммы Стилтьеса все
равны 0: для первого это следует из того, что всегда f(x) = 0, для второго —
из постоянства функции g(x), благодаря чему всегда Ag(xi) — 0.
В то же время интеграл
1
\f(x)dg{x)

577]	§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	97
не существует. Действительно, разобьем промежуток [—1,1] на части так,
чтобы точка 0 не попала в состав точек деления, и составим сумму
я-1
i=0
Если точка 0 попадает в промежуток [х^, хк+1], так что xft < 0 < xk+l, то
в сумме а останется только одно й-е слагаемое; остальные будут нули, потому
что bg(Xi)—g(xi+1) — g(Xi) = 0 для i^zk. Итак,
=/(?*) \g (xk+i)-g (**)] =/<?*).
В зависимости от того, будет ли ?й<; 0 или 5й>0, окажется а = 0или а = 1,
так что а предела не имеет.
Указанное своеобразное обстоятельство связано с наличием разрывов в
точке х = 0 для обеих функций f(x) и g (х) [см. 584, 3) и 4)].
677. Интегрирование по частям. Для интегралов Стилтьеса
имеет место формула
]f(x)dg(x)=f(x)g(x)
-\g(x)df(x),	(9)
в предположении, что существует один из этих интегралов; суще-
существование другого отсюда уже вытекает. Формула эта носит название
формулы интегрирования по частям. Докажем ее.
ь
Пусть существует интеграл \gdf. Разложив промежуток [а, Ь\
а
на-части [xt, xi+l] (i = 0, 1, ... , п—1), выберем в этих частях про-
произвольно по точке ?,-, так что
Сумму Стилтьеса для интеграла
а
я-1
«=
«=о
можно представить в виде
4 П М, Фихтенгольц, т, III

98'	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
Если прибавить и отнять справа выражение
f{x)g{x)\ba=f(b)g(b)-f{a)g(a),
то а перепишется так:
° =f{x)g{x) | * - {g(a) [/(I-,) -/(a)] +
Выражение в фигурных скобках представляет собою стилтьесову
ь
сумму для интеграла \gdf (существование которого предположено!).
а
Она отвечает разбиению промежутка [а, Ь] точками деления
а < So «? Si <... < h-i < h < • • < S*-i < b,
если в качестве выбранных из промежутков [$,-_(, ;,] A= 1, ..., и— 1)
точек взять *,-, а для промежутков [a, So] и [?„_), &], соответственно,
а и Ъ. Если, как обычно, положить X = max (xi+1 — х{), то теперь
длины всех частичных промежутков не превзойдут 2Х. При X —О
ь
сумма в квадратных скобках стремится к \ gdf, следовательно, су-
а
Ь
шествует предел и для а, т. е. интеграл \fdg, и этот интеграл опре-
а
деляется формулой (9).
Как следствие нашего рассуждения, особо отметим тот любопыт-
любопытный факт, что если функция g(x) в промежутке [а, Ь] интегри-
интегрируема по функции f(x), то и функция f(x) интегрируема по
функции g(x).
Это замечание позволяет добавить ряд новых случаев существо-
существования интеграла Стилтьеса к тем, которые были рассмотрены в 676,
переменив роли функций fug.
578. Приведение интеграла Стилтьеса к интегралу Римана. Пусть
функция/(д:) непрерывна в промежутке [а, Ь], a g(x)'монотонно возрастает
в этом промежутке, и притом в строгом смысле *. Тогда, как показал Лебег
ь
(Н. Lebesgue), интеграл Стилтьеса (s) \f(x) dg(x) с помощью подста-
а
новки v=g(x) непосредственно приводится к интегралу Римана.
* Последнее мы предполагаем исключительно в целях некоторого упро-
упрощения изложения.

% 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
99
На рис. 29 изображен график функции v =g (х). Для тех значений х = х',
при которых функция g(x) испытывает скачок (ибо мы вовсе не предполагаем
g(x) обязательно непрерывной), мы дополняем график прямолинейным верти-
вертикальным отрезком, соединяющим точки {х\ g(x'—0)) и (х1, g (х' + 0)). Так
создается непрерывная линия, которая каждому значению v между
vt=g{a) и V=g(b) относит одно определенное значение х между а и ft. Эта
функция x=g~1(v), очевидно,
будет непрерывной и мо-	„
нотонно возрастающей в ши-
широком смысле; ее можно
рассматривать как своего рода
обратную для функции
Именно, если ограничиться
лишь теми значениями о, кото-
которые функция v = g(x) действи-
действительно принимает при измене-
изменении х от а до ft, Toxt=g~x (v)
является обратной для нее в
обычном смысле, т. е. относит
v именно то значение х, при
котором g(x) = v. Но из про-
промежутка значений v
Риг 29
связанного со скачком функции
g(x), лишь одно значение
v = v' =g (xf) имеет себе соответствующим значение х = хк, другим значе-
значениям v в упомянутом промежутке никакие значения х, очевидно, не отвечают.
Но мы условно относим и им то же значение х = х'\ геометрически это и выра-
выразилось в дополнении графика функцииy=g(x) рядом вертикальных отрезков.
Докажем теперь, что
*	v
(S) ] f {х) dg (x) = да $ / fe (o)) dv,	A0)
a	v0
где последний интеграл берется в обычном смысле, его существование обеспе-
обеспечено, так как функция g~' (v), а с нею и сложная функция/(g" (о)), непрерывна.
С этой целью разложим промежуток [a, ft] на части с помощью точек деления
... < хх	Ь
о — х0
и составим стилтьесову сумму
Если положить Vi = g(xt) (i = 0, 1, ..., n), то будем иметь
vB < vj <... < vt < vt+1 <... <»„= V.
Так как Xf = g~1 (vi), то
я-1
° = S
i0
* Для простоты выбирая в промежутке [Х(, x^t] именно точку
4*

100	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[579
Уто выражение имеет вид римановой-суммы для интеграла
v
$ f(g-4v))dv.
Отсюда, однако, нельзя еще непосредственно заключить, переходя к пре-
пределу, о равенстве A0), ибо даже при Длгг —0 (X — 0) может оказаться, что
Дг;/ к нулю не стремится, если, например, между безгранично сближающи-
сближающимися xi и х,-+, будет заключено значение х==х', где функция g(x) испы-
испытывает скачок. Поэтому мы будем рассуждать иначе.
Имеем
v	я-1 vi+\
$	V))dv=^i \ /(Г1 (»))*>
»=0 vt
так что
v	я —l
а — [ f fa M) dv = У!
Предположим теперь Дат,- настолько малыми, чтобы колебания функции/(л*)
во всех промежутках [х,-, д:,-+1] были меньше произвольного наперед задан-
заданного числа е > 0. Так как
при vt sg v sg о/+1, очевидно, л:г eg g~l (v) ^ o,+1,
то одновременно и
В таком случае
Этим доказано, что
v
lira a=5 f (g-1 {v))dv,
откуда и следует A0).
Несмотря на принципиальную важность полученного результата, он не
дает практически удобного средства для вычисления интеграла Стилтьеса.
Как осуществлять это вычисление в некоторых простейших случаях, мы
покажем в следующем п°.
579. Вычисление интегралов Стилтьеса. Докажем следующую
теорему:
1°. Если функция f(x) интегрируема в' смысле Рим а на в про-
промежутке [а, Ъ\, a g(x) представлена интегралом

579	§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	101
где функция <р@ абсолютно интегрируема в [а, Ь], то
ь	ь
(S) \f(x)dg(x) = (R) \f(x) 9 (х)dx.	A1)
а	а
Интеграл справа существует [298, 482]. Существование интеграла
Стилтьеса при сделанных предположениях уже было доказано
[676, III].
Остается лишь установить равенство A1).
Без умаления общности можно предположить функцию <р (х) поло-
положительной [ср. стр. 94].
Составим, как обычно, сумму Стилтьеса
5
i=0	i=0 xt
Так как, с другой стороны, можно написать
Ь	n—lxi + l
\f(x)?(x)dx=2l 5 f(x)<?(x)dx,
a	i=0 xt
то будем иметь
a - J /(x) 9 (x) rfx = 2 ^ [f 6) -/
a	« = 0 xi
Очевидно, для x,-sgxsgx,+1 будет |/(l()—/(x)|sgto;, где ш,- озна-
означает колебание функции /(х) в промежутке [х,-, xi+l]. Отсюда выте-
вытекает такая оценка написанной выше разности:
о — \f(x)y(x)dx
„_ 1
1=0
Но мы уже знаем [575, III], что при X — 0 последняя сумма стре-
стремится к 0, следовательно,
ь
lim о = \f(x) 9 (х) dx,
что и доказывает формулу A1).
В частности, из доказанной теоремы вытекает [если учесть заме-
замечание в конце п° 576] такое следствие, удобное для непосредствен-
непосредственного применения на практике:
2°. При прежних предположениях относительно функции /(х)
допустим, что функция g(x) непрерывна во всем промежутке
[а, Ь\ а имеет в нем, исключая разве лишь конечное число точек,

102	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕОА
производную g (х), которая в [а, Ь] абсолютно интегрируема '*.
Тогда
ь	ь
(Ял \ т ( v*\ fi ft ( v\ —— СО\ \ Т ( \^\ гг ( v\ t4 V*	/1 ОЛ
V ' \ J v / ***л \" I "' " \*л) \ / \" / i^ \" / U-»v»	' Il^I
а	а
Интересно отметить, что интеграл справа в формуле A2) фор-
формально получается из интеграла слева, если, понимая символ dg(x)
буквально как дифференциал, заменить его выражением g"(x)dx.
Обращаясь к случаям, когда функция g(x) оказывается разрывной
(что для практики, как увидим, представляет особый интерес), начнем
с рассмотрения «стандартной» разрывной функции р (х), определяе-
определяемой равенствами
, .	/0 при х ^ О,
^ ' \. 1 при дг^>0.
Она имеет разрыв первого рода — скачок — в точке д; = 0 справа,
причем величина скачка р(-[-0) — р@) равна 1; в точке х — 0 слева
и в остальных точках функция р (х) непрерывна. Функция р (х — с)
будет иметь такой же разрыв в точке х = с справа; наоборот,
р(с — х) будет иметь подобный разрыв в точке х = с слева, при-
причем величина скачка будет равна — 1.
Предположим, что функция f(x) непрерывна в точке х — с, и
ь
вычислим интеграл (S)J f(x)dp(x — с), где а^с<^Ь (при с = Ь
а
этот интеграл равен нулю).
Составим сумму Стилтьеса:
л-1
Пусть точка с попадет, скажем, в k-й промежуток, так что xk^ini
Тогда Др(л:й — с)=1, а при I ф k, очевидно, Ар(хг — с) = 0. Таким
образом, вся сумма а сводится к одному слагаемому: a=/(Sft). Пусть
теперь" X->¦(). По непрерывности /Gft)->/(t). Следовательно, суще-
существует (при а =^ с <^ Ь)
ь
\ f(x) dp (x — с) = lira a =/ (с).	A3)
п.	Х—*0
* См. сноску на стр. 95,

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	103
Аналогично можно убедиться в том, что (при а<^с^Ь)
ь
(S) \ f(x) dp (с — х) =—f(c)	A4)
а
(при с = а этот интеграл обращается в нуль).
Теперь мы в состоянии доказать теорему, в некотором смысле
более общую чем 2°, а именно, отказаться от требования
непрерывности функции g(х):
3°. Пусть функция f(x) в промежутке [а, Ь] непрерывна, а
g(x) имеет в этом промежутке, исключая разве лишь конечное
число точек, производную g(х), которая абсолютно интегри-
интегрируема в [а, Ь]. При этом пусть функция g(x) в конечном числе
точек
терпит разрыв первого рода. Тогда существует интеграл С ти л-
тьеса и выражается формулой
Ь	b
i*> $/(¦*)dg(x) = (R) \f (x) g- (x) dx +/(а) [g (a + 0) -g(a)] +
a
m—\
+ Ц f(ck) [g(ck + 0)-g(ck~ 0)] +
ft = i
+ f(t>)[g(b)-g(b-O)]. A5)
Характерно здесь наличие внеинтегральной суммы, где фигурируют
скачки функции g(x) в точках а или Ъ — односторонние *.
Для упрощения записи введем обозначения для скачков функции
g{x) справа и слева:
(k = 0, I, ..., т-\),
— 0) (k=l, 2, ..., т);
очевидно, для Is^ks^m — 1, a.t-\-a.^ = g(ck-{-0) — g(ck — 0).
Составим вспомогательную функцию:
т — \	т
gi(x)= 2 «ip(* — ck)— 2 ik?{ck— x),
которая как бы вбирает в себя все разрывы функции g(x), так что
разность g*(x) = g(-x) — gi(*)> как мы сейчас установим, оказывается
уже непрерывной.
* Если на деле в какой-либо из этих точек скачка нет, то соответствую-
соответствующее слагаемое суммы обращается в нуль.

104	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[580
Для значений jc, Отличных от всех ck, непрерывность функции
g% (х) не вызывает сомнений, ибо для этих значений непрерывны обе
функции g(x) и gt(x). Докажем теперь непрерывность g$(x) в точке
ck(k<^m) спр ав а. Все слагаемые суммы ^ (х), кроме члена а%р(х—ск),
непрерывны при x = ck справа; поэтому достаточно изучить поведе-
поведение выражения g(x)— а?р (х — ск). При x — ck оно имеет значение
g(ck); но таков же и его предел при х -> ck -f-0:
lim [g(x) — atp (x — ck)]=g(ck + 0) — a+k = g(ck).
Аналогично проверяется и непрерывность функции g$(x) в точке
ck(k^>0) слева.
Далее, если взять точку х (отличную от всех ck), в которой функ-
функция g(x) имеет производную, то вблизи этой точки g1 (x) сохраняет
постоянное значение, следовательно, в ней и функция g*(x) имеет
производную, причем
U
Для непрерывной функции g2(x), по предыдущей теореме,
существует интеграл Стилтьеса
*	*	ь
(S) \f(x) dg* (x) = (R) \f(x) й (х) dx = «) \ f(x) g' (x) dx.
a	a	a
Точно так же легко вычислить и интеграл [см. A3), A4)]
<*> S fix) dgl (x) = 2 «г • (S) j fix) dP (x - Ck) -
a	k = 0	a
m	b
ft = l	a
m — \	m
Складывая почленно эти два равенства, мы и придем к равен-
равенству A5); существование интеграла Стилтьеса от/(дг) по функции
g(x) = g1(x)-Jrgi(x) устанавливается попутно [576, 3°].
580. Примеры. 1) Вычислить по формуле A1) интегралы:
2	Т	I
(a) (S) \ хгdIn (I + х), F) (S) \xd sin л:, (в) (S) ^ д:darctg a:.

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
105
Решение, (a) (S) С х2 din (I
b
_ г
= In 3 и т. д.
Ответы: (б) у — 1; (в) 0.
2) Вычислить по формуле A5) интегралы:
(a) (S)
где g(x) =
0	при х = — 1,
1	при — 1 •< х •< 2,
— 1 при 2 ^ х sg 3;
—	1 при 0«?л:< -к-,
1	3
О прит«?л:<-2 ,
2 при Jf = -=-,
3
—	2 при у •< х ^ 2.
Решение, (а) Функция g(x) имеет скачок 1 при х — — 1 и скачок —2
при х = 2; в остальных точках ?'(л:) = 0. Поэтому
(б)
), где g(x) =
(S)
— 1
1	3
(б) Скачок 1 при х = у и —2 прих = у (значение функции g при
о
=-~- не влияет на результат); в прочих точках g'(x) — 0.
Имеем:
(S)
3) Вычислить по формуле A5) интегралы:
2	2
(a) J xdg(x), (б) J
-2
— 2
, (в)
-2
где
л: + 2 при — 2^л;^— 1,
g{x)= {	2 при —1<дг<:0,

106	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	\586:
Решение. Функция g(x) имеет скачки, равные 1, при х==—1 и дг = О.
Производная
A при — 2 *?.*<— 1,
0 при — К х < 0,
2х при
Поэтому
2—12
J xdg(x) = С xdx + 2 С x*dx+(-\).
— 2	—2
Аналогично
2
11
jj	=11и § (^+1)^(л:) = 15-1-.
— 2	.	—2
4) Предположим, что вдоль отрезка [а, Ь] оси х расположены массы, как
сосредоточенные в отдельных точках, так и распределенные непрерывно. Не
делая различия между нами, обозначим для х > а через Ф (х) сумму всех
масс, расположенных в промежутке [а, х\\ сверх того, положим, Ф (а) = 0. Оче-
Очевидно, Ф (л:) — монотонно возрастающая функция. Поставим себе задачей найти
статический момент этих масс относительно начала координат.
Разобьем промежуток [а, Ь] на части точками
На отрезке (xit xi+i] при «>0 содержится, очевидно, масса Ф (xi+l) — *(*,¦)=
= ДФ (Х(). Точно так же на отрезке [a, xt] содержится масса Ф (xt)— Ф (х0) =
= ДФ (х0). Считая массу во всех случаях сосредоточенной, например, на пра-
правом конце промежутка, получим для искомого статического момента прибли-
приближенное выражение
При стремлении к 0 всех Дл:,-, в пределе придем к точному результату:
M = (S)\x.d<b{x).	A6)
а
Можно было бы и здесь, как это было разъяснено во втором томе по от-
отношению к обыкновенному определенному интегралу [348], сначала установить
«элементарный» статический момент dM = x d<b {x), отвечающий отрезку оси
от х до х -f- dx, а затем «просуммировать> эти элементы.
Аналогично для момента инерции / тех же масс относительно на-
начала найдем формулу
ь
/=(S) ^х*с1Ф(х).	„	A7)
а
Важно подчеркнуть, что интеграл С т и лть ее а дал возможность
объединить одной интегральной формулой разнородные случаи непрерывно
распределенных и сосредоточенных масс/

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
107
Пусть непрерывно распределенные массы имеют линейную плотность р (х);
кроме них пусть в точках х = си с2, ..., с^ расположены сосредоточенные
массы тх, т2, ¦ ¦., т^. Тогда, исключая эти точки, функция Ф (х) имеет произ-
производную
В каждой же точке x = cj(j=\, 2	 К) функция испытывает скачок, рав-
равный именно массе ту, в этой точке сосредоточенной.
Если теперь разложить интеграл A6) по формуле A5), то получим
ь	ь	к
М = (S) $ х й?Ф (х) = (R) J xp (x) dx + 2 cjrnj.
a	a	j=\
Всмотревшись в правую часть, легко в первом члене узнать статический мо-
момент непрерывно распределенных масс, а во втором — статический момент
сосредоточенных масс. Аналогичный результат получится и для интеграла A7).
5) Чтобы лучше уяснить себе содержание предыдущего упражнения, пред-
предлагается:
(а)	составить выражение Ф (х) и построить график его для следующего
распределения масс: массы величины 1 в точках х=1, 2 и 3 и непрерывно
распределенные массы с плотностью 2 в промежутке [1, 3];
(б)	то же — для такого распределения: массы величины 2 при х = 2 и 4 и
непрерывно распределенные массы с плотностью 2х в промежутке [0, 5];
(в)	выяснить распределение масс, если Ф (х) равна функции g(x) задачи 3).
Ответы, (а) В промежутке [1, 3] имеем
О для х=\,
2х — 1 для 1 < х < 2,
2х
(б) В промежутке [0, 5] имеем
Ф(л:) =
для
для х =3.
для О
для
для
х < 2,
(в) Массы величины 1 в точках х = —1 и 0, в промежутке [—2, —
непрерывно распределенные массы с плотностью 1, в промежутке [0, 2] -
массы с плотностью 2х.
Ш
х x+dx
J
Рис. 30.
6) Рассмотрим другой вопрос, в котором интеграл Стилтьеса играет
такую же роль, как и в упражнении 4). Предположим, что на балку (рис. 30),
покоящуюся на двух опорах*, кроме непрерывно распределенной нагрузки
* Это предположение мы делаем лишь ради простоты.

Ш8	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[580
действуют и сосредоточенные силы. Расположим ось х вдоль по оси балки, а
ось у вертикально вниз (см. рис.). Не делая различий между действую-
действующими силами, обозначим для л;>0 через F(x) сумму всех сил, приложенных
на отрезке [0, х] балки, включая и реакции опор; далее, пусть ,F@) = 0. Силу
F{х) называют перерезывающим усилием в сечении х балки. При
этом силы, направленные вниз, будем считать положительными, а вверх —
отрицательными.
Поставим задачей определить так называемый изгибающий мо-
момент Ж в произвольном сечении x = i балки. Под этим разумеют сумму мо-
моментов всех сил, действующих на правую (или на левую) часть балки, отно-
относительно этого сечения. При этом, когда {зечь идет о правой части балки,
момент считают положительным, если он вращает эту часть по часовой
стрелке (для левой части—обратное правило).
Так как на элементе (л;, x-\-dx], скажем, правой части балки приложена
сила F(x-{-dx) — F (х) = dF (x), создающая элементарный момент
то, «суммируя>, получим
Аналогично, исходя из левой части балки, можно было бы получить (учиты-
(учитывая изменение положительного направления для отсчета моментов)
— x)dF(x).	A8)
Легко непосредственно усмотреть, что оба выражения изгибающего мо-
момента в действительности тождественны. Их равенство равносильно условию
которое является следствием из условий равновесия
i
= 0, \xdF(x) = 0,
выражающих равенство нулю суммы всех сил и суммы моментов (относи-
(относительно начала) всех сил, действующих на балку.
Если интенсивность непрерывно распределенной нагрузки обозначить
через q (x), то, исключая точки, где приложены сосредоточенные силы, будет
Пусть сосредоточенные силы Fj(j = l,2,...,k) приложены в точках x = Xj.
Тогда, очевидно, перерезывающее усилие именно в этих точках имеет скачки,
соответственно равные Fj. Далее, применяя, например, к интегралу A8) фор-
формулу A5), получим
](t-x)q(x)dx+ У (l-xj)Fj.

5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСД
109
В двух слагаемых правой части легко узнать моменты, порожденные по-
порознь непрерывной нагрузкой и сосредоточены ыми силами: интеграл С тил-
ть ее а охватывает их единой интегральной формулой.
Установим еще один факт, интересный для теории сопротивления мате-
материалов. Произведя в формуле A8) интегрирование по частям, получим
<*F —*)= j F{x)dx.
Отсюда ясно, что всюду, за исключением точек приложения сосредото-
сосредоточенных сил, имеет место равенство
dM
di
¦¦=?&¦
7)	Пример. Пусть балка длины 1 = 3 несет (рис.31) «треугольнук»
2
нагрузку с интенсивностью -g-х; кроме того, пусть к ней приложены сосре-
о
доточенная сила, равная 3, в точке *=1, и реакции опор, обе равные—3
(они устанавливаются по закону рычага). Определить перерезывающее уси-
усилие F (х) и изгибающий момент М (Й.
Ответ.	( 0	при х = 0,
3 при 0<л:<1,
при 1 s? х < 3
при х = 3;
;8 —35 при
?* — 3 при
8)	Формула A5) может оказаться полезной и для вычисления обычных
интегралов (в смысле Р и м а н а). Проиллюстрируем это на следующем об-1
щем примере.
Пусть <р (х)—«кусочно-полиномиаль-
ная> функция в промежутке [a, b\, s>to
означает, что промежуток разлагается на
конечное число частей точками
так, что в каждой из частей функция
<р (х) представляется полиномом не йы-
ше я-й степени. Заменив значения функ-
функции <f(x) и всех ее производных в точ-
точках о и Ь нулями, обозначим через
&(j>(/ = 0, 1,..., k; i = 0, 1,..., п) вели-
величину скачка «-й производной <р(''(дг) в/-Й	Рис. 31.
точке x — bj^
Пусть, далее, f(x) — любая непрерывная функция; положим
^i (•*) = \ / W dx и, вообШе, Fs {х) = \ Fs_t (x) dx (s > 1).

ПО	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
Тогда имеет место следующая формула:
E80
/=о
Действительно, последовательно находим
: = (S) \ ср (х) i
а
= 9 (*)
двойная подстановка исчезает, а интеграл
2
(х) Лр (х) = 2 Л (gy)»/' + j Ft (х) ?' (дг) dx;
аналогично
^ Рх (х) 9' (лг) rfjf = _ J
а	/
?" (х)
И Т. Д.
9) Установим, в заключение, с помощью формулы A1) одно полезное
обобщение формулы интегрирования по частям для
обыкновенных интегралов. Именно, если а (х) и v (x) обе абсо-
абсолютно интегрируемы в промежутке [a, b], a U(x) и V(x) определяются
интегральными формулами:
а
х
V(x)=V(a)+]v(t)dt,
то справедлива формула
б
U(x) v (х) dx=U(x) V(x)
* *
— ^ V(x) и (х) dx.
A9)
Для доказательства, по формуле A1) заменим интеграл слева интегралом
Стилтьеса и проинтегрируем по частям [577|:
ь ь
U(x) v (х) dx = ^ U(x) dV(x) = U{x) V(x)
—\V (x) dU(x).

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
111
Остается еще раз применить формулу A1) к последнему интегралу, чтобы
прийти к A9).
Здесь функции и (х), v (x) играют -как бы роль производных от функций
U(x), V(x), не будучи ими на деле. При непрерывности функций и(х)
и v (х) мы возвращаемся к обычной формуле интегрирования по частям, ибо
тогда наверное	U'(x) = u(x), V(x)=v(x).
581. Геометрическая иллюстрация интеграла Стилтьеса. Рассмотрим
интеграл	ь
B0)
предполагая функцию f(t) непрерывной и положительной, a g(t) — лишь мо-
монотонно возрастающей (в строгом
смысле); функция g(t) может иметь
и разрывы (скачки).
Система параметрических
уравнений
выражает некоторую кривую (К),
вообще говоря, разрывную (рис.
32). Если при некотором t = t0
функция g(t) испытывает скачок,
так что g(t0 — 0)<g(t0 + 0), то
этим предельным значениям х =
= g(t) отвечает одно и то же
предельное значение .у=/ (t), рав-
равное /(*<,)• Дополним кривую (К) всеми горизонтальными отрезками, соеди-
соединяющими пары точек
(g Со - 0), f(t0)) n(g(to + 0), f(t0)),
отвечающие всем скачкам функции g(t) (см. рис.). Таким образом, соста-
составится уже непрерывная кривая (L). Покажем, что интеграл B0) пред-
представляет площадь фигуры под этой кривой, точнее, площадь фигуры,
ограниченной кривой (L), осью х и двумя крайними ординатами, отвечаю-
отвечающими абсциссам g(a) и g(b).
С этой целью разложим промежуток [а, Ь] на части точками
a=to<tl<.
дса.) дП/0) j}(to+0)
Рис. 32.
х
и в соответствии с этим промежуток [g(a), g(b)] на оси х — на части точ-
ками
< g (*,)< ... < g (ti) < g (ti+l)
Введя наименьшее и наибольшее значения m,- и М{ функции f{t)zi-u про-
промежутке [ti, ti+x], составим нижнюю и верхнюю суммы Стилтьес а—Д арбу
S=
ГО;
S =
Легко видеть теперь, что они представляют площади фигур, составленных
из входящих и из выходящих прямоугольников, между которыми содержится
рассматриваемая криволинейная фигура.
Так как при стремлении к 0 всех Д<,- обе суммы стремятся к общему
пределу B0), то отсюда следует [336], что наша фигура квадрируема и пло-
площадью ее служит действительно интеграл B0).

112	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	{582
682. Теорема о среднем, оценки. 1°. Пусть в промежутке [а, Ь\
функция f(x) ограничена:
a g(x) монотонно возрастает. Если существует интеграл Стил-
тьеса / от f(x) no g(x), то имеет место формула
— g{a)\ где /я<ц<М. B2)
Это и есть теорема о среднем для интегралов С ти л-
т ь е с а.
Для доказательства будем исходить из очевидных неравенств для
стилтьесовой суммы а:
т \g(p) - g(a)\ ^ а < М [g(b) — g(a)].
Переходя к пределу, получим
g(a)]	B3)
т eg ——	— =^ М.
Обозначая написанное отношение через \х, придем к B2).
Если функция f(x) в промежутке [а, Ь] непрерывна, то обычным
путем убеждаемся в том, что (J. есть значение функции в некоторой
точке этого промежутка, и формула B2) приобретает вид
&lf(x)dg(x)=f$)[g(b)-g(a)l где a^l^b. B4)
а
2°. В практике интегралов Стилтьеса наиболее важным яв-
является случай, когда функция fix) непрерывна, а функция g(x)
имеет ограниченное изменение. Для этого случая справедлива такая
оценка интеграла Стилтьеса:
\\\	B5)
а
где
6
М= max \f(x)\, V=\g(x).
* Мы предполагаем g(b)> g(a), ибо случай g(b) = g(a) [т. е. g(x) —
= const] не представляет интереса: тогда обе части формулы B2) — нули.

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
Действительно, для суммы Стилтьеса а будет
И 1/6) 11 д?(*о1 <
i
< М2
113
Ж V,
так что остается лишь перейти к пределу, чтобы получить требуе-
требуемое неравенство.
3°. Отсюда вытекает, в частности, и оценка близости суммы о
к самому интегралу Стилтьеса / (при прежних предположениях
относительно функций / и g). Представив о и 7 в виде
/)=2]
Ui
t xi
и почленно вычитая эти равенства, получ»м
Если, как обычно, обозначить через а>(- колебание функции /(х)
в промежутке \хь xi+l], так что
то, применяя оценку B5) к каждому интегралу § в отдельности,
будем иметь
" 1/6)-а*:
Если промежуток {a, b] раздроблен на столь мелкие части, что
все u>i <^ е, где е ^> 0 — произвольное наперед взятое число, то за-
заключаем, что
ь
Эти оценки будут нами использованы в следующем п°.

114	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА
583. Предельный переход под знаком интеграла Стилтьеса.
1°. Пусть функции fn(x) (n = \, 2, 3, ...) непрерывны в проме-
промежутке [а, Ь] и при я->оо равномерно стремятся к пре-
предельной функции
/(*)= Hm/e(*)
л —> оо
[очевидно, также непрерывной, 436], a g(x) — функция с ограни-
ограниченным изменением. Тогда
lim
Доказательство. По заданному е^>0 найдется такое N,
что при n^>N будет для всех х
Тогда, в силу B5), для п^>N
\\fn(x)dg(x)-\f(x)dg(x)\ =
а	а
b
=\\\f» (*) -fix)] dg(x)
a	a
что, ввиду произвольности е, и доказывает теорему.
2°. Пусть теперь функция f (x) непрерывна в промежутке [а, Ь],
а функции gn(x) (я=1, 2, 3, ...) — все с ограниченным измене-
изменением в этом промежутке. Если полные изменения этих функ-
функций в их совокупности ограничены:
V *«(*)< ^ (л=1» 2>з' •••)
а
и gn (x) при я -> оо стремятся к предельной функции
g(x)= lim gn(x),
л—> со
ТО
lim \f{x) dgn(x) = \f(x)dg(x).
Доказательство. Прежде всего убедимся в том, что предель-
предельная функция g(x) сама также будет иметь ограниченное изменение.
Разложив промежуток [а, Ь] произвольным образом на части точками

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	115
будем иметь (при любом п)
ь
?¦
Переходя к пределу здесь при п —> <х>, получим
откуда и
V	V.
Составим суммы Стилтьеса
*,-), о»=
Если предположить, что промежуток [а, Ь] при этом разложен на
столь мелкие части, что колебание функции f(x) в каждой из них
будет уже меньше произвольного наперед взятого числа е^>0, то,
в силу оценки B6), при всех п
\l. B7)
С другой стороны, если разбиение, выбранное под указанным
условием, фиксировать, то, очевидно, оя -> а при п -*¦ оо, так что
найдется такое Л', что для n~^>N будет
B8)
Тогда для тех же значений п будем иметь, в силу B7) и B8),
«-««| + |o«-<
откуда, ввиду произвольности е, и следует требуемое заключение.
584. Примеры и дополнения. 1) Предполагая функцию g(х) монотонно
возрастающей в строгом смысле, можно доказать относительно
числа ?, фигурирующего в формуле B4), более точное утверждение:
а < ? < *.

116	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[584
Действительно, обозначив через та М наименьшее и наибольшее значе-
значения функции f(x) в промежутке [а, Ь] и считая т<М*, легко найдем такую
часть [о, р] этого промежутка, в которой границами f(x) служат числа т'>т
и М' <М, так что [ср. B3)]
!' \g<S)—g(*)\ < (S) $ ^
- g (a)] <M[gC)-g (а)].
Написав для промежутков [а, а] и [Р, ft] неравенства вида B3) и склады-
складывая их с предыдущими, получим взамен B3) более точные неравенства:
m[g (b)-g (a)]<I <
так что число
лежит строго между т и М; а тогда найдется и $ строго м е ж д у а и Ь, для
КОТОрОГО (Л = /(?), И Т. Д.
2) Используя формулу A1) п° 579, формулу интегрирования по частям и
теорему о среднем для интегралов Стилтьеса [577; 582, Г], очень легко
наново установить вторую теорему о среднем для обыкновен-
обыкновенных интегралов [306].
Итак, пусть/(д:) интегрируема (в смысле Рим а на),a g(x) монотонно
возрастает ** в промежутке [а, Ь]. Введем функцию
она, как мы знаем, будет непрерывна [305, 1Г].
Теперь последовательно имеем
a	a
ь
а
=g(b) F(b)-F® [g(b)-g(a)]=g(a) F®+g(b) [F(b)- F(?)] =
i	ь
=g (a) ]f{x)dx + g (b) \f(x)dx	(a ^ 5 ^ b),
о	t
что и требовалось доказать.
Если g (x) монотонно возрастает в строгом смысле, то на основании
сделанного в 1) замечания можно точнее сказать относительно 5: а<?<?.
3) Доказать, что, если в точке х = с одна из функций fug непре-
непрерывна, в то время как другая в окрестности этой точки ограничена, то
с	Ь
существование интегралов (s) ^ и (s) ^ влечет за собой существование и
а	с
ь
(s) J [см. 576, 5е].
а
* При т = М функция /(л) сводится к постоянной, и значение может
быть вообще взято произвольно.
** Случай, когда g(x) монотонно убывает, легко приводится к этому.

§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	117
С этой целью заметим, что, если при составлении стилтьесовой суммы а
мы будем включать точку с в состав точек деления, то сумма а будет слагаться
из двух аналогичных сумм для частичных промежутков [а, с] и [с, Ь\\ при
с	ь
Х = тахДлгг — 0 она будет стремиться к сумме интегралов J fdg + ^ fdg.
а	с
Пусть теперь точка с не входит в число точек деления. Присоединяя к ним
точку с, мы от а перейдем к новой сумме 5, про которую мы уже знаем,
что при X —<• 0 она имеет указанный предел. Таким образом, достаточно
показать, что разность а — 3 будет вместе с X стремиться к 0.
Пусть точка с попадает в промежуток [х^, Хь+1]; тогда сумма а отли-
отличается от суммы а лишь тем, что вместо слагаемого
в ней имеется два слагаемых:
f(?)\g(e)—g(xk)] +/(Г) [g(xku)-g(c)],
где ?' и 2' выбираются произвольно под условиями xk sg 5' =ё с и csg 5' =g xk+l.
Положив для упрощения 5' = 5" = с, сведем последнее выражение к
так что
а-5 = [/(у-/(с)] te(xft+1)-?(xft)].	B9)
Когда X—-0, то один из множителей правой части бесконечно мал, в то
время как второй ограничен; следовательно, а — а —0, что и требовалось
доказать.
4) Если обе функции f(x) и g(x) оказываются разрывными а одной
и той же точке х = с (a sg с =s; b), то интеграл С тилтьеса
I)
\f(x)dg(x)	C0)
а
заведомо не существует.
Для доказательства будем различать два случая. Пусть сначала a<Zc<ib,
и пределы g(с — 0)и?(с + 0) не равны. Тогда при построении суммы
Стилтьеса мы точку с не станем вводить в число точек деления; пусть,
скажем, х^ < с < Хъ+1. Выбрав один раз 5ft т^ е. а Другой раз взяв с в каче-
качестве ?ь, составим две суммы а и 5, разность которых сведется к выражению
B9). Сближая точки деления, будем иметь
Кроме того, точку Eft можно выбирать так, чтобы и разность /Eft)—/(с) была
по абсолютной величине большей некоторого постоянного положительного
числа. Тогда разность а — о не стремится к 0, так что интеграл сущест-
существовать не может.
Если же g(c — 0) = g-(c -)- 0), но их общее значение отлично от g(c)
^устранимый разрыв»] *, то, наоборот, включим с в число точек деления;
пусть с — хъ. Если f(x) имеет, например, разрыв в точке х = с справа,
то, как и только что, составим две суммы аи 5, разнящиеся лишь выбором 5ft:
* Сюда относится и случай, когда либо с = а и g(a-f-O) отлично от
g(a), либо с = Ь и g{b — 0) отлично от g(b).

118	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[58*:
для о точка 5ft взята произвольно между xk = c и xk+1, а для о в каче-
качестве Zk взята с. Попрежнему имеем B9), и рассуждение завершается аналогично.
Упражнения 3) и 4) проливают свет на тот замечательный факт, о кото-
котором говорилось в конце п° 576.
5) Пусть f(x) непрерывна, a g{x) имеет ограниченное изменение в про-
промежутке [а, Ь\.
Опираясь на оценку B5), доказать непрерывность интеграла Стил-
ть ее а
по переменному верхнему пределу х в точке х0, где функция g(x) не-
непрерывна.
Заключение сразу вытекает из неравенства
~ max /(x). у g(x),
a =S x^ О
x0	x0
если принять во внимание, что в точке х0 должна быть непрерывна и
X
вариация \ g(x) [571, 9е].
а
6) Если S есть класс непрерывных в промежутке [а, Ь] функций, а ©—¦
класс функций с ограниченным изменением в этом промежутке, то, как известно,
каждая функция одного класса интегрируема по каждой функции другого
класса. Доказать, что ни один, ни другой из этих классов не может
быть расширен с сохранением упомянутого свойства.
Это, ввиду 4), почти очевидно относительно класса %. Действительно,
если функция f(x) имеет точку разрыва х0, то она заведомо не интегри-
интегрируема, например, по функции с ограниченным изменением р(х— х0) [573],
имеющей ту же точку разрыва.
Пусть теперь g{x) в промежутке [в, Ь] имеет бесконечное полное
изменение; в этом предположении построим такую непрерывную функцию
f(x), для которой интеграл C0) не существует.
Если разделить промежуток [а, Ь] пополам, то хоть в одной из половин
полное изменение функции g(x) тоже будет бесконечно; разделим эту
половину снова пополам и т. д. По этому методу определится некоторая
точка с, в каждой окрестности которой g(x) не имеет ограниченного
изменения. Для простоты пусть с = Ь.
В таком случае легко построить последовательность возрастающих и
стремящихся к Ь значений х = в„:
а = во<в1<...<в„<вл+1<...<в„ — Ь,
так, чтобы ряд .
расходился. Для этого ряда затем можно подобрать такую последова-
последовательность стремящихся к 0 чисел/г>0 (i=\, 2, 3,...), чтобы и ряд

5MJ	§ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	119
все же расходился [ср. 375, 4) и 7)]. Теперь определим функцию
полагая
/(**)=/« sign \g(ai+l)-g(ai)] *	A=0, 1, 2, ...),
а в промежутках (а;, а^+1) считая f(x) линейной:
f|(fl') (х-а,)	(<=0, 1, 2, ...).
Очевидно, /(л:) будет непрерывна. В то же время, ввиду расходимости
ряда C1), при п—-оо и
Л-1	Я- 1
так что интеграл от / по g действительно не существует.
Доказанное утверждение можно сформулировать и так: если интеграл
С тилтьес а C0) для данной функции f существует по любой g из ®,
то f необходимо принадлежит $; аналогично, если этот интеграл по
данной функции g существует для любой f из S, то g необходимо при-
принадлежит ®.
7) В первой теореме о предельном переходе под знаком интеграла
Стилтьеса [583, Г] мы поставили требование, чтобы последовательность
функций {/„ (jc) } стремилась к предельной функции f(x) равномерно.
Можно, однако, заменить это требование более общим условием, что эти
функции ограничены в их совокупности:
(М = const, esgATsgS, я = 1, 2, 3, ...)
[Только при этом нужно еще наперед предположить непрерывность
предельной функции f(x).]
При доказательстве достаточно рассмотреть случай, когда ?(лг) возрастает
в строгом смысле [см. замечание в п° 570]. Но для этого случая
можно воспользоваться преобразованием, проведенным в п° 578 [см. A0)]:
(S) $ /„ (х) dg (х) = (R) 5 /„ (Г1 (»)) dv,
а	г>0
Ь	V
J f{x) dg {x) = (R) J /(?-' (v)) dv
и, имея дело уже с римановыми интегралами, просто применить теорему
А р ц е л а [526].
8) Укажем, в заключение, другую трактовку понятия интеграла
Стилтьеса, связав его с понятием аддитивной функции от промежутка
[ср. 348].
Пусть для каждой части [а, Щ данного промежутка [а, Ь] определено
число О([а, Р]), причем, если промежуток [а, р] точкой f разложен на части
К ?] и ft, H, то и
G([W) a<K l)+G([7, И).
Тогда O([a, P]) есть аддитивная функция от переменного
промежутка [а, р]. Предположим, что кроме нее для промежутка [а, Ь]
* Напомним, что sign г есть + 1, 0 или —1 в зависимости от того,
будет ли г > 0, = 0 или < 0^ Во всех случаях
zsignz = |z|.

120	ГЛ. XV. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	[585*
задана и функция точки f(x). Разложим теперь, как обычно, проме-
промежуток [а, Ь] точками
а = х0 < х, < ... < хп_! < хп = Ь
на части [х,-, лг,-+1] (t = 0, 1, ..., п—1), в каждой части произвольно выберем
по точке ?; и, наконец, составим сумму ¦»-
л— 1
«= 2 f&)G([Xi, хы]).	C2)
» = о
Предел этой суммы при X = max (xi+l — xt) — 0 и есть интеграл Стилтьеса,
который естественно — учитывая процесс его построения — обозначить так:
ь
\f{x) G(dx).	C3)
а
Если определить вторую функцию точки g(x), положив
g(x) = G([a, x\) для х>а, g(a) = 0,
то, ввиду аддитивности функции G, во всех случаях
<?([«, Р|) = *<Р) —*<«),	C4)
так что сумма C2) сведется к обыкновенной стилтьесовой сумме
п- 1
а предел C3) — к обыкновенному интегралу Стилтьеса
ь
Обратно, если существует последний интеграл, то, определив функцию от
промежутка равенством C4) (причем легко проверить, что она окажется адди-
аддитивной), можно свести обыкновенный интеграл Стилтьеса к интегралу C3).
585. Сведение криволинейного интеграла второго типа к ин-
интегралу Стилтьеса. После того как читатель освоился с интегралом
Стилтьеса, полезно теперь вернуться к рассмотрению криволи-
криволинейного интеграла второго типа [546]:
\ f(x,y)dx [или \ /{х, y)dy].	C5)
(АВ)	(АВ)
Представим себе, что кривая (АВ) задана параметрически уравне-
уравнениями
и описывается именно в направлении от А к В, когда t монотонно
изменяется от о. до р. Пусть для определенности а<^р. Тогда точ-
точкам A-t 0 = 0, 1,..., л), взятым на кривой для образования интеграль-
интегральной суммы, будут отвечать возрастающие значения параметра /:

585]	$ 5. ИНТЕГРАЛ СТИЛТЬЕСА	121
а выбранной на дуге Л,-Л;+1 точке Mt — значение t = xi, tt ^ { ;+1
(/^0, 1, ..., п—1). Сама же интегральная сумма, например, для
первого из интегралов, напишется в виде
Непосредственно ясно, что она представляет собою стилтье сову сумму,
так что криволинейный интеграл второго типа по самому
определению отождествляется с частным случаем интеграла
Стилтьеса:
\ f(x, у) dx = (s) $/(<p @, <|> @) d<? (t).
(АВ)	л
Аналогично и
[ fix, у)dy = (s) J/(? @, <!> @) Ц(Я-
(АВ)	«
Отсюда с легкостью получаются очень общие условия существо-
существования криволинейного интеграла C5); достаточно предположить
функцию f(x, у) непрерывной, а функцию <р@ [или ф(?), смотря
по случаю] имеющей ограниченное изменение [575, 1°].
В частности, если кривая АВ спрямляема [572], а функции
Р(х, у) и Q(x, у) непрерывны, то существует интеграл
I Pdx-\-Qdy = \P(<?(t), ,]>@)</<р@ + S QОр@. ф@)Ц@.
(АВ)	л	а
Теперь, если учесть сказанное в 579 о вычислении интегралов
Стилтьеса [особенно, см. 2°], то можно наново получить фор-
формулы D), E) или F) п° 647, и даже при более общих предположе-
предположениях, чем раньше.
Далее, легко обобщить теперь окончательный результат п° 651:
площадь фигуры (D), ограниченной непрерывной спрямляемой
кривой, выражается любой из формул (9), A0) или A1) указан-
указанного п°. При этом ничего не придется менять в рассуждениях, ибо
лемма п° 650 (и замечание к ней) непосредственно обобщается на
случай спрямляемой кривой; см. также 572, заключительное
замечание.
Наконец, и вся теория независимости криволинейного интеграла
от пути [§ 3] также непосредственно распространяется на случай
интегралов, взятых по любым спрямляемым путям.

ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ
ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
§ 1. Определение и простейшие свойства
двойного интеграла
Б86. Задача об объеме цилиндрического бруса. Наподобие того,
как задача о площади криволинейной трапеции привела нас к понятию
простого определенного интеграла [294], аналогичная задача об объеме
цилиндрического бруса приведет нас к но-
новому понятию — двойного (определен-
(определенного) интеграла.
Рассмотрим тело (V), которое сверху
ограничено поверхностью
г=/(х, у),	A)
с боков — цилиндрической поверхностью
с образующими, параллельными оси z, на-
наконец, снизу — плоской фигурой (Р) на
плоскости ху (рис. 33). Требуется найти
jr объем V тела *.
Для решения этой задачи мы прибег-
прибегнем к обычному в интегральном исчисле-
исчислении приему, состоящему в разложении искомой величины на элементар-
элементарные части, приближенному подсчету каждой части, суммированию и
последующему предельному переходу. С этой целью разложим
область (Р) сетью кривых на части (Pj), (Р2), ..., (Р„) и рассмотрим
ряд цилиндрических столбиков, которые имеют своими основаниями
эти частичные области и в совокупности .составляют данное тело.
Для подсчета объема отдельных столбиков возьмем произвольно
в каждой фигуре (Р,-) по точке: (?,-, ¦»;,•). Если приближенно принять
каждый столбик за настоящий цилиндр с высотой, равной апликате
/(?,-, г,-), то объем отдельного столбика оказывается приближенно равным
'		/(Si, rti)-Pi,
* Если функцию f(x,y) предположить непрерывной, а плоскую область
(Р) —квадрируемой, то самое существование объема для данного слу-
случая легко вытекает из соображений, изложенных в пп° 341 и 337.
Рис. 33.

587J	5 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	123
где Р{ означает площадь фигуры (Рг). В таком случае приближенное
выражение объема всего тела будет
V=S/6,4,) Я,.
i= 1
Для повышения точности этого равенства будем уменьшать раз-
размеры площадок (Рг), увеличивая их число. В пределе, при стремлении
к нулю наибольшего из диаметров всех областей (Р,), это равенство
делается точным, так что
У=Нш?/6, 1<m,	B)
2 = 1
и поставленная задача решена.
Предел этого вида и есть двойной интеграл от функции f(x,y)
по области (Р); он обозначается символом
\\f(x,y)dP,
так что формула B) для объема принимает вид*
V=\\f{x,y)dP.	B*)
(Р)
Таким образом, двойной интеграл является прямым обобщением
понятия простого определенного интеграла на случай функции двух
переменных. Он играет важную роль также при определении различ-
различных геометрических и физических величин.
687. Сведение двойного интеграла к повторному. Продолжая
трактовать двойной интеграл геометрически, как объем цилиндриче-
цилиндрического бруса, мы дадим здесь же указания относительно его вычисле-
вычисления путем сведения к повторному интегралу.
Во втором томе мы уже имели дело с задачей вычисления объема
тела (V) по его поперечным сечениям [342]. Напомним относящуюся
сюда формулу. Пусть тело ограничено плоскостями х = а и х = Ь
(рис. 34). Допустим, что сечение тела плоскостью, перпендикулярной
к оси х и отвечающей абсциссе х (а ^ х sg; b), имеет площадь Q (х).
Тогда объем тела, в предположении его существования, выразится
формулой
b
V=[Qix)dx.	C)
* Выводу этой формулы нетрудно придать и вполне строгую форму:
см. замечание в п° 590.

124
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[58Т
Применим теперь эту формулу к вычислению объема цилиндриче-
цилиндрического бруса, о котором была речь в предыдущем п°. Начнем с про-
простого случая, когда в основании бруса лежит прямоугольник [а, Ь; с, d]
(рис. 35).
Сечение бруса плоскостью х = х0 (а^х9^Ь) есть криволиней-
криволинейная трапеция офЗ-р Для нахождения ее площади спроектируем эту
/&,-/
Рис. 34.
х0	д
Рис. 35.
фигуру на плоскость yz; мы получим конгруентную с ней трапецию
р (ибо проектирование происходит без искажения). Итак,
Q (•*<)) = пл. оф^ = пл. а
Но уравнение линии ^А на плоскости yz, очевидно, будет
Пользуясь известным выражением площади криволинейной трапе-
трапеции в виде определенного интеграла, будем иметь
Так как наше рассуждение относится к любому сечению, то вообще
для а ^ jc ^ b
ix) = \f{x,y)dy*.
Подставляя это значение Q(x) в формулу C), получим
б а
, y)dy.
* Эта функция от х к тому же непрерывна [506], что мы и пред-
предполагали при выводе формулы C).

§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
125
Но мы имеем для объема V и выражение B), следовательно,
ь а
\\f(x,y)dP=\dx\f{x,y)dy	D)
(Р)	а с
— двойной интеграл приведен к повторному.
Аналогичный результат можно получить и для более общего слу-
случая, когда область (Р) на пло-
плоскости ху представляет собой
криволинейную трапецию, огра-
ограниченную двумя кривыми:
У=Уо(х), у=
и двумя ординатами х = а и
х = Ь (рис. 36). Разница по
сравнению с рассмотренным
случаем состоит в следующем:
раньше при любом фиксирован-
фиксированном х = хй изменение у происхо-
происхоО
b x
Рис. 36.
дило в одном и том же промежутке [с, d\, а теперь этот промежуток
сам зависит от jt0, так что
Q (•*<>) = \ f(x«,y)dy.
Уо (*о)
Окончательно получим
Ь	YW
V=\\f{x>y)dP=\dx '\ f(x,y)dy*.	E)
(Р)	а .Уо (х)
Познакомив читателя с понятием двойного интеграла и с его
вычислением в геометрической трактовке, мы перейдем теперь к более
общему изложению вопроса с чисто аналитической точки зрения.
688 Определение двойного интеграла. Впрочем, и здесь нам
не обойтись без геометрии или, по крайней мере, без геометри-
геометрического языка [160—163]. Мы будем говорить о «двумерной
области» (Р), где определена рассматриваемая функция двух пере-
переменных, «кривыми» делить ее на частичные «области», будем брать
«площади» этих «областей» и т. п. На деле это — «области» и «кри-
«кривые» из арифметического двумерного пространства, их «точ-
«точками» служат пары чисел. Но обыкновенно все эти «образы»
заменяются для удобства соответствующими им настоящими геометри-
* И здесь внутренний интеграл представляет собой непрерывную функ-
функцию от х [см. 509].

126	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|588
ческими образами, не делая никакой разницы между ними. В частности,
под «площадью области» из арифметического двумерного пространства
разумеется всегда площадь соответствующей геометрической области.
Напомним, что для квадрируемости области, ограниченной какой-
либо кривой, необходимо и достаточно, чтобы эта кривая имела
площадь 0 [337]. Широкий класс таких кривых образуют гладкие
кривые или кривые, состоящие из конечного числа гладких кусков
(так называемые кусочно-гладкие кривые)*. Мы будем пред-
предполагать впредь, что как контур области (Р), так и кривые,
которыми мы разлагаем ее на части, все имеют площадь О
(например, принадлежат к указанному классу); этим обеспечивается
существование всех нужных нам площадей.
Вернемся теперь к понятию двойного интеграла, фактически уже"
введенному в п° 686, и дадим в развернутом виде общее его опре-
определение.
Пусть в области (Р) определена функция f(x, у) **. Разобьем
область (Р) сетью кривых на конечное число областей (Pt),
(Pi),..., (Р„), площади которых будут Рх, Р4,..., Рп. Хотя проще
всего эти частичные области представлять себе связными, но для
облегчения дальнейшего изложения выгодно не исключать
для них возможности быть и несвязными. В пределах 1-й
элементарной области (Р,) возьмем по произволу точку (?,-, -ty), зна-
значение функции в этой точке /(?,-, i\t) умножим на площадь Р{ соот-
соответствующей области и все подобные произведения сложим. Полу-
Полученную сумму
будем называть интегральной суммой для.функции f(x, у)
в области (Р).
Обозначим через X наибольший из диаметров*** частичных
областей (Р,).
Конечный предел1* I интегральной суммы а при Х-*-0 назы-
называется двойным интегралом функции f(x,у) в области (Р)
и обозначается символом
(Р)
Функция, имеющая интеграл, называется интегрируемой.
* Можно, не нарушая указанного свойства, допустить даже наличие
конечного числа особых точек.
** Никаких предположений о непрерывности ее мы при этом не делаем.
*** Напомним, что диаметром точечного множества называется точ-
точная верхняя граница расстояний между двумя произвольными точками мно-
множества. В случае плоской замкнутой области, ограниченной непрерывной
кривой, диаметром служит попросту наибольшая хорда. См. 174.
** Читатель легко сам установит точный смысл этого нового «предела».

5 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	127
589. Условия существования двойного интеграла. Интегрируе-
Интегрируемая функция необходимо должна быть ограниченной. Действи-
Действительно, в противном случае при любом заданном способе разложения
области- (Р) на части можно было бы за счет выбора точек (?г, i\t)
сделать интегральную сумму произвольно большой.
Обращаясь к рассмотрению условной интегрируемости
данной функции f(x, у), мы будем поэтому наперед предполагать ее
ограниченной:
f( )
Как и в случае функции от одной переменной, здесь также удобно
ввести так называемые нижнюю и верхнюю суммы Дарбу:
где m-i и Mt означают, соответственно, точные нижнюю и верхнюю
границы значений функции f(x, у) в области (Р{).
При данном способе разложения области (Р) на части, незави-
независимо от выбора точек (?г, *),-), будут выполняться неравенства
s < о < S.
Но за счет надлежащего выбора этих точек можно значения /(Ej, r,i)
сделать сколь угодно близкими к m^Mj), а вместе с этим сумму о
. сделать сколь угодно близкой к s (S). Таким образом, верхняя и
нижняя суммы Дарбу являются, соответственно, точными
верхней и нижней границами интегральных сумм, отвечающих
тому же способу разложения области.
Для сумм Дарбу, как и в линейном случае, могут быть уста-
установлены следующие свойства.
1-е свойство. При дальнейшем дроблении частей (Р{), с до-
добавлением к старым линиям деления новых, нижняя сумма
Дарбу не убывает, а верхняя — не возрастает.
2-е свойство. Каждая нижняя сумма Д ар б у не превос-
превосходит каждой верхней суммы, хотя бы отвечающей и другому
способу разложения области (Р).
Доказательство проводится аналогично прежнему [296]; лишь в
тех случаях, когда там говорилось о точках деления, здесь при-
приходится говорить о линиях деления.
Есть, однако, один момент, на котором нам хотелось бы задер-
задержать внимание читателя. В линейном случае каждая новая точка
деления отчетливо разлагает один из старых промежутков на два;
общей частью двух промежутков является тоже промежуток. В пло-
плоском случае положение усложняется тем, что две кривые могут пере-
пересекаться между собой во многих точках- (и даже в бесконечном мно-
множестве точек). Поэтому связная частичная область может новой

128	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[590
кривой рассекаться и на несвязные части; точно так же и общей
частью двух связных областей может оказаться несвязная
область. Вот почему мы с самого начала не исключали
из рассмотрения разложения основной области на
несвязные части!
Далее устанавливаются понятия нижнего и верхнего интегралов
Дарбу:
причем оказывается, что
; /, < /*
Наконец, путем буквального воспроизведения доказательства для
линейного случая [297] и здесь получается
Теорема. Для существования двойного интеграла необходимо
и достаточно, чтобы было
lim(S—s) = 0
Х-,.0
или в других обозначениях
п
lira У <о,Р,==О,	F)
х-*о -ti
где со,- есть колебание Mt — mt функции f(x, у) в частичной
области (Pt).
590. Классы интегрируемых функций. С помощью установлен-
установленного выше признака интегрируемости легко доказать:
I. Всякая непрерывная в области (Р) функция f{x, у) инте-
интегрируема.
Действительно, если функция / непрерывна в (замкнутой)
области (Р), то по свойству равномерной непрерывности каждому
е^>0 отвечает такое 8^>0, что в любой части области (Р) с диа-
диаметром, меньшим чем 8, колебание функции будет меньше чем е.
Пусть теперь область (Р) разложена на части (Р,), диаметры кото-
которых все меньше 8. Тогда все колебания о)г<^е, и
откуда и следует выполнение условия F). Этим интегрируемость
функции доказана.
Замечание. Теперь легко уже придать полную строгость вы-
выводу формулы B*) для объема цилиндрического бруса. Это делается
совершенно так же, как и при выводе интегральной формулы для
площади криволинейной трапеции [329] — с привлечением входящих
и выходящих тел, объемы которых выражаются суммами Дарбу.

590]
S 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
129
Для того чтобы несколько расширить класс функций, для кото-
которых установлена интегрируемость, мы будем нуждаться в-следующей
лемме.
Лемма. Пусть в области (Р) задана некоторая кривая (/.),
имеющая площадь 0. Тогда каждому е^>0 отвечает такое
8^>0, что, лишь только область (Р) разложена на части с диа-
диаметрами, меньшими 8, сумма площадей тех из них, которые
имеют с (L) общие точки, будет меньше г.
По предположению, кривую (Z.) можно погрузить в многоугольную
область (Q) с площадью, меньшей чем е. Сделать это можно так,
чтобы кривая (/.) и контур (AT) упомянутой области не имели общих
точек. Тогда расстояние *
между переменными точками у
обеих кривых достигает свое-
своего наименьшего значения
8>0.
Разложим теперь область
(Р) по произволу на час-
части так, чтобы диаметры их
были <^ 8. Те из них, кото-
которые задевают кривую (L),
необходимо целиком бу-
буу
дут лежать в области
(Q), следовательно, об-	Рис. 37.
щая их площадь меньше г.
II. Если ограниченная функция f(x, у) имеет разрывы разве
лишь на конечном числе кривых с площадью 0, то она интегри-
интегрируема.
Зададимся произвольным числом е^>0. По предположению, все
«линии разрыва» функции f(x, у) можно заключить внутрь много-
многоугольной области (Q) с общей площадью <^е. На рис. 37 эта
область покрыта штриховкой. Границей ее служит конечное число
ломаных (L), которые, очевидно, сами имеют площадь 0.
В замкнутой области, получающейся из (Р) выделением внут-
внутренности области (Q), функция f(x, у) сплошь непрерывна,
значит и равномерно непрерывна. Следовательно, по задан-
заданному е найдется такое число 8i^>0, что во всякой части этой
области, диаметр которой меньше 8t, колебание функции f(x, у)
будет <^е.
Теперь, в силу леммы, можно найти и такое 8а^>0, что всякий
раз, как область (Р) произвольными кривыми разлагается на части
с диаметрами, меньшими чем 8а, сумма площадей тех из них, которые
задевают совокупность ломаных (Z.) — границу выделенной много-
многоугольной области (Q), — наверное будет <^ е.
* См. 336, сноска.
5 Г, М. Фихтенгольц. т. III

130 ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[591
Пусть 8 будет наименьшее из двух чисел 8,, 8*	Разложим
область (Р) на части (Pj), (Р9), ..., (Р„), диаметры	которых
меньше 8, и рассмотрим соответствующую сумму
Разобьем ее на две суммы:
предполагая, что значок i' отвечает таким областям (Р^), которые
целиком лежат вне выделенной области (Q), а значок I" — всем
прочим. Оценим каждую из этих сумм в отдельности.
Так как все (Р,-) лежат в области, полученной из (Р) выделе-
выделением (Q), и диаметры их <^S =^84, то все щ<<^ъ, так что
С другой стороны, если через Q обозначить колебание функции
f(x, у) во всей области (Р), то будем иметь (так как <ог ^ Q)
Здесь 2 Pi" есть сумма площадей тех из областей (Р4), которые
1) либо целиком лежат в выключенной области (Q), 2) либо заде-
задевают границу (Z.) этой области. Общая площадь первых меньше е,
ибо Q<^e; то же можно сказать и об общей площади вторых, по-
поскольку область разложена на части с диаметрами, меньшими чем
8е^84. Итак, 2^«"<C2s> так чт0
i"
Окончательно, при Х<^8, оказывается:
Так как правая часть этого неравенства произвольно мала вместе с е,
то выполняется условие F) и т. д.
591. Нижний и верхний интегралы, как пределы. В двумерном слу-
случае также имеет место
Теорема Дарбу. Для любой ограниченной в (Р) функции f(x, у)
выполняются предельные равенства
/* = lim s, I* = lim S
1ср. 301].

S 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	13]
Мы наметим доказательство,(например, для верхних сумм), так как оно
в одном пункте существенно разнится от рассуждения, приведенного для
яинейного случая.
Как и там, по заданному s>0, сначала разложим с помощью сетки кри-
кривых область (Р) на части так, чтобы для соответствующей суммы S' было
Упомянутая только что сетка кривых — обозначим их в совокупности через
(?)— имеет площадь 0. Тогда, по лемме предыдущего п°, найдется такое
8>0, что, как бы область (Р) ни разложить на части (Pj) с диаметрами <5,
сумма площадей тех из них, которые задевают хоть одну из кривых A),
будет < •==-, где 2 — полное колебание функции / в области (Р).
Обозначим через S сумму, отвечающую произвольному такому
разложению, и сравним ее с суммой S", которая получится, если мы к имею-
имеющимся налицо кривым делениям присоединим целиком всю сетку (L). По
1-му свойству сумм Дарбу [589], S" s?i S', так что и подавно
Разнятся же суммы S и S" лишь теми слагаемыми, которые отвечают
частям (Р,), рассекаемым кривыми (L). Так как сумма площадей этих
частей <: дуг-, то легко сообразить, что
Окончательно,
что и завершает доказательство.
Теперь критерий существования интеграла приводится к равенству
/* = /*•
С его помощью, как и в линейном случае, устанавливается, что для интег-
интегрируемости функции достаточно выполнения при любом е>0 неравенства
хотя бы для одной пары сумм Дарбу.
592. Свойства интегрируемых функций и двойных интегралов.
1°. Если произвольным образом изменить значения интегри-
интегрируемой в (Р) функции f(x, у) вдоль какой-либо кривой (Z.) с пло-
площадью 0 (с тем лишь условием, чтобы и измененная функция
оставалась ограниченной), то вновь полученная функция также
интегрируема в (Р), и ее интеграл равен интегралу от f(x, у).
Для доказательства нужно составить интегральные суммы для
измененной и исходной функций. Они могут разниться лишь теми
слагаемыми, которые относятся к областям (Pt), задевающим кри-
кривую (L). Но, по лемме п° 690, общая площадь этих областей стре-
стремится к нулю при X.—>-0, откуда уже легко заключить, что обе инте-
интегральные суммы стремятся к общему пределу.
б»

132	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|592
Таким образом, существование и величина двойного интеграла
не зависят от значений, принимаемых подинтегральной функцией
вдоль конечного числа кривых с площадью 0.
2°. Если область (Р), в которой задана функция f(x, у), кри-
кривой (Z.) (с площадью 0) разложена на две области (Р1) и (Р'), то
из интегрируемости функции f(x, у) во всей области (Р) следует
ее интегрируемость в частичных областях (Р1) и {Р"), и обрат~
но — из интегрируемости функции в обеих областях (Р1) и (Рг)
вытекает интегрируемость в области (Р). При этом
Цf(x, y)dP=\\f(x, y)dP + \\f(x, y)dP.
(P)	(P')	(P")
Разложим области (P) и (Р') произвольным образом на части;
тем самым и (Я) разложится на части:
Если значком /' отметить части, содержащиеся в (Р1), а значком I"—
части, содержащиеся в (Р"), то
Пусть функция f(x, у) интегрируема в (Р), так что при Х-»-0 стре-
стремится к нулю сумма слева; тогда каждая из сумм справа и подавно
стремится к нулю, так что наша функция интегрируема также в (Р1)
и (Р").
Обратно, если имеет место последнее обстоятельство, так что
при X -> 0 стремятся к нулю обе суммы справа, то и сумма слева
также стремится к нулю. Однако нужно помнить, что она построена
не для произвольного разбиения области (Р) на части: ведь мы исхо-
исходили из разложения порознь областей (Р') и (Р").
Чтобы от произвольного разложения области (Р) перейти к раз-
разложению этого частного вида, достаточно присоединить к линиям
деления кривую (I). Соответствующие им суммы будут разниться
лишь слагаемыми, отвечающими тем элементарным областям, которые
задевают кривую (L). Но, по лемме п°590, их общая площадь стре-
стремится к нулю при Х.->-0, и обе суммы разнятся на бесконечно
малую. Таким образом, условие F) выполняется в полной общности,
и функция f(x, у) оказывается интегрируемой в (Р).
Наконец, доказываемая формула получается переходом к пределу
при Х-»-0 из равенства
-Пд Pi =
Аналогично, из рассмотрения интегральных сумм с помощью пере-
перехода к пределу получаются и следующие три свойства:

§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	133
3°. Если умножить интегрируемую в (Р) функцию f(x, у) на
постоянную k, то полученная функция также будет интегри-
интегрируема, и при этом
\ \ kf{x, y)dP = k\ \f(x, у) dP.
(Р)	(Р)
4°. Если в области (Р) интегрируемы функции f(x, у) и
g(x> y)> то интегрируема и функция f{x,y)±g(x,y), причем
, y)±g(x, y)]dP=\\f(x, y)dP±\\g(x, y)dP.
P	P
5°. Если для интегрируемых в (Р) функций f(x, у) и g(x, у)
выполняется неравенство f(x, y)^g(x, у), то
(Р)	(Р)
Далее,
6°. В случае интегрируемости функции f(x, у) интегрируема
и функция \f(x, y)\, и имеет место неравенство
\\\f(.x, y)dP\^\\\f{x, y)\dP.
(Р)	(Р)
(Р)
Интегрируемость функции |/| следует из простого замечания, что
колебание ш, этой функции в любой области Pt не превосходит соот-
соответствующего колебания сог функции /. Действительно, тогда
и стремление к нулю второй суммы влечет за собой стремление к
нулю первой.
Доказываемое же неравенство получается предельным переходом
из неравенства
7°. Если интегрируемая в (Р) функция f(x, у) удовлетворяет
неравенству
то
тР ==: \ \/{х, у) dP < МР.	G)
(Р)
Это получается предельным переходом из очевидного неравенства

134	гл. xvt. двойные интегралы	[593
Если разделить все части неравенств G) на Р\
и через (л обозначить среднее отношение, то получим другую запись
неравенства G)
\\'y)dP = pP (/и<!КЖ),	(8)
которая выражает так называемую теорему о среднем зна-
значении.
Предположим теперь, в частности, что функция f(x, у) непре-
непрерывна в (Р), и возьмем в качестве т и М ее наименьшее и наи-
наибольшее значения в области (Р) — по теореме Вейерштрасса,
173, они существуют! Тогда по известной теореме Больцано —
Кош и, 171, непрерывная функция f(x, у), принимающая значения
т и М, должна пройти и через каждое промежуточное значение.
Таким образом, во всяком случае в области (Р) должна найтись
такая точка (х, у), что ji=/(jt, у), и формула (8) принимает вид:
\\{x, y)dP=f(x,y)-P.	(9)
(Р)
Это — особенно употребительная форма теоремы о среднем.
Так же легко переносится на рассматриваемый случай и обоб-
обобщенная теорема о среднем значении [304, 10°];. предо-
предоставляем это читателю.
593. Интеграл как аддитивная функция области; дифферен-
дифференцирование по области. Рассмотрим (замкнутую) плоскую область (Р)
и содержащиеся в ней частичные (замкнутые) области (р). Мы будем
предполагать все области квадрируемыми (по обстоятельствам
они могут подлежать и другим ограничениям). Если каждой час-
части (р) области (Р) сопоставляется некоторое определенное число
то этим определяется «функция от области (рр для указан-
указанных (р). Примером такой функции от области может служить пло-
площадь области, непрерывно распределенная по ней масса, статические
моменты этой массы, непрерывно распределенная нагрузка или вообще
действующая на нее сила и т. п.
Если при произвольном разложении области (р) на взаимно
не налегающие части
всегда оказывается, что

§ I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	135
то функцию Ф((р)) от области называют аддитивной. Все
функции, приведенные выше в виде примера, обладают этим свой-
свойством аддитивности. Аддитивные функции от области пред-
представляют особую важность, ибо часто встречаются при изучении
явлений лрироды.
Пусть в квадрируемой области (Р) задана интегрируемая функ-
функция точки f(M)—f(x, у); тогда она будет интегрируема в любой
квадрируемой же части (р) области (Р), так что интеграл
Ф((р)) = \\/(х, y)dP	A0)
также есть функция от области (р). Ввиду 592, 2° и она будет,
очевидно, аддитивной функцией.
Обратимся теперь к «дифференцированию функции Ф((р)) по
области». Пусть М — фиксированная точка области (Р), а (р) —
любая содержащая эту точку частичная область. Если отно-
отношение
где р есть площадь области (р), стремится к определенному ко-
конечному пределу f=f{M) при безграничном убывании диаметра
области (р), то этот предел называется производной от
Ф((р)) по области в точке М. Если Ф((/?)), например, есть
масса, непрерывно распределенная по плоской фигуре (р), то f(M)
есть не что иное, как плотность распределения масс в точке М;
если Ф((р)) означает силу, действующую на фигуру (р), то f(M)
выражает удельное давление в точке М, и т. п.
Особый интерес для нас представляет случай, когда функция от
области выражается интегралом вида A0), где f(x, у)—непре-
у)—непрерывная в области (Р) функция. Мы покажем, что производной по
области в точке М от интеграла будет подынтегральная функ-
функция, вычисленная именно в этой точке, т. е.
f(M)=f(x, у).
Действительно, взяв область (р), о которой говорится в определении
производной, имеем по теореме о среднем [см. (9)]
*№)=/(*, У)-р,
где (X, у) есть некоторая точка области (р). Если диаметр области (р)
стремится к нулю, то точка (X, у) безгранично сближается с (х, у)
и, по непрерывности
что и требовалось доказать.

136	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Таким образом, двойной интеграл A0) по переменной области
является в особом смысле «первообразной» для подинтегральной
функции точки: он восстанавливает функцию области, для которой
эта функция точки служит производной по области. Естественно
встает вопрос, в какой мере однозначно вообще «первообразная»
определяется своей производной.
В этом направлении можно доказать такое предложение: две
аддитивные функции от области, Ф^ ((/?)) и Ф4 ((/;)), имеющие
во всех точках основной области (Р) одну и ту же производную
по области, тождественны.
Если перейти к рассмотрению разности Ф((р)) = Ф1 ((р)) — &t((p)),
дело сведется к доказательству того, что аддитивная функция
области Ф ((/?)), производная которой во всех точках области (Р)
равна нулю, и сама тождественно обращается в нуль.
Действительно, по самому определению производной, каково бы
ни было число е^>0, каждую точку М области (Р) можно окру-
окружить такой окрестностью, чтобы для любой заключенной в ней
части (р) этой области, содержащей М, было
О
С помощью леммы Бореля [175], примененной к системе этих
окрестностей, удается затем разложить область (Р) на конечное число
взаимно не налегающих областей:
так, чтобы для каждой из них было (i=l, 2, ..., k)
»!<e или
Ввиду же предположенной аддитивности функции Ф((р)) имеем
i
Отсюда, в связи с предыдущим неравенством,
Но е здесь произвольно, значит Ф((Р)) = 0. Этим и доказано наше
утверждение, поскольку вместо (Р) могла быть взята и любая ча-
частичная область (р).
Сопоставляя все сказанное, мы приходим к такому заключитель-
заключительному утверждению: двойной интеграл A0) по переменной области
представляет собой единствен ну ю аддитивную «первообраз^
ную» для стоящей под знаком интеграла функции точки *.
* Эта функция предполагается, как и выше, непрерывной.

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	137
Поэтому, например, без вычислений ясно, что по заданной плот-
плотности р (М) = р (х, у) распределения масс в точке М вся масса,
распределенная по фигуре (Р), выразится интегралом
т = Цр(х, y)dP;
если q(М) = q(х, у) есть удельное давление в точке М, то
вся действующая на фигуру (Р) сила будет
(Р)
и т. п.
Замечание. Выше нам приходилось уже говорить об адди-
аддитивных функциях от промежутка [348; 684, 8)]. Так как
такая функция всегда представляет собой разность двух значений
некоторой функции точки, то не было надобности для «линей-
«линейного» случая развивать теорию вроде изложенной выше для «пло-
«плоского» случая. Однако в теореме о дифференцировании определен-
определенного интеграла по переменному верхнему пределу [305, 12°] чита-
читатель легко усмотрит аналог доказанной только что теоремы о
дифференцировании двойного интеграла по области, а рассуждения
п° 348 можно трактовать как доказательство того, что интеграл
есть единственная аддитивная функция от промежутка, служащая
«первообразной» для данной функции точки.
§ 2. Вычисление двойного интеграла
594. Приведение двойного интеграла к повторному в случае
прямоугольной области. С этим вопросом в геометрической трак-
трактовке и при некоторых частных предположениях мы уже имели дело
в п° 587.
Рассмотрим теперь его средствами анализа и притом в самой об-
общей форме; начнем мы с простого случая, когда область интегриро-
интегрирования представляет собой прямоугольник (Р) = [а, Ъ; с, d].
Теорема. Если для функции f(x, у), определенной в прямо-
прямоугольнике (Р) = [а, Ъ\ с, d], существуют двойной интеграл
\\f(x,y)dP	A)
(Р)
и — при каждом постоянном значении х из [а, Ь] — простой ин-
интеграл
I(x)=]f(x,y)dy (a^x^b),	B)

138
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
|594
то существует также повторный интеграл
b d
\dx\f(x, y)dy
и выполняется равенство
а с
*
ь d
\ $/(*, у) dP=\ dx\f(x, у) dy.
(Р)	ас
C)
D)
Доказательство. Разобьем промежутки [а, Ь] и [с, d], опре-
определяющие прямоугольник (Р), на части, вставляя точки деления
Тогда прямоугольник (Р) разложится на частичные прямоугольники
(рис. 38)
Вы
о
(PJ
г,- I х,„
4
l; yk,
(i = 0, 1, ..., я —1;
k = 0, I, .... m— 1).
Обозначим через т^ k и
Mit k> соответственно, точные
нижнюю и верхнюю границы
функции f(x,y) в прямоуголь-
прямоугольнике (Р,-_ ft), так что для всех
точек (х, у) этого прямоуголь-
прямоугольника
Рис. 38.
Фиксируя х в промежутке [xit xi+l] по произволу: x = lit и ин-
интегрируя по у от ук до j'ft+i, будем иметь [304, 8°]
/. к
Ук+i
где ДУй=>'а+1 — Ук\ интеграл по у существует, так как предполо-
предположено существование интеграла B) по всему промежутку [с, d]. Сум-
Суммируя подобные неравенства по А от 0 до от — 1, получим
* = о
ft=0
* Читатель легко усмотрит в этом утверждении видоизменение известной
теоремы о двойном и повторном пределах [168].

594J	§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	439
Если умножить все части этих неравенств на Длс,-= ЛГ; +1 —^ ^
и просуммировать по значку i от 0 до я—1, то найдем
j=0	ft=0	< = 0	j = 0 fe = O
Посредине мы получили интегральную сумму для функции 1(х).
Что же касается до крайних членов, то они представляют собою не
что иное, как суммы s и S Дарбу для двойного интеграла A).
Действительно, так как Длг,-Дул есть площадь Pit ^ прямоугольника
(P,_ft), то, например, имеем
я—1 т—\	л —1т—1
i = 0 * = 0	«= 0 k — 0	i, к
Таким образом, окончательно
л-1
Если теперь все Ajc,- и Дул одновременно устремить к нулю, то
ввиду существования двойного интеграла A), обе суммы s и S бу-
будут стремиться к нему, как к пределу. В таком случае и
Нт ?/&)**, J$
«¦ =0	(Р)
т. е. двойной интеграл A) представляет собой в то же время и ин-
интеграл от функции 1(х):
\ $/(*, y)dP = \l(х) dx = I dx\f(x, y) dy,
(P)	а	а с
что и требовалось доказать.
Меняя роли переменных х и у, наряду с D) можно доказать и
формулу
d Ь
\ \f(x, y)dP = \ dy I fix, y) dx,	(A*)
(P)	с а
в предположении, что при у = const, существует интеграл
\f(x, y)dx.

140	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	E94
Замечание. Если вместе с двойным интегралом A) суще-
существуют оба простых интеграла:
d	Ь
\ f (х, у) dy (х = const) и $ / (х, y)dx (у = const),
с	а
то имеют место одновременно обе формулы D), D*), откуда
\dx\f{x, y)dy = \dy \f{x, y)dx.	E)
ас	с а
Этот результат мы установили -выше [528], не пользуясь пред-
предположением о существовании двойного интеграла.
Применение формулы D) или D*) обусловлено существованием
двойного интеграла и одного из простых. Если функция f{x, у)
непрерывна (случай, который обычно встречается на практике),
то существование всех упомянутых интегралов обеспечено; по отно-
отношению к двойному, например, это следует из 590, I. В этом случае
любой из упомянутых формул можно пользоваться для фактиче-
фактического вычисления двойного интеграла, так как вычисление
простых интегралов представляет гораздо более простую задачу.
При доказательстве формулы D) всего естественнее было раз-
разложить прямоугольник (Р) прямыми, параллельными осям, на прямо-
прямоугольные элементы с площадями Длг,Дуй. Желая в самом символе
двойного интеграла указать на происхождение его от деления
области на части прямыми, параллельными осям, вместо \\f(x,y)dP
(Р)
часто пишут
\\f(x> y)dxdy Г или \\f{x, y)dydx\
(Р)	(Р)
Больше того, имея в виду сведение двойного интеграла, распро-
распространенного на прямоугольник (Р) = [а> Ь; с, d], к повторному, и
самый двойной интеграл часто обозначают символом, сходным с по-
повторным:
bd	db
\\f(x, y)dydx или \\f(x, y)dxdy.
ас	с а
При этом обозначении друг другу соответствуют «внешний интеграл»
и «внешний дифференциал», так что стоит лишь поставить скобки,
чтобы получить тот или другой из повторных интегралов:
Ь d	d Ь
\\\fi.x> У)Щdx или \\\f(x> У)dx)аУ-

595]	§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	141
595. Примеры. 1) Вычислить интеграл, распространенный на прямо-
прямоугольник (Р) = [3, 4; 1, 2]:
2 4
Г Р _dxdy___ С С dxdy
(Р) х у г % х у
Решение. По формуле D*) пишем
С С dxdy __ Г
Найдем сначала внутренний интеграл:
4
dx	1	1
у + 4»
а
отсюда
С С dxdy _ Г Г__1	1_
2) Вычислить интегралы
3 5	11
(a) It=$[Ex*y-2y')dxdy, (б) /1=
(в) /,=
Решение.
3 5	3
(а)	/j == \ (/у С Exsу — 1у3) dx = \ A95у — 6у3) dy = 660.
I й	Г
1	1
(б)	/а = \ xsdx • \ -¦ * 2 = тк.
О	о
в) Проще представить /а по формуле D) в виде
1 1
ydy
/.= V dx
Q+x'+y*?'*'
ибо сразу получаем:
1
ydy
так что
1
1

142	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	{595
Если прибегнуть к другому повторному интегралу, то квадратуры ока-
окажутся несколько более сложными:
I	1	1
/ — С //С	йх	С	йх
1
(/3-1) (/2+1)
Легко преобразовать этот ответ к прежнему виду.
3) Найти объем V тела, ограниченного снизу плоскостью ху, с боков пло-
плоскостями х = 0, х — а, у = 0, у = Ь, а сверху эллиптическим параболоидом
Решение. Прежде всего по формуле B*)
'-П
[О, а; О, Ь]
Самое же вычисление интеграла произведем по формуле D*):
f V	. ab
4) То же для тела, ограниченного плоскостью ху, поверхностью л:2 +
4- z* = /?2 (г > 0) и плоскостями у = 0 и у = Н.
Решение. Если за основание тела принять прямоугольник [— R, Я.;
0, Н] на плоскости ху, то
н R
[Конечно, проще было бы рассматривать тело, как цилиндр, имеющий
основанием полукруг на плоскости хг.\
Ъ) То же для тела, ограниченного плоскостями г = 0, х = а, х — b, у = с,
y=d(b> а>0, <*>с>0)и гиперболическим параболоидом г — -2- (т>0).
л	.. (d8 — cs) (ft2 — a2)
Ответ. V=-	Р	^.
4т
6) Доказать, что
l I	l
ix dy= \y dy.
i
II'

$ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	143
Подинтегральная функция в двойном интеграле, если при ху = 0 припи-
приписать ей значение 1, будет непрерывна во всем квадрате [0, 1; О, 1J.
Имеем
11	11
[ [(хууУ dxdy=\dy\(ху)*У dx.
ее	во
Делая во внутреннем интеграле подстановку ху = t (при у = const. >• 0), а
затем интегрируя по частям, последовательно получим для двойного инте-
интеграла выражение
Двойная подстановка обращается в 0, так как интеграл ^ t'-df при у—»0
"о
есть бесконечно малая первого порядка *. Что же касается последнего инте-
интеграла, то, ввиду тождества
1
он приводится к интегралу \у? dy.
b
7) Доказать, что (при любом г = const.)
 2"
\ J cos Bг sin <p sin в) rf» «Гв = И cos (г sin X) d\ }'.
Для этой цели каждый из интегралов разложим в ряд по степеням г. По
отношению к простому интегралу это уже было сделано в 440, 13):
Подинт.егральная функция в двойном интеграле разлагается в ряд
00
созBг sin? sine)= I -j- У (— 1)»^- sin8i <f sinsi 6,
• Ведь lim — [ t( dt = Wint(—I.
y-+o У J	t—o

144	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|595
равномерно сходящийся для всех значений if и в 8 квадрате
О, -=-; 0,-^-1. Интегрируя его почленно в этом квадрате, получим*
1С 1С
~2 Т
\ cos Bz sin tp sin 9) d<? db =
7C2 , VI	. 1ч:BгJ'	Г	f . .,
*=-r + 7	(— 1)'v o.,	\	\ sin2'
4 ' Li	v	2d	J	J
1С 1С

i = l
Но [см. 312 (8)]
It 1С
У У
5\ sin8' w sin2' 6 fifcp cf8 == \ db\ sin2' <p sin2' 9 rfo =
б	6 0
так что после простых преобразований
1! 1С
т т
Легко проверить теперь [см. 390, 3I, что, действительно,
' 2s*(ft!)s J *
Таким образом, значение предложенного двойного интеграла может быть
выражено через бесселеву функцию с нулевым значком:
8) Доказать,
1! Я
У У
С С
J } !
0 0
У
\
что
1!
У
\ cos Bг sin <p
при любом й
dtp d%
8 sin2 <p sin2 9
sin
2
<*<l)
1;
У
f d\
$ Vl — k'rni!
(г)]2.
!X
* Без дальнейших пояснений читатель распространит и понятие равно-
равномерно сходящегося ряда и теорему о почленном его интегрировании на слу-
случай, когда члены ряда зависят от двух переменных.

595]	§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	145
Указание. Оба интеграла разложить по степеням ft; для интеграла
справа это разложение нам уже встречалось [440, 13)].
9) Доказать, что если функция f(x) интегрируема в промежутке [а, Ь\,
а функция g(y) интегрируема в промежутке [с, d], то функция f(x) g(y)
от двух переменных будет интегрируема в прямоугольнике (Р) = [а, Ъ; с, d\.
У к аз а н и е. Вопрос можно свести к интегрируемости в (Р) порознь
функций /(х) я g.(y), рассматриваемых как функции от двух
переменных*. Для того же, чтобы установить это, удобно воспользо-
воспользоваться облегченным критерием интегрируемости, указанным в конце п" 591.
Заметим, что при этом
d ь
= l dy{]f(x)g(y)dx} =
с	а
d	b	b	d
{$/(-*) dx) dy = \f{x) dx ¦ ]g(y) dy,
с	а	а	с
так что двойной интеграл приводится здесь к произведе-
произведению двух простых интегралов.
Иной раз, наоборот, оказывается полезным представить произведение
двух простых интегралов в виде двойного интеграла. Ниже мы приводим
некоторые примеры применения этой идеи.
10) Доказать неравенство:
где f(x) — положительная непрерывная функция.
Без умаления общности можно предположить, что а <.Ь. Так как инте-
интеграл не зависит от обозначения переменной интегрирования, и можно
в любом из интегралов букву х заменить буквой у, то левая часть нера-
неравенства перепишется так:
где (Р) = [а, Ь; а, Ь\. Отсюда
2 II	J
В силу очевидного неравенства 1АВ s? А* -\- В3 подинтегральная функция > lf
так что [см. 592, 7°]
/ЗМ*-лK,
что и требовалось доказать.
11) Неравенство Бу кяковс кого. Мы уже имели дело с этим нера-
неравенством [321]. В виде упражнения дадим новый вывод его для случая функ-
функций f(x) и g(x), ингег.рируемых в [а, Ь] в собственном смысле.
Рассмотрим интеграл
* Если теорему п°299, II распространить на функции от двух переменных.

146	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1595
где (Р) есть квадрат \а, b; a, b]. Раскрывая скобки, имеем [см. 9)]
B=lf'(x)dx-lg*(y)dy-2\f(x)g(x)dx-\f(y)g(y)dy +
или, наконец, снова пользуясь независимостью интеграла от обозн а че-
н и я независимой переменной:
ь	ь	ь
B = 2{\f*{x)dx-\g*(x)dx-[\f(x)g{x)dx]s\
а	а	а
Так как в интеграле В подинтегральное выражение неотрицательно^ то и
5 5=0, откуда и следует требуемое неравенство
ь	ь	ь
[$/(*) g{*) dxf ^ J/s (л;) dx ¦ \g> (x) dx.
a	a	a
Замечание. Из него, в частности, вытекает и неравенство предыду-
предыдущего упражнения (если / заменить на |/"/\ a g на 	J.
12) Неравенство Чебышева. Сходными рассуждениями доказывается
неравенство
ь	ь	6	6
\p(x)f(x) dx-[p{x)g{x)dx^\p(x)dx-]p(x)f{x)g(x\dx,
а	а	а	а
которое принадлежит П. Л. Ч е б ы ш е в у. Здесь р (х) есть положитель-
положительная интегрируемая функция, a f(x) и g(x) — монотонно возрастаю-
возрастающие функции.
Пусть а < Ъ. Рассмотрим разность
Заменяя во вторых множителях обоих членов букву х на 3N представим эту
разность А в виде
ь ь
a a
Обменяем теперь ролями х и у:
ь ь
ь
Д = \\ р (х) р (у) f{x) [g (x) - g СУ)] dx dy.
a
Д.= J Jp{x)p(y)f(y) [g(y)-g(x)\ dx dy.

595)	5 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	147
Наконец, если взять полусумму обоих выражений, получим
ь ь
1 f ^ P(x)p<y}^f^x)—f(y)]lg^x) —
Так как обе функции fag монотонно возрастают, то обе квадратные
скобки одного знака, т. е. подинтегральное выражение всегда неотрица-
неотрицательно, а тогда и Д^О, чем и доказано требуемое неравенство.
Легко видеть, что оно остается в силе и в том случае, когда, обе функ-
функции / и g убывают. В случае, когда одна из них убывает, а другая возрастает,
неравенство меняет смысл.
13) Пусть функция f(x, у) непрерывна в прямоугольнике (Р) =
= [а, Ъ; с, d\. Обозначая через (л:, у) произвольную точку в этом прямоуголь-
прямоугольнике, рассмотрим функцию, выраженную двойным интегралом:
х у
ас
Если представить его в виде повторного интеграла:
F(x,y) = *\du\f(u,v)do,
а с
то, дифференцируя сначала по х, затем по у, последовательно получим *
Мы пришли к аналогу теоремы о дифференцировании простого интеграла по
переменному верхнему пределу. Точно также установим, что и
дyдx~JУ¦л^¦y'^
14) Пусть f(x, у) интегрируема в прямоугольнике (Р) = [«, Ь; с, d]. Если
для этой функции (которую на этот раз мы не предполагаем обязательно не-
непрерывной) существует «первообразная» функция Ф(х, у), в том смысле, что
д*Ф (х. v)
то
']f(x,y)dxdy = <b{b, d) — <b{b, с)—Ф(а, d) + <b{a, с).
й'
Это — аналог формулы, выражающей обыкновенный определенный инте-
интеграл через первообразную.
У
• Следует учесть, что подинтегральная функция \/(«, ») dv для внсш-
с
него интеграла есть непрерывная функция от и [506].

148	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[595
Наметим доказательство. Разложим прямоугольник [а, Ь; с, d], как и в
п° 594, на частичные прямоугольники
[хи xi+1; yk, yk+1] (i = 0, 1, ..., я —1; k = 0, 1, .... m— 1).
Дважды применяя к выражению
Ф fo+i. Ук+i) — * (Xi+u У к) — Ф (xi, Ук+i) + Ф (*«. У к)
формулу конечных приращений *, представим его в виде
где Xi^iik^Xi+l, Ук^Ш^Ук+i- Суммируя по i и k, получим
Ц /(?«*, Ш) А**4У* = Ф (b, d) - Ф (Ь, с) - Ф (a, d) + Ф (а, с),
i, к
Наконец, перейдем к пределу.
Как видим, схема рассуждений — та же, что и при доказательстве основ-
основной формулы интегрального исчисления, выражающей простой определенный
интеграл через первообразную [310].
В заключение приведем два поучительных примера, устанавливающих
взаимную независимость условий теоремы п° 594.
15) Если х — рациональное число, то, представив его в виде несократи-
несократимой дроби с положительным знаменателем, будем обозначать последний
через qx. Определим в квадрате (Р) = [0, 1; 0, 1J функцию f(x,y), положив:
f(x, у) =	1	, если хну оба рациональны,
Чх Чу /'
f(x,y) = 0	—в прочих случаях.
Функция будет разрывна во всех точках квадрата, имеющих рациональные
координаты, а в остальных — непрерывна.
Так как, каково бы ни было е > 0, лишь в конечном числе точек
может быть />е, то условие интегрируемости, установленное в п° 589, вы-
выполняется, и двойной интеграл
существует; он равен 0.
При иррациональном значении у функция f(x, у) обращается в 0 для
всех х, так что и
\f(x,y)dx = 0.
Если же у рационально, то f(x, _у) = 0 для иррациональных значений х, а для
рациональных х имеем: f(x,y) = —- -|	. Эта функция от переменной х в
Чх Чу
любом промежутке ее изменения имеет колебание > —, следовательно, для
Яу
нее по л: не существует интеграла. Значит, не может быть речи
и о повторном интеграле
\dy\f(x,y)dx.
О О
* Ср. преобразование выражения W при доказательстве теоремы о пере-
перестановке двух дифференцирований в п° ISO

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
149
Аналогично устанавливается, что не существует и интеграл
1 1
\dx\f(x,y)dy.
16) Положим теперь /(х,_у) = 1 во всех точках квадрата, для которых обе
координаты х,у рациональны и притом qx = qy, и f(x, y) = 0 в прочих точках.
Так как в любой части квадрата колебание функции /равно 1, то
двойной интеграл
[f(x,y)dP
на этот раз не существует.
В то же время при постоянном у функция f(x, у) либо тождественно
равна 0 (если у иррационально), либо может быть отлична от 0 лишь для к о-
н е ч н о г о числа значений х (если у рационально). В обоих случаях
1
\f{x,y)dx = Q,
значит, существует и повторный интеграл
1 1
\dy\f(x,y)dx = 0.
Точно так же существует и интеграл
1 1
\dx\f{x, y)dy = 0.
[Ср. 528!]
596. Приведение двойного интеграла к повторному в случае
криволинейной области. Рассмотрим область (Р), ограниченную
снизу и сверху двумя непрерыв-
непрерывными кривыми:
у=Уй(х), y=Y{x)
а с боков — двумя ординатами:
х = а и х = Ъ (рис. 39). Тогда
аналогично теореме п° 594 имеет
место следующая
Теорема. Если для функции с
f{x, у), определенной в области _
(Р), существует двойной инте- °
Рис-39-
и — при каждом постоянном значении х из {а, Ь] — простой
интеграл	у(
)= § f(x, y)dy,
У о I*)

150	ГЛ. XV!. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
то существует также повторный интеграл
Ь ?(х>
\dx \ f(x, y)dy
а уо (*)
а выполняется равенство
Ь	Y(x\
\\f{x,y)dP = \dx \ f{x, y)dy.	F)
(Pi	о уо(х)
Доказательство строится на сведении этого случая к рассмотрен-
рассмотренному в п° 594. Именно, заключим область (Р) в прямоугольник
(R) = [a, Ь; с, d],
полагая с= min уй{х), a d— max Y(x) (см. рис. 39), и опре-
определим в этом прямоугольнике функцию /* (х, у) следующим об-
образом:
{f(x, у), если точка (х, у) принадлежит
области (Р),
0	в прочих точках прямоугольника (R).
Покажем, что эта функция удовлетворяет условиям теоремы
п° 594.
Прежде всего, она интегрируема в области (Р), ибо здесь она
совпадаег с интегрируемой по условию функцией f(x, у); очевидно,
поэтому
(Р;	(Р)
С другой стороны, /* (х, у) = 0 вне (Р) и, следовательно, ин-
интегрируема и в остальной части (Q) = (R) — (Р) прямоугольника (R) *,
причем
Тогда, в силу 592, 2°, функция /* интегрируема во всем пря-
прямоугольнике (R) и
$ $	= \ $/(*, у) dP.	G)
(Л)	(Р)
При постоянном значении х в [a, b] существует интеграл
d	Уо<х)	У{Х)	d
\f*(x,y)dy= $ f*dy+ $ f*dy+ $ fdy,
с	с	уо(х)	Y{x)
* Значения ее на границе этой области роли не играют, см. 592, 1*.

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
151
ибо существует каждый из трех интегралов справа. Действительно,
так как в промежутках [с, yoix)) и (К(л}, d] изменения^ функция
f*ix, y) = 0, то первый и третий интегралы существуют, будучи
равны нулю. Второй же интеграл совпадает с интегралом от функ-
функции fix, у):
Г(х)	Г(х)
\ /* О, y)dy= I fix, у) dy,
У» (х)	У а (X)
поскольку /* (лг, у) =f(x, у) для у в [j;0D Yix)]. Окончательно,
d	Y(x)
f{x,y)dy.
(8)
Уо(х)
В силу упомянутой теоремы, для функции /* существует и по-
повторный интеграл, который равен двойному [см. 594 D)]:
$ S f* (х, y)dR=\dx $/* ix, y)dy.
(Л)	а с
Принимая же во внимание G) и (8), видим, что эта формула рав-
равносильна формуле F).
Если область (Р) представляет собой криволинейную трапецию
другого типа и ограничена кривыми
х=хо(у), х=Х(у)
и прямыми у = с, y=d, то вме-
вместо F) придем к формуле
]\fix,y)dP =
= \dy \ f(x,y)dx, F*) О
b х
Рис. 40.
в предположении, что, наряду с двойным интегралом, при у = const,
существует простой интеграл по х.
Замечание. Если контур области (Р) пересекается лишь в
двух точках как параллелями оси ординат, так и параллелями оси
абсцисс (как, например, в случае, изображенном на рис. 40), то при
выполнении указанных условий применимы обе упомянутые формулы.
Из сопоставления их получается равенство
b Y{x)	d
^dx ^ fix, y)dy =
a y0 (jc)	с
fix, y)dx,
(9)
¦^oW

152
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
{597
которое представляет и самостоятельный интерес. Это — аналог фор-
формулы E) п° 594.
Если функция f(x, у) в области (Р) непрерывна, то интегралы,
двойной и простой, существуют, и формулу E) или E*), смотря по
типу области (Р), можно использовать для вычисления двойного
интеграла.
В случае более сложного контура область (Р) обычно разла-
разлагается на конечное число частей рассмотренного типа. [Например, фи-
фигура (Р) на рис. 41 рассекается
прямо х = а. на три такие части:
(Pi), (Р2) и (Р3).] Тогда и иско-
искомый интеграл, в силу 592, 2°,
представляется суммой интегра-
интегралов, распространенных в отдель-
отдельности на эти части; каждый из
них вычисляется как указано.
В общем случае также, по-
поскольку мы свели дело к теореме
п° 594, в основе умозаключений
лежит разбиение рассматриваемой
фигуры на прямоугольные эле-
мгнты. В связи с этим и здесь для обозначения двойного интеграла
пользуются часто символом
с, y)dxdy;
произведение dxdy напоминает о площади элементарного прямо-
прямоугольника. Само собою понятны и обозначения
bY(x)	dX(y)
jj § fdydx или § § fdxdy.
а уй (х)	с х0 (у)
597. Примеры. 1) Вычислить двойной интеграл
Рис. 41.
\\
где (Р) есть круг радиуса R с центром в начале координат (рис. 42).
Решение. Контур области (Р) имеет уравнение xa -^-y2 = Rs, откуда
у=± У R*— х*. Очевидно, .у —-f- У R* — л:2 есть уравнение верхней по-
полуокружности, а у = — УR* — х2 является уравнением нижней полу-
полуокружности. Таким образом, при постоянном х из промежутка [— R, R] пе-
переменная .у изменяется от — УRa
(с учетом четности nojy подинтегральной функции)
— x\ По формуле F)
/= \ dx $
-R _ Уф -
— xs dy =
— x2 dx
-r
у2 dy.

S97]	§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
Вычисляем внутренний интеграл:
153
2 -х*
Згтем (снова с учетом четности)
-R	О
Совершенно аналогично проводится и вычисление по формуле F*).
2) Вычислить
если область (А) ограничена двумя параболами: у = х* и у" = х.
\R X
I X
Рис. 42.
Рис. 43.
Решение. Полезно сделать чертеж хотя бы грубо, чтобы получить
общее представление об области. Решая совместно уравнения парабол, на-
находим точки их пересечения: @, 0) и A, 1) (рис. 43).
Если внешнее интегрирование производить по у, то промежутком изме-
изменения у будет, очевидно, [0,1]. Взяв произвольное значение у в этих пределах,
видим по чертежу, что х изменяется от х=у2 до х= У у\ По формуле F*),
1 VJ
=\dy \
0	*
(x*+y)dx.
Вычисляем внутренний интеграл:
V3
хг
~Т
а затем — и внешний:
c=VJ 4 4- 1 .
= 2 ~YyYy

154
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[597
3) Вычислить интеграл	ее
'	v J=\\xydxdy,
(D)
где (D) есть область, ограниченная осями координат и параболой У х
+ YJ=\ (рис. 44).
Решение. Имеем:
1 (\-Yx~)*	i
dx J
б
4)
об	о
Вычислить интеграл /= \ V -j dx dy, где (С) есть область, ограни-
\О
ченная прямыми х = 2, у = х и гиперболой ху=-\.
Решение. Нанесем эти линии на чертеж (рис. 45). Совместным реше-
решением уравнений легко получить, что прямая х = 2 пересекает прямую у = х
Рис. 44.
Рис. 45.
1
в точке B, 2), а гиперболу ху=\—в точке B, -к-), прямая же у = х и
гипербола (в пределах первого квадранта, где и лежит рассматриваемая
область) пересекаются в точке A, 1).
Если остановиться для вычисления интеграла / на формуле F), то вне-
внешнее интегрирование по а; придется произвести в промежутке [1, 2]. При
фиксированном х в этом промежутке пределы изменения у суть у = —
и у = х. Итак,	2 х
'-И
Но
так что
_1_
X
х3
1 = *' — X,
/= Г {xt — x)dx = ~.

S 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	155
В то время как в предыдущих примерах вычисление по обеим форму-
формулам F) или F*) представлялось одинаково простым, в данном случае дело
обстоит иначе: вычисление по формуле F*) здесь было бы сложнее. Тем
не менее мы выполним его, ибо поучительно дать себе отчет в причине ука-
указанного обстоятельства.
Прямая, параллельная оси х, пересекает контур области в двух точках,
так что формула F*) приложимэ. Но кривая, ограничивающая нашу область
слева, — она отвечает кривой х = хо(у) общей теории, — здесь состоит из
двух частей: куска прямой и куска гиперболы, которые выражаются раз-
различными уравнениями. Иными словами, упомянутая функция х0 (у) задается
различными формулами в различных частях промежутка -к-, 2 I изменения у.
Именно,
1	1
еСИ -=-
2
>=!
если
Справа область ограничена прямой х = 2.
Поэтому интегрирование по у удобнее разбить и представить ~/ в виде
2 у
Так как
2	2
Xs _ 8 1 Г лг3	8 jy
		у
У
то
1	2
17 , 5 9
2
CIS М^,С/8
== \ W~WI У+ \ \3^~
М^,С/8 у\ . 17. 5 9
WI У+ \ \3^~ТГ) «У = 12 + Т = Т-
С подобными обстоятельствами приходится считаться; из двух возмож-
возможных путей вычисления двойного интеграла, естественно, выбирают более
простой.
5) Вычислить интегралы:
(а) /,= 5SC0S<JC+>'>dx аУ> (б> 7» = И
(в) /,=
где (Q,) есть треугольник, ограниченный прямыми
—	треугольник, ограниченный осями координат и прямою x + j; = 3, a
—	треугольник, ограниченный прямыми
у = х, у = Ьх, х=1.

156	гл. xvi. двойные интегралы	1597
Указание. В случаях (а), (б) безразлично, какой из формул F), F*)
пользоваться; в случае же (в) удобнее пользоваться формулой F) (почему?
сделать чертеж!)
Ответ, (а) А = -2; (б) 1г = Ц\ (в) /, = 251.
6) Вычислить интеграл
распространенный на треугольник, который образован прямыми у = О, х=\,
у = х.
1	X
Решение. По формуле F) /=§ dx \ У~4х2— у2 dy; внутренний инте-
о о
грал равен
X
/4^=y d L y4J?=? + 2* arcsin ?
*=* = ^_? + JL) **,
и окончательно /=—[1--—\-~).
Можно было бы вести вычисления и по формуле F*), но в этом слу-
случае мы натолкнулись бы на более трудные квадратуры. Подобное
обстоятельство также следует учитывать при выборе пути для вычисления.
В связи с трудностями, которые иной раз представляет расстановка
пределов интегрирования в случае криволинейной области, полезны следую-
следующие упражнения:
7) Переменить порядок интегрирования в повторном интеграле [по фор-
формуле (9)]:
* 12*	1 2+У7—6у—у*
\*« \ f(x,y)dy, (б) \dy	\	f(x,y)dx,
Зх	I V3—_
(в) J dx J f{x, у) dy, (г) f dy \ f{x, у) dx,
О 2х	0	1.
считая fix, у) непрерывной функцией.
(з) Решение. Область интегрирования определяется совместными не-
неравенствами:
0sSa:sS4, 3xs^y^l2x.
Отсюда прежде всего ясно, что крайними значениями у будут 0 и 48. Решая
же последние неравенства относительно х, при фиксированном у найдем,
1	-if v *
что х меняется от j^y до I/ —
1Z	f о
* Оба эти числа не выходят за пределы промежутка [0, 4]1

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
Г57
Еще проще усмотреть этот результат из рис. 46, где изображена область,
ограниченная прямой у=12х и параболой у = 3х", которые пересекаются в
точках с абсциссами 0 и 4. Отметим, что по оси х взят другой масштаб,
чем по оси у.
48
Ответ. \ dy
fdx.
У,
so
Чп ¦
(б) Указание. Область интегрирования
ограничена окружностью	30
6 -З+УЮ+ix-x*
Ответ. § dx	J	f.dy.
-2 _3-
(в) Решение. Область интегрирования
определяется совместными неравенствами:
откуда выясняются крайние значения для у: 0 и 3.
Решая последние неравенства, видим, что 4г =
о
Но для у > 2
предел ¦=- уже выходит из промежутка [0, 1], которым во всяком случае
ограничено изменение х. Следовательно, при 0^у^2 переменная х изме-
изменяется от ^- до у, а при 2s?_y??3 — от ^- до 1.
Значительно проще этот результат получается геометрически, если
сообразить, что область интегрирования есть треугольник, ограниченный
прямыми у = Зх, у = 2х и аг=1 (сделать чертеж!).
Ответ. Получаем сумму двух повторных интегралов:
\dy \ fdx + \dy { fdx (Ср. 4) и 5) (в)).
1	2	1
(г) Ответ. Получаем сумму трех повторных интегралов:
\_ 		_
У Учх	У2 1	Уз уз — х3
\dx J fdy+ \ dx\fdy+ J dx \ fdy.
оо	J^ o	yj
2

158
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
1597
8) Записать в виде одного повторного интеграла выражение:
(а)
1	v
\ dy ] f(x,
3	1
y)dx+\dy $ f(x,y)dx,
7	3	9 10-y
F) \dy j f(x, y) dx + \ dy J / (jc, y) dx.
7	У
Ответ.
l 3/7	з Ю-*
(a) j dx J /djr, F) j dx f /dy.
(Рекомендуется во всех случаях делать чертежи.)
9) Показать, что употребительная формула интегрального исчисления
P=\f(x)dx,
выражающая площадь криволинейной трапеции, ограниченной осью х, орди-
ординатами х = а, х = Ь и кривою y=f(x) (где
/^ 0), является следствием очевидного равен-
О
А
ства
= [ [ dx dy.
Указание. Воспользоваться
лой F).
10) Установить формулу
форму-
формуЬ
dx ]f(x, y)dy = \ dy
, у) dx, A0)
Рис. 47.
где f{x, у) есть произвольная функция, не-
непрерывная в треугольнике (Д), ограниченном
прямыми у = а, х = Ь, у = х.
Указание. См. рис. 47; воспользоваться формулой (9), т. е. прирав-
приравнять оба повторных интеграла, к которым приводится двойной ин-
интеграл по области (Д).
Доказанная формула обычно связывается с именем Дирихле; она
имеет различные приложения, особенно — в теории так называемых инте-
интегральных уравнений Вольтерра (G. Volterra).
11) С помощью формулы A0) легко доказать, что
dtt J (t,. - О" / (« dt =
(* - <)»-» / (O dt.

S 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	15Й
Последовательное применение этой формулы приводит к результату:
*	'л—1	/i	*
я»-.... J /@ л = (-й4т
a	a	a	a
который выше [511, 13)] был установлен другим путем.
12) Вычислить интеграл
/= $ ? хР-^ч-1 dx dy,
в предположении, что р Э= 1 и q $= 1 *.
Имеем по формуле E)
1	1-*	1
С	С	1С	1
/== \ хР~г dx \ yQ~l dy = — \ хР~1 A — х)Ч dx =— В (р,
1	1—*	1
С „_. С .	1С
Окончательно,
Эта формула принадлежит Дирихле.
13) Аналогично вычисляется более общий интеграл
A — х —уУ~1 dx dy,
в предположении, что р^\, q^\, г^ 1 *.
Сначала, как и выше,
1	1-х
Затем внутренний интеграл преобразуем подстановкой .у = A—x)t в ре-
результате:
1	1
— л:)?+г-1 dx \ ti'1 A — ty~l dt =
14) Вычислить интеграл, представляющий дальнейшее обобщение пре-
предыдущего:
С С xP-tyi-1 A — х—уУ1 dx dy
*= .1 J	(«г + ЙУ +
(где о, р^О, 7>0 и, кроме того, />Э=1, 9^1, r^i).
- Это ограничение мы устанавливаем здесь лишь для того, чтобы из-
избегнуть обращения подинтегральной функции в бесконечность; впоследствии
[617, 14)] оно будет ослаблено.

160	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1597
Переходя к повторному интегралу, получаем
dx
ах
i
о
а затем, после подстановки ,у = A —х)t> изменяем порядок инте-
интегрирований:
К- ^ V A t) dt ^	^	dx.
о	о
Для вычисления внутреннего интеграла воспользуемся уже известным ре-
результатом [534, 2)]. Тогда
Т(р)Т(д + г) 1
и, снова прибегая к тому же результату, окончательно:
Т(р)Т(д + г)	1	Г (д) Г (г)	1 _
А	'	'	'	"
__ Г (р) Г (у) Г (г)
Г( + + ) '
15) Пусть функции f{x, у), g{x, у) непрерывны в ограниченной замк-
замкнутой области ф), причем наименьшее и наибольшее значения функции g
пусть будут m и М; пусть у (и) означает функцию, непрерывную для <
Обозначим через ф («) интеграл
5J f(x,y)dxdy,
распространенный на ту часть области (D), в которой выполняется указан-
указанное внизу неравенство *.
Тогда имеет место формула К а талана (Е. Catalan)
м
П МХ>У)9 (g (х< У)) dxdy=\9 (и) di( (и),
m^g^M	m
где интеграл справа понимается в смысле Стилтьеса.
Так как непрерывную функцию / всегда можно рассматривать как раз-
разность двух положительных непрерывных функций, то при доказательстве
этой формулы мы можем просто считать функцию / положительной.
Разложив произвольно промежуток [in, M] на части:
* Мы предполагаем, что уравнение g(x, y) = u выражает замкнутую
кривую, так что упоминаемая в тексте часть области ограничена двумя та-
такими кривыми.

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	161
соответственно этому разложим и предложенный интеграл (обозначим его
через /):
/=\2 П /• ?се) ^ <у = 2 * (g№?• if» П /с» ^> ** rf*
Мы воспользовались здесь обобщенной теоремой о среднем значении; (?f, ij*)
есть некоторая точка области, где и,- ^ g =sr h*+i, -¦ так что, полагая
? (?*> if) = M*i будем иметь и,- sg «* ^ мг+1. Итак, окончательно,
/=2 ?(«?)№(И|+1)-ф(а<)].
( = 0
В сумме справа узнаем сумму Стилтьеса. Переходя к пределу при
тахДи,—»0, установим требуемый результат:
м
/=(s) $ ?(«)*Кв).
m
Если для функции ф (а) существует непрерывная (или хотя бы абсолют-
абсолютно интегрируемая) производная <j/ (а), то интеграл Стилтьеса заменяется
обыкновенным:
м
1= (J «р (ы) ф' (ы) du.
т
16) Для примера покажем, как по методу К а т а л а н а, из элементарной
формулы Дирихле [см. 12)] может быть выведена более общая формула,
принадлежащая Лиувиллю (J. Liouville).
Возьмем, в частности,
/ (х, у) = xP-W-1, g(x,y)=x+ у,
а за область (D) выберем треугольник лг^О, .у 3=0, лгЦ-З'^!- Тогда по
формуле Дирихле при 0 < и ==? 1
uP+q
(и) = ([ $ хР-^Я'1 dx dy — иР+ч \ $ xP-W1 dx dy =
0
l
_ T(p)T(q)
и, воспользовавшись преобразованием Каталана, будем иметь
1
Э, J&
Это и есть формула Лиувилля.
17) Найти объем тела, ограниченного
(а) плоскостями лг = О, jy = O, 2 = 0, цилиндром Xs + у2 = ^?2 и гипербо-
гиперболическим параболоидом 2 = ху (в первом октанте);
6 Г4 М, Фихтенгольц, т. III

162
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
J597
(б) плоскостями х = 0, .у = 0, г = 0, х-\-2у=1 и поверхностью г =
(в)	плоскостями v= 1, z = 0, параболическим цилиндром у = х2 и пара-
параболоидом z — x*-\-y,
(г)	плоскостями y = Q, z = 0, y = —х и эллиптическим цилиндром
х1 z2
R	VR2— х*
Ответ, (a) V=\xdx \ ydy=-s-Ri;
I	}	8
(б) V =
(в) V=
b
(r) V
18) To же для тела, ограниченного:
(а) эллиптическим цилиндром ^+|а- = 1 и плоскостями z = 0 и z =
¦Лх + цу + h (Л>0);
(б) цилиндрами az=ys, ха-\-у2=:га и плоскостью z = 0;
(в) частью поверхности xyz = a", вырезан-
вырезанной из нее плоскостями z=p, z = q @</><
< qr), л: = г, л: = s @ < г < s), проекцией этой
части на плоскость ху и проектирующим ци-
цилиндром.
Рис. 48.
Ome^m. (a) K= \ dx
(kx -{-py-\-h) dy = %abh = Ph,
(если Р есть площадь эллипса; результат геометрически очевиден);
V г2 —у2
б) ^=4
J
9*

S 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
163
19) Найти объем V тела, вырезанного цилиндром хг -\-у* — 2ах из пара-
параболоида вращения уг + г8 = 4ах.
Решение. Имеем:
2а Yiax—x*
=4\ dx [
Полагая bs = 4ax в известной формуле
С yb*—y*dy = ^-MCsm^-\-^
вычислим первообразную функцию ^ }^4ах—у3, а с ее помощью найдем
внутренний интеграл:
—У йу = 2ах arcsin у -к— й"
Путем интегрирования по частям получим далее:
2а	,		2а
=rdx=*
х
4
— в*
Наконец,
2а
1 Р
туу4а-х dx =
2а
20) Найти объем V тела, вырезанного цилиндром
' ~ -гг = ^> (рис. 48)*.
ге ui е н и е. Имеем:
у= 4
— х3 —у1 dx dy,
= J?x из сферы
где (Р) есть полукруг в первом квадранте плоскости ху, ограниченный ли-
линиями jc = O и *\* Ц
* Это тело иногда называется телом В и в и а н и (Viviani), по имени
итальянского математика XV11 в., который впервые его рассматривал.

164	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[597
Но
.	V	, У ,гт»	5
arrsin ——у	4-iyff-r1 — у2
X	\ —
-=—arcsin I/ . „ + -9-К R(R — x) Y x.
Интегрируя по частям, найдем:
R 		r_ R -1
i f» tv	чг JD3 "I/ /? (* 4 JC*2 *• *
Y V (/?2 —A:2)arcsm I/	^ rf^c = -^	"T2~ \ ~
о	о
С помощью, например, подстановки	x = Rt2 легко найти значение послед-
последнего интеграла:
12 ^ r 'v U5 27 — V45 12
так что
2
о
Далее, без труда найдем
R
2	1 —	—15
так что, окончательно,
2
Замечание. Так как объем полусферы есть -^-тс/?8, то объем ее
о
о
части, получающейся после удаления тела Вив и а ни, равен <г ¦/?". Любопытно,
что он выражается через радиус R без привлечения каких бы то ни было
иррациональностей.
21) Вычислить интегралы
*У, Is=\\xdxdy,
U)
(А)
где (А) есть область, ограниченная аркой циклоиды
х = а (* — sin Oi .У = в A — cos t)
И ОСЬЮ X.
* Ниже *ш укажем го.р.азд-о б.олее простой способ вычисления
этого объема ,?611, 6)J.

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	165
Решение. Своеобразие этой задачи состоит в том, что контур области
задан параметрическими уравнениями. Однако ордината у точки циклоиды пред-
представляет собой все же однозначную и непрерывную функцию абсциссы х: v=
=у(х), так что, переходя к повторному интегралу, по общей формуле имеем
2zR v(x)	2хй
1
Чтобы освободиться от неизвестной нам функции у (х) и вернуться к из-
известным функциям, сделаем подстановку x — a(t — skit). Тогда у(х) надле-
надлежит заменить на а A—cost), и мы получим
/1=i- С a*(i—cos tJ da (t —sin t)= ~\ A — cos*K dt — -j *a\
в	0
Аналогично,
22) Вычислить интеграл
Д^=^ ху dx dy,
(В)
где область (В) ограничена осями координат и частью астроиды
= asin3t
Ответ, К=щ
598. Механические приложения. Все геометрические и механические ве-
величины, связанные с плоским непрерывным распределением масс вдоль
некоторой фигуры (Р)и представляющие аддитивные функции об-
области, в принципе выражаются двойными интегралами, распространенными
на эту фигуру. В п° 593 мы уже подробно останавливались на этом вопросе.
В частности, мы видели, что сама величина распространенной массы выра-
выражается по заданной плотности распределения р (УИ) = р (х, у) так:
m = 5SpdP.	A1)
(Р)
Здесь }лы имеем в виду дать краткие указания относительно того, как
обычно получают формулы подобного типа. Порядок идей здесь тот же, что
и при применении простого определенного интеграла [см. 348].
Выделяя элементарную часть (dP) фигуры (Р), делают упрощающее вы-
выкладки предположение, — например, что масса всего элемента сосредоточена
в одной точке или что плотность распределения масс в пределах элемента
постоянна, — которое позволяет дать для элемента dQ искомой величины Q
приближенное выражение вида
dQ = q(M)dP,
верное до бесконечно малой порядка, высшего чем dP. Тогда точное
значение Q выразится формулой
Обосновать это можно двояко (как и в 348).

166	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1598
Прежде всего, суммируя приближенные выражения для элементов dQ,
можно получить приближенное же значение величины Q в виде интегральной
суммы, а переходя к пределу — точное значение Q уже в виде предела
суммы, т. е. интеграла.
С другой стороны, самое выражение для элемента dQ позволяет заклю-
заключить, что q (М) есть «производная по области» величины Q (в точке М),
а отсюда, в силу изложенного в п° 593, снова вытекает тот же результат.
Легко сообразить, например, что элементарные статические моменты и
моменты инерции относительно осей координат будут
dMx = у9 dP, dMy = xp dP,
dfx=/р dP, dly = x2p dP;
отсюда для самих моментов сразу получаем
/, = «
Теперь обычным образом получаются координаты центра тяжести фигуры:
wdP
В случае однородной фигуры: р = const эти формулы упрощаются:
В отдельных простых случаях удается с помощью двойных интегралов
исчерпать подобные же вопросы по отношению к телам, именно — к ци-
цилиндрическим брусам.
Пусть дан такой брус, ограниченный поверхностью z = z(x,y), ее проек-
проекцией (Р) на плоскость ху и проектирующим цилиндром, образующие кото-
которого параллельны оси г. Если, например, требуется определить статический
момент Мху однородного бруса (для простоты предположим объемную
плотность равной единице), то мы представляем себе этот брус состоящим
из ряда элементарных столбиков, с основанием dP и высотой г. Статический
момент столбика относительно плоскости ху равен его массе или — что
в данном случае то же — объему z dP, умноженному на расстояние его центра
тяжести от этой плоскости, т. е. на -^-г. Итак, элементарный статический
момент есть
dMxy = -Lz*dP,
откуда, суммируя по всем столбикам, получаем
1
1

S 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА	167
Аналогично могут быть установлены и формулы
М2Х = ЭД уг dP, Myz = § xz dP.	A5a)
Отсюда легко получить выражение для координат ?, -ц, С центра тяжести
бруса:
ft xz dP
,_Myz_$
5	у	у , И Т. Д.
Точно так же выводятся и формулы для моментов инерции бруса lz от-
относительно оси г и 1уг, Izx относительно плоскостей координат:
y \,	A6)
причем ясно, что 1г = Jzx -\- Iyz.
Если бы пространственная плотность р распределения масс, не сводясь
к постоянной, зависела бы лишь от х,у (т. е. все же вдоль столбика
была бы постоянной), то по-прежнему можно было бы обойтись двойным
интегралом. Однако, в общем случае, при зависимости р и от z, двойного
интеграла уже было бы недостаточно и пришлось бы обратиться к т р о й-
н о м у интегралу [см. 649].
599. Примеры. 1) Пусть фигура (Р) представляет собой криволинейную
трапецию, ограниченную кривой y=f(x), отрезком оси л: и двумя ордина-
ординатами х = а и х = Ь, и пусть плотность распределенных по этой фигуре масс
будет 1. Определить статические моменты Мх и Му.
Переходя в формулах A2) к повторным интегралам, будем иметь:
b	f{x)	b
=ft xdP=ixdx \ dy = ix
(Р)	а	0	а
или, короче,
Ь
Мх= -j \ ya dx, My= \ ху <
и мы возвращаемся к выражениям статических моментов, уже полученным
нами раньше [351].
Предоставляем читателю повторить эти выкладки для моментов инерции
1Х И /у.
2) Цилиндрический брус A0 имеет в основании плоскую фигуру (Р),
а сверху ограничен произвольной плоскостью (К). Доказать, что объем V
тела равен произведению площади Р основания на длину k перпендикуляра
к основанию, проходящего через центр тяжести тела до пересечения
с плоскостью (JQ,

168
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[599
Если оси расположены, как обычно (рис. 49), и уравнение плоскости (К)
имеет вид
z = ах + by + с,
то по формуле B*) п° 586
^ ax + by + c)dP = a§ x dP + Ъ \\ у dP +
(Р)	(>)	\Р)	(
3) Доказать, что если в плоскости фигуры (Р) взяты две параллельные
оси х и х' на расстоянии h, причем первая из них проходит через центр
тяжести фигуры, то моменты инерции фигуры относительно этих осей свя-
связаны соотношением
x
где т — масса фигуры.
Выбрав ось х за ось абсцисс, имеем
/, = \\ (у — hf p dP = /, — 2hMx
h2m.
Так как, по предположению,Мх = 0, то мы и приходим к требуемому равенству.
4) Полярным моментом инерции материальной точки называется произ-
произведение массы точки на квадрат расстояния до полюса. Легко понять, чтб
разуметь под полярным моментом инерции плоской фигуры.
Рис. 49.	Рис. 50.
Поместив полюс в начале координат О, доказать, что полярный момент
5) Пусть в плоскости ху задана произвольная фугура (Р). Найти общее
выражение дли момента инерции этой фигуры относительно любой оси Ои,
составляющей с осью Ох угол в (рис. 50).
Если принять ось Ои и перпендикулярную к ней ось Ov за новые коор-
координатные оси, то, как известно, новые координаты и, v будут связаны со
старыми х, у зависимостями
u = ;ccos6-r-_ysine) v = — х sin 6 -\-у cos 8.

599]
§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
169
Поэтому
у2 р dP — 2sin6cos
xypdP +
+ sin2 6 • ЭД xs p dP.
Коэффициентами при cos2 в и sin2 в являются, как мы видим, моменты
инерции 1Х и 1у относительно осей координат, но кроме них здесь встре-
встречается еще величина
которую называют центробежным моментом [см. ниже, задачу 7)] или про-
произведением инерции. Итак,
/а = lx cos2 f— 2KXy sin 6 cos 6 +1у sin2 в.	A7)
Для наглядной иллюстрации изменения момента инерции фигуры при
вращении оси Ои поступают следующим образом. На оси Ои откладывают
отрезок
ON==
Via
(см. рис. 50) и рассматривают геометрическое место полученных «таким
путем точек N. Если координаты точки N обозначить через х, у, то
Деля соотношение A7) на /а, получим уравнение упомянутого геометри-
геометрического места:
1хх*-2Кхуху + 1уУ2 = 1.	A8)
Распространяя неравенство Буняковского на случай двойных инте-
интегралов, легко видеть, что дискриминант
так что кривая A8) есть эллипс. Его называют
эллипсом инерции.
Если Kxy = Q, уравнение A8) получает форму
которая показывает, что в этом случае оси коор-
координат служат осями эллипса инерции (главными
осями инерции).
6) Относительно центробежного момента Кху	Рис 51
установить:
а) если одна из осей, например ось у, будет осью симметрии для
самой фигуры (Р) и для расположенных на ней масс*, то /(ху = 0;
(б) если начало координат является центром ^ я ж е с т и фигуры и
через точку Оу (а, Ь) проведены оси О,*, и 0^, параллельные прежним
(рис. 51), то
* Так что р (— х, у) = р (jc, у).

170	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[599
Формула приобретает особенно простой вид, если Кху — 0, именно:
7) Пусть плоская фигура (Р) (рис. 52), по которой непрерывным обра-
образом расположены массы, вращается с угловой скоростью <* вокруг оси у.
Определим общую величину развивающейся при этом центробежной силы F
и ее момент М относительно
оси г*.
Для элемента р dP центро-
центробежная сила равна
(направлена в одну сторону при
аг>0 и в другую при x<zQ),
а момент ее относительно оси г
х
Рис. 52.
Отсюда, суммируя:
(
Таким образом, при <о=1, величина Кху является моментом центробеж-
центробежной силы; отсюда и название «центробежный момент».
Для того чтобы действие центробежной силы на ось вращения было
равно нулю, необходимо и достаточно выполнение равенств
Му = 0, Кху = 0.
Первое означает, что центр тяжести нашей фигуры лежит на оси у,
а второе — что эта ось является главной осью инерции. Итак, центробежная
У-
Рис. 53.
сила не производит никакого действия на ось вращения лишь при условии,
что осью вращения служит одна из главных центральных осей инерции
фигуры.
8) Рассмотрим тело, полученное от вращения плоской фигуры (Р) (рис. 53)
вокруг оси у, которая ее не пересекает. Определить его объем V и поло-
положение центра тяжести С*.
* Моменты относительно других осей очевидно равны 0,

§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
171
Решеняе. Возьмем сначала элементарное кольцо, описанное элементом
dP фигуры, его объем можно принять равным объему цилиндра высоты 2пх
с основанием dP, так что
dV—2nx-dP
и
V= 2п ЭД х dP = 2пМу = 2тс? • Р,
где Му — статический момент нашей фигуры относительно оси у, а ?—рас-
?—расстояние центра тяжести С фигуры от этой оси. Таким образом, мы снова
х
/ V
(^ )
r
/
Г
1
/к
•Х'ап~
Рис. 54.
О
Рис. 55.
О'
ахая
получили теорему Гульдина [351J, но на этот раз для фигуры, ограни-
ограниченной любым контуром.
Статический момент элементарного кольца, о котором только что была
речь, относительно плоскости хг, очевидно, равен
dM=ydV=2nxydP,
так что
ху
Следовательно, координата у = i;* центра тяжести С* равна
1
М
Bв)
9) Применить эту формулу к частному случаю, когда фигура (Р) является
прямоугольным треугольником (рис. 54).
При обозначениях чертежа
2 \ о J	о
(так как положение центра тяжести треугольника известно). Учитывая
уравнение наклонной стороны треугольника:
найдем и Кху = ..Ьк*D? +^.. Отсюда, в силу B0), п* =А.|1±|.#
Как видим, эта координата отлична от координаты i] = -д-центра
тяжести самого треугольника.
10) Показа!ь, что если вращающаяся фигура имеет ось симметрии,
параллельную оси вращения (рис. 55), то необходимо т]*»^, т. е. центры
тяжести тела и плоской фигуры лежат на одной высоте.

172
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[599
Указание. Это следует из B0) и A9), если учесть, что Кх,у —0
[см. 6) (а)].
11)	Показать, что при тех же предположениях момент инерции /
тела, полученного от вращения рассматриваемой фугуры, относительно оси
вращения выразится формулой / = 2я? (?2Р -\- 31 у1).
12)	Применить формулы A5) и A5а) к следующему частному случаю:
пусть основанием бруса служит прямоугольник [О, а; 0, Ь], сверху же брус
ограничен эллиптическим параболоидом:
Ответ. ? —
3a2q +
Ъ2р
_ 9а4д*
о q 4* op	o\)pq
13) Найти центр тяжести цилиндрического отрезка [334, 8),
рис. 56].
I/
Рис. 56.
Рис. 57.
Решение. При обозначениях чертежа уравнение секущей плоскости
будет z — ky, где ft = tga. Роль (Р) здесь играет полукруг радиуса а, огра-
ограниченный полуокружностью х2 4-У = а2. Имеем:
М,
= \ \ yzdP = k i i y2dxdy = ^ С (a2— x*J dx =
(Р)	—аЬ	О
МХу=-
Так как объем
(Р)
(Р)
то
3	Ч
€==0, ij = TSwa, tL = ^r.ka:{
14) То же для части эллипсоида
содержащейся в первом октанте (рис. 57),

599]
§ 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ИНТЕГРАЛА
173
Решение. Область (Р) ограничена координатными осями и эллипсом
==b_ya2_xi
а
~х*са); уравнение поверхности эллипсоида в явном виде будет
По формуле A5),
6с2
Аналогично
*В то же время рбъем
= yg a3bc. Мгх = ^ а62с.
так что
15) Для кругового цилиндра высоты Л и радиуса а найти момент инерции
относительно любой плоскости, проходящей через его
ось (рис. 58).
Решение. Выбрав координатные оси, как ука-	^^_ . ^^^
зано на чертеже, по второй из формул A6) имеем	/"" 2#\
= $ $
4dP = h \ dx
~
16) Найти момент инерции /г для эллипсоида
у*
^¦<i.
Рис. 58.
Решение. Можно ограничиться одним октантом эллипсоида (рис. 57),
с тем, чтобы результат умножить на 8. В таком случае областью ф) будет
квадрант эллипса

174
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
1600
Имеем
Аналогично
и, наконец,
h =
i
1уг — -yg- %abbc
§ 3. Формула Грина
600. Вывод формулы Грина. В настоящем п° мы установим фор-
формулу, связывающую двойной и криволинейный интегралы.
Рассмотрим область (D) — «криволинейную трапецию» (рис. 59),
ограниченную контуром (I), состоящим из кривых
(PQ): у=уо(х)
и
); y=Y(x) (
и двух отрезков PS и QR, параллельных оси у.
Предположим, что в области (D) задана функция Р(х, у), непре-
непрерывная вместе со своей производ-
У
О
ной
(В)
R
дР
ду •
Вычислим теперь двойной ин-
интеграл
по формуле F) п° 596; мы получим
Рис. 59.
(D) '	a jro"(*)
Внутренний интеграл здесь легко вычисляется с помощью первооб-
первообразной функции Р(х, у), именно:
Г[х) лп
> = Р(х, у)

600]	§ 3. ФОРМУЛА ГРИНА	175
Таким образом,
ft	ft
—§Р(х,ул(х))ёх.
а
Каждый из этих двух интегралов может быть заменен теперь кри-
криволинейным интегралом. В самом деле, вспоминая формулу G)
п° 547, видим, что
ь
к, Y(x))dx= С Р(х, y)dx,
a	(SR)
ft
ip{x, yo(x))dx= \ P{x,y)dx.
a	(PQ)
Отсюда
[[^-dxdy— \P(x,y)dx— \P(x,y)dx =
(D) У	(SR)	(PQ)
(S'R
Желая ввести в рассмотрение интеграл по всему контуру (I)
области (D), прибавим к правой части полученного равенства еще
интегралы
" Р(х, y)dx и \^ Р{х, y)dx,
¦)	(RQ)
очевидно, равные нулю, ибо отрезки (PS) и (RQ) перпендикулярны
к оси х [см. 547]. Мы получим
= \ Pdx-\- \ Pdx-\- V Pdx-{- [ Pdx.
(PS)	(SR)	(RQ)	(QP)
Правая часть этого равенства представляет собой интеграл, взя-
взятый по всему замкнутому контуру (Z), ограничивающему область (D),
но в отрицательном направлении. В соответствии с соглаше-
соглашением, установленным нами насчет обозначения криволинейных интег-
интегралов по замкнутому контуру [548], мы можем окончательно перепи-
переписать полученную формулу так:
дР	С
-^-dxdy = — \Р(х, y)dx.	A)
Хотя формула эта выведена в предположении правой ориентации
осей, но, как легко убедиться, она сохраняется без изменения и при

176	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|60Э
левой ориентации (лишь положительное направление обхода контура
станет иным).
Выведенная формула справедлива и для областей более сложного
вида, чем рассмотренная: достаточно предположить, что область (D)
разлагается прямыми, параллельными оси у, на конечное число
криволинейных трапеций указанного вида. Мы не будем останавли-
останавливаться на доказательстве этого, ибо оно проводится совершенно
так же, как и в п° 551 при обобщении формулы, выражающей
площадь криволинейным интегралом.
Аналогично устанавливается и формула
§ ^^	B)
да
в предположении, что функция Q непрерывна в области (D) вместе
со своей частной производной -д—. При этом сначала за область (D)
ё\
принимается криволинейная трапе-
трапеция вида, изображенного на рис.
60. Она ограничена кривыми
(D)
и
(AS): х = хо(у)
(QR): х = Х(у) (с ^у < d)
и двумя отрезками (PQ) и (RS),
	*2 параллельными оси х. Затем фор-
рис go.	мула обобщается, как и выше, на
случай области, которая разла-
разлагается прямыми, параллельными оси х, на конечное число криволи-
криволинейных трапеций этого вида.
Наконец, если область (D) одновременно удовлетворяет условиям
обоих случаев, т. е. разлагается как на конечное число тра-
трапеций первого типа, так и (независимо от этого) на ко-
конечное число трапеций второго типа, то для нее спра-
справедливы обе формулы A) и B), конечно, в предположении непре-
дР дО
рывности функций Р, Q и их производных-^—, -5^-. Вычитая форму-
формулу A) из B), получаем
l\()	C)
да
Это и есть формула Грина (G. Green)*.
Формулы п° 551, выражающие площадь криволинейными интегра-
интегралами, легко получаются отсюда, как частные случаи. Например, по-
* Иногда ее связывают с именами Гаусса или Р и м а н а.

600]	§ 3. ФОРМУЛА ГРИНА	177
лагая Р = —у, Q = 0 и воспользовавшись очевидным равенством
\\dxdy=;D, придем к формуле G) п° 551.
Ф)
Как и в п° 551, здесь можно придать условиям, при которых
справедлива формула C), более обозримую форму. Именно, можно
.доказать, что формула Грина имеет место для любой области
(?>), ограниченной одним ила-несколькими кусочно-гладкими кон-
контурами.
Пусть (Z.) будет общий контур нашей области. Повторяя рас-
рассуждения п° 551, впишем в (L) ломаную (Л) (имеющую две наперед
фиксированные вершины) и рассмотрим ограниченную ею много-
многоугольную область (Д). Предположим, для простоты, что функции Р
и Q определены, непрерывны и имеют непрерывные же производ-
производив dQ	х	,ъ\
ные -з—i "тр~ и вне области (D), скажем, в некотором — содержа-
содержащем (D) внутри себя — прямоугольнике (/?)*. Можно считать,
что и (А) содержится в (R). Так как многоугольная область, оче-
очевидно, может быть разложена на трапеции как одного, так и дру-
другого типа, то к ней формула Грина приложима:
\(^jpl	D)
W	W
Когда длина наибольшей из сторон ломаной Л стремится к нулю, левая
часть равенства D) стремится к левой части равенства C), в силу
леммы п° 550 (и замечания к ней).
С другой стороны, как мы видели в п° 551, ломаную (Л) можно
выбрать так, чтобы она лежала вне многоугольной области (А) и
внутри многоугольной области (В), соответственно входящей и
выходящей по отношению к (D), площади которых разнятся произ-
произвольно мало:
Можно считать, что (А) и (В) содержатся в упомянутом раньше
прямоугольнике (R). Имеем, полагая для краткости-^	^— =/•
J J fdxdy — J J /Лсйу = J J /rfjcrfj; — ? f /dxrfy
(?>)	(A)
\f\dxdy-\- \\ \f\dxdy^2 \\ \f\dxdy<2Mz,
.)	(A) ~{A)	(J3) — (Д)
* На деле для верности формулы это предположение несуще-
несущественно.

178	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[601
где М есть наибольшее значение |/| в (R). Отсюда ясно, что и
правая часть равенства D) при упомянутом предельном переходе
стремится к правой части формулы C). Таким образом, справедли-
справедливость этой формулы установлена.
601. Приложение формулы Грина к исследованию криволи-
криволинейных интегралов. Рассмотрим односвязную [559] открытую
область (О) и предположим, что в ней заданы функции Р и Q, не-
непрерывные вместе со своими производными -з— и -^-. Поставим вновь
[561] вопрос:
какому условию должны удовлетворять функции Р и Q, чтобы
обращался в нуль криволинейный интеграл
{ Pdx+Qdy,	E)
(Г)
взятый по любому простому замкнутому контуру (L), лежа'
щему целиком в (О)?
Так как мы предположили основную область (О) односвяз-
н о й, то область (D), ограниченная извне контуром (?), сама также
принадлежит (О), так что мы можем применить к ней формулу Гри-
н а*; тогда криволинейный интеграл E) заменится двойным интегралом
w
Для того чтобы подобный интеграл всегда был равен нулю, очевидно,
достаточно предположить, что
ду дх '	\Л>
Необходимость же условия (А) может быть установлена проще всего,
если, предположив интеграл F) равным нулю, прибегнуть к диффе-
дифференцированию по области [593]: подинтегральная функция, как «про-
«производная» от интеграла F), и сама тождественно обращается в нуль.
Таким образом, с учетом леммы п° 561, мы получили новое дока-
доказательство того, что условие (А) необходимо и достаточно для
обращения в нуль интегралов вида E), взятых по любому замк-
замкнутому контуру, если только основная область О односвязна
[561, теорема 5]. В силу теоремы 4 п° 561 при том же предполо-
предположении относительно области условие (А) оказывается также
необходимым и достаточным для того, чтобы криволинейный
интеграл	с
\ Pdx+Qdy
		(АВ)
* Обращаем внимание читателя на то, как здесь использована одно-
односвязность области (G).

§ 3. ФОРМУЛА ГРИНА	179
по-кривой (АВ), соединяющей точки А и В, не зависел от формы
пути интегрирования [660, теорема 3].
Формула Грина позволила установить это непосредственно,
минуя все рассмотрения, связанные с интегрированием точных диф-
дифференциалов. При этом по новому освещена и роль предположения
об односвязности основной области.
Теперь, наоборот, отсюда с помощью рассмотрений п° 666 может
быть вновь установлена достаточность условия (А) (необхо-
(необходимость его ясна непосредственно!) для интегрируемости выраже-
выражения Pdx+Qdy (теорема 2, п° 660).
602. Примеры и дополнения. 1) Проверить формулу Грина на функ-
функциях
'-- -	*	?? = - *
*• + >¦
(б) Р= -
в круге радиуса 1 "с центром в начале координат.
Указание. В обоих случаях -^	-т— = 0, так что двойной интеграл
обращается в нуль. Криволинейный же интеграл, взятый по окружности
х = cos t, у = sin t @ sg; t sg; 2л),
лишь в случае (б) равен нулю, а в случае (а) равен 2л.
Дело в том, что формула Грина выведена в предположении непре-
непрерывности рассматриваемых функций и их производных, а здесь — в обоих
случаях — это условие в начале координат нарушается. В случае (а) форму-
формула Грина оказалась на деле неприложимой; любопытно, что в случае (б),
несмотря на указанное обстоятельство, она все же верна [ср. 565, 13)].
2)	Преобразовать формулу Грина к виду
(а)
либо же
(б) \ \ ( -з	Ь -*г-\ dx dy= \ \р cos (х, ч) 4- Q sin (x, v)l ds
J J \ ox oy j	J
(D)	(L)
(где ч означает направление внешней нормали).
Указание. Заменить Р на — Q, a Q на Р; использовать формулу A5)
п° 553 для преобразования криволинейного интеграла второго типа в криволи-
криволинейный интеграл первого типа. Обратить внимание на направление нормали!
3)	С помощью формулы Грина доказать формулы:
(а)
(б)	С С ........... С Г [да dv ,~ ди до\ Л_ _ , Г _ ди
(в)	[\ (г»Ди— ttAv)dxdy= \[ о-^ —

180	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[602
если положить
д/= |? + -И, ^ = #cos(x, v) +J/sinC, v).
у дх2 ду3 ' cb dx	dy
Указание, (б) получается из 2) (б), если положить там P — v -^ — f
Q = v-^—; (а) есть частный случай (б) при » = 1; переменив в (б) роли и, v
и вычитая результат из (б), получим (в).
4) Функция ы, непрерывная вместе со своими производными и удовлетво-
удовлетворяющая в рассматриваемой области (G) уравнению Дц = 0, называется г а р-
монической в этой области.
В предположении, что функция и в области (G) имеет непрерывные про-
пройм ди д2и д*и
изводные -3—, -з—, -з-т» ~л~? > Доказать следующее утверждение: для того
чтобы функция и—и(х,у) была гармонической, необходимо и достаточно,
чтобы, каков бы ни был простой замкнутый контур (L), выполнялось условие
Указание. Воспользоваться формулой 3) (а).
5)	Если функция и= и(х,у) — гармоническая в замкнутой области (D),
то ее значения внутри области однозначно определяются ее зна-
значениями на контуре (L).
Иными словами, если две гармонические в области (D) функции их,и„
имеют на контуре (Z.) области одни и те же значения, то они тождественны
во всей области.
Вводя в рассмотрение разность и = и^ — н2> сведем вопрос к доказатель-
доказательству того, что гармоническая в области (D) функция, обращающаяся в нуль
на контуре (L) области, тождественно равна нулю во всей области.
Положим в формуле 3) (б) г/ = н. Учитывая наложенные на и условия,
получим
Отсюда следует, что во всей области (D)
ди __ ди _ «
дх ду '
значит, и сводится к постоянной и, обращаясь в 0 на (L), равна 0 повсюду,
что и требовалось доказать.
6)	Пусть и есть гармоническая функция в области (G), (х0, у0) — какая-
либо внутренняя точка этой области и (К#)—окружность радиуса Д с цент-
центром в точке (х0, у0) *. Тогда имеет место важная формула:
и (х0, уй) = тт-я \ «(х, у) ds,	G)
так что значение гармонической функции в центре равно ^среднему» ее
значению на окружности. Докажем это.
* Радиус /? предполагается настолько малым, чтобы окружность (К#) це-
целиком лежала в области (С?).

602J	§ 3. ФОРМУЛА ГРИНА	181
Положим г» = 1пг, где r=Y(x—xo)SJrb>—УоУ'< нетрудно проверить,
что v является гармонической функцией в области, полученной из плоскости
исключением точки (хе, ув). В этой же точке функция обращается в беско-
бесконечность.
Окружив точку (х», у0) окружностью k? радиуса р (р < R), применим к
области (D), содержащейся между окружностями (Кц) и (йр), формулу 3) (б);
контур (L) составляется из (Kr) и (ftp) вместе. Так как в этой области обе
функции и, v — гармонические, то слева имеем нуль. Справа уничтожается
интеграл
С да .
ибо, например, на окружности (KR) v = laR — const., а [ввиду 4)]
ди ,
C<R
С другой стороны имеем
dv d In r I	1
&i dr r = i? R
дъ	d In г i	1 ...
-з— =	з—	=	на ОгЛ,
о\	dr I- -	» ч р/>
так что окончательно получаем:
— \ и ds = -J5- У и ds.
Р ^р)	(%)
При достаточно малом р функция и на окружности (kp) сколь угодно мало
отличается от значения и(х0, jy0) 8 центре, так что при р—>0 левая часть
имеет предел 2% ¦ и (х0, уа). Переходя к пределу, установим требуемое ра-
равенство.
7) Из результата, доказанного в 6), вытекает интересное следствие: если
функция и(х, у) непрерывна в замкнутой области (D), ограниченной кон-
контуром (L), и является гармонической внутри этой области, то своего
наибольшего (наименьшего) значения функция не может достигать
внутри области, за исключением случая, когда она сводится к по-
постоянной.
Действительно, если бы упомянутая функция и (х, у), не сводясь к посто-
постоянной, достигала, скажем, наибольшего своего значения во внутренней
точке (х0, у0), то легко бы было бы придти к противоречию с форму-
формулой G).
Теперь мы может усилить и результат в 5), предположив, что функция и
непрерывна в замкнутой области (D) и гармонична лишь внутри области.
И здесь достаточно установить, что функция и тождественно равна 0, если об-
обращается в нуль на контуре. А это вытекает из того соображения, что в про-
противном случае она достигла бы своего наибольшего или наименьшего значения
внутри области вопреки сделанному выше замечанию.

182	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
§ 4. Замена переменных в двойном интеграле
603. Преобразование плоских областей. Предположим, что нам
даны две плоскости, отнесенные одна — к прямоугольным осям х и у,
а другая — к таким же осям S; и -ц. Рассмотрим в этих плоскостях
две замкнутые области: область (D) на плоскости ху и область
(Д) на плоскости Ь|. Каждая из этих областей может быть и неогра-
неограниченной, в~частности может охватывать и всю плоскость. Контур
или границу области (если область не охватывает всей плоскости)
мы будем предполагать простой кусочно-гладкой кривой; обозначим
его символом (S) для области (D) и символом (?) для области (Д)
(рис. 61).
Допустим, что в области (Д) дана система непрерывных функций:
которая каждой точке (&, tj) области (Д) относит одну определенную
точку (х, у) области (D), причем ни одна точка (х, у) из (D) не
будет пропущена, так что каждая такая точка отнесена хоть одной
точке (?, tj) из (Д). Если различным точкам (?, t\) отвечают различ-
различные же точки (х, у) (что мы впредь и будем предполагать), так что
каждая точка (х, у) отнесена лишь одной точке (S, ij), то формулы A)
однозначно разрешимы относительно ? и i). Переменные ?, -ц в свою
очередь являются однозначными функциями от х, у в области (D):
Ь = Цх,у), \
, . [	Aа)
Таким образом, между областями (D) и (Д) устанавливается взаимно
однозначное или одно-однозначное соответствие. Говорят также, что фор-
формулы A) осуществляют преобразование области (Д) в область (/?),„
а формулы Aа) дают обратное преобразование области (D) в об-
область (Д).

603]
9.4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
183
Если названные области заполняют соответствующие плоскости,
то мы имеем дело с преобразованием одной плоскости в другую.
Наконец, если обе плоскости совпадают, т. е. если точки (х, у) и
($, т)) рассматриваются как точки одной и той же плоскости, то на-
налицо преобразование плоскости в самое себя.
Мы будем предполагать, далее, что функции A) и Aа) не только
непрерывны, но и имеюг непрерывные частные производные (первого
порядка). Тогда, как известно [п° 203, D)],
?>(?,
D(x, у)
—1'
так что оба функциональных определителя отличны от нуля и, по
непрерывности, сохраняют постоянный знак.
Из того факта, что определитель
длг	д?
;) а?	д-ц
У~ д?	ду_
di	di\
B)
отличен от нуля в области (Д), уже следует, что внутренней
точке (So. "»io) области (Д) отвечает в силу формул A) внутренняя
же точка (дг0. Уо) области (?)), ибо — по теореме о существовании
неявных функций [п° 208] — этими формулами в целой окрестности
точки (дг0, _Уо) переменные ? и ч\ определяются как однозначные
функции от х и у. Аналогично, внутренней точке области (D) от-
вечает всегда внутренняя точка области (Д). Отсюда уже ясно,
что точкам контура Qj) отвечают именно точки контура (S), и об-
обратно.
Если взять в области (Д) простую кусочно-гладкую кривую (Л),
то с помощью преобразования A) она перейдет в подобную же
кривую {?) в области (D). Действительно, пусть уравнения кривой (Л)
булуг:	е_
(я < t < р
или
C)
причем (ограничиваясь гладким куском кривой) можно функции 5 (t),
¦ц(t) считать имеющими непрерывные производные не обращаю-
обращающиеся одновременно в нуль. Подставляя эти функции в фор-
формулы преобразования A), мы получим параметрические уравнения
соответствующей кривой (I):
x = x(Z(t), ¦ti(t)) = x(t), y=y(b(f), 7j (f)) z=y (t).	D)
Легко видеть, что эти функции также имеют непрерывные производ-
производные:	,	1.	,	,

184	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[604
которые к тому же не могут одновременно обратиться в нуль, так
что особых точек на кривой (Z.) нет. Действительно, в противном
случае, ввиду неравенства нулю определителя ' ' ^ , из E) следо-
следовало бы, что одновременно ?' = 0 и •ц''=0, что невозможно.
Если точка (?, tj) на плоскости $•»] описывает замкнутый
контур (Л), скажем, в положительном направлении, то соответ-
соответствующая точка (лс, у) опишет также некоторый замкнутый же
контур (L) на плоскости ху, но направление его может оказаться
как положительным, так и отрицательным. Вопрос этот зависит,
как мы увидим ниже [606, 1°], от знака якобиана B).
Задание пары значений переменных $ и г] из области (Д) одно-
однозначно определяет некоторую точку в области (D) на плоскости ху
(и обратно). Это дает основание и числа ?, т] называть координатами
точек области (D). По сути дела, уравнения A)* дают нам пара-
параметрическое представление плоской фигуры (Ь), являющееся част-
частным случаем параметрического представления поверхностей, о кото-
котором уже была речь [228].
Как и там, кривую, составленную из точек области (D), у кото-
которых одна из координат сохраняет постоянное значение, называют
координатной линией. Например, полагая в A) тг) = 7H) мы получим
параметрическое представление координатной линии:
(роль параметра здесь играет V). Неявное уравнение той же
линии получим, полагая tj = yjo во втором из уравнений Aа):
-г) (х, у) = щ.
В связи с тем, что координатные линии, вообще говоря, будут
кривыми, числа ?, tj, характеризующие положение точки на плоско-
плоскости ху, и в этом случае (как и в случае кривой поверхности) называют
криволинейными координатами точки.
Придавая координате tj различные (возможные для нее) постоян-
постоянные значения, мы получим целое семейство координатных линий на
плоскости ху. Фиксируя значение координаты Е, мы получим другое
семейство координатных линий. Дри наличии взаимно однозначного
соответствия между рассматриваемыми областями различные линии
одного и того же семейства не пересекаются между собой, и через
любую точку области (D) проходит по одной линии из каждого се-
семейства.
Вся сетка координатных линий на плоскости ху является изобра-
изображением сетки прямых ? = const, и tj = const, на плоскости !т] (рис. 61).
604. Примеры. 1) Простейшим и важнейшим примером криволинейных
координат являются полярные координаты г, 6. Они имеют наглядное геомет-
* Если присоединить к ним еще уравнение 2=9.

604]
§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
185
ряческое истолкование, как полярный радиус-вектор и полярный угол, но
могут быть введены и формально, с помощью известных соотношений:
(г;
У\
x = rcosfl,
у = г sin 8
Если значения г и 8 откладывать по двум взаимно перпендикулярным
осям, считая, скажем, г — абсциссой, а 8 — ординатой (при правой ориента-
ориентации осей), то каждой точке полуплоскости
г3=0 по указанным формулам отвечает одна
определенная точка на плоскости ху.
Читателю наверное приходилось иметь дело
с относящимися к этому случаю координатными
линиями: прямым г = const, отвечают круги ра-
радиуса г с центром в начале, а прямым 8 — const.
отвечают лучи, исходящие из начала под углом
в к оси х (рис. 62).
Однако в данном случае формулы преобра-
преобразования, вообще, не будут однозначно разреши-
разрешимы: изменение величины угла 8 на 2kn' (где
k — целое) не отразится на значениях х и у.
Для того чтобы получить все точки плоско-
плоскости ху, достаточно ограничиться значениями
г ^ 0, 0 sg 8 < 2л.
Рис. 62.
Каждой точке (х, у), отличной от начала, отвечает одно значение г > 0 и одно
значение 8 в указанных пределах. Но неустранимое нарушение однозначности
соответствия связано с началом координат: точке х=у = 0 отвечает на
плоскости г8 вся ось 6 (или, если угодно, отрезок ее от 8 = 0 до 8 = 2п).
Рассмотрим на плоскости г8 замкнутый прямоугольник [0, R; 0, 2тс] или
c<*Py (рис. 63); легко видеть, что на плоскости ху ему отвечает замкнутый
круг, описанный вокруг начала
О радиусом R — OA. Но весь
контур этого круга отвечает
одной лишь стороне <*р упомя-
упомянутого прямоугольника; сторо-
сторонам оа и Рт (обеим!) отвечает
один и тот же радиус ОА круга;
наконец, всей стороне of отве-
отвечает лишь точка О. Здесь явно
не соблюдены указанные в пре-
предыдущем п° условия!
Однако если сдвинуть сто-
сторону of на малую величину
р = оо', а сторону у|3на с = рр', то
новому прямоугольнику o'c<PY
будет отвечать на плоскости ху фигура О'АВ'С, полученная из круга удале-
удалением малого круга радиуса р и сектора с центральным углом е, с соблюдением
уже всех требований. При перемещении точки на плоскости гЬ по отрезкам
°Ф'. PYi Т'°> °'а соответствующая точка на плоскости ху опишет по порядку
неполную окружность АВ' (радиуса R), отрезок В'С,неполную окружность СО"
(радиуса р) и отрезок О'А. Заметим попутно, что положительному обходу на
плоскости гв отвечает положительный же обход на плоскости ху.
Якобиан в данной случае равен
— т sin 6
г«кв
Рис.
Р(х,
cos e
он сохраняв? (если исключить начало) положительный знак.

186
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[604
2) Рассмотрим преобразование плоскости в самое себя, определяемое
формулами
6
X = ;
E и к) не равны одновременно нулю).
Если совместить оси х и ?, у и i], то преобразование это имеет нагляд-
наглядное геометрическое истолкование. Так как
1	х у
то ясно, что соответствующие точки лежат всегда на одном луче из начала,
причем их расстояния от начала в произведении дают единицу.
Рис. 64.
Преобразование это называется инверсией. Оно однозначно обратимо:
(снова х и у не равны одновременно нулю).
Координатными линиями будут окружности, проходящие через начало:
центры которых лежат, соответственно, на осях х а у (рис. 64). При 50 = 0
получается ось у(х = 0), а при i]o = O — ось х(у = 0).
Квадрату U-, 1; у, 1 на плоскости 6»|, например, отвечает заштрихо-
заштрихованная область на рис. 64. Направления обхода контуров здесь не совпадают.

§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
187
Так как
d?	ду __ yf
то якобиан
D(x,y)
дх
3) Если исходить из формул преобразования
то при любых 5, 1 отсюда однозначно получаются х, у. Разрешая же эти
формулы относительно ?, ij, найдем:
8д±/у-?т?+*, чв±
где знаки 5 и ч связаны условием bi=Yy- Таким обРазом- каждой точке
(* V) исключая начало, отвечают две точки E, ¦/)), симметричные относительно
v >yh	начала. Чтобы восстановить однозначность,
можно, например, ограничиться верхней
частью плоскости Ь\ (со включением положи-
положительной части оси 5, но без ее отрицательной
части).
Рис. 65.
Рис. 66.
Координатными линиями здесь будут софокусные (с фокусом в начале) и
соосные параболы (рис. 65):
y* = 4??(?S — лг) И у2 =

188
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[604
Значению Ео = 0 отвечает отрицательная часть оси х, а значению тH = 0— ее
положительная часть, Якобиан
Р(х,у)
D (Ел)
25 —
25
если исключить начало.
4) Иногда удобно наперед задаться сеткой координатных линий
и по ним установить систему криволинейных координат.
Рассмотрим, например, два семейства парабол (рис. 66):
у* = 2рх и xa = 2qy;
каждое из них в отдельности заполняет всю плоскость ху (если исключить
оси координат).
Естественно ввести 5 = 2/7 и i] — 2q в качестве криволинейных координат.
Из равенств у2 = !;х и х2 = т\у имеем
X '
11	1 '
1 з з	2 з ~ У
у 5 п	yS ч
_1 1	1. 2
2.зз	1 з Т
Якобиан здесь равен
Р(х, у) _
5) Будем исходить из семейства софокусных и соосных конических
сечений
*8 , у* _.
X2 —
F)
(эллипсов —при Х>с, гипербол — при 0<Х<е; рис. 67).
Через каждую точку (х, у) плоскости, не лежащую на осях, проходят
один эллипс и одна гипербола из этого семейства. Действительно, левая
часть получаемого из F) уравнения
(X2J —X2 (х2 +У + с2) + csx2 = 0
имеет знак -)- при Х=0, знак —при 1 = с й снова знак-j- при больших X.
Следовательно, уравнение это имеет два положительных корня: один
Х>с и другой [л<с*; это доказывает наше утверждение.
Если предыдущее уравнение рассматривать как квадратное уравнение
относительно X2, то по известному свойству корней имеем
а отсюда легко выразить хну через X и \х:
* Чтобы не путать этих корней,- мы для большего сохраняем обозначе-
обозначение X, а меньший обозначаем через р..

605|
§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
189
Ограничиваясь первым координатным углом, мы должны сохранить здесь
лишь положительные знаки. Числа X, ;х можно рассматривать, как криволи-
криволинейные координаты точек этого угла; их называют эллиптическими координа-
координатами. Координатными линиями
в этом случае будут как раз	"
исходные конические сечения.
Подчеркнем, что X изменяет-
изменяется от с до + ос, а (х — от О
до с. Для крайних значений мы
получим:
при Х = с — отрезок оси х
от лг = О до х = с,
при ц = с — отрезок оси х
от х = с до х = +оо,
при ц = 0 — положитель-
положительную часть оси у.
Наконец, легко вычислить
якобиан:
Р(х, у)_
D(\, у.) -
Рис. 67,
605. Выражение площади в криволинейных координатах. Пред-
Предположим, что на плоскости ху задана некоторая область (D), огра-
ограниченная кусочно-гладким контуром (S) без кратных точек. Пусть
формулы A) устанавливают взаимно однозначное соответствие между
этой областью и областью (Д) на плоскости bj, ограниченной подоб-
подобным же контуром B).
Мы сохраним все предположения п° 603 относительно этого пре-
преобразования областей и, сверх того, еще предположим, что суще-
существуют и непрерывны в области (Д) смешанные производные второго
порядка для какой-либо из функций A), скажем:
dsy дгу
дЬдц И дцд
(в силу непрерывности, они будут иметь равные значения, 190)*.
При этих предположениях поставим себе задачей выразить пло-
площадь D рассматриваемой области на плоскости ху в виде двойного
интеграла, распространенного на область (Д) на плоскости Ь).
Мы будем исходить из формулы, выражающей площадь (D) кри-
криволинейным интегралом, взятым по контуру (S) области (D)
G)
D= \ х dy
(S)
[см. 551, A0)].
* Отметим здесь же, что эти дополнительные предположения несуще-
несущественны для справедливости .окончательного результата и введены лишь
для облегчения доказательства.

'90	гл. xvi. двойные интегралы	F05
План дальнейших преобразований таков: сначала мы перейдем,
пользуясь параметрическими уравнениями контура, от криволинейного
интеграла G) к обыкновенному определенному интегралу. Затем пре-
преобразуем этот последний опять к криволинейному интегралу, но взя-
взятому на этот раз уже по контуру B) области (А). Наконец, поль-
пользуясь формулой Грина, заменим полученный криволинейный инте-
интеграл двойным интегралом по области (А).
Во исполнение этого плана нам нужны параметрические уравнения
контура E). Так как в дальнейшем мы имеем в виду перейти к кон-
контуру (?), то и сейчас мы предпочитаем исходить именно из уравне-
уравнений этого контура. Пусть C) дает параметрическое представление
кривой (?); тогда D) даст, очевидно, такое же представление для
кривой E), поскольку [как мы упоминали в п° 603] именно она соот-
соответствует на плоскости ху контуру B). Пределы я и р изменения t
мы выберем так, чтобы при переходе от а к р кривая (S) описыва-
описывалась в положительном направлении.
Тогда, согласно формуле E) п° 547,
3
а
или, если принять во внимание D) и E),
|].	(8)
Сопоставим этот интеграл с криволинейным интегралом
взятым по контуру B) в положительном направлении. Если
пожелать свести последний по обычному правилу к обыкновенному
определенному интегралу, то пришлось бы подставлять сюда вместо ?
и к) функции %(t) и т)(?) из параметрических уравнений кривой B),
и мы вернулись бы к интегралу (8).
Впрочем, нужно иметь в виду еще одно обстоятельство. При изме-
изменении t от а до р описывается в положительном направлении контур
(S) — так мы выбрали эти пределы. Но контур (?) при
этом может описываться как в положительном, так и в отрицательном
направлении; таким образом, интегралы (8) и (9) могут на деле раз-
разниться знаками. Во всяком случае,
d^	A0)

§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	191
лричем (подчеркнем это еще раз) знак плюс имеет место, если
положительному обходу контура (S) отвечает положительный
же обход контура B), и знак минус — в противном случае.
Остается, наконец, преобразовать полученный криволинейный
интеграл в двойной. Для этого надлежит воспользоваться формулой
Грина
\ Р(?, Tj) *Й-f- Q (?, Tj)*foj =
где полагаем
Так как
d_Q_dxdy,
дх
а смешанные производные второго порядка от у равны между собой,
то
dQ дР_Р(х,у)
ft drj ~ D E, г)) '
в мы приходим к формуле
Мы видели в п° 603, что при сделанных предположениях якобиан
сохраняет в области (Д) определенный знак. Этот же знак имеет и
интеграл. Но перед ним еще стоит двойной знак ±; так как в ре-
результате должно получиться существенно положительное число Д то
ясно, что знак перед интегралом совпадает со знаком якобиана.
Если ввести этот знак в подинтегральную функцию, то там получится,
очевидно, абсолютная величина якобиана, так что окончатель-
окончательное выражение для площади будет
Это и есть та формула, которую мы желали установить.
Подинтегральное выражение

192	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	{606
обычно называют элементом площади в криволинейных координа-
координатах. Мы видели, например, что в случае перехода к полярным коор-
координатам- якобиан равен г; следовательно, элемент площади в поляр-
полярных координатах есть г dr db.
606. Дополнительные замечания. 1°. Если сопоставить правило,
по которому выбирался знак, плюс или минус, в формуле A0), с тем
фактом, что этот знак необходимо совпадает со знаком якобиана, то
получится интересное следствие: если якобиан сохраняет положи-
положительный знак, то положительные направления обхода контуров
(S) и (?) соответствуют друг другу по формулам преобразова-
преобразования; если же якобиан имеет отрицательный знак, то положи-
положительному направлению на одном контуре соответствует отри-
отрицательное направление на другом.
Очевидно, это же имеет место и по отношению к любой паре
взаимно соответствующих простых замкнутых контуров (Z.) и (Л),
лежащих в областях (D) и (Д). Полученный результат легко прове-
проверяется на примерах, приведенных в п° 604.
2°. Применяя к формуле A1) теорему о среднем [592, (9)], полу-
получим соотношение
D = |J(f,^)|.A,	A2)
где (?, •»)) есть некоторая точка из области (Д), а А — площадь этой
области.
Сопоставим это соотношение с формулой Лагранжа
Если jf ==/(;) есть монотонная функция, то она взаимно однозначно
связывает промежуток as^?^:^ с промежутком /(a)ss;jf =e;/(f}) (или
/ф)^х^/(а.), еслн/(х) — убывающая функция). Обозначим длины
этих промежутков через 8 и d; тогда формула Лагранжа приво-
приводит к равенству
<* = |/ЧТ)|.8,	A3)
сходному с равенством A2).
Если в формуле A3) «сжимать» промежуток (8) в точку I, то
в результате получим соотношение
так что абсолютная величина производной является как бы коэффи-
коэффициентом искажения (или коэффициентом растяжения) прямой ?
в данной ее точке при преобразовании ее в прямую х.

§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	193
Точно так же из формулы A2) путем «сжатия» области (Д) в точку
(?, ij) получаем
так что абсолютная величина якобиана играет роль коэффициента
искажения или коэффициента растяжения плоскости Ь\ (в данной
ее точке) при преобразовании ее в плоскость ху.
Это замечание указывает на глубокую аналогию между производ-
производной и якобианом [ср. главу шестую].
3°. Формула A1) показывает, что при безграничном уменьшении
площади А также безгранично уменьшается и соответствующая ей
площадь D. Отсюда уже легко установить, что преобразование обла-
областей, изученное в п° 603, обладает и следующим важным свойством:
кривую (Л) с площадью нуль в области (Д) оно переводит в не-
некоторую кривую (L) в области (D), также имеющую площадь
нуль.
4°. Формула A1) выведена в предположении взаимно однозначного
соответствия между областями (D) и (Д), а также непрерывности
функций A), B) и их частных производных. Однако на практике
обычно приходится сталкиваться со случаями, когда эти предполо-
предположения нарушаются в отдельных точках или вдоль отдельных кривых.
Если упомянутые точки и кривые на обеих плоскостях могут быть
заключены в произвольно малые по площади области (d) и (8), то по
выделении их формула уже становится применимой:
D~d= § \J(Z,id\dbdn.	(И*)
D) - (8)
Пусть якобиан в области (Д) сохраняет ограниченность:
тогда интеграл в A1*) разнится от интеграла в (И) на величину
Переходя в A1*) к пределу при d и 8_>-0, восстановим формулу A1).
Для иллюстрации вернемся к примеру 1) в п° 604 и к фигурам,
изображенным на рис. 63. Непосредственно к прямоугольнику (Д) =
= [0» R; 0, 2тс] и к кругу (D) радиуса R с центром в начале фор-
формулы A1), которая для этого случая принимает вид
* По сухи дела мы дифференцируем интеграл A1) по области в точке
E, 1) [593].
7 Г, М, Фихтенгольц, т, III

194
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
|607
применить нельзя. Но если выключить заштрихованные области (пло-
(площади которых вместе с р и е стремятся к нулю), то к получающимся
областям эту формулу применить можно; остается перейти к пределу.
607. Геометрический вывод. Формула A1) выведена нами с по-
помощью хотя и простых, но формальных и не наглядных рассуждений.
Мы считаем полезным привести другой вывод этой формулы, не вполне
строгий, но зато совершенно прозрачный с геометрической стороны.
Этот вывод принадлежит М. В. Остроградскому.
Рассмотрим снова преобразование плоскости Ь\ в плоскость ху,
которое задается формулами A). Выделим на плоскости \ц бесконечно
V,
7
О-
di
л,
Is
t
"г
П
а)
б)
Рис. 68.
малый прямоугольник ПцЩЩЩ со сторонами d\ и ef-rj, параллельными
осям \ и т) (рис. 68, а). Изображением этого прямоугольника в пло-
плоскости- ху служит криволинейный четырехугольник Р\Р%Р%Рк
(рис. 68, б); определим его площадь.
Вершины прямоугольника имеют координаты
в таком случае соответствующие вершины
угольника будут иметь такие координаты:
криволинейного четырех-
четырех( + Ч) у + ч))
Р3 (х E + Л, -г) + rf-ч). -f E + Л, ttj + did),
Pi& + dd& + dd)
Если ограничиться членами первого порядка относительно dk, d% то
приближенно можно взять точки:
дх
где х — х(Ьу т[), У—У$, т\) и, вообще, все производные вычислены
в точке (S, ifj). Так как проекции отрезков РХР^ и Р3А на °бе оси

§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
195
соответственно равны, то отрезки эти равны и параллельны, так что
(с точностью до малых высшего порядка) четырехугольник
есть параллелограмм.
Его площадь равна удвоенной площади треугольника
Из аналитической же геометрии известно, что удвоенная площадь
треугольника, вершины которого находятся в точках {хь yi), (х^, у^>
(х& yi), равна абсолютной величине определителя
Уъ —У\ Уг —У
Применяя эту формулу к нашему случаю, получим, что искомая пло-
площадь (снова — с точностью до малых высшего порядка) равна абсо-
абсолютной величине определителя
Итак,
д?„
д- й<
о;
дх
35
*
площ.
Разлагая фигуру (Д) на плоскости Sir] прямыми, параллельными
осям, на бесконечно малые прямоугольники (и пренебрегая «неправиль-
«неправильными» элементами у контура), мы одновременно разложим и фигуру
(D) на плоскости ху на криволинейные четырехуголь-
четырехугольники рассмотренного вида. Суммируя полученные выражения для
площадей их, вновь приходим к формуле A1).
Приведенное рассуждение, таким образом, подчеркивает важную
геометрическую идею: сущность формулы A1) состоит в том, что
для определения площади фигуры (D)
эта фигура разлагается не на
прямоугольные, а на криволинейные
элементы с помощью сетки коор-
координатных линий.
В некоторых простых случаях эта
идея позволяет находить выражение
«элемента площади» в криволинейных
координатах почти без вычислений.
Например, в случае перехода
к полярным координатам можно рас-
рассуждать так. Элементарному прямо-
прямоугольнику со сторонами dr и dB
в плоскости гб на плоскости ху отвечает фугура, ограниченная ду-
дугами окружностей радиусов г и г -{-dr и двумя лучами, исходящими
из начала под углами 8 и 9-{-dB к оси х (рис. 69). Принимая при-
7»
Рис. 69.

196
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[608
ближенно эту фигуру за прямоугольник со сторонами dr и г
сразу получаем искомое выражение г dr d& элемента площади.
608. Примеры. Вычислить площади фигур, ограниченных кривыми»
(а) (х2 +УK = 2а2 (х2 — у!)
(лемниската),
(б)
(в)
Решение. Наличие двучлена xa-\-ya во всех случаях наталкивает на
мысль перейти к полярным координатам, полагая
х — г cos 6, у = г sin в
и вычисляя искомую площадь по формуле
D=\\rdrdb.
A4)
(а) Вид лемнискаты над знаком (рис. 70). Кривая симметрична относи-
относительно координатных осей (это легко усмотреть и из уравнения кривой, ибо
Рис. 70.
оно не меняет вида при замене хна — х или^у на —у). Поэтому достаточно
определить площадь части (D) фигуры, содержащейся в первом координат-
координатном угле, а затем учетверить ее.
Полярным уравнением лемнискаты служит
г3 = 2а2 cos 26,
причем (если ограничиться первым координатным углом) 8 надлежит изменять
лишь от 0 до — ввиду того, что cos 26 должен быть положительным. Таким
образом, область (Д) на плоскости гЬ, отвечающая (D), ограничена кривой
(образ лемнискаты), отрезком оси г (который отвечает отрезку оси х) и отрез-

§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
197
ком оси б от 6 = 0 до 8 = -j- (образ одной лишь начальной точки—с нару-
нарушением взаимной однозначности соответствия) *.
Имеем
cos 2ddb = ¦
так что вся искомая площадь есть 2as.
(б) Полезно наперед составить себе общее представление о виде кривой.
Кривая симметрична относительно
оси х (уравнение не меняется от „
замены у на —у), расположена
вправо от оси_у (х не может быть
отрицательным); пересекает ось jc
при jc = O и jc = 2«. К тому же
кривая ограничена: из самого урав-
уравнения ясно, что
так что
а так как и у* ^ 2ахг, то и
|_y|sg2a. Эскиз кривой дан на	Рис.71.
рис. 71.
Полярное уравнение кривой будет: г = 2а cos3 6, где 6 изменяется от—="
до ". Ввиду симметрии можно написать
X	1С
Т 2а cos» 8	~
Г»	5
= 4а* \ cos' в db — -s- ice*.
(в) Кривая симметрична относительно обеих осей. Хотя начальная точка
лг=_у:=О формально «принадлежим кривой, ибо удовлетворяет уравнению,
но эта точка является изолированной; действительно, при jc:2=_y>0
•легко получаем из уравнения кривой
B*s)» з= 2а8лг4, откуда х 2= у,
так что вблизи начала точек кривой нет **. Исключим начало из рассмотрения.
Легко видеть, что кривая ограничена: при jc 5= .у, очевидно, х" г? 2а'х1, ха ^ 2аа
и т. д. Кривая имеет примерно вид, изображенный на рис. 72.
* См. по этому поводу замечание 4" в п° 406.
** В этом, разумеется, можно было бы убедиться и с помощью критерия
о* 236.

198
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Полярное уравнение кривой: г2 = a2 (cos4 6 -f- sin4 6). Учитывая симметрию,
имеем
2 a /cos* 6 + sin* в
= 4\ db	\
о	Ь
= 2as\ (cos4 в + sin4 в) rf6 =
б
= 4а2 \ sin* в rf6 = ^г па*.
4
2) Показать, что формула A4) непосредственно приводит к уже известной
формуле для вычисления площади сектора в полярных координатах [338]:
?> =
1
где под г разумеется та функция от 6, которая фигурирует в полярном
уравнении кривой.
Все задачи 1) можно было бы решить и непосредственно по этой формуле.
3) Найти площади фигур,
У
ограниченных кривыми:
(х* у*\* __ху
(а)
х
Рис. 72.
Рвшение. В тех случаях,
когда в уравнении кривой фигу-
Xs , V2
рирует двучлен ^s+ р-, реко-
рекомендуется вводить «обобщен-
ные> полярные координаты,
которые с декартовыми свя-
связаны формулами *
х = ar cos в, y = br sin 9.
Геометрический смысл этого преобразования сводится к сжатию плоскости
к координатным осям с последующим переходом к полярным координатам.
Якобиан преобразования равен dbr.
(а) Кривая ограничена; симметрична относительно начала (ибо ее. .урав,-
нение не изменяет вида при одновременной замене jc на —х и у
на —у); две симметричные петли лежат одна в первом координатном угле,
а другая — в третьем (хуз=0); начало есть единственная точка пересечения
с осями.
* При применении этих координат мы сталкиваемся с таким же нарушением
однозначности соответствия, как и в случае полярных координат. См. W6, 4°.

§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	199
Уравнение образа нашей кривой на плоскости гв будет*
С учетом симметрии имеем
г* = -j sin в cos в.
с*
т У
wsln 9 соа 9
(б) Кривая ограничена, симметрична относительно осей; начало служит
лишь изолированной ее точкой. Имеем
V a* cos* i + b* sin2 8	2
$	= 2ab\ (a» coss 6 + *2 sins в) rf6 =
(в) Кривая ограничена, симметрична относительно осей; начало есть един-
единственная ее точка пересечения с осью у, но с осью х она пересекается еще
в точках дг=г±—.Для петли, лежащей вправо от оси у, будем иметь
r = — cos8, —-S-s? 9 =S-!j-, так что
У -cos9	_
(г) Кривая ограничена, симметрична относительно оси у, лежит вверх от
оси х. Начало есть единственная точка пересечения с осями, так что кривая
состоит из двух петель, лежащих в первом и во втором координатных углах.
Уравнение кривой в новых координатах:
а'Ь
г = —j- coss в sin в.
Ответ. D = ^—j-.
4) Найти площадь петли кривой:
(а) (х + уI = ах'у, (б) (х + yf = аху, (в) (х + у)* = ах'у*.
Решение. Если рассматривать лишь части кривых, содержащиеся
в первом координатном угле (так что jf5=O, у 3= 0), то все они оказываются
ограниченными, в чем можно убедиться подобно 1) (б). Кривые проходят
через начало, не имея других точек пересечения с осями. Отсюда ясно, что
именно эти части представляют собой петли, о которых говорится в задаче.
В предыдущих примерах переход от сложного уравнения кривой в декар-
декартовых координатах к простому уравнению в криволинейных координатах
строился по существу на использовании тождества cos* в -f- sin8 6=1. Двучлен
* Легко усмотреть, что кривая является как бы сдавленной лемнискатой.

200
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[608
х-{-у тоже подсказывает мысль об использовании этого же тождества:
положим (только для х & 0 и у ^ 01)
х = г cos* в, y = rsin!6.
Якобиан преобразования будет *:
coss6 —2r sine cos в
sin2 в 2r sin в cos в
(а) Уравнение петли в новых координатах
= 2r sin в cos в.
Далее,
г = a cos4 в sin8 6.
a cos « в sin* в	
> = 2\ sin в cos 6 оГв С rdr—i
I г dr = a8 I cos* 6 sin8
5) Укажем теперь другой подход к выбору системы криволинейных коор-
координат, который часто оказывается полезным при определении площади криво-
криволинейного четырехугольника. Если обе пары кривых, представляю-
представляющих противоположные стороны этого четырехугольника, входят в состав каж-
каждая — своего семейства кривых, заполняющих плоскость (и зависящих
от одного параметра), то именно эти
два семейства естественно принять
за сетку координатных линий. Их па-
параметры обычно и дают удобную для
данного случая систему криволиней-
криволинейных координат.
.Разъясним этот прием на примере.
Пусть требуется найти площадь фигу-
фигуры, ограниченной параболами
гдеО<р<0 и 0<а<Ь (рис. 73).
Здесь удобно рассмотреть два
семейства парабол:
Рис. 73.	и
Xs = -qy (а ^ 1) ^ Ь),
каждое из которых заполняет нашу фигуру, и из них составить сетку коорди-
координатных линий. Это равносильно тому, что параметры их ? и т] мы принимаем за
криволинейные координаты. Все это уже нам^накомо по п° 579, 4); из напи-
написанных уравнений имеем: x=yW и у = -рГ?иЧ, так что якобиан
,	1_
3*
Отсюда сразу получаем
г, 1 .
* Здесь снова находит себе применение сказанное в 606, 4°.

608]	g 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	201
6) Подобным же методом предлагается определить площадь четырех-
четырехугольника, ограниченного
(а)	гиперболами ху=р, xy = q и прямыми у = ах, у = Ьх;
(б)	гиперболами ху=р, xy = q и параболами у* = ах, уа = Ьх;
(в)	параболами х*=ру, Xs— qy и прямыми у = ах, у = Ьх;
(г)	прямыми х-\-у=р, х-\-y = q и у = ах, у = Ьх.
При этом во всех случаях предполагается, что (Xp<.q и
(а) Решение. Сетка координатных линий:
Отсюда
х= I/ —, v =
2УЩ --'
ll/I ±l/T
2 К ? 2 У 1)
Наконец.
р а	/
(б)	Указание. Положитьху = ?, _у* = щх(р^5^q, а^-ц^Ъ); яко-
якобиан У=о~. Ответ. D=-^-(,q—рIп —.
(в)	Ответ. D = ^-(qi—ps)(Ь* — в8).
7) Найти площадь астроиды л:+_у
- Решение. Параметрические уравнения астроиды:
x = acos"t, y = asin3t @^<^2тс).
Если заменить здесь а через г@г?г^а), то получим семейство подобных
астроид, заполняющих нашу фигуру:
х = г cos81, y = r sin8 ?.
При постоянном f, очевидно, эти уравнения дадут пучок лучей из начала.
Воспользуемся же этими формулами, как формулами преобразования; оче-
очевидно, в основе здесь лежит по существу та же идея, что и в двух преды-
предыдущих задачах. Якобиан
J=3r sin31 cos* t.
Окончательно,
2
= 6a* f
sin* < cos* < Л = -5-'
О
8) Рассмотрим преобразование, которое определяется формулами
х = ?-^,У=Уш> («2=0, w^O).

202
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[608
Очевидно, всегда х^у^О, так что точка (х,у) лежит в угловом прост-
пространстве между положительным направлением оси х и биссектрисой у — х
первого координатного угла. Обратно, каждой точке (л:, у) из этого углового
пространства отвечают вообще две пары неотрицательных значений и, о,
являющиеся корнями квадратного уравнения
z2 —
Можно восстановить однозначность соответствия, если условиться всегда
считать u>:v, т. е. и точку (и, v) брать в пределах аналогичного углового
пространства на плоскости uv; тогда
Легко вычислить якобиан преобразования
Любопытную особенность имеют здесь координатные линии. При и — const
получаем:
V 2 /'
и аналогично при v = const.
у* — v Bx — v) = 2vix — ~\
Таким образом, мы в обоих случаях получаем одно и то же (!) семейство
парабол
ось которых совпадает с осью х,
9
а директриса — с осью у. Каждая такая
парабола касается прямой у = х
в точке (р, р).
Кажущийся парадокс разрешается
просто: при и=р и v, меняющемся
от 0 до р, описывается часть этой
параболы от ее вершины до упомя-
упомянутой точки касания, а при v=pn
и, меняющемся от р до -J- со, описы-
описывается остальная часть пара-
параболы, простирающаяся в бесконеч-
бесконечность (рис. 74).
Если на плоскости ху взять фи-
фигуру (А), ограниченную осью х и
двумя параболами:
Рис. 74.
то на плоскости uv ей будет отвечать прямоугольник (Д,) = \р, q; 0,/»], причем
отрезкам прямых и=р и v=p будут отвечать две дуги первой параболы,
смыкающиеся в точке касания. Аналогично, фигуре (Д,) (на плоскости ху), огра-
ограниченной тремя параболами, а именно, кроме указанных двух еще параболой
(г > Я),

608]	§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	203
будет отвечать на плоскости uv прямоугольник (д2) = [д, г; р, q], и снова —
отрезкам прямых u—q и v = q будут отвечать две дуги одной и той же па-
параболы.
С помощью указанного прео5разования теперь, например, легко определить
площадь фигуры (D2). Имеем
я г
р я
= ^ ПУч—Ур) (V"rJ- V?)-(VF~Vq) (V7- V7)\ =
= у (Vq-Vp) (V'r'-Vq) (VF— Vp) (Vp + Vq + Vh
Аналогично можно было бы попытаться найти и Du но мы встретимся в этом
случае с несобственным двойным интегралом, у которого подинтегральная
функция обращается в оо вдоль отрезка оси и. О подобных интегралах—речь
впереди [см. 617, 8)].
9) Для того чтобы площади фигур (Д) и (?>), получаемых одна из другой
с помощью преобразования A), всегда были равны между собой, очевидно,
необходимо и достаточно условие
0F,11)
= 1.
Поставим себе задачей найти общий вид преобразований плоскости
сохраняющих площадь.
При этом мы можем в предыдущем условии отбросить знак абсолютной
величины и написать его в виде
О(х,у) _,
ибо к этому случаю всегда можно ввести дело, обменяв в случае необходимости
ролями 5 и •»].
Кроме того, для простоты мы будем предполагать, что одна из входящих
в якобиан четырех частных производных, например ^, отлична от нуля в о
всей рассматриваемой области. Тогда можно разрешить второе из уравнений A)
относительно •»] и, подставив полученное выражение в первое уравнение A),
представить рассматриваемое преобразование в виде
Характеристикой функций fug мы и займемся. Именно, мы докажем, что
условие A5) равносильно такому:
df_=dg_	A7)
Прежде всего, по правилу дифференцирования неявных функций получаем
ду df	 ду ду df
~~Л Л 	 М -л». ~Т~ ~~з ~:1*.~ 	 U,	( 18)
Сп] Оу • Об Сп) OS	v '

204	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1609
Затем, дифференцируя g, как сложную функцию, находим
^? — д* | дх д/
di - ft + a, 3V
Отсюда и из второго равенства A8) исключаем -^-:
ду dg __дх ду дх ду __ Р(х,у)
дц дЦ ~~ di дц 'Щ « - D E,1)) *
Наконец, вычитая почленно первое равенство A8), придем к тождеству
dyfdg df\D(x,y)
^{di ду)~~ D(i,-n) '
которое и доказывает наше утверждение.
На основании теоремы 2 п° 560 теперь мы видим, что общий вид функ-
функций / и g, при которых преобразование A6) сохраняет пло-
площадь, дается формулами
при произвольнЪй функции U.
609. Замена переменных в двойных интегралах. Рассмотрим
двойной интеграл
\\f{x,y)dxdy,	A9)
(D)
где область (D) ограничена кусочно-гладким контуром (S), а функция
f(x,y) непрерывна в этой области или, самое большее, допускает
разрывы вдоль конечного числа кусочно-гладких кривых (сохраняя
и в этом случае ограниченность).
Предположим теперь, что область (D) связана формулами A):
с некоторой областью (Д) на плоскости ?•»), с соблюдением всех усло-
условий, при которых мы выводили в п° 605 формулу A1), выража-
выражающую площадь фигуры (D) в криволинейных координатах *. Поста-
Поставим себе целью, заменяя переменные в интеграле A9), представить
его в виде интеграла, распространенного на область (Д).
Для этого разобьем область (Д) с помощью некоторой сетки
кусочно-гладких кривых на части (Д,) (/ = 1, 2,..., я); тогда область
(D) соответствующими (тоже кусочно-гладкими) кривыми разобьется
на части (Dj) (рис. 75, а, б). В каждой части (Dt) выберем про-
произвольно по точке (х(. yi); наконец, составим интегральную сумму
для интеграла A9):	„
* Мы предполагаем, таким образом, также существование и непрерывность;
смешанных производных второго порядка .^ ~У и . ^ . Ср. сноску на стр. 189.

609]
§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ
205
которая имеет этот интеграл своим пределом при стремлении наи-
наибольшего из диаметров областей (?),) к нулю.
Применив к каждой части (Dt) формулу A2) п° 606, будем иметь
Dl==|./(&rf
(/=1,2,..., я),
где (?*, i\f) есть некоторая определенная точка области (Д,). Заменяя
в сумме о каждое Dt этим выражением, получим
В то время- как точка (?*, ijf) дается теоремой о среднем и
в ее выборе мы не вольны, точка (xt, yt) берется в области
о
б)
Рис. 75.
совершенно произвольно. Пользуясь этим произволом, по-
положим
t = х
т. е. выберем в качестве точки (xh yt) ту точку области (D;), кото-
которая отвечает точке (?*, т)*) области (Д,). Тогда сумма о примет вид
о = ?/(* (It, nf), у FГ, tf)) IУ (У, чГ) I Дй
в этом виде она, очевидно, является интегральной суммой для инте-
Существование этого интеграла вытекает из того, что подинтеграль-
ная функция либо непрерывна, либо же (сохраняя ограниченность)
допускает разрывы лишь вдоль конечного числа кусочно-гладких
кривых, которые служат на плоскости fr) изображениями кривых
разрыва функции f(x, у).

206	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[610
Если заставить теперь диаметры всех областей (Д,) стремиться
к нулю, то по непрерывности функций A) и диаметры всех обла-
областей (Pi) также будут стремиться к нулю. Тогда сумма о должна
стремиться как к интегралу A9), так и к интегралу B0), ибо для
обоих одновременно служит интегральной суммой. Таким образом,
\\f (х, у) dx dy = $ $/(* F, -п), у F, т,)) 17A, ri) | d% d-ц.	B1)
(О)	(Д)
Эта формула и решает поставленную задачу — о замене перемен-
переменных в двойном интеграле. Формула A1), очевидно, является ее част-
частным случаем и получается отсюда при f(x,y)=l.
Итак, для того чтобы осуществить замену переменных в
двойном интеграле A9), нужно не только подставить в функ-
функцию f вместо х и у их выражения A), но и заменить элемент
площади dxdy его выражением в криволинейных координатах.
С помощью соображений, аналогичных приведенным в п° 606, 4°,
и здесь легко установить, что формула B1) сохраняет справедли-
справедливость в ряде случаев, когда условия, наложенные на преобразова-
преобразование A), нарушаются в отдельных точках или вдоль отдельных линий.
610. Аналогия с простым интегралом. Интеграл по ориенти-
ориентированной области. Формула замены переменных в двойном интеграле
весьма сходна с формулой замены переменной в обыкновенном опре-
определенном интеграле:
ь	р
\f{x)dx=\f(x(S))x'Q.)d%.	B2)
Однако в формуле B2) отсутствует знак абсолютной величины,
что уже несколько нарушает аналогию. Это расхождение объясняется
просто. Обыкновенный определенный интеграл берется по ориен-
ориентированному промежутку 302: ведь а может быть и меньше
и больше Ь, равно как и а может быть и меньше и больше J3.
В то же время двойной интеграл мы до сих пор рассматривали лишь
по неориентированной области.
Можно, однако, и в случае двойного интеграла перейти к рас-
рассмотрению ориентированных областей. Ориентация области
создается тем, что ее контуру придается определенное направление
обхода — положительное или отрицательное E48); одновременно та-
такое же направление обхода придается и всем замкнутым простым;
кривым в пределах области. Если выбирается положительное направ-
направление обхода, то говорят, что область положительно ори-
ориентирована, в противном же случае — что она отрицательно
ориентирована.
Естественно условиться для ориентированной области (D) в ка-
качестве площади брать ее обыкновенную площадь со знаком плюс,

611J	g 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	207
если область ориентирована положительно, и со знаком минус — в
противном случае. При разложении области (D) на части (D,) эти
части, как указывалось, ориентируются согласно с ориентацией всей
области; соответственным образом снабжаются знаками и их пло-
площади.
Теперь для ориентированной области (D) можно по об-
образцу п° 688 построить понятие двойного интеграла
\\f{x,y)dxdy,
(D) ^
причем этот интеграл совпадает с определенным раньше, если область
имеет положительную ориентацию, и отличается от него знаком
в случае отрицательной ориентации.
Эта новая точка зрения на двойной интеграл позволяет прежде
всего формулу A1) п° 606, выражающую площадь в криволинейных
координатах, переписать без знака абсолютной величины при яко-
якобиане:
если только ориентацию областей (D) и (Д) произ-
производить согласованно. Это прямо следует из замечания 606, 1°.
При том же условии формулу A2) п° 606 можно напи-
написать также без знака абсолютной величины:
и в такой форме она служит естественным обобщением формулы
Лагранжа.
Наконец, теперь и общая формула B1) может быть написана
для согласованно ориентированных областей (D)
и (А) в виде
\\f{x,y)dxdy=\\f{x{\,-4) У$, т\))J($,r[)d\dT\.
(D)	D)
Таким образом, стоило лишь поставить простые и двойные интегралы
в одинаковые условия, чтобы аналогия стала полной!
Впрочем, в дальнейшем изложении мы все же вернемся к обыч-
обычной точке зрения и будем рассматривать двойные интегралы, распро-
распространенные на неориентированные области.
611. Примеры. Так как преобразование переменных в двойном интеграле
часто имеет целью упрощение области интегрирования, то здесь снова нахо-
;щх себе приложение все указания, сделанные по этому поводу в п° 608. На-
Наряду с этим естественной целью преобразования является также упрощение
подинтегрального выражения.

208	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[611
1) Если область представляет собой круг (с центром в начале) или его
сектор, то выгодно перейти к полярным координатам. Для примера
лредлагается наново решить задачи: 1); 17) (а); 18) (б) п° 597.
Для второй из них имеем
V== J J ху dx dy = \ \ r" cos в sin в dr db =г
(D)	О О
2%
С	С	R*
= \ sin6cos8rf8- V r8tfr = -?-.
Если при этом и в состав подинтегрального выражения входит сумма
х*-\-у*, то тем больше оснований ждать упрощений от применения полярных
координат.
2) Найти объем части шара (радиуса R), вырезаемой из него прямым кру-
круговым цилиндром (радиуса г <с R), ось которого проходит через центр шара.
Решение. Принимая центр шара за начало координат, а ось цилиндра
за ось z, будем иметь
2-х г
x*+y%?.r*
3)	Найти объем тела, ограниченного параболоидом вращения аг — х*-}-у*
и плоскостью z = a.
Ответ. V=—-—.
4)	Найти положение центра тяжести для кругового сектора радиуса R
с центральным углом 2а.
Р в ш е н и е. Выбрав за полярную ось (и ось х) биссектрису центрального
угла, будем иметь
« R
С С	2 » •
Если разделить это выражение на площадь сектора Р = /?8а, то найдется
абсцисса ? центра тяжести:
	 2 sin a
Так как центр тяжести, ввиду симметрии, лежит на биссектрисе, то поло-
положение его установлено.
5)	Найти массу круга (радиуса R), плотность которого в каждой точке
равна расстоянию Этой точки от контура круга.
Ответ, т = -^R*.
О	;
Приведем еще ряд примеров, где выгодно использовать полярные коор-
координаты.
6)	Найти объем «тела В и в и а н и> [597, 20) ].
Р в ш е н и е. Мы имели уже
— *2— y»dx dy,

611J	§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	209
где (Р) есть полукруг в первом квадранте плоскости ху, построенный на
радиусе R сферы, как на диаметре (рис. 48). Наличие выражения х*-\-у* в
подинтегральной функции подсказывает переход к полярным координатам.
Полярное уравнение контура (Р), т. е. полуокружности, будет Г = Я cos в
при изменении 6 от 0 до -=-. Таким образом,
"
2 ijcos»
'=4 \ db \
о о
— ra-rdr = ^-Яй \ A — sin8 в)
8
Как видим, выкладки здесь, действительно, очень упростились*.
7) Найти (а) положение центра тяжести и (б) полярный момент инерции
для одного лепестка лемнискаты
=2а*(х* — У).
Решение, (а) Полярное уравнение кривой:
r2 = 2e2cos26 [— ^
Имеем последовательно:
It	К
~TaV2cos29	_ Т	з
Afy= \ \ ricosddrdb = ^-^-as [ cos в ¦ cos2 26 й?8 ==
«О	Х^
"~"Г	4
Т	8
A—2sin>eJcos6u?8
и далее, полагая }^2sin6 = s
2
4 С	тс
Л1у = -д- в8 \ COS4 И ??<О = — в8.
Так как площадь одного лепестка Р = в8 [339, 12)], то ? = -j-f чем и
определяется положение центра тяжести,
(б) Имеем
4 а 1/2с082в
4 '
/,= \ V r*drdb =
* Не исключена возможность и того, что упрощение подинте-
грального выражения оказывается связанным с таким услож-
усложнением области интегрирования, что переход к полярным коорди-
координатам в конечном счете невыгоден.

210	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[611
Ответ. /0 = -^ па*.
8)	Найти полярный момент инерции кардиоиды г = а A -{- cos 6) относи-
относительно полюса.
16
9)	Установить для «тела Вивиани> положение центра тяжести. [См. 6).]
Решение. Из соображений симметрии ясно, что центр тяжести лежит
на оси х. Вычислим статический момент:
Myz — 4 П xz dx dy == 4 И х УД* — х*—у^хdy —
(Р)	к?)
[ Уд
б

1—г2-г3 dr.
Внутренний интеграл:
Л cos в
— г* ¦ rs dr = ^ Bг2—
О
Л4 .г
_arcsln_
Гг:;СО8в = ^ [cos в B cos2 в - 1) sin в +1- - в],
так что
My,
= Ц- { ГB cos4 в — coss в) sin в + Lj — в jcos в 1 d6=
= 4~ [~ Т cos"в + Y cos' в + (у — в) sin в - cos el
Отсюда, наконец,
12
о~ 15 Л*
.-4) 'v>
10) Найти объем тела, ограниченного эллиптическим цилиндром
¦•8	...8
—г+ —*-=!>
плоскостью z = 0 и одной из следующих поверхностей:
(а)	плоскостью z = Ъг -\- ру -\- Л (А > 0),
(б)	эллиптическим параболоидом — = —g- -\- -^-j- (с > 0),
(в)	гиперболическим параболоидом cz = лгу (с > 0).
Решение. Вопрос сводится к вычислению интеграла, распространен-
распространенного на эллипсе плоскости ху, в связи с чем целесообразно перейти к
обобщенным полярным координатам, положив
x=ar cos в, y = br sin 6;
якобиан преобразования при этом будет J^=abr.

611)	g 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	211
Например, для случая (б) получим
ж
7 1
2
с f f (х* , у
(D
Аналогично найдем и для других случаев:
(a) V=*abh, (б) V=-^^.
11)	Найти объем трехосного эллипсоида
л:2 у* га
^2~+F+?r=L
Указание. Прибегнуть к обобщенным полярным координатам
Ответ. -^- nabc.
о
12)	Вычислить интеграл	РГ
/= \\xydxdy,
Ы
распространенный на петлю кривой
/ Xs , .У8 \2 _ х*у
\ а' ¦+~ ft2 ) ~~ с8
в первом координатном угле. [Ср. 608, 3) (г).]
1 alofte
Указание то же. Ответ, -^тг —jj— .
13)	Вычислить интегралы:
(а) /, = 5S VVx+Vydx dy, (б) /, = \\ xnyndx dy
(п — натуральное), где (Л) есть область, ограниченная осями координат и па-
параболой У х -\- У у = 1.
Решение. Параметрические уравнения кривой: х = cos41, у = sin41
-^-J. Естественно рассмотреть семейство парабол, подобно располо-
расположенных (относительно начала): x=pcos4^, _у = р sin4 < (OsgpsSl). Вводя
f и t в качестве новых переменных, будем иметь J = 4р cos* t sins t, так что
тс
7 1
		о
0.40 cos81 sin* tdf dt = -rg-,
lo
8 == 4 ^ P2n+1 cos4n+s t sin4n+3
2
cos4n+» t sin4"+l t dt =¦
8n + 6)!!
* ff случае (в) тело состоит из четырех симметричных частей, из которых
две расположены под плоскостью ху, а две — под нею.

212	ГЛ. XVr. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[611
Последнее выражение может быть преобразовано к виду
При л=1 отсюда, в частности, получается решение задачи 3) пв 597.
14) Вычислить интеграл
(В)
где (В) есть область, ограниченная осями координат и параболой
Указание. Положить х = ар cosH, y = bp sin4t (о=^р^ 1,
2
Ответ. К== 97 <&.
15) Найти интеграл
У
где (?)) есть область, ограниченная четырьмя параболами х* = ау, x* = bv,
у*=рх, y* = qx @<.a<b, 0<p<q).
Решение. Прибегнув к замене переменных, указанной в 604, 4)
ср. 608, 5)], преобразуем интеграл к виду
г ?
L = \ V ¦») sin ?¦»] d\ di\.
а р
Теперь легкое вычисление дает:
.	smpb — sin pa sin 9* — sin qa
p	q	•
Аналогично угадывается подходящая система криволинейных координат
и в следующих случаях:
16) Найти интеграл
[=\[ху dx dy,
если (А) есть четырехсторонник, ограниченный кривыми:
(а)	у = ах\ y = bx*, y*=px, y* = qx;
(б)	у* = ах2, уг = Ьх*, у -=ах, у = рлг.
Указание. Ввести новые координаты 5, т), положив
(а) у = $х\ у* = т\х;

611]	§ 4. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ДВОЙНОМ ИНТЕГРАЛЕ	213
Ответ.
_6_ _ 6 8	8
(а)	I = ^(a~T-b~T)(qT-pTy.
(б)	/=^(&<-в*)(а-1°-р-").
17) Пусть (D) будет треугольник, определяемый неравенствами х^О,
_уЗ=0, JC+jyigl- Предполагая рз= 1, q^i, непосредственно установить
формулу Лиувилля [597, 16)] *
И ( + У) У	y (P<4){f () я-1 du,
(О)	б
где tp (и) есть непрерывная функция в промежутке [0,1].
Д	П
()	рр	фу
оказательство. Положим
= и{\—v), y =
или
Этими формулами устанавливается взаимно однозначное соответствие между
треугольником (D) на плоскости ху и квадратом (Д) = [0,1; 0,1] на пло-
плоскости uv. [Исключение составляет лишь точка л: = 0, у = 0, которой отве-
отвечает отрезок оси ».] При этом
гР(х,у)_
J-D(a,v)-U-
Заменяя переменные, получим, что двойной интеграл равен
. 1 1
( [ <р (и) ир+я-1 vi-1 A — v)P~l du dv
0	о
или
1	1
\ о?—1 л—ti)P-i dv • \ ф (и) иР^Я'1 da.
Так как первый множитель как раз и есть В (q, p) = B(p, q), то требуемый
результат установлен.
18) С помощью той же замены переменных можно доказать и более
общую формулу:
(где р, q^l; a, P^O, f>0; <р(м) непрерывна). При этом надлежит вос-
воспользоваться известным результатом: 534, 2).
* Выше она была выведена из формулы Дирихле, которая является
ее частным случаем (при ? =Е 1).

214
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
1612
19) К формуле Лиувилля приводится формула
1 1	1
fa d$ = В (р, q) \f(v) (I — v)P+4~l dV,
если применить подстановку
\-Х-у
1=1 — У,
причем
1 *
.у 5= О, x-\-ys^l. Якобиан J = -,
20) Доказать с помощью замены переменных тождество (при любом
z = const.)
It It
 Т
п
cos Bг sin 9 sin 6) dy db =
cos (z sin X) d\
[ср. 595, 7)].
Доказательство. Замена переменных в двойном интеграле по
формулам
» = ?+? о="-°
приводит его к виду
cos (z cos я) cos (z cos v) +
-\- sin (z cos и) sin (z cos o)] rfa rf»,
И
(А)
Рис. 76.
где (Д) есть косо поставленный квадрат, изобра-
изображенный на рис. 76. Но интеграл от второго сла-
слагаемого равен нулю (подстановка и = те — и'),
а интеграл от первого слагаемого, распространенный на квадрат (Д), непо-
непосредственно приводится к удвоенному подобному же интегралу, взятому
квадратур, -^-; 0, — . Отсюда уже легко получить требуемый ре-
по
зультат.
§ 5. Несобственные двойные интегралы
612. Интегралы, распространенные на неограниченную
область. Понятие двойного интеграла обобщается на случай неогра-
неограниченной, т. е. простирающейся в бесконечность области, или на
случай неограниченной функции, подобно тому как это сде-
сделано в главе тринадцатой по отношению к простым интегралам.
Остановимся сначала на случае неограниченной области (Р).
Примером такой области может служить вся плоскость или часть ее,
лежащая вне некоторого круга или другой ограниченной плоской
• Впрочем, точка х = 0, у — 1 здесь требует оговорок.

612)	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	215
фигуры, какой-либо угол и т. п. Что касается границы этой области,
то она предполагается имеющей площадь 0 (например, состоящей из
кусочно-гладких кривых) в каждой ограниченной своей части. Пусть
в области (Р) задана некоторая функция f(x, у), которую будем
предполагать интегрируемой в обычном смысле слова в каждой огра-
ограниченной и квадрируемой части области (Р).
Проведя вспомогательную кривую (К) (тоже с площадью 0),
отсечем от области (Р) ограниченную и связную ее часть.(Рг),
в которой интеграл	гг,, ., ,	,1Ч
\\fix, y)dxdy	(!)
по предположению существует. Станем теперь удалять кривую (К)
всеми ее точками в бесконечность, так, чтобы наименьшее рас-
расстояние R от начала до точек этой кривой возрастало до бесконеч-
бесконечности. Тогда "отсекаемая ею переменная область (f) постепенно бу-
будет охватывать все точки области (Р): каждая точка из (Р) будет
принадлежать (f) при достаточно большом R.
Предел (конечный или бесконечный) интеграла A) при /?->оо
называют (несобственным) интегралом от функции f(x,y) в не-
неограниченной области (Р) и обозначают символом
\ \f(x, у) dx dy = lim \\ /(x, у) dx dy.	B)
(Р)	Я-а>(р/)
В случае существования конечного предела интеграл B)
называется сходящимся, в противном случае—расходящимся.
Функция, для которой интеграл B) сходится, называется интегри-
интегрируемой (в несобственном смысле) в области (Р).
В случае положительной функции f(x, у) достаточно, рас-
рассмотрев какую-нибудь1 определенную последовательность уда-
удаляющихся в бесконечность кривых
и отсекаемых ими областей
(Pt),
предположить существование конечной границы
/=sup/j \f(x, y)dxdy\,
п чр„)	'
«ч*рбы отсюда уже вытекала сходимость интеграла B;
Действительно, какую бы область (Р") ни отделить кривой ()
от (Р), при достаточно большом п эта область целиком будет содер-
содержаться в (Рп), так что
\ \/(х, у) dx dy < е С f(x, у) dx dy

216	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|6!2
и, тем более,
\\nx,y)dxdy^l	C)
(Я')
С другой стороны, по заданному s ^> 0 можно найти такое щ,
чтобы было
И f(x>y)dxdy>I—*.
При достаточно большом R*, в свою очередь, область (Р*) охватит
(РПо)> следовательно, и подавно
\\	D)
(Я')
Неравенства C) и D) в совокупности доказывают, что число I удо-
удовлетворяет определению двойного интеграла.
С помощью этого соображения легко доказывается теорема о
сравнении интегралов, аналогичная теореме п° 474. Далее, если
сохранить относительно функции fix, у) прежние предположения, то
из сходимости интеграла от \f(x, y)\, распространенного на
неограниченную область (Р), вытекает сходимость подобного же
интеграла для функции f(x, у).
Для доказательства этого рассмотрим две неотрицательные функ-
функции:
очевидно,
г(*, у), если fix, y)^0,
) в противном случае,
,	f —fix, у), если fix, y)^0,
\ 0 в противном случае.
Из интегрируемости функции \fix,y)\ вытекает сходимость инте-
интегралов для функций
ДС*. JO< \fix, JO | и /_ix, у)^\fix, у)|,
а следовательно, и для функции
fix, y)=f+ix, y)—f,{x, У)-
Весьма замечателен тот факт, что и обратно: из сходимости
интеграла от функции fix, у), распространенного на неограни-
* Мы все время сохраняем за /? его значение, как наименьшего рас-
расстояния точек кривой (/(") от начала.

613]	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	217
ценную область (Р), вытекает сходимость интеграла и для
\f(x, у) |. Этому предложению нет аналога в теории простых несоб-
несобственных интегралов: мы знаем [475], что там могли существовать и
неабсолютно сходящиеся интегралы.
Доказательство мы дадим в следующем п°.
613. Теорема об абсолютной сходимости несобственного двой-
двойного интеграла. Каждый сходящийся интеграл
\\f(x,y)dxdy	E)
(Р)
необходимо и абсолютно сходится, т. е. одновременно с ним
сходится и интеграл
\\\f(x,y)\dxdy.	F)
(Р)
Допустим противное. Взяв последовательность областей
{(Рп)}> так> чтобы они, расширяясь, постепенно охватывали всю
область (Р), будем иметь
Urn \\ \f(x, y)\dxdy=-\-oo.
П~>ОО(Рл)
Не умаляя общности, мы можем допустить, что при каждом зна-
значении п выполняется неравенство
И \f(x, y)\dxdy>3\\\f(x, y)\dxdy-\-2n.
P	УУ
Этого можно достигнуть, разрежая (в случае надобности) последо-
последовательность {(Рп)}, т. е. извлекая из нее частичную последователь-
последовательность и наново нумеруя ее.
Обозначая через (/?„) разность областей (Pa+i) и (Р„), очевидно,
будем иметь
И \f(x>y)\dxdy>2\\ \f(x,y)\dxdy + 2n.
(ря>	<р„>
Но
/_{х, у),
так что
I \ \/(х, у) | dxdy = \\ f+(x, y)dxdy + $ $ /-{x, y)dxdy.
ipn)	(Ря)	(Ря)
Пусть из двух интегралов справа ббльшим будет, например, первый.
Тогда
S$/+(¦*. y)dxdy>\\ \f(x,y)\dxdy-\~n.

218	гл. xvi. двойные интегралы	1613
Заменяя двойной интеграл слева достаточно близкой к нему
нижней суммой Дарбу, сохраним неравенство *
Можно в этой сумме оставить лишь те слагаемые, которым отвечают
«л
(р{п) через (р„), получим, тем более,
/«л ^>0; обозначив совокупность соответствующих элементов
{
/(¦*> y)dxdy =
= S $/+(•*, y)*xdy>[] \f(x, y)\dxdy + n.
<V ~	iPn>
Обозначим через (Pn) область, составленную из (Р„) и (/>„); так
как
\\	— \\ \f{x,y)\dxdy,
то, складывая почленно это неравенство с предыдущим, найдем
Область (рп), а с нею и (Рл), можно деформировать так, чтобы
из последней получилась связная область (Рп), и притом по пло-
площади столь мало разнящаяся от (Р„), что все же сохраняется нера-
неравенство
\\ /С*. y)dxdy>n.
(Р'п>
Этого легко достигнуть, соединяя оторванные части области узкими
«коридорами» с произвольно малой общей площадью.
Отсюда уже ясно, что интеграл E) сходиться не может, вопреки
предположению; это противоречие и доказывает теорему.
Заметим, что принципиальная разница между одномерным и дву-
двумерным случаями связана именно с заключительной частью проведен-
проведенного рассуждения. Несвязную линейную область, состоящую из от-
отдельных промежутков, уже нельзя произвольно малой деформацией
превратить в связную (т. е. в цельный промежуток).
* Здесь (р®) суть элементарные части, на которые разбита область (/>„),
a mJP — соответствующие точные нижние границы функции /+ (х, у).

6141	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	219
Доказанная теорема вместе с замечаниями предыдущего п° сводит
вопрос о сходимости и вычислении несобственного интеграла от
произвольной функции к такому же вопросу для положительной
(неотрицательной) функции. Последним вопросом мы в последующем п°
преимущественно и займемся.
614. Приведение двойного интеграла к повторному. Ограни-
Ограничимся сначала предположением, что функция f{x, у) неотрицательна.
Если эта функция задана в неограниченной области любой формы,
то, полагая ее дополнительно вне этой области равной нулю, всегда
можно свести дело к случаю неограниченной же п р я м о угольной
области. Пусть, скажем, речь идет о бесконечном в одном направле-
направлении прямоугольнике [а, Ь; с, -J-oo] (a, b, с — конечные числа, причем
Ь^>а). Будем предполагать, что в каждом конечном прямоугольнике
[а, Ь; с, d] (при любом d^>c) существуют как двойной интеграл,
так и простой интеграл по у — оба в собственном смысле,
так что [594] имеет место формула
ft d
\\ fdxdy=\dx\fdy.	G)
[а, 6; с, d]	ас
Желая установить подобную же формулу для бесконечного пря-
прямоугольника, т. е. для случая d= -f- oo, предположим, что сходится
повторный интеграл
lJ\dx\fdy.
а с
Так как при любом d^>c имеем
$$ fdxdy^I,
[а, Ь; с, d]
то по сказанному в 612 отсюда уже следует сходимость двойного
интеграла
^ fdxdy=\im \\ fdxdy,	(8)
\а, b; с, +ool	<*-*°° [a, ft; с, d\
который, очевидно, не превосходит /. Остается лишь доказать, что
на деле двойной интеграл равен /.
00
Если интеграл \fdy представляет собой функцию от х, инте-
с
грируемую в собственном смысле, следовательно, ограниченную
некоторой постоянной L, то и подавно

220	гл. xvi. двойные интегралы	1614
В таком случае по теореме II п° 626
b d
1= lim \dx\fdy.
Сопоставляя это с G) и (8), приходим к требуемому результату.
Установленный факт сохраняет силу и в том случае, если инте-
интеграл / сходится, как несобственный. Пусть, например, Ь является
00
единственной особой точкой для функции \fdy от х. Тогда по
с
доказанному, при 0<^t\<^b — а,
\\ fdxdy = ]\x $ fdy,	(9)
[a, ft — т\; с, -f оо]	а	с
и обе части равенства при ¦/)-»¦ О стремятся к /. Принимая же во
внимание, что
$$ fdxdy^z \\ fdxdy,
[а. Ь; с, +оо]	[a, ft —tj; c,+oo]
снова заключаем о равенстве двойного и повторного интегралов по
прямоугольнику [а, Ь; с, -\- оо].
Заметим, что если бы несобственный повторный интеграл имел
бесконечное значение, то, как видно из предыдущих двух соотно-
соотношений, таково же было бы и значение двойного интеграла.
Итак, имеем подобно G)
6 -f оо
$$ fdxdy = \dx \ fdy,	A0)
[а, 6; с, +оо]	а	с
причем из существования повторного интеграла справа уже вытекает
существование двойного интеграла. Равенство сохраняется даже в том
случае, когда интеграл справа равен -|- оо.
Обратимся, наконец, к рассмотрению прямоугольника [а, -(- оо;
с, -\- оо ], простирающегося в бесконечность по двум взаимно пер-
перпендикулярным направлениям. И здесь будем предполагать, что в каж-
каждом конечном прямоугольнике [а, Ь; с, d] (при любых Ь^>а и d ^> с)
существуют в собственном смысле двойной интеграл и простой
интеграл по у.
Для рассматриваемого случая также может быть установлена
формула
+ 00	+00
^ fdxdy= $ dx \ fdy,	A1)
[а, +оо; с, +оо]	а	с

615]	g 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	221
в предположении, что повторный интеграл справа сходится. Это
легко получается из A0) переходом к пределу при 6-*--f-°°> напо-
наподобие того, как выше мы A0) получили из (9). И здесь двойной
интеграл оказывается равным -j- °°» если таково значение повторного
интеграла.
Скажем теперь несколько слов относительно случая, когда функ-
функция f(x, у) меняет знак; ограничимся для определенности форму-
формулой A0). В конечном прямоугольнике [а, Ь; с, d] (при d^>c) мы
сохраняем прежние предположения, но, наряду со сходимостью по-
повторного интеграла от самой функции:
ft -f оо
$ dx \ f{x, y)dy,
мы на этот раз допустим сходимость повторного интеграла и от ее
абсолютной величины:
\dx+{\f(x,y)\dy.
а	с
Тогда подобные же повторные интегралы будут существовать и
для функций f+(x, у) и f_(x, у), упомянутых в конце п° 612.
Применяя к этим неотрицательным функциям порознь доказан-
доказанную формулу A0) и вычитая результаты, убедимся в справедливости
этой формулы и для данной функции f(x, у).
615. Интегралы от неограниченных функций. Пусть функция
f(x, у) задана в ограниченной области (Р), но сама оказывается
неограниченной в окрестности отдельных точек Мь М<ц,...; в любой
части области (Р), не содержащей этих точек, мы предполагаем
функцию интегрируемой в собственном смысле слова.
Выделим теперь особые точки My, M%,..., окружив их кри-
кривыми (kt), (&а),.,. Если удалить из области (Р) ограниченные этими
кривыми окрестности особых точек, то мы получим область (Р'), для
которой по предположению интеграл
\\f{x,y)dxdy	A*)
(Р')
сходится. Станем «стягивать» кривые (kt), (&a),... в указанные точки
*ак, чтобы наибольшее из расстояний точек этих контуров (k)
до соответствующих точек М — обозначим его через р — стремилось
к нулю *. Заметим, что при этом и площади рассматриваемых окрест*
ностей (меньшие чем up8) также будут стремиться к нулю.
* Вместо этого можно было бы предположить стремящимися к нулю
диаметры всех областей, ограниченных контурами (к).

222	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[615
Интеграл ^несобственный) от неограниченной функции f(x, у)
по области (Р) определяется как предел интеграла A*) при
Р-0:
Ц/(х, у)dxdy = Km[[ f(x, у)dxdy.	B*)
(Р)	Р-0(р()
Особые точки могут лежать и вдоль некоторых особых линий,
которые мы всегда будем предполагать имеющими площадь 0.
В этом случае приходится окружать эти линии «сжимающимися»
к ним окрестностями, и принципиально здесь нет ничего нового.
Однако точная характеристика подразумевающегося здесь предель-
предельного процесса требует еще некоторых пояснений. Пусть особая
линия (/) окружена окрестностью с контуром (k). Если взять
точку А на (k), то из расстояний этой точки от различных точек В
на (/) существует наименьшее, рд; с другой стороны, если
изменять положение А на (k), то из всехврд найдется наибольшее, р.
Это число в некотором смысле и характеризует степень удаленности
контура (k) от кривой (/), и предельный процесс направляется усло-
условием: р->-0. (При наличии нескольких кривых под р разумеется
наибольшее из подобных чисел.) Здесь также можно доказать, что
вместе с р стремится к нулю и площадь рассматриваемой окрест-
окрестности.
Наконец, определение несобственного интеграла легко распро-
распространяется на случай неограниченной области и определенной в ней
функции, которая на конечном расстоянии имеет особые точки.
Замечание. Если бы при построении несобственного инте-
интеграла, кроме особых точек (или линий), мы стали выделять и неко-
некоторые такие точки (или линии), которые на деле не являются осо-
особыми, то это обстоятельство никак не могло бы отразиться ни на
существовании, ни на величине того предела, которым представляется
интеграл. В самом деле, пусть, например, к особым точкам доба-
добавляется неособая точка А и, сверх того, что необходимо по точному
смыслу определения несобственного интеграла, — мы выделяем еще
окрестность этой точки А. Но вблизи А функция ограничена, и
интеграл по упомянутой окрестности, вместе с площадью ее, стре-
стремится к 0.
На все перечисленные случаи несобственных интегралов пере-
переносится то, что было изложено в пп° 612—614.
Прежде всего, и здесь справедлива замечательная теорема о том,
что несобственные двойные интегралы если сходятся, то, по
необходимости, — абсолютно. Доказательство строится так же,
как и в п°613.
Что касается вопроса о сведении двойного интеграла к повтор-
повторному, то здесь также достаточно ограничиться случаем, когда,
областью (Р) служит (конечный) прямоугольник [а, Ь; с, d\. Можно
доказать, что для неотрицательной функции f(x, у) имеет место

616J	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	223
формула G) — в предположении существования повторного интеграла
(существование двойного отсюда уже будет вытекать).
Впрочем, следует при этом уточнить еще предполагаемое распо-
расположение особых точек* функции. Начнем со случая, когда они
лежат на горизонтальной прямой (например, у = d) или, более
обще, на кривой, выражаемой явным уравнением вида
V =у ix) (а < х < Ь).
Для этого случая доказательство — такое же, как в п° 614 при
d = -(-oo. Отсюда перейдем к случаю, когда особые точки лежат
еще и на некоторой вертикальной прямой (например, х = Ь),
рассуждая, как и выше при b=-\-oo. Если рассматриваемая функ-
функция меняет знак, то приходится еще предположить существование
повторного интеграла для \f{x, y)\.
Обобщение на случай нескольких кривых или прямых или на
случай бесконечного прямоугольника с особенностями на конечном
расстоянии — очевидно.
616. Замена переменных в несобственных интегралах. Пусть
в плоскостях ху и ?т] имеем, соответственно, ограниченные
области (?)) и (Д), связанные формулами преобразования:
= <	°2)
или обратными им:
1==1(Х'У\ \	A2а)
7j = 7j (ДГ, у), )
с соблюдением всех условий, о которых подробно говорилось
в п° 603.
Пусть, далее, в области (?)) задана функция fix, у), непрерыв-
непрерывная всюду, за исключением конечного числа отдельных точек или
даже кривых **, где она обращается в бесконечность.
Покажем, что при этих условиях равенство
^/С*» y)dxdy = \\ifix(?, tj), y(?, "q))\J(i, T\)\d\dr[	A3)
Ф)	(А)
имеет место, если только сходится один из этих интегралов; сходи-
сходимость другого отсюда уже будет вытекать.
олДействительно, если особые точки и особые линии первого инте-
интеграла в области (D) выделить их окрестностями, то соответ-
* В любом частичном прямоугольнике, где нет особых точек, формула
вяда G) предполагается верной.
** Все кривые, о которых идет речь в настоящем п°, предполагаются
кусочно-гладкими.

224	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[616
ствующими окрестностями в области (Д) выделятся особые
точки и особые линии второго интеграла. Пусть при этом получатся
область (ГУ) на плоскости ху и область (Д') на плоскости Ь\. Тогда
по формуле B1)п°609
\ \f{X, У) dxdy = ] \f(X F, Tj), у (Е, Т))) | 7ft 7j) | d\ d%	(И)
(/>')	D')
Предполагая непрерывность соответствия между областями (D) и (Д)
в обе стороны *, легко видеть, что при «сжимании» окрестностей
на плоскости ху к окруженным ими точкам или линиям такой же
процесс будет происходить и с окрестностями на плоскости %\ и
обратно. Отсюда ясно, что, переходя в предыдущем соотношении
к пределу, из сходимости одного из интегралов мы действительно
можем заключить о сходимости другого и вместе с тем о наличии
равенства A3).
Можно было бы допустить даже, что в отдельных точках обла-
области (Д) или вдоль отдельных лежащих в ней линий (не пересекающих
ранее рассмотренных в этой области особых линий) обращается
в бесконечность якобиан J(% tj), а с ним и подинтегральная функция
второго из интегралов. Хотя соответствующие точки и линии на пло-
плоскости ху не являются особыми для первого интеграла, но их выде-
выделение, по замечанию предыдущего п°, не создает затруднений, так
что и при новых допущениях заключение остается в силе.
Заметим еще, что и в рассматриваемом случае часто приходится
сталкиваться с нарушением непрерывности или взаимной однознач-
однозначности соответствия в отдельных точках или вдоль отдельных линий.
В подобных обстоятельствах приложимы соображения п° 606, 4°
[ср. конец п° 609].
Наконец, обратимся к случаю, когда хоть одна из областей (D),
(Д) является неограниченной.
Если обе эти области простираются в бесконечность, причем
точки их, находящиеся на конечном расстоянии, связаны соответ-
соответствием A2) или A2а), то, отделив (соответствующими) кривыми огра-
ограниченные части этих областей, (ГУ) и (Д'), мы при соблюдении
указанных выше условий будем иметь равенство A4). Так как упо-
упомянутые кривые, очевидно, могут удаляться в бесконечность лишь
одновременно, то остается лишь перейти в A4) к пределу, чтобы
получить A3), причем снова из сходимости одного из интегралов
следует сходимость другого.
Пусть теперь, скажем, область (D) простирается в бесконечность,
а область (Д) нет, и точки области (D) связаны соответствием со
всеми точками области (Д), за исключением отдельной точки (или
кривой), которая, так сказать, отвечает бесконечно удаленной части
* Мы имеем в виду непрерывность функций A2) и A2а).

617]	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	225
контура области (D). Отделив кривой ограниченную часть обла-
области (D), мы соответствующей кривой в области (Д) выделим упомя-
упомянутую точку (или кривую) и тем получим области (IX) и (Д'), к ко-
которым уже приложимы прежние рассуждения, и т. д.
Заметим, что замена переменных наряду с переходом к повтор-
повторному интегралу является весьма удобным средством для установле-
установления существования несобственных двойных интегралов. Многочислен-
Многочисленные примеры тому читатель найдет в следующем п°.
617. Примеры. 1) Установить условия сходимости интегралов (т>0):
dxdy iK\ СI dxdy
С С
2+.y2=; 1
dxdy
Решение. В полярных координатах эти интегралы сведутся к следующим:
Очевидно, условия сходимости будут:
(а)т<1, (б)т
2) Аналогичный вопрос по отношению к интегралам (a, f), m>0)
С rf;crf-y
3O
Указание. Прибегнуть к подстановке
2 2	2 2
Ответ, (а)	\--к->т; (б)	\- -к- < т; (в) т < 1.
ар	ар
Те же ответы получатся и в случае, когда изменение переменных в за-
задачах 1), 2) ограничивается сектором между лучами в = в0 и 6 = 8!.
3) Если область (D,) изменения переменных х, у есть криволинейный тре-
треугольник АОВ (рис. 77), ограниченный отрезком АО оси х, дугой ОВ пара-
параболы у = х* и дугой ВА окружности jc2-f-.ys = l| то интеграл
С Р dxdy
8 Г. М, Фыхтенгольц, т, Ш

226
ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
|617
длякоторогоначалопо-прежнемуслужит особой точкой,
все же существует (хотя не существует для круга!). Действительно, при пере-
переходе к полярным координатам интеграл пре-
преобразуется к виду *
г 1	г
*2е .„
С	.. С	dr f	, cos2 8
\	rf6 \	— = \	In .
)	)	г У sin 6
О	sin в	О
X
cosS9
откуда и вытекает сказанное.
4) Аналогично, взяв в качестве области
(Z)a) треугольник АОС (тот же рисунок), можно
установить существование интеграла
dx dy
Рис. 77.
И
0>)
1-х*—у*
для которого особыми будут точки А и С. Так как в поляр-
полярных координатах уравнение линии АС будет г = ^ . . ^ , то предло-
предложенный интеграл сводится к следующему:
^sifTe	4	2
2 cos е -
rfe '
rdr
= — \ \п
sin 26
1 + sin 26
rfe=—4r
sin <p
1 -(- sin <p
который явно существует.
5) На сравнении с интегралами, рассмотренными в 1), основан следующий
признак сходимости:
Если (D) есть: (а) ограниченная область, содержащая начальную точку,
или (б) простирающаяся в бесконечность область, не содержащая начальной
точки, то интеграл от функции/(л:,у)
в (D) сходится, коль скоро f(x, у)
в (D) может быть представлена в виде
где tp ограничена и, соответственно
случаю, (a) m < 1 или (б) т> 1.
Легко перефразировать этот при-
признак для случая, когда начальная точ-
точка заменена любой точкой (л:0, у0).
6) Проверить сходимость двой-
двойного интеграла от функции
у»	X2
f(x,y)= (
Рис. 78.
распространенного на: (а) треугольник
ОВС (рис. 78), (б) квадрат О ABC,
(в) бесконечную полосу YCBE, (г) бесконечный треугольник BBG, (д) бес-
бесконечный квадрат ЕВ г.
* Через Ь обозначен угол луча ОВ с полярной осью.

617]	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	227
Ответ. В случаях (а), (г) интеграл не сходится (тем более это справед-
справедливо для случаев (б), (д)!); в случае (в) интеграл сходится, он равен ~.
7)	Пусть функции f(x) и g(y) абсолютно интегрируемы — первая
в промежутке [а, Ь], а вторая — в промежутке [с, d] (каждый из этих проме-
промежутков может быть как конечным, так и бесконечным). Доказать, что тогда
сходится и двойной интеграл
ь	d
I J fix) g(y) dxdy=\ f{x) dx-\g(y)dy
[a, 6; c, d]	а	с
[ср. 605, 9)].
Вопрос легко приводится к случаю неотрицательных функций; этим пред-
предположением мы и ограничимся.
Если, скажем, оба промежутка конечны, и единственными особыми точ-
точками являются, соответственно, Ь и d, то, как мы уже знаем, существует
собственный двойной интеграл (8 и е>0)
ft—S	d—г
И	f(x)g(y)dxdy= $ f{x)dx. \ g(y)dy;
[a, ft — 8; с, d — t]	а	с
остается лишь перейти к пределу при 8—>О, е—>О.
Указанные условия относительно функций / и g оказываются и необходи-
необходимыми для существования двойного интеграла, исключая тот случай, когда
один из интегралов
l\f(x)\dx, l\g(y)\dy
а	с
равен нулю.
8)	Найти площадь фигуры (Dt), ограниченной параболами у*=>
= 2р(х— -|-) и y* = 2q(x—^j @<p<q) и осью лг [см. 608, 8)].
Решение. Воспользовавшись криволинейными координатами, приве-
приведенными в указанном месте, имеем:
р 9
u~)V
Вычисление площади привело к несобственному интегралу (осо-
(особая линия — отрезок оси и). После того как замена переменных распро-
распространена и на случай несобственных интегралов, законность проведенной
выкладки не может вызывать сомнения.
9) Вычислить интеграл @ < с < а)
Д=\\ у а8 — Xs — (ег —
—x'dxdy.

228	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F17
Применим подстановку
v	uv
Х
где (и, v) изменяется в бесконечном прямоугольнике [0, -|- оо; 0, с]; яко-
якобиан равен	„,..—,	Имеем:
У\ + и2УсЦ1+и2) — v2
oo
Здесь оказалось выгодным интеграл собственный свести к не-
собственному, который легче вычисляется.
10) Двойной интеграл
существует, ибо существует повторный:
00	00
Р= \ dx { e-x*-y*dy= С e-*2dx- \ е-*3 dy=\[ е~х* dx)\
6 6	<Г	б	16	'
Его легко вычислить, если перейти к полярным координатам; первый
квадрант на плоскости ху преобразуется при этом в полосу на плоскости гб,
ограниченную прямыми 6 = 0, г = 0 и 6 = -=-. Таким образом,
2 со
P =
Поэтому
oo
Этот замечательный по простоте прием вычисления принадлежит Пуас-
Пуассону.
11) Если в том же интеграле Р перейти к эллиптическим коор-
координатам [604, 5)] по формулам
D(x,y)=
Z?(X,j*)

617J	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	229
то получим
оо с
J i >^(Х2 — cs) (с2 — |х2)	4
или
~ »-х2
J УXs — с2 ' И y"c2 — (л2 0 у"Ха — с2 ' Л у^с»—(л* ~ 4 *
Если взять с = 1 и сделать подстановку Х = |^г»+1, |л=)/'г;, то при-
придем к любопытному соотношению:
12) С помощью обобщенных полярных координат
х = ar cos в, _y = Srsin
легко найти- значение двойного интеграла
Если же перейти к эллиптическим координатам, о которых только что
шла речь (взяв с* = а* — S2, так что данный эллипс отвечает X = а), то для
того же интеграла получим
J=ab [ {
} J К(«!-11) (а2-ц2) (X2- ?•) (с* -ц2
Таким образом,
X2) (а2 - ц8) (X2 - с2) (с3 -
Полагая здесь а = 1, c=:ft<l,ft' = |^1—йг,наконец Х = }/^1 —ft'8 8ш2ф,
i = ftsin<f(O^tp, 4/^*o"), сведем этот интеграл к следующему:
1—ft's sin* ф) + A—fcssin2<p) — 1 ... п
1^A — й2 sins «f) (I — ft'2 sina +)	2
" 

230	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[617
что может быть представлено в виде
it	it	ic
"	~	Т
, ? 	г • \ V1—ft'2 sin2 if d'l> -f \	V =r X
J/1—A2sm2tp 0	.) V 1—A2 sin8 if
о	о
it	it	it
T	T	"
X
„	0 ' - • -- ¦	0 /1-*'2«П2Ф	l
Читатель узнает в этом уже встречавшееся нам соотношение Л е-
жандра [см. 511, 12) и 534, 10)].
13)	Приведем вывод известного соотношения между эйлеровыми инте-
интегралами 1-го и 2-го рода, принадлежащий Якоби.
Так как (при а > 0 и Ь > 0)
ОО	00
Г (а) = [ е~У у»-1 dy, Г F) = \ е~х хь~1 dx,
то, очевидно,
оо оо
Г (а) Г (Ь) = \ \е~х~Ухь~1уа~1 dxdy.
6 о
Положим здесь
х = иA—v), y = uv,
так что первому квадранту на плоскости ху отвечает полоса на плоскости uv,
ограниченная прямыми о = 0, н = 0, »= 1. Якобиан преобразования равен и.
Поэтому
1 00
Г (а) Г F) = \\ е-ииа+Ь-1 . va-l(l_v)b-i du dv=-
b о
оо	1
_С e-uua+b-idu .f oa-i(i_ v)"'1 dv = T(a + Ь)Ъ(а, b),
So
что и требовалось доказать.
14)	В предыдущем изложении нами был выведен ряд формул, область
применимости которых теперь может быть расширена. Это относится, на-
например, к формуле Дирихле:
[597, 12)] и к более общей формуле Лиувилля:
5

617]	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	231
{611, 17)], которые сохраняют силу при любых р и q>Q. При этом доказа-
доказательства остаются те же.
Можно пойти и дальше: в формуле Лиувилля мы до сих пор пред-
предполагали функцию <р 0«) непрерывной при изменении и от 0 до 1, теперь же
можно допустить и обращение ее в бесконечность в одной или нескольких
точках этого промежутка, лишь бы интеграл справа был абсолютно
сходящимся (иначе интеграл слева не будет сходиться вовсе).
Наконец, можно в формуле Лиувилля распространить двойной интег-
интеграл на бесконечную область, определяемую неравенствами
если только интеграл справа взят в промежутке от 1 до + оо (снова в пред-
предположении его абсолютной сходимости).
Все это не требует никаких существенных изменений в доказательстве.
15) Если в формулах Дирихле и Лиувилля заменить р и q на.
?- и -|-, а затем произвести подстановку х = (—) , у = D-J , то эти фор-
формулы получат более общий вид:
II
E.
si
" r(W) J
* Все постоянные а, Ь, а, р, р, ^ предполагаются здесь положительными.

232	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	f617
Для примера предлагается установить условия сходимости и вычислить
интегралы (т> 0):
х, у Э=0
<б) И
х, у 5
о \\ ii-7-^rdxdy-
х, у & 0
. (а) 	 " Р	— ^при условии ^. + 4- > « );
. гA)г(т)ГA-т)
. A)(т)
(в) -г	—	f	— (при условии т< 1).
Р Г(т + т + 1)
[Ср. задачу 1).]
16) Выведенная в п* 597, 15) формула К а т а л а н а:
м
И /(*,У)Ч IS (х, У)\ dxdy=\i<( (и) d) (и),
m^g(x, у)^М	т
где
*(«)= И fix, у)dxdy,
с введением несобственных интегралов может быть обобщена на случай
М = 4- оо, если только { понимать и здесь, как lim \.
17) Найти значение интеграла
L = [{ In sin (х—y)dx dy,
(А)
где А есть треугольник, ограниченный прямыми ,у = 0, х = п,у=х($ис. 79, а).

617]
§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
233
Полагая
=?+? „ «n<
х —
преобразуем область (А) в треугольник (Д) на плоскости ut, ограниченный
а.)
2п и
Рис. 79.
прямыми u = t, u-\-t—2ii, t = 0 (рис. 79, б). Так как якобиан преобразова-
преобразования равен -=-, то
? = 4- \ \ lnsin tdtdu= \ \lnsin tdtdu,
ir	ы
если через (Е) обозначить треугольник, ограниченный прямыми u = t, и = п,
t= 0 (см. рисунок). Далее можно написать:
= 4- \ \ Ш sin t dt da = -^-
18) Вычислить (при любых натуральных тип) интеграл
где Ря означает л-й многочлен Лежандра.
Решение. Напомним, что многочлен Лежандра с нечетным (четным)
значком содержит лишь нечетные (четные) степени х. Отсюда ясно сразу, что
/=0, если только хоть один из значков т или п будет нечетным.
Пусть же оба они — четные: m = 2(x, n = 2v. Рассмотрим интеграл
Vl-X»
rfy.
По известной формуле

234	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[617
так что наш интеграл приведется к
1
2р, ^
следовательно, он равен 0 при р <ч [по основному свойству многочленов
Лежандра; 320 (8)]. Отсюда — предложенный интеграл /=0 при
п = 2ч ф т = 2ц.. Остается случай, когда я = /и = 2|л. В этом случае
S^(х)A ~x^dx=(-~^)ii $
[320 A0)]. Итак, окончательно,
0,	кроме случая п=т = 2р,
. 1)Т?,(я—1I1 1	еслия = т —2ц
я!! 2я -|-1 '	™'
Предоставляем читателю убедиться в законности проделанных операций
19) Вычислить интеграл (Л и у в и л л ь)
ОО ОО ___ ( j?_l_«J	]	1	1
= \ \ е ^	ху'• х3 у3 dxdy (X>0).
Ь
Пользуясь правилом Лейбница, найдем его производную по параметру X:
Заменим здесь одну лишь переменную х, полагая (при у — const.)
Xs	dx dz
-. —, так что — =	; получим
ху'	х	z ' J
оооо _( , _, Х»_\ _1_ . ?_
dR	off к у*I з~ Т
У г
* Предоставляем читателю убедиться в существовании интеграла R и
в дозволительности применения правила Л е й б н и ц а. Последнее обосновы-
обосновывается такими же соображениями, как и в случае простого интеграла.

617J
5 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
235
Интегрируя это простое дифференциальное уравнение, найдем R — Ce~*h
Постоянная С определится, если положить Х'=0:
Итак, окончательно,
20) Вычислить интеграл
ОО 00
А = \ \ е~*-У
о о
Уз ¦
cos 2k Уху
УТу
(где й = const.).
Так как подинтегральная функция по абсолютной величине не превос-
превосходит функции
УТу'
заведомо имеющей интеграл по первому квалоанту [см. 7)], то су-
существование интеграла А обеспечено.
Обозначая через (D) ту часть первого квад-
квадранта, где x/^zy (на рис. 80 она заштрихо-
заштрихована), имеем, очевидно,
Л=2
„_*_vcos2ft Уху
Ф)
dxdy.
Произведем теперь замену переменных по фор-
формулам			о
Рис. 80.
точка (и, v) описывает аналогичную (D) область (Д) на плоскости uv,
так что Kg:». При этом
Р(и,у) х—у 2>У-г>а	Р(х,у)_
D(x,y)- YTv	v	D(u,v)
Получим после подстановки
cos kv
А = 2 V V е~и ¦
(Д1
. . n f _„ . f cos kv ,
- dudv — 2 \ e adu \ -¦¦	dv.
— 2 \
J
о	о
Для вычисления внутреннего интеграла положим
= У^и8—v3 db,
и он сведется к интегралу [440, 12)]
~2
cos (feu sin 9) df> == у Jo (few).

236	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[617
Пользуясь известным результатом [524, 3)], найдем окончательно:
о
21) Вычислить интеграл
В=\\ e-aVx2+yS cos дг5 cos^r, dx dy,
Ь о
где a, S и ч) — постоянные и а > 0.
Очевидно,
-f-00 -[-00
f	[
=\ \ \ ...dXdy.
— 00 —00
Перейдем к полярным координатам, полагая
х = г cos 9, у = г sin в;
одновременно для облегчения выкладок положим также
Z = р cos tp, i) = р sin <p.
После подстановки и легких преобразований получим
2it со
е~агcos[rpcos(9 — tp)] • rdr +
2it оо
We С e-w cos[rpcos(9 + tp)] • rdr\.
Полагая 8-§-tp = X и пользуясь периодичностью, сведем оба повторных инте-
интеграла к одному и тому же:
п
2it оо	IF оо
fi = -j- \ dk \ е"-*" cos (rp cos X) ¦ г dr = I rfX \ e~ar cos (rp cos X) • r dr.
Легко вычислить (например, интегрируя по частям), что
••rrfr==^t-i-iHtf (а>°)-
б
В таком случае
д2 _ р2 COS2 X
(a2 -f p2 cos2 Х)г ~ Т

617J
$ 6. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
237
Можно ив общем виде показать (пользуясь тем же приемом), что если
интеграл
СО GO
<р (YXs -\-у1) cos xZ cosyri dx dy
сходится, то он всегда оказывается зависящим только от
имеет вид /(У?
22) П	(D)
+12. T- e-
/(У+ !)
22) Пусть (D) означает треугольник ОАВ (рис. 81), характеризуемый
неравенствами OsgArsga и у^х, a f(x) — произвольная непрерывная
от 0 до а функция. Приводя двойной интеграл
/(У) dx dy
Vi*—x){x—y)
к повторному двумя способами, доказать формулу
. V\*—x
о	о
—у
A5)
0
а х
[По сути дела, это частное применение формулы Д и-
рихпе, 597, 10), но на этот раз — к несобственным
интегралам; особые линии здесь: х — а и у — х.]
Воспользуемся формулой A5) для решения одной интересной задачи,
принадлежащей Абелю.
Пусть <р (л:) есть данная функция, непрерывная вместе со своей про-
производной в промежутке [0, а], причем ip@) = 0. Требуется определить
непрерывную в этом же промежутке функцию f(x) так, чтобы при всех х
выполнялось условие
[Такого типа уравнение, где искомая функция стоит под знаком интег-
интеграла, называется интегральным. Уравнение Абеля представляет один
из первых примеров интегральных уравнений; для интегральных уравнений
теперь существует широко развитая теория.]
Умножив обе части равенства A6) на	- , проинтегрируем его
У	X
по х от 0 до любого а @
- ,
У а — X
в); ввиду A5) найдем
dx
J—
=Af(y)dy.
Если взять и слева и справа производную по а, используя уже известный
нам результат 511, 14), то и придем к выражению искомой функции:

238	ГЛ. XVI. ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[617
Остается проверить, что полученная функция удовлетворяет поставленным
требованиям. Непрерывность ее по а легко устанавливается с помощью указан-
указанной в 511, 14) подстановки. Если же эту функцию подставить в уравнение A6),
то, опираясь на формулу A5), найдем
* $V x-y J V y-t
что и требовалось доказать.
В заключение остановимся еще на двух-трех примерах, выясняющих
некоторые принципиальные моменты.
23) Покажем, прежде всего, что для несобственных интегралов (даже от
неотрицательных функций) теорема п" 594, позволяющая из существования
двойного интеграла заключить о существовании повторного, вообще не
имеет места.
Пусть в квадрате [0, 1; 0, 1] функция f(x, у) определена следующим
образом:
' 2п, если х=-
(	?=± и 0<>><1
f(x,y)-i	(«=1,2,3,...;»= 1,2	2"-'),
0 в прочих точках.
При у явх const, может существовать лишь конечное число значений х
для которых fjbO. Значит,
1	II
\/(х, y)dx = 0 и \dy \f(x, y)dx = O.
Теперь, если х = const, и не имеет вида —.—щ	, то /=0 и
1	1
\f(x,y)dy — 0. Если же jr=const =	^	, то \f(x,y)dy==
1	°
2"	1 1
= J/rfy=l. Отсюда ясно, что повторный интеграл \dx\f(x, y)dy
не существует.
[Для функции f(x, y)-\-f(y, x), очевидно, не существует уже ни один
из повторных, интегралов!]
Что же касается двойного интеграла, то прежде всего замечаем, что
особые точки заполняют отрезок [0, 1] на оси х. При любом е>0
в прямоугольнике [0, 1; *, 1] функция / может быть отлична от 0 лишь на
конечном числе отрезков прямых лг=—^—, для которых ;™5г?.
Поэтому
И f(x, y)dxdy = O;
to. l; ., 11
переходя к пределу при е-»0, видим, что и
f(x, y)dxdy = 0.
10. Г; о, UJ

617]	§ 5. НЕСОБСТВЕННЫЕ ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	239
24) Нетрудно установить, что двойные интегралы
оо оо	оооо
(a) (j \ е~*У siaxdx dy, (б) f \ sin (xs + уг) dx dy
во
ОО ОО
оба не сходятся (в смысле данного в п° 612 определения).
В случае (а) явно не существует интеграл от абсолютной величины под-
интегральной функции, ибо иначе имел бы конечное значение повторный
интеграл
i \sinx\dx i e~*ydy= i ^^ dx,
чего на деле нет [477]. Отсюда, ввиду 613, и вытекает утверждение
В случае (б), если через (Кц) обозначить квадрант круга радиуса R
с центром в начале, то, переходя к полярным координатам, будем иметь
sin (x1 -f- _ys) dxdy= \ rfB \ sin rs • r dr = -j A — cos /?s).
При возрастании R до бесконечности это выражение определенного предела
не имеет, что также решает вопрос.
Любопытно отметить, что в каждом из рассмотренных примеров повтор-
повторные интегралы оба существуют (и даже равны между собой):
00	00
С dy { е~*У sin х dx = ? sin x dx ? е~*> dy = ^	1522, 2*],
ОО	00	00	00
dy { sm(xs+ya)dx= f dx { sin (x2 + ys) dy = -|- ]522, 5°].
об	bo
Таким образом, для функций переменного знака одно существование
повторного интеграла еще не обеспечивает существования двойного интеграла
(напомним, что в 614 мы дополнительно требовали существования повтор-
повторного интеграла для абсолютной величины функции!).
25) Если бесконечный прямоугольник [0, + оо; 0, + оо] исчерпывать не
произвольными бесконечно расширяющимися областями (как этого тре-
требует определение п° 612), а специально прямоугольными обла-
областями вида [О, А; О, В], то в обоих рассмотренных выше случаях окажется,
что для интеграла
И -dxdy
[О, А; Ъ, В]
при А, В —¦ + оо существует определенный конечный предел.

240	гл. xvt. двойные интегралы	1617
Это сразу видно относительно интеграла
sin (л:2 -{-у3) dx dy =
И sir
[0, А; 0. В]
А	в	А	ь
==\ sinXsdx• [ cosv2dy4-\ cosx2 dx• \ siny!dy,
б	б	б	б
который при указанном предельном переходе стремится к пределу-j- [522, 5°].
Рассмотрим теперь интеграл
л
С С „,. . Р sin* _,
\ \ е~*9 srnxdx= \ 	dx —
А; О, Щ	О
А
sin л: _, С е~в
х
[О, А; б, В]
Первый из интегралов справа (при A—>-f-°0) стремится к -=-, а второй
(при А, В—>+») имеет пределом 0, ибо по абсолютной величине не пре-
превосходит интеграла
С „	1 —»-лв
В
Итак, здесь окончательно в пределе получается -=- .
Подобные пределы, связанные со специализацией предельного
перехода, напоминают «главные значения> несобственных интегралов [484].
Их можно рассматривать и в случае произвольной простирающейся в беско-
бесконечность области, если вне ее положить функцию равной нулю. Некоторые
математики считали целесообразным именно эти пределы класть в основу
самого определения понятия несобственного двойного интеграла (что суще-
существенно разнится от принятого в нашем изложении определения). При
такой точке зрения оба рассмотренных в 24) интеграла оказались бы схо-
сходящимися и притом неабсолютно.
Замечание. Сходное положение вещей имеет место по отношению
к двойным рядам. Так как мы там исходили всегда из бесконечной
прямоугольной матрицы, то представлялось естественным исчерпывать
?е постоянно расширяющимися конечными прямоугольными же матри-
матрицами, что и было нами положено в основу определения суммы двойного ряда [394].
Поэтому-то двойные ряды могли быть как абсолютно, так и неабсолютно
сходящимися. Существует, однако, и другая точка зрения, согласно которой
от бесконечной матрицы конечные куски отделяются кривыми произвольной
формы, лишь бы удаляющимися всеми точками в бесконечность. Эта точка
зрения сближается с той, на которой построено данное выше [612] опреде-
определение несобственного двойного интеграла. Если стоять на ней, то и двойные
ряды окажутся сходящимися лишь абсолютно, подобно несобственным
интегралам.
* Совпадение этого предела с общим значением повторных интегралов,
которое имеет место в обоих случаях, конечно, закономерно [ср. 168].

ГЛАВА СЕМНАДЦАТАЯ
ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
§ 1. Двусторонние поверхности
618. Сторона поверхности. Установим сначала важное для даль-
дальнейшего изложения понятие стороны поверхности.
В ряде случаев это понятие интуитивно ясно. Если поверхность
задается явным уравнением вида z =f(x,y), можно говорить о верх-
верхней стороне или о нижней стороне поверхности *. Если поверхность
ограничивает некоторое тело, то также легко представить себе ее
две стороны — внутреннюю, обращенную к телу, и внешнюю,
обращенную к окружающему тело пространству.
Исходя из этого интуитивного представления, постараемся теперь
дать точное определение понятия стороны поверхности.
Рассмотрим гладкую поверхность (S), замкнутую или ограни-
ограниченную кусочно-гладким контуром. Так как на поверхности нет осо-
особых точек, то в каждой точке поверхности имеется определенная ка-
касательная плоскость, положение которой непрерывно изменяется
вместе с точкой касания.
Взяв на поверхности определенную точку Мо, проведем в ней
нормаль, которой припишем определенное направление — одно из
двух возможных (они отличаются одно от другого знаками направ-
направляющих косинусов). Проведем по поверхности замкнутый контур,
исходящий из Мо и возвращающийся в Жо> причем предположим, что
он не пересекает границы поверхности. Заставим точку М обойти
этот контур и в каждом из последовательных ее положений будем
приписывать нормали то из двух направлений, в которое непре-
непрерывно переходит направление, выбранное нами в начальном поло-
положении Мо. При этом может случиться одно из двух: либо после
обхода контура мы вернемся в точку Жо с тем же направле-
направлением нормали, либо же — с направлением, противоположным исход-
исходному.
* Мы часто будем пользоваться подобным выражением, подразумевая
при этом, что сама ось г направлена вертикально вверх.

242	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[618
Если для какой-либо точки Мо и какого-либо проходящего через
нее контура МйАМй имеет место последнее обстоятельство, то и для
любой другой точки Mi легко построить замкнутый контур, который,
выходя из Mi и возвращаясь в нее же, приведет нас в эту точку
с направлением нормали, противоположным исходному. Таким, напри-
например, будет контур MiMeAMoMt, если под AftAf0 разуметь какую-
нибудь проходящую по поверхности кривую, соединяющую Mt с Мй,
но не пересекающую границы поверхности, а под M0Mt — ту же кри-
кривую в обратном направлении.
В этом случае поверхность называют односторонней. Классическим
примером такой поверхности является так называемый лист Мёбиу с а
(рис. 82). Модель ее можно получить, если прямоугольный кусок
бумаги ABCD, перекрутив один раз, склеить так, чтобы точка А
совпала с С, а В с D. Если полученное перекрученное кольцо начать
красить в какой-либо цвет, то
#1	\С можно, не переходя через его
A	D границы, покрасить все кольцо
этим цветом. Мы впредь по-
подобные поверхности исключим
из рассмотрения.
Предположим теперь, что
какова бы ни была точка
Рис. 82.	мй и каков бы ни был
замкнутый контур, проходящий
через Мй и не пересекающий границы поверхности, после обхода его мы
неизменно возвращаемся в исходную точку Мо с исходным же направле-
направлением нормали. При этих условиях поверхность называется двусторонней.
Пусть же 5—двусторонняя поверхность. Возьмем на ней любую
точку Мй и нормали в этой точке припишем определенное направле-
направление. Взяв какую-либо другую точку М\ поверхности, соединим Мо и
Мх произвольным путем (К), лежащим на поверхности и не пере-
пересекающим ее границы, и заставим точку М перейти из Мй в Aft по
этому пути. Если при этом непрерывно изменять направление нормали,
то точка М придет в положение Aft с вполне определенным направ-
направлением нормали, не зависящим от выбора пути (К). Действительно,
если бы, приходя в точку Mi из точки Мй по двум различным путям
(Afi) и (АГг), мы получали в точке Aft различные направления нормали,
то замкнутый путь Жо (Ki) Mi (АГГ1) Mo приводил бы нас в точку
Мй с направлением нормали, отличным от исходного, что противоре-
противоречило бы определению двусторонней поверхности.
Таким образом, на двусторонней поверхности выбор направления
нормали в одной точке однозначно определяет выбор направления
нормали во всех точках поверхности. Совокупность всех точек
поверхности с приписанными нормалями в них по указанному
правилу направлениями и называется определенной стороной
поверхности.

6191	§ 1. двусторонние поверхности	243
619. Примеры. 1) Простейшим и наиболее важным примером двусто-
двусторонней поверхности является поверхность, выражаемая явным уравнением
г = г(лг, у), в предположении, что функция г непрерывна в некоторой пло-
плоской области (О) и допускает в ней непрерывные частные производные
дг	дг
г дх ч ду
В этом случае направляющие косинусы нормали к поверхности имеют
выражение [234 A1)]
1	—Р	— Я
cos v = -——
+ y
Выбрав перед радикалом определенный знак, мы тем самым устанавливаем
во всех точках поверхности определенное направление нормали. Так как на-
направляющие косинусы, в силу, сделанных предположений, будут непрерыв-
непрерывными функциями координат точки, то и установленное направление нормали
будет также непрерывно зависеть от положения точки. Отсюда ясно, что ил-
бор знака перед радикалом в формулах для cos X, cos ji, cos v определяет
сторону по ее рх нос ти в том именно смысле, какой выше приписан
этому понятию.
Если выберем перед радикалом знак плюс, то во всех точках поверхности
cos v =
V 1+Р* + Я*
будет положительным, т. е. угол, составленный с осью z нормалью соответ-
соответствующей выбранной стороне, будет острым. Таким образом, сторона поверх-
поверхности, определяемая указанным выбором знака, оказывается верхней сто-
стороной. Напротив, выбор знака минус в выражениях,направляющих косинусов
нормали характеризует нижнюю сторону поверхности (нормали составляют
с осью г тупые углы).
2) Рассмотрим теперь, более обще, произвольную простую незамкн у-
т у ю гладкую поверхность (S), заданную параметрическими уравнениями
х = х(и, v), y=y(u,v), z = z(u,v),	A)
причем параметры и, v изменяются в некоторой ограниченной области (А)
на плоскости ио. Требование гладкости означает, что функции A) непре-
непрерывны в (Д) вместе со своими частными производными и
что на поверхности нет особых точек. Помимо этого (что осо-
особенно важно подчеркнуть), мы предположили поверхность простой, так
что на ней нет кратных точек, и каждая точка поверхности полу-
получается лишь при одной паре значений параметров и, v.
Если через А, В, С обозначить, как обычно, определители матрицы
>а zu \
К К Г
то, по предположению, всегда А* + Я* + С* > 0, и направляющие косинусы
нормали к поверхности выразятся известными формулами [234, A7)]:
A	* В
COSfl=-
COS V = -
B)

244	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|62О
И в этом случае выбор знака перед радикалом характеризует сто-
сторону поверхности, так что поверхность оказывается двусторонней.
Действительно, раз знак выбран, формулы B) каждой точке поверхности (так
как ей отвечает одна лишь пара значений и, ol) сопоставляют одно опре-
определенное направление нормали, которое при передвижении точки изменяется
непрерывным образом.
При нарушении предположения об отсутствии кратных точек уже нельзя
безоговорочно утверждать, что поверхность двусторонняя. Тогда кратной точке
М6 поверхности отвечают, по меньшей мере, две различные пары и0, »„ и «„
г»! значений параметров, и может случиться, что при этих значениях формулы
B), даже если знак перед радикалом выбран одинаково, определяют про-
противоположные направления нормали в точке Мо. Если это действи-
действительно так, то поверхность неверное будет односторонней. В самом
деле, соединим точки т„ (ы0, v0) и тх («1( v,) на плоскости uv кривою т^т^,
тогда на поверхности (S) в соответствии с ней мы получим замкнутую
кривую, исходящую из Мо и возвращающуюся в Мв; выйдя из М„ с одним
направлением нормали, мы после обхода этой кривой вернемся в Мо уже
с противоположным направлением!
3) Если гладкая поверхность (S) оказывается замкнутой и ограничивает
некоторое тело, то наличие у нее двух сторон — внешней и внутрен-
внутренней — ясно непосредственно. Допустим, что эта поверхность выражается
уравнениями A). Хотя на этот раз предположение о взаимно однозначном
соответствии между точками поверхности и точками области (Д) не осуще-
осуществимо в полной мере, но выбор знака в формулах B) все же опреде-
определяет сторону поверхности. Суть дела именно в том, что случай,
о котором только что была речь, здесь заведомо невозможен.
620. Ориентация поверхностей и пространства. Пусть (S) будет
незамкнутая гладкая двусторонняя поверхность, ограниченная
простым контуром (I); выберем определенную сторону этой
поверхности. Припишем теперь контуру (Z.) определенное направление
обхода в качестве положительного по следующему правилу,
обход должен казаться происходящим против часовой стрелки
наблюдателю, движущемуся в этом направлении по контуру так, что
нормаль к поверхности, отвечающая выбран-ной стороне,
пронизывает его от ног к голове. Слова «против часовой стрелки»
означают, точнее говоря, что наблюдатель должен видеть непосред-
непосредственно прилегающую к нему часть поверхности слева от себя.
По тому же правилу одновременно устанавливается положительное
направление обхода для каждого простого замкнутого контура, ле-
лежащего на поверхности и ограничивающего некоторую ее часть *.
Направление обхода, обратное положительному, назовем отрица-
отрицательным. В совокупности все это и составляет содержание поня-
понятия ориентации поверхности.
Если исходить из другой стороны поверхности, то нормали из-
изменят свое направление на обратное, изменится положение наблю-
наблюдателя, в связи с чем по нашему правилу придется переставить
положительное и отрицательное направления обхода контура (?) и
* Только с этой частью и надлежит считаться при определении поло-
положительного направления на контуре.

620}	§ 1. ДВУСТОРОННИЕ ПОВЕРХНОСТИ	245
других контуров, лежащих на поверхности: поверхность изменит свою
ориентацию. Таким образом, если всегда держаться установленного
правила, выбор стороны поверхности определяет ее ориентацию
и, обратно, выбор положительного направления обхода контура
поверхности однозначно определяет ее сторону?
В случае замкнутой гладкой поверхности (S), ограничивающей
некоторое тело, речь может идти о внешней или о внутренней
по отношению к этому телу стороне поверхности. Установить для
любого простого замкнутого контура положительное направление об-
обхода с помощью сформулированного выше правила на этот раз не
удается. Причина этого — двоякая. Прежде всего такой контур мо-
может просто «не разделять» поверхность (как, например, в случае
любых параллелей или меридианов на торе), и тогда поверхность
примыкает к контуру с обеих сторон: наше правило ничего не дает.
Но если даже контур «разделяет» поверхность на две области, то
он обе их «ограничивает» в равной мере, и в зависимости от того,
какую из них выбрать, наше правило приводит к тому или другому ¦
из двух направлений на контуре, как к положительному. Ограничи-
Ограничиваясь контурами, «разделяющими» поверхность, мы станем вместе
с контуром указывать и область, тогда положительное направление
устанавливается уже вполне однозначно *. Этим и определяется
ориентация поверхности — та или другая, в зависимости от
выбранной стороны.
Если условиться принять для каждой такой поверхности за п о-
ложительную ориентацию ту, которая отвечает внешней сто-
стороне поверхности, а за отрицательную — противоположную ей, то
этим создается некая определенная ориентация самого про-
пространства. Это вполне аналогично тому, как выбор положитель-
положительного направления (можно было бы сказать — положительной
ориентации) на любом лежащем на плоскости простом замкнутом
контуре характеризовал ориентацию плоскости [548].
Та ориентация пространства, которая сейчас была определена и
•в основу которой в конечном счете было положено вращение против
часовой стрелки, называется правой. Если вместо этого ис-
исходить из вращения по часовой стрелке, то получится левая
, ориентация пространства. Для избежания путаницы мы
впредь в тех вопросах, где ориентация пространства играет роль,
всегда будем предполагать правую ориентацию пространства.
Нужно сказать, что и самое расположение координатных осей
в пространстве ставится в связь с установленной• ориентацией
* Если рассматривать на плоскости незамкнутый или замкнутый контур,
определенным образом направленный, то в первом случае о любых двух
точках на контуре можно сказать, какая из них предшествует и какая сле-
следует, а во втором случае это можно сделать, лишь если вместе с точками
указать и ограничиваемую ими дугу кривой. В этом можно усмотреть ана-
аналогию со сказанным в тексте.

246
ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[621
Рис. 83.
пространства. При правой ориентации оси располагаются так, что вра-
вращение от оси х к оси у кажется происходящим против часовой
стрелки, если на них смотреть из положительной части оси z (это
сохраняет силу и при круговых перестановках букв xyz) (рис. 83, а);
при левой ориентации упомянутое вращение происходит по часовой
стрелке (рис. 83, б). В пер-
первом случае координатная си-
система Oxyz называется правой,
а во втором — левой. В согла-
согласии с заключенным выше усло-
условием мы в указанных случаях
впредь будем пользоваться
правой координатной системой.
621. Выбор знака в форму-
формулах для направляющих коси-
косинусов нормали. Дадим сейчас
важное для дальнейшего прило-
приложение изложенной выше идеи о связи между выбором стороны
поверхности и созданием на ней той или другой ориентации.
Рассмотрим вновь простую незамкнутую гладкую поверхность 5
и выберем определенную ее сторону (а с нею — и ориен-
ориентацию!). Пусть (Л) будет контур области (А) на плоскости от,
a (L) — соответствующий ему контур нашей поверхности. Допустим,
что положительному обходу контура (Л) отвечает по-
положительный же обход контура (Z.) *. Тогда и для любых
соответствующих друг другу контуров (X) в области (А) и (/) на по-
поверхности (S) имеет место то же самое: положительный обход (X)
влечет за собой положительный обход.(/)**.
При этих условиях для характеристики выбранной сто-
стороны поверхности в формулах B) для направляющих косинусов
нормали перед радикалом нужно взять знак плюс.
Для доказательства этого достаточно установить, что хоть в од-
одной точке направление, определяемое этими формулами со знаком
плюс, совпадает с нужным направлением нормали. Возьмем на поверх-
поверхности какую-нибудь внутреннюю точку Мц\ ей отвечает точка
Ото ("о. v0) в области (А). Пусть в этой точке отличен от нуля,
скажем, определитель
t'u Уи
s->
xv yv
* Этого всегда легко добиться, заменив в случае надобности параметр
м на —ц.
** Так как о направдении обхода контура можно судить по направ-
направлению, в котором описывается любая его часть, то высказанное утверждение
очевидно для контура (К), имеющего общую часть с (А), а затем легко
переносится и на общий случай.

622]
§ 1. ДВУСТОРОННИЕ ПОВЕРХНОСТИ
247
У
Тогда найдется столь малая окрестность точки т0 на плоскости их»,
ограниченная контуром (X), что соответствующая ей окрестность точки
Ma на поверхности (S), ограниченная контуром (/), проектируется
на плоскость ху взаимно однозначно. Обозначим контур этой про-
проекции на плоскость ху через (k) (рис. 84).
Если в рассматриваемой точке и в*ее окрестности определитель
D, то положительному обходу контура (X) отвечает положитель-
положительный же обход (т. е. при выбранном расположении осей обход про-
против часовой стрелки) контура (k) [см. 606, 1)]. Как видно из
чертежа, для того чтобы соответствующий этому обход контура (!)
на поверхности тоже казался происходящим против часовой
стрелки, на него нужно смотреть сверху, так что нормаль в точ-
точке Мо в этом случае должна
быть направлена вверх,
т. е. должна составлять с
осью z острый угол. Это
именно и имеет место по
формулам- B), если в них
взять знак плюс, ибо при
С^> 0 тогда и cos v ^> 0. На-
Наоборот, при С<^0 нормаль
должна составлять с осью z
тупой угол, что также
осуществляется на деле при
указанном выборе знака, ибо
при С<^0 и cosv<^0.
Если гладкая поверхность (S) оказывается замкнутой и ограни-
ограничивает некоторое тело [ср. 619, 3)|, то для нее имеет место анало-
аналогичное обстоятельство. Допустим, что мы остановились на
определенной стороне поверхности и что положи-
положительному обходу одного какого-нибудь контура (Хв)
в области (Д) отвечает положительный обход опреде-
определяемого им контура (/0) на поверхности (S), если связать
D) с той областью на (S), которая отвечает ограниченной контуром (Хо)
области на плоскости uv. В таком случае предложение, доказанное
выше для случая незамкнутой поверхности, будет справедливо и теперь.
622. Случай кусочно-гладкой поверхности. Развитые в п° 620
идеи дают также удобное средство для распространения понятия сторо-
стороны поверхности на случай кусочно-гладкой поверхности. Соображения, из-
изложенные в. п° 618, в этом случае непосредственно неприложимы, так
щак вдоль «ребер», соединяющих гладкие куски поверхности, опреде-
определенной касательной плоскости не существует, и при переходе через них
о непрерывном изменении направления нормали говорить не приходится.
Пусть дана кусочно-гладкая поверхность (S), состоящая из глад-
гладких кусков (Si), (St), ..., примыкающих один к.другому по ребру —
Рис. 84.

248
ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[623
Рис. 85.
общей части их контуров. Предположим прежде всего, что каждый
из этих кусков в отдельности является двусторонней поверх-
поверхностью. Но этого, разумеется, недостаточно для того, чтобы всю
поверхность (S) можно было рассматривать, как двустороннюю; ведь и
поверхность Мёбиуса легко составляется
из двух гладких двусторонних кусков.
На контуре (/Q каждого куска («%)
(/=1, 2, ...) выберем в качестве поло-
положительного одно из двух направлений;
этим, как мы видели, фиксируется сторо-
сторона поверхности (Si). Если этот выбор
можно произвести так, чтобы всегда об-
общая часть двух примыкающих конту'
ров * описывалась в обоих случаях в
противоположных направлениях
(рис. 85), то лишь тогда поверхность
(S) является двусторонней. Сторона по-
поверхности (S) определится, как совокупность сторон ее частей, вы-
выбранных указанным образом.
Если хоть в одном случае направление обхода контура заменить
на противоположное, то для соблюдения нашего условия придется
то же сделать и со всеми контурами. Тогда и
выбранные стороны всех кусков (St) заменятся
противоположными им; их совокупность составит
вторую сторону поверхности.
Для того чтобы освоиться с установленными
соглашениями, предлагается читателю: 1) осущест-
осуществить их на примере поверхности куба (рис. 86),
подобрав надлежащие направления обхода конту-
контуров всех шести составляющих плоских кусков,
2) дать себе отчет в том, какие затруднения встре-
встретились бы, если бы попытаться то же сделать для поверхности Ме-
Мебиуса, разложенной на два или более двусторонних куска, и, нако-
наконец, 3) показать, что данное выше определение стороны не зависит
от того, на какие гладкие куски разложена поверхность.
§ 2. Площадь кривой поверхности
623. Пример Шварца. Понятие площади кривой поверхности
имеет известную аналогию с понятием длины кривой линии. Длину
(незамкнутой) дуги мы определяли как предел периметра вписанной
в дугу ломаной — при условии, что длины всех ее сторон стремятся
к нулю. В случае же кривой поверхности (тоже, скажем, незамкнутой)
естественно было бы рассматривать вписанную в нее многогранную
Рис. 86.
* Эта часть может состоять и из отдельных кусков.

6231
§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
249
поверхность и определять площадь кривой поверхности,
как предел площади этой многогранной поверх-
поверхности — при условии, что диаметры всех граней стремятся к нулю.
В конце прошлого столетия, однако, была обнаружена не-
непригодность этого определения. Именно, Шварц (Н. A. Schwarz)
показал, что упомянутый предел не существует даже для простого
случая поверхности прямого кругового цилиндра! Мы приведем этот
поучительный пример.
Пусть дан такой цилиндр радиуса R и высоты Н. Впишем в него
многогранную поверхность следующим образом. Разделив высоту ци-
цилиндра на т равных частей,
проведем через точки деления
плоскости, перпендикулярные
к оси цилиндра, так что на его
поверхности получится т -\-1
окружностей (включая сюда и
окружности обоих оснований
цилиндра). Каждую из этих
окружностей разделим на я
равных частей так, чтобы
Рис. 87.
Рис. 88.
точки деления вышележащей окружности находи-
находились над серединами дуг нижележащей окружности.
Возьмем, далее, треугольники, образованные хордами всех этих
дуг и отрезками, соединяющими концы хорд с теми точками деления
выше- и нижележащих окружностей, которые расположены как раз
над или под серединами соответствующих дуг (рис. 87). В своей
совокупности эти 2тп равных треугольников и образуют нужную
нам многогранную поверхность (]?т „); модель ее представлена на
рис. 88.
¦¦¦¦ Подсчитаем теперь площадь а каждого из треугольников. За ос-
основание примем хорду, длина которой равна
2R sin -.
л

250	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	f623
Для нахождения высоты АВ треугольника (см. рис. 87) заметим, что
АВ = УаС* + ВС*, где
АС=ОС— OA = r(\ — cos-), ?C= —.
Таким образом, площадь одного треугольника равна
а площадь всей многогранной поверхности будет
2т„=2от/ю = 2/?я sin -* j/^ot' (l — cos --
Когда тип неограниченно возрастают, то диаметры всех тре-
треугольников стремятся к нулю, но площадь ?т>„ предела не имеет.
В самом деле, допустим, что от и л возрастают так, что отношение
-^ стремится к определенному пределу q:
Имеем
lim n sin - = тс,
п
а с другой стороны, в силу сделанного допущения,
итотA — cos—] = 1ипот2 sin" 2^==IlmY n?
Следовательно,
и мы видим, что предел этот существенно зависит от величины q,
т. е. от способа одновременного возрастания тип. При ^ = 0, и
только в этом случае, названный предел равен 2%RH (величине пло-
площади, выведенной в школьном курсе геометрии), но вместе с q он
может равняться даже бесконечности. Таким образом, при независи-
независимом друг от друга возрастании чисел от и я до бесконечности для
площади 2т, л определенного предела, действительно, не существует,
и поверхность цилиндра, если стоять на точке зрения упомянутого
определения, оказывается лишенной площади.
Важно дать себе отчет в том, чем отличается положение вещей
в случае ломаной, вписанной в кривую, и в случае многогранной
поверхности, вписанной в кривую поверхность. Будем для простоты
считать кривую и кривую поверхность, о которых идет речь, глад-
гладкими. Тогда лишь только хорды, составляющие ломаную, достаточно
малы, направление каждой из них сколь угодно мало разнится от

J24J	§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	251
направления касательной в любой точке соответствующей дуги. По-
Поэтому такая бесконечно малая хорда и может со все возрастающей
точностью служить заменой соответствующего элемента дуги. Напро-
Напротив, сколь угодно малая многоугольная площадка, вершины которой
лежат на кривой поверхности, может оказаться вовсе не близкой по
своему расположению в пространстве к касательной плоскости к по-
поверхности; в таком случае заменять элемент поверхности она, понятно,
не может. Это обстоятельство прекрасно иллюстрируется только что
рассмотренным примером: касательные плоскости к цилиндрической
поверхности все вертикальны, а треугольные грани вписанной
поверхности при большом q становятся почти горизонтальными,
образуя мелкие складки.
624. Определение площади кривой поверхности. Все сказанное
приводит к мысли наперед потребовать от вписанной в данную
кривую поверхность многогранной поверхности не только того, чтобы
диаметры ее граней стремились к нулю, но и того, чтобы р а с по ло-
ложе н и е этих граней в пространстве безгранично при-
приближалось к расположению касательных плоскостей
к поверхности.
Однако полное осуществление этой мысли далеко не просто, и
мы вынуждены от него отказаться [ср. п° 627]. Мы дадим опреде-
определение понятия площадь кривой поверхности, основанное на другой
идее, впрочем, тоже представляющейся вполне естественной.
Мы будем рассматривать. незамкнутую гладкую поверхность
(S), ограниченную кусочно-гладким контуром (L). Представим, себе
эту поверхность разложенной с помощью сети кусочно-гладких кри-
кривых на части
и в каждой части (S,) произвольно выберем по точке 7W,- (/ = 1,2,..., я).
Спроектировав ортогонально элемент (.S;) на касательную плоскость
к поверхности в точке М{, мы получим в проекции плоскую фигуру
Gг) с площадью Tt.
Назовем площадью поверхности (S) предел S суммы этих
площадей Т{ A=1, 2, ..., я) при условии, что диаметры всех
элементов (Sf) стремятся к нулю.
Если через А обозначить наибольший из упомянутых диамет-
диаметров, то можно написать
5= Нш У. Tt.
Х-»0 i
Читатель легко восстановит точную характеристику этого предель-
предельного процесса как на «языке е-8», так и на «языке последователь-
последовательностей».
Поверхность, имеющая площадь, называется квадрируемой.

252	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[625
625. Замечание. Для того чтобы сформулированное определение
получило точный смысл, мы установим следующее вспомогательное
утверждение:
¦Каждая часть (S') поверхности (S) с достаточно малым диа-
диаметром проектируется на касательную плоскость в любой
точке М этой части взаимно однозначно.
Таким образом, если диаметры всех элементов E,) поверхности,
о которых была речь в предыдущем п°, достаточно малы, то их про-
проекции (Г,) на соответствующие касательные плоскости "представляют
собою вполне определенные плоские фигуры, ограниченные кусочно-
гладкими кривыми и заведомо квадрируемые: сумма 2 Tt имеет смысл.
Перейдем к доказательству. Пусть поверхность (S) задана
параметрическими уравнениями
х = х(и, v), у=у(и, v), z — z(u, v),	A)
где (и, г») изменяется в области (Д), ограниченной кусочно-гладким
контуром (Л), на плоскости иг». При этом пусть между точками (S)
и (А) установлено взаимно однозначное соответствие, и точкам кон-
контура (Л) отвечают точки контура (L) поверхности.
Для устранения некоторых трудностей, связанных с точками кон-
контура, удобно заранее распространить функции A) с сохранением
их дифференциальных свойств [261] на некоторую более широкую
область (А), с тем, чтобы получить гладкую же поверхность E), слу-
служащую как бы продолжением поверхности (S).
Каждую точку Мй поверхности (S) можно окружить таким кус-
куском (s) поверхности (S) [или (S), если речь о точке контура], чтобы
этот кусок выражался явным уравнением одного из трех типов
[228] и притом проектировался на соответствующую координатную
плоскость в некоторый круг. Можно предположить, сверх того,
что нормали в двухточках(е) никогда не оказываются
взаимно перпендикулярными (этого легко добиться умень-
уменьшением диаметра области). Тогда мы утверждаем, что кусок (s) по-
поверхности проектируется на касательную плоскость в любой
его точке М взаимно однозначно.
Для доказательства допустим противное. В таком случае найдутся
на (s) три точки Mi, Mit M3 такие, что хорда AfiAf8 будет парал-
параллельна нормали к поверхности в точке М3 (рис. 89). Пусть при
этом сама поверхность (s) выражается, скажем, явным уравнением вида
z=f(x,y),
где точка (х, у) на плоскости ху описывает круг (k). Проведем
через хорду М^М% плоскость, параллельную оси z; она пересечет
нашу поверхность (s) по некоторой дуге AfiAf2*. Как мы знаем [112,114],
* Здесь играет роль то обстоятельство, что отрезок М[М'г, в который
проектируется хорда MlMi на плоскость ху, целиком принадлежит кругу (ft).

626]
§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
253
Рис. 89.
на этой дуге найдется точка Mt, в которой касательная парал-
параллельна хорде. Но тогда нормаль к поверхности в точке Мь наверное,
будет перпендикулярна к этой хорде, а значит, и к нормали в точке М&
что противоречит допущению, и т. д.
Для того чтобы, опираясь на это,
доказать теперь высказанное вначале
утверждение, мы поступим так. Для
каждой точки М„ поверхности (S)
заменим упомянутую выше ее «окре-
«окрестность» (s) более узкой «окрестно-
«окрестностью» (s') так, чтобы контуры
их не имели общих точек.
Точке Мо и куску поверхности (s')
на плоскости uv отвечают точка /я0
и ее окрестность (8'); ничто не ме-
мешает не причислять к (sr) и (8') их
контуров, т. е. считать их откры-
открытыми. Применив к системе {(8')}
открытых областей, покрывающих
всю область (Д), лемму Б о р е л я
[175], мы выделим конечное по-
покрытие, а, возвращаясь к поверхности (S), отсюда уже легко по-
получить конечное число кусков
(s[), (sii)	(s'm),
в совокупности покрывающих всю поверхность (S). Наряду с ними рас-
рассмотрим и соответственные более широкие области, упомянутые вначале:
(Si), (S8), .... (Sm).
Возьмем для каждого I точную нижнюю границу расстояний точек
куска (si) от точек части (S) — (s,) поверхности и обозначим через •»)
наименьшее из этих чисел. Пусть диа-
диаметр части (У) нашей поверхности
меньше числа т|. Если какая-либо ее
точка попадает в некоторое опреде-
определенное (s't), то вся часть (У) цели-
целиком содержится в соответственном
(s;) и, следовательно, вместе с (s()
обладает требуемым свойством.
626. Существование площади
поверхности и ее вычисление. По-
Покажем, что при сделанных выше пред-
предположениях поверхность A) квадрируема, и установим удобную
формулу для вычисления ее площади.
Пусть (У) — какая-либо часть (У), обладающая тем свойством,
которое сформулировано в начале предыдущего п°, а М (х', /, г')—
Рис. 90.

254
ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[626
любая ее точка. Перенеся начало координат в эту точку, перейдем
к новой системе координат $•»?•. именно, за плоскость Ь-q возьмем ка-
касательную плоскость к поверхности в точке ЛГ, а за ось С — соот-
соответственную нормаль (рис. 90). Формулы преобразования координат
имеют вид:
I = (х — х') cos а( -\- (у —у') cos pt -f- (z — /) cos у„
Tj = [X — X') COS Яг -f- (y —_/) COS Pa + (Z — Z') COS f8,
С = (x — x") cos X' -\- (y —У) cos |x' -]- (z — /) cos v',
где а,, Pi, ..., v' означают углы между новыми и старыми коорди-
координатными осями, в соответствии с таблицей
С
X
ai
аз
X'
У
Р.
г
^l
Так как (S1) проектируется на плоскость 5т) в некоторую область
G") взаимно однозначно, а, с другой стороны, точки (S1) связаны
взаимно однозначным соответствием с точками некоторой части (А')
области (Д), то и между точками (Г) и (Д') имеет место такое же со-
соответствие. Оно осуществляется первыми двумя из формул преобразо-
преобразования, если под x,y,z разуметь функции A). Пользуясь выражением
площади в криволинейных координатах [605], имеем
Т=
Но якобиан
(V)
D(a, v)
du dv.
B)
D(a,v)
'u COS a, -\-y'a COS Pi -]- z'u COS "ft x'v COS <Х( -\-y'v COS P! -f- z'v COS
'a cos <Xj -)-^и' cos p2 -J- z'u cos fj лг^ cos aa -\-y'v cos p8 -j~ z'-o cos
есть определитель, отвечающий произведению матриц
Хх'и у'a z'u\ /COS ^ COS pt COS
г^ y'v z'vJ' \cosaa cosp2 cos

S 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
255
# по известной теореме алгебры равен сумме произведений соответ-
соответствующих определителей второго порядка
\Уа
COS
cos
COS f
COS -]f.
X'u Уи
zv л
cos at cos
cos a» cos
cos f i cos at
cos fa cos <ц
= A cos \' -\- В cos [/ -{- С cos v'.
|Лы воспользовались здесь тем, что алгебраические дополнения эле-
элементов определителя	i*l'
cos aj cos Bj cos f
cos a2 cos Bs cos f s = 1
COS У COS (i' COS
в точности равны самим элементам. Это следует, например, из того,
каждый из координатных ортов
(cos Да. cos Bs, cos fa). (cosX', cosja', cos v')
|cosa1; cos pt, cos
Представляет собой векторное произведение двух других [ср. 664 B)].
С другой стороны, если через А', В, С обозначить значения
определителей А, В, С в точке М, то
cos У =
cos v = -
COS (A = •
С
В'
(знак берется во всех случаях один и тот же). Поэтому
0F,1)
_ \АА' + ВВ'+СС'\
D(u, v)
Справа мы имеем непрерывную функцию четырех независимых
переменных и, v, и', я/ в области (Д)Х(Д)*- При и' = и, v' = v
йна обращается в
В отличается от эт,ого выражения на величину а = а(н, v, и', v'), ко-
которая ввиду равномерной непрерывности упомянутой функции,
лишь только расстояние точек (и, v) и (и1, v') достаточно мало, ста-
становится произвольно малой независимо от положения точки (и', v').
Тогда из B) получается
Г =
* Так мы обозначаем четырехмерную область точек (a, v, и', v'), для
*6юрых (и, v) и {и', v') по отдельности принадлежат двумерной области (Д).

256	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[624
где е' бесконечно мало одновременно с диаметром А или, если угодно
одновременно с диаметром S'. Применив этот результат к каждой ш
частей (S^ A=1, 2, ..., п), на которые мы разлагаем поверхносп
(S), мы придем к ряду равенств подобного же типа
здесь (Д() есть соответствующая (St) часть области (Д). Суммируем
i	(Л)
где величина
очевидно, будет бесконечно малой одновременно с X. Таким образом,
для V Tt при X -*¦ 0 действительно существует предел
i
D)
который по определению и есть площадь поверхности.
Если матрицу
(хи уи zu\
«возвести в квадрат» и составить определитель
и -\-у« + z'u* x'ux'v-\-y'uy'v + z'uz'v
'uy'v + Z'UZ'V	X
то по известной теореме алгебры он окажется равным именно Л2 -{-
-{-В*-{-С*. Обычно полагают
-{-г'а2 — Е, x'ux'v-\-yay'v-\-z'uz'v = F,
— это так называемые гауссовы коэффициенты поверхности, играю-
играющие важную роль в дифференциальной геометрии. В этих обозначениях
так что формула C) может быть написана и так:
S=\\ VeQ — P du dv.	C*)

9 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	257
Выражение
*d« dv == VeQ— Я du dv	D)
называют элементом площади в криволинейных координатах.
Мы ограничивались до сих пор случаем незамкнутой глад-
гладкой поверхности. Если поверхность не подходит под этот случай,
но разлагается на конечное число незамкнутых гладких кусков, то
ее площадью назовем сумму площадей отдельных кусков. При этом
легко показать^что так определенная площадь на деле не зависит
от того, как данная поверхность разложена на куски нужного типа.
Если вся данная поверхность характеризуется параметрическими урав-
уравнениями, то площадь ее в указанном общем случае по-прежнему вы-
выражается формулой C) или C*).
Остановимся в заключение на том простейшем частном случае,
когда поверхность (S) задается явным уравнением
z=f(x, у),
где (х, у) изменяется в области (D) на плоскости ху. Переменные
х и у играют роль параметров миг». Полагая, как обычно,
по матрице
1 0 р'
,0 1
составляем определители А — — р, В — — q, C=l, так что в рас-
рассматриваемом случае
\\ A + ?2 dx dy.	E)
Вспоминая, что для острого угла v нормали с осью z будет
COS V
можно написать формулу для площади и так:
<5">
Ф)
Наконец, если не требовать специально, чтобы угол v был острым, то
MS Ли
ф)
[Ср. формулу G) п° 644 для длины дуги кривой, заданной яв-
явным уравнением у =f{x).\
9 Г« М, Фнхтенгояьц, т. III

258
ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[627
627. Подход через вписанные многогранные поверхности. Хотя мы
и отказались от мысли положить в основу самого определения понятия
площади кривой поверхности вписанные в нее многогранные поверхности, но
сейчас мы вернемся к этому и покажем, по крайней мере, как можно строить
вписанные многогранные поверхноети, площади которых заведомо стремятся
к площади данной кривой поверхности.
Мы займемся, в основном, случаем, когда область (Д) представляет собой
прямоугольник со сторонами, параллельными координатным осям.
Выберем определенную сторону поверхности (S) и тем самым устано-
установим положительное направление обхода ее контура. Можно считать, что это
направление соответствует положительному обхо-
обходу контура прямоугольника (Д). Мы знаем [621],
что при этих условиях направляющие косинусы
нормали к поверхности задаются формулами
A
cosX =
COS|A =
В
б)
Рис. 91.
х
с положительным значением радикала.
Разложим теперь прямоугольник (Д) с помощью
параллелей его сторонам на частичные прямоуголь-
прямоугольники, а затем каждый из них диагональю разложим
еще на два прямоугольных треугольника (рис. 91, в).
Таким образом мы осуществим триангуляцию
области (Д). Пусть одним из элементарных тре-
треугольников будет Д т^т^^ с вершинами в точках
Щ (цо> po)i mi (цо + А, »0), т8 (ио> 1>о + *)»
где А и ft — числа одного знака. На поверхности
(S) им отвечают точки
Мо (дг0, у0, z0), Mt (xu
(x2,
определяющие в пространстве некоторый ДМДМ, (рис. 91, б). Из всех
таких треугольников составится многогранная поверхность (?), вписанная в (S);
ее мы и будем рассматривать. Если обход контура каждого такого треуголь-
треугольника производить именно в направлении МоЛ^А^Л},,, что отвечает положитель-
положительному обходу контура треугольника Д Шо/л^г, то этим определится сторона
многогранной поверхности (?), в согласии с условиями, установленными в п° 622.
Если Д M0MjM2 спроектировать на плоскость ху, то получится ДЛУ^Л^
с вершинами в точках
о, 3\>). Mt (xlt
(xit
Площадь этого последнего треугольника по величине и по знаку (с учетом
его ориентации!) выразится, как известно из аналитической геометрии, опре-
определителем	, „ „
„ 	 * xi — *о Л —>
°Жу 	"о" г 	 „ ,, 	,
? Хг Хо уа у
По формуле конечных приращений
, ve)-h —

в28)	§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	259
где величина st произвольно мала вместе с Л, независимо от поло-
положения точки («0, »0)*• Точно так же
xt—x0 = (x'v-\-*t)-k, У,—3>0 = (y; + e4)-*,
где все производные вычислены при u = «0, v = v0, а буквой е со значками
здесь (и впредь) обозначаются величины, произвольно малые вместе с Л и к,
независимо от положения точки (и„, v0). Теперь величина аХу
может быть переписана в виде
1	и I i sal *	I
"xy =~2
F)
где 5 есть площадь Д ffloffliffls. Аналогично получим и для проекций на дру-
другие координатные плоскости:
«,* = (Л+ «.)•>. «** = (В + «7)-».	Fа)
Площадь а самого &MtMtMt вычислится теперь по формуле
а — л/а* _1_ aa i аа
о — у аху -р а^г -f- агх,
и для нее легко получить выражение
+ еЛ-».	G)
Нетрудно сообразить, что отношения
выразят направляющие косинусы нормали к плоскости треугольника /^лгл
в соответствии с его ориентацией. Ввиду F), Fа) и G), они
при h и k—*0 стремятся к направляющим косинусам E) нормали к поверх-
поверхности, и притом равномерно для всех граней. Очевидно также,
что при указанном предельном переходе и диаметры всех граней по-
поверхности (S) равномерно стремятся к нулю, что и требо-
требовалось доказать.
Наконец, суммируя равенства вида G), легко усмотреть, что площадь
многогранной поверхности (?)
при h и к—-0 стремится именно к площади C) кривой поверхности.
Эти построения естественно распространяются на случай, когда область
(Д) составлена из прямоугольников. Триангуляция же произвольной области
потребовала бы довольно кропотливых (хотя и вполне элементарных) сообра-
соображений; на этом мы останавливаться не будем.
628. Особые случаи определения площади. Пусть снова задана глад-
гладкая поверхность без кратных точек. Она имеет площадь (S),* выражаемую
формулой C) или C*). Представим себе, что на поверхности (S) выделена не-
некоторая ее часть (s), ограниченная кусочно-гладкой кривой (/); ей в области
* Мы испольвуем здесь равномерную непрерывность производной х'и.
Аналогичные соображения приложимы и в дальнейшем.
в*

260	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1629
(Д) отвечает часть ее (В), ограниченная также кусочно-гладкой кривой (X).
Площадь части (S') поверхности, полученной выделением фигуры (s), и пло-
площадь самой фигуры (s), очевидно, будут равны, соответственно,
S' = $ $ VEG—F2du dv, s = $ $ YEG—F*du dv.
(A)-(8)	(«)
Если фигура (s) на поверхности будет теперь стягиваться в точку
или в линию, то это же будет происходить и с плоской фигурой (Ь), и
площадь ее Ь будет стремиться к нулю. С нею будет стремиться к нулю и s,
так что
lim S' = S.	(8)
Представим себе теперь, что та же поверхность задана иным представ-
представлением:
х = х* (и*, v*), у=у* (и*, »*), z = z* (и*, »*),
при котором в отдельной точке или вдоль отдельной линии появляется «осо-
«особенность» (в частности, обращаются в бесконечность производные фигурирую-
фигурирующих в этом представлении функций). Выделив эту точку или линию с помощью
ее окрестности (s), площадь (S') остающейся части выразим, как обычно:
S'= \\ Ye*G* — F*2 du*dv*,
(А»)-(«*)
если звездочкой отмечать все величины, относящиеся ко второму представле-
представлению. Но мы уже знаем [см. (8)], что — при стягивании (s) в упомянутую точку
или линию — S' должна стремиться к S; следовательно, для получения S мы
можем перейти к пределу в предшествующей формуле, стягивая в точку или
в линию область В*. Но тогда снова получится формула обычного вида
(Л*)
лишь интеграл может оказаться несобственным.
Даже в том случае, когда поверхность (S), вообще гладкая, имеет в от-
отдельной точке или вдоль отдельной линии неустранимую, т. ё. не зави-
зависящую от способа ее представления, особенность, мы все же будем пользо-'
ваться интегралом C*), если только он существует, хотя бы как несобствен-
несобственный, для выражения ее площади. Ясно, что при этом мы площадь S на деле
определяем, как предел площади S', т. е. равенство (8), которое мы выше
доказывали, здесь служит просто расширением нашего первоначального
определения.
629. Примеры. 1) Найти площадь участка поверхности, вырезаемого:
а) цилиндром x*-\-y3 — R3 (x, у>0) из гиперболического параболоида
z = xy;
(б)	цилиндром -у 4-тз- = с2 из эллиптического параболоида г = ^—Н тг",
(в)	цилиндром (х*-{-у3)* =2а2ху из гиперболического параболоида
ху = az;
(г)	цилиндром лг8+_у2 = ра из сферы х*-{-ys-\-z2 — R* (р <#).
(а) Решение. Имеем р=у, q = x, так что по формуле E)
dx dy.

йй)|	§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	26'
Переходя к полярным координатам, найдем
(б)	Указание. Воспользоваться обобщенными полярными коорди-
координатами.
п
Ответ: S = 4г * °Ь [A + с2)8/а — 1].
о
(в)	УКс а з а н и е. Перейти к полярным координатам. Уравнение направ-
направляющей йлиндра в полярных координатах будет r2 = a2 sin 29. Получим
~	2
S =± а' \ [A + sin 26J — 1] rf9.
Подстановка в
= -j- -f- *• f— -j-
л	c 2 . /10
Ответ. S^a'^-
(г) Ответ. S = ^
2) Найти площадь частей сферы х3 -f-_уа -\- г2 = R3, вырезанных из нее
цилиндром xs4-y2==Rx (верхнего и нижнего оснований «тела Вивиани»,
см. 597, 20), рис. 48).
Решение. Имеем для верхнего основания
х_
z '
R
и, следовательно,
причем областью интегрирования служит круг, ограниченный окружностью
х' +у — Rx.
Переходя к полярным координатам, получим [ср. 611, 6)]:
rdr
Выполняя интегрирование, окончательно найдем S = 4^2I-k—1).
Так как площадь поверхности полусферы равна 2nRs, то площадь той
части полусферы, которая остается по выделении «тела Вивиани», будет
равна 4R* и, следовательно, выражается через радиус R без привлечения
каких-либо иррациональностей; ср. в связи с этим замечание, сделанное
в о* 997, 20) по поводу формулы для объема «тела Вивиани>.

262	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F29
Замечание. Конечно, можно было бы и не заменять интеграл по про-
промежутку—=-^ 8 ^:-~-удвоенным интегралом по промежутку О^в^-к-.
Но, вычисляя сразу интеграл от	«-до -к-, нужно помнить, что выра-
выражение внутреннего интеграла
Л cos б
rdr
= R cos 9
7C
нам придется писать в одном виде: /?A—sin в) для Огггвгг:-^-, и в другом:
R(\ + sinfl) для—s-s?fls?0 (ибо радикал всегда положителен, а синус
имеет в одном случае знак плюс, а в другом знак минус). Не приняв этого
во внимание, получили бы неправильный результат.
3) Найти площадь: (а) части поверхности конуса у3 -\-zi=xi, лежащей
внутри цилиндра х* -+- у3 = /?2; (б) части поверхности конуса z2 = 2ху (х,у^0),
заключенной между плоскостями х = а и у = Ь; (в) части той же повеохности,
лежащей внутри сферы х*-\-у3-\-г* = а*.
(в) Пересечение поверхностей лежит в плоскостях х -\-у = ±.а. Далее,
= 4/2" { Vxdx
4) Доказать, что площадь S любой фигуры, лежащей на одной (скажем
верхней) полости конуса вращения
пропорциональна площади ее проекции на плоскость ху.
с
Указание. Исходить из явного уравнения z = —ух*-{-у* и вос-
воспользоваться формулой E).
5) Дана поверхность z = arcsin(sh;tsh_y); найти площадь ее части, со-
содержащейся между плоскостями х=а и x = b@<a<.b).

629]
§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
263
Решение. Имеем
ch х sh у
/T=l
	 sh x ch у
ch x ch у
Область интегрирования определяется условиями
под
Сделаем подстановку sh;e = S, shy = -n; тогда для новых переменных проме-
промежутками изменения будут
sh ft,	т-
Таким образом,
sh»
sh»
Ja
- = ¦* In
shb
she *
6) Найти площадь поверхности цилиндра хг -\-у* = Rx, заключенной
внутри сферы х*-\-у*-\-z2 = R* (боковую поверхность «тела В и в и а н и>).
Решение. Уравнение передней части поверхности у—Удх—хг.
Область изменения независимых переменных (х, г) ограничена осью г и
параболой г=УRs —Rx. Так как
то
dz dx
Рис. 92.
Ух ~ - ¦
[Ср. 347, 4).]
7) Найти площадь боковой поверхности ко-
конуса высоты с, основанием которого служит
эллипс с полуосями а и Ь (а > Ь)\ высота проходит через центр основания.
Решение. Если начало координат взять в вершине конуса и плоскость
ху провести параллельно основанию (рис. 92), то уравнение поверхности
вудет
г = <

264	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[629
и искомая площадь
где (?) есть эллипс
и для краткости положено
а ' р	&
Переходя к обобщенным полярным координатам, получим
S = 2ab \ Y a2 cos2fl + p2 sin2 в db.
Результат легко приводится к полному эллиптическому интегралу второго рода:
a2 —ft2
8) Найти площадь поверхности, образованной вращением кривой у =f(x)
вокруг оси x(a^x^b, f(x)^0).
Решение. Нетрудно сообразить, что уравнение поверхности вращения
будет
/ + 8 [/()]2
а уравнение верхней половины ее
Отсюда
f(x)f(x)	_ — у
qf{x)
Таким образом, искомая площадь выражается интегралом
где область (D) на плоскости ху ограничена линиями лг = а, x = b, y—f(x)
и у = — f(x).
Переходя к повторному интегралу, найдем
dx
С	dy

6291	8 2. площадь кривой поверхности	265
и так как внутренний интеграл равен я, то получается уже известная нам
формула [344, B2)]:
ь
Yl + [f (x)]2 dx.
Как читатель, вероятно, и сам заметил, в задачах 2) — 8) мы все время
имели дело с теми особыми случаями вычисления площадей, о которых была
речь в п" 628.
9) Решить задачу 2), используя параметрическое представление сфери-
сферической поверхности через сферические координаты:
х = R sin <p cos 6, y = R sin cp sin 6, z = R cos cp
0 s? 9
По матрице производных
R cos <p cos 9 R cos cp sin 6 — R sin cp\
- R sin cp sin 8 R sin <p cos 6	0 /
легко найти гауссовы коэффициенты сферы:
E = Ra, F=0, G = #2sin2cp, так что У EG— Fa = /?s sin cp.
Ограничимся рассмотрением четверти изучаемой поверхности, лежащей
в первом октанте. Для точек <кривой В и в и а н и>, т. е. кривой пересечения
сферы и цилиндра (в пределах первого октанта), будет <р-|-6 = —.
Действительно, подставляя выражения х и у через <р и 6 в уравнение
цилиндра х2 -{- у2 = Rx, получим sin<p = cos9, и так как для рассматриваемых
точек, очевидно, 0^6^-=- и 0 =?! ср ^= ""о" i To отсюда и следует, что
Установив, на основании сказанного, пределы изменения параметров
и в, получим по формуле C*)
JL ^	в
2	2
9 i sin 9 rf<p = 4
0
Как видим, мы пришли к известному уже результату, избежав на этот
раз разрывов подинтегральной функции.
10) Рассмотрим так называемую общую винтовую поверхность [229, 5I,
которая описывается кривою
дс=<р(и), г = ф(и), [<р(иM=0]
(расположенной в плоскости хг) при винтовом движении ее вокруг оси г
и вдоль оси г. Уравнения ее (если угол поворота обозначить через v) будут:
х = ср («) cos v, y = <f(u)sinv, z = ф (и) + cv.
По матрице производных
/ <р' (a) cos» ?' («) sin v 4*' (")'
\— tp (и) sin v <p' (м) cos о с
составляем гауссовы коэффициенты поверхности:
?=[?'(и)]8+№'(«)]', ^=сф'(«), 0

266	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1629
Таким образом, выражение
VEG-F* = У{1? («)]* + с2) {[<?' («)]2 + W (и))*} -с> W (и)]'
оказывается зависящим только от к, что, вообще говоря, упрощает вычисления.
11) Воспользоваться этими результатами для определения площади части
(а)	обыкновенной винтовой поверхности
х = и cos v, y = usinv, z = cv, .
вырезанной из нее цилиндром jc*-{-у2 = а8 и плоскостями z = 0 и г = 2ле
(так что 0=^г»г?2я);
(б)	винтовой поверхности
x-tg.ca.,, y=t
отвечающей изменению параметров в прямоугольнике
O=sS«=sS-^-,
4 '
(а) Р е ш е н и е. В данном случае
У EG— F2
так что
g
(б) Ответ. S = -^-n.
12) Если в задаче о винтовом движении кривой положить с = 0, так что
поступательное движение отсутствует, то получится поверхность вращения:
x = <?(u)cosv, y = <?(и)sinv, z = ф(и)
Тогда
К EG- F* = ? (и) /[<?' (и)]2 +
и площадь этой поверхности выразится формулой
S = 2* J f («) К If («I2 + №' («)J2 rf».
a
Эта формула обобщает результат задачи 8), но не потребовала введения
несобственных интегралов. [Ср. 344, B1).]
13)	Оправдать выведенную в 346 [B5)] формулу для площади части
цилиндрической пэверхности, исходя из• общей формулы C*).
14)	Иногда бывает удобно задавать поверхность в полярных или сфери-
сферических координатах г, о, <р, которые с обыкновенными прямоугольными коор-
координатами связаны известными формулами:
х = г sin <p cos 6, y = r sin<psin8, z = rcos!p
(rS=0, 0<<р^я> 0s?8s?2n).
При этом предполагается, что полярный радиус-вектор г задан в виде функ-*
ции от углов <р и 6:	г = /¦(?, в)
(полярное уравнение поверхности). Найти выражение площади кривой по-
поверхности для этого случая.

629]
8 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
267
Решение. Можно воспользоваться общим выражением C*), но лишь
в качестве параметров взять <р и 9. Написанные выше формулы как раз и
дают параметрическое представление поверхности, если мыслить, что вместо
г подставлено его выражение через ср и в из полярного уравнения поверхности.
По матрице производных
-g— sin 9 + r cos cp I cos в (-*— sintp + rcoscpj sin 6 -^—coscp — rsin<p>
(-^2-cos 8— r sin?] sin <p l-^г sine-)- г cos 9 j sin <p -^g-cos<p
легко составить
Таким образом, окончательно имеем
(9)
где (Д) есть область изменения аргументов <р, в.
Элемент площади в сферических координатах будет таков:
15) Вычислить площадь поверхности
Решение. Здесь как раз удобно использовать формулу (9). Полярное
уравнение поверхности:	г
г — a sin <р ]^sin28.
Тогда
и по формуле (9) получим
sin8 <p rftp йГв =-i-jcV.
16) Рассмотрим сферическую поверхность
Рис. 93.
радиуса R, касающуюся в начале координат
плоскости ху. Требуется найти площадь ее части, содержащейся внутри
конуса 2s = Ах2 -(- Вуа, с вершиной в начале (рис. 93).

268	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[629
Решение. Воспользуемся и здесь формулой (9), исходя из полярного
уравнения сферы: г = 2R cos tp. Имеем
S = [[ 4R* sin <[> cos <p Ар db,
где область (Д) интегрирования по tp и в ограничена кривою
(A cos2 6 -f В sin2 8) sin2<p = cos2<p.
Если свести дело к определению площади той части поверхности, которая
лежит в первом октанте, то при любом в между 0 и -^- угол ер изменяется
от 0 до угла <р„ = ср0 (в), для которого
tg2?0= A cos2 в + В sin2 в '
Очевидно,
¦к
" П
S = 16/?2 \ db\ sin <[> cos «f da.
i
Ho
и окончательно
Л (Л + 1) cos2
о
Любопытно, что эта площадь совпадает с площадью эллипса, имеющего
полуосями хорды DC и ЕС (см. рисунок).
17) Доказать, что площадь поверхности
(х* +уа + г2J = а2А:а + РУ + fz*
совпадает с площадью поверхности эллипсоида
**2	л|2	92
если взять
Доказательство. В сферических координатах уравнение поверх-
поверхности:
г2 = a2 sin2 <p cos2 6 + р3 sin2 <p sin2 в + f cos2 <p,
и по формуле (9) площадь ее равна
л те
Т2
sinf ? + f cos2 ? sin ? rf? de«

629].	§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	269
С другой стороны, если исходить из обычного параметрического пред-
представления эллипсоида:
х = a sin о cos 9, у = Ъ sin 9 sin 9, г = с cos 9
я; 0 < 6 <2ti),
то определители матрицы производных окажутся равными
A = cb sin2 9 cos 9, В = ас sin2<p sin 6, С = ab sin 9 cos 9,
и по формуле C) площадь поверхности эллипсоида выразится так:
тт
S = 8 \ \ У (c2bs cos2 в 4- c*a2 sin2 9) sin2 9 + <*2*2 cos2 9 sin 9 d<? db.
Мы видим, что выражения для Si и S действительно отождествляются,
если положить
или
что и требовалось доказать.
18) Определим теперь площадь поверхности трехосного эллипсоида:
4 + -F- + -J=1
Переписав для первого октанта уравнение поверхности в явном виде:
будем иметь:
= — с
л:	у
"в2"	"F"
9 = "
так что
1 а2
Положим для краткости
г2
в2 ~" '	б2 ~Pl
?огда искомая площадь выразится, по формуле E), интегралом
1/	^ ^
J r	l a2 ~ Ь*

270	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1629
Путем подстановки — = 5, -•?-== ц преобразуем его к виду:
Желая использовать здесь формулу преобразования двойного интеграла,
принадлежащую Каталану [см. 597, 15) и 617, 16)], заметим, что кривая
есть не что иное, как эллипс
„2_а2
так что четверть его площади
с с
4
Тогда, по формуле Каталана,
оо
i ud
Займемся преобразованием этого эллиптического интеграла.
Прежде всего проинтегрируем по частям *:
+ ОО
? л	«2 —
у (Bi_ei)(B«-p*)
и(ма—1)	f	(м8—l)t?«
(И8 — а2) (И8 — ps)
Затем выполним подстановку
а	а COS ф ,
и==—.	, du =	^-j-i- rf<p,
sin <p '	sin8 <p T
изменяя <р'от (x:=arcsin а до 0. Тогда, с одной стороны,
и (и8 — 1) 		а8 — sin8 <р
— а8)(и8 — pa) asnKpcostpV 1—ft8sin8<p'
+ 00
* Заметим, что здесь ни двойная подстановка от внеинтег'рального чле-
члена, ни определенный интеграл от 1 до -f-со в отдельности не имеют
смысла. Налицо, при и = -\-со, неопределенность вида оо — col

629]	§ 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	271
й
если положить ? = -i—(?<1). С другой же,
а
sin2?	/a2 —P2sin8?'/ '
/ V" 1 — ft2 sin2 <p 1—P8	1
— ft -L	L. —
Sin2
Sin* ?	a |/ l—ft8sin2cp
так что интеграл под знаком двойной подстановки представится в виде
rfcp,
в f /l-fc2sin2?	1 —Ps С
J	Sin2cp	?	a J
Интегрируя в первом члене по частям, последовательно преобразуем
это выражение так:
-actg<f • ГТ=
1 f I — ft2a8sin2tp ,	. п/~.	.; , ,
	\ —	—*— d<p = — a ctg <р • у 1 — я2 sin2 tp
a J / 1 — k> sin2 <p
-1=^C	'?	 -a С /-ГГ/?
a J / l—Л8 sin2?	J
Затем объединяем оба внеинтегральных члена:
a2 — sin2
	а ctg <p • Y 1
a sin <p cos <p Y t —
_ (a2 -f p8 cos8 ч — 1) sin 9
Двойная подстановка по <р от n = arcsina до 0 дает для этого выражения
такой результат: ]^A — <*а)A—р2). Учитывая двойную подстановку и для
интегралов, окончательно получим формулу
=2w + ^L=
]/es — с2
данную впервые Лежандром. Здесь-
и. = arcsin
6 j/e2__ca
19) Г а у с с ввел для поверхностей понятие полной кривизны в данной
точке, совершенно аналогичное понятию кривизны для плоских кривых [250].
* Этим мы, наконец, уничтожаем ту неопределенность прн <р = 0, кото-
рая отмечалась выше.

272	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[629
Пусть дана поверхность и на ней точка. Возьмем любую часть (S) поверх-
поверхности, окружающую эту точку, и рассмотрим всю совокупность нормалей
в различных точках (S). Описав вокруг начала сферу радиусом единица, ста-
станем проводить из начала лучи, параллельные упомянутым нормалям; они выре-
вырежут на поверхности сферы некоторую ее часть (?). Площадь ее ? есть мера
телесного угла, заполненного всеми проведенными лучами; это — аналог угла <¦>,
v
о котором была речь в определении, данном в п° 250. Предел отношения -=-
о
при стягивании (S) в данную точку и называется полной кривиз-
кривизной поверхности в этой точке. Поставим себе задачей вычислить его.
Предположим, что поверхность задана уравнением
*=/(х,у),
причем функция / имеет непрерывные производные первого и второго по-
рядков	^df ^df ^d2f ^ d2f	д2/
р~дх> q~dy> г~дх*> s~dxdy~> д?
и, кроме того, определитель
D(x,y)-~
отличен от нуля (в рассматриваемой точке и вблизи нее).
По формуле фб) имеем
dxdy	С ? dx'dy'
ф)
COSV '
0	Ю")
где (D) — проекция (S), а (С) — проекция (?) на плоскость ху, угол же v
для соответствующих точек (лг,у, г) и (л:', у', z') обеих поверх-
поверхностей один и тот же.
Преобразуем второй интеграл к переменным х, у. Так как, очевидно,
г' = cos v =
то
D(x',y')_	I
D(p, q)~~
Если учесть еще A0), то окончательно получим
?>(*',/)	rt — s*
D{x, у) A+р2 + 92J *
В таком случае по формуле замены переменных:
\rt — s*\ dxdy
I'll
d+P + 9) I cos v |
Дифференцируя как S, так и ? по области (D) [593], легко получить
теперь, что	„	\rt — s*\
lira -§- = - [Н S '
Это и есть искомое выражение для полной кривизны.

S 2. ПЛОЩАДЬ КРИВОЙ ПОВЕРХНОСТИ	273
20) Формула E6) может быть весьма просто получена, если исходить —
для случая явного задания поверхности (S) — из другого определения площади
кривой поверхности.
Разложим поверхность (S) на части (Si) (i = l, 2, ..., л); в соответствии
с этим ее проекция (D) на плоскость ху разложится на части (Di). В неко-
некоторой точке (Mj) площадки (S,) проведем к поверхности касательную пло-
плоскость и спроектируем площадку (Si) на эту плоскость параллельно
о с и z. Обозначая через 7j площадь полученной плоской фигуры, очевидно,
будем иметь
DT
если v,- есть угол нормали к поверхности в точке Mi с осью z. Если под
площадью S поверхности разуметь предел суммы площадей именно этих
плоских фигур, то сразу придем к результату
Ui	Li | COS Ч{\ J
поскольку написанная сумма явно представляет собой интегральную сумму
для последнего интеграла.
Подчеркнем, что измененное определение площади кривой поверхности, хотя
и весьма просто приводит здесь к окончательной формуле, имеет существен-
существенный недостаток: оно формально связано с выбором координатного триедра
(проектирование параллельно оси z\) и приложимо лишь к частному типу
поверхностей.
21) Пусть от параметрического задания
х = х(и, v), y=y(u, v), г = г(и, v) ((и, v) из (Д))
гладкой поверхности (S) с помощью формул *
« = ?/(«*, v% v=V(u*, о*) ((м*, о*) из (Д*))
мы переходим к другому ее представлению
х — х*(и*, V*), у=у* (и*, v*), г = г*(«*, о*),
в котором она также не имеет особенностей. Легко показать непосред-
непосредственно, что формула C) для площади (S) поверхности преобразуется при
этом в аналогичную же формулу
S= [[ /л*2 + Я*2 + С*2 du* dv*
(все величины, относящиеся к новому представлению, мы отмечаем звездоч-
звездочками).
Действительно, полагая
D(u,v)
D(u*,v*y
имеем по известному свойству функциональных определителей
А*—А1, В* — В1, С*=С1.
* Функции U и V предполагаются непрерывными вместе со своими част*
иыми производными.

274	ГЛ. XVH. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[63Э
Отсюда, между прочим, ясно, что / в (Д*) отлично от нуля, ибо иначе поверх-
поверхность в новом представлении имела бы особенности. Теперь по формуле замены
переменных сразу получаем
[ {VA2 + B2 + Cidudv= i {
(Д)	(Д.)
С I»
; da* dv*,
(Д.)
что и требовалось доказать.
§ 3. Поверхностные интегралы первого типа
630. Определение поверхностного интеграла первого типа.
Поверхностные интегралы первого типа представляют собой такое
же естественное обобщение двойных интегралов, каким криволиней-
криволинейные интегралы первого типа являются по отношению к простым
определенным интегралам.
Строится это обобщение так. Пусть в точках некоторой двусто-
двусторонней гладкой (или кусочно-гладкой) поверхности (S), ограниченной
кусочно-гладким контуром, определена функция f(M)=f(x, у, z).
Разобьем поверхность (S) с помощью сети произвольно проведенных
кусочно-гладких кривых на части (Si), ES), ... , (Sn). Взяв в каждой
части (SJ) A = 1, % ... , я) по произволу точку Mi(Xi, yit zt), вычи-
вычислим в этой точке значение функции
f(Mi)=f(xi,yi, z{)
и, умножив его на площадь St соответствующей части поверхности,
составим сумму всех таких произведений:
л
= 2 f(xt, yt, z,)S,
которую мы будем называть — по сходству со многими ранее рассмот-
рассмотренными суммами — интегральной суммой.
Конечный предел этой интегральной суммы при стремлении диа-
диаметров всех частей (S{) к нулю называется поверхностным
интегралом первого типа* от функции f(M)=f(x,y, г)
по поверхности (S) и обозначается символом
I=\\f{M)dS=\\f(x, у, z)dS,	A)
(S)	(S)
где dS напоминает об элементарных площадях &,-.
* В отличие от поверхностных интегралов второго типа, рассматриваемых
ниже [634].

6311	§ 3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	275
631. Сведение к обыкновенному двойному интегралу. Ограни-
Ограничимся случаем простой незамкнутой гладкой поверхности (S) без
кратных точек.
Какова бы ни была функция f(x, у, z), определенная в точках
поверхности (S) и ограниченная:
\f(x,y,z)\^L,	B)
имеет место равенство
= $ $ / {х (и, v), у (и, v), z (и, v)) VEO — F*dudv C)
(Д)
в предположении существования одного из этих интегралов (что вле-
влечет за собой и существование другого).
Таким образом, для сведения поверхностного интеграла первого
типа к обыкновенному двойному нужно лишь заменить коорди-
координаты х, у, z их выражениями через параметры, а элемент пло-
площади dS—его выражением в криволинейных координатах.
Обратимся к доказательству высказанного утверждения.
Как уже отмечалось, разложению поверхности (S) на части с по-
помощью кусочно-гладких кривых отвечает подобное же разложение
области (Д), и обратно. Точно так же, если к нулю стремятся диа-
диаметры частей E), то это справедливо и по отношению к диаметрам
частей (Д), и обратно.
Разложим же соответственным образом поверхность (S) на части
(Si), Eа), .... EJ, а область (Д) на части (Д,), (Да), • • • , (Дя) и вы-
выберем в каждой части E,-) по точке (xit yit zt), а в части (Д,) — по
точке (и,-, vt), которые также отвечали бы одна другой, так что
Vi), yt=y(Ui, Vj, Zi = Z(Ui, V{).	D)
Составим теперь интегральную сумму для интеграла A):
У*
1=1
По общей формуле C*) п° 626 будет
Применив же теорему о среднем, получим
v=v.
где (и„ vt) есть некоторая точка области (Д,).

276	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[631
С помощью этого выражения для 5,- и вспоминая D), мы можем
переписать сумму о так:
f]a-Z ,.
4=1	—
» = ».
i
В этом виде она напоминает интегральную сумму для второго из
интегралов C):
Различие между суммами о и о* заключается в том, что в последней
и сложная функция/(...) и корень У... всякий раз вычисляются
для одной и той же (произвольно взятой) точки {tii, vi)> а в пеР"
вой — функция /(...) берется в точке (и,-, vt), а выражение У...
в точке (iii, vi) (которая называется теоремой о среднем и не
произвольна).
Рассмотрим разность между обеими суммами:
.)f[
I	j
Пусть е]]>0 — произвольно малое число. В силу (равномерной) не-
непрерывности функции YEQ—Р, при достаточно малых диаметрах
областей (Д,) будет
Учитывая B), легко приходим к оценке
|а-о*|<б1Д,
так что
lim (о — о*) = 0.
Отсюда ясно, что из существования предела для одной из этих
сумм следует существование равного ему предела и для другой.
Этим и доказано наше утверждение.
В частности, двойной интеграл справа в C), а значит и поверх-
поверхностный интеграл слева, существует в предположении непрерывности
функции f(x, у, z) вдоль поверхности (S).
Если поверхность (S) задана явным уравнением:
г = г(х, у),
то формула C) принимает вид
j $/(*> У, z) dS= I \f{x, у, z (х, у))У\-\-р* + ЧЫх dy, E)
(S)	(D)
где (D) означает проекцию поверхности E) на плоскость ху.

632J	§ 3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	277
Так как "jA +/?8 + <?s =-i	г (где v, как обычно, есть угол
между нормалью к поверхности и осью z), то формулу E) можно
написать и так:
\ \ f{x, у, z) dS=\ \ f{x, у, z ix, у)) -^-.	E*)
№	(О)
Мы предполагали до сих пор поверхность (S), на которую был
распространен интеграл, гладкой и незамкнутой. Наши результаты
легко распространяются и на случай кусочно-гладкой поверх-
поверхности, как незамкнутой, так и замкнутой.
632. Механические приложения поверхностных интегралов первого
типа. 1°. С помощью названных интегралов можно определять массы, моменты,
координаты центров тяжести и т. п. величины для материальных поверх-
поверхностей, вдоль которых распределены массы с определенной в каждой точке
поверхностной плотностью.
Так как здесь нет ничего нового по сравнению со случаем плоского рас-
распределения масс, рассмотренным выше, то мы остановимся на этих вопросах
только в упражнениях.
2°. Притяжение простого слоя. Поверхностные интегралы первого типа
естественно входят в рассмотрение при изучении притяжения масс, распреде-
распределенных на поверхности.
Пусть по поверхности (S) непрерывным образом распределены массы с
¦заданной в каждой точке М (х, у, z) поверхности плотностью р (М) = р (х,у, г)*.
Пусть, далее, в точке А E, -ц, С) (вне поверхности) находится единица^ массы.
Требуется определить, с какой по величине и по направлению силой F притя-
притягивается точка А поверхностью (S), если в основу положен ньютонов закон
притяжения (закон всемирного тяготения).
Если бы точка А притягивалась одной лишь материальной точкой
М (х, у, г) с сосредоточенной в ней массой т, то величина силы притяжения
была бы равна
F 4L**
где г есть расстояние AM, т. е.
г=Y(X-^ + (y-nr + (z-t:y.	(б)
Так как эта сила направлена от А к М, то ее направляющие косинусы
будут
х — S у — т) г — С
г ' г ' г
и, следовательно, проекции силы притяжения ~F на оси координат выразятся
так:
Fx = m^, Fy = m^, F, = mz-^.	G)
• В этом случае говорят о простом слое (в отличие от двойного слоя,
который мы не рассматриваем).
*• Как обычно, спостоянную тяготения>, т. е. множитель пропорциональ-
пропорциональности в формуле Ньютона (зависящий от выбора единиц), мы заменяем
единицей, чтобы упростить запись.

278	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[632
В случае системы притягивающих материальных точек эти выражения
заменились бы суммами подобных выражений; наконец, при непрерывном рас-
распределении масс по поверхности появятся вместо сумм интегралы.
Применяя обычный прием изложения, можно было бы рассмотреть эле-
элемент dS поверхности с массой р dS, как бы сосредоточенной в одной из его
точек М (х, у, г). Оказываемое им на точку А притяжение будет иметь про-
проекции на оси [ср. G)]:
где г означает расстояние AM, выражаемое формулой F). Теперь остается
лишь €просуммировать> эти выражения, что приведет к следующим формулам
для проекций силы F притяжения простого слоя на осн:
\\	JJ^	^^ (8)
(Sj	(S)
Этим сила F определена полностью как по величине, так и по направ-
направлению.
Если бы притягиваемая точка А и сама лежала на поверхности (S), то
проекции притяжения на оси по-прежнему выражались бы интегралами (8), но
на этот раз интегралы эти были бы несобственными, поскольку вблизи
точки А подинтегральные функции все перестают быть ограниченными.
3°. Потенциал простого слоя. В случае одной притягивающей точки
М (х, у, г), как мы видели, проекции притягивающей силы на оси имеют
выражения G). Легко усмотреть, что эти проекции являются частными произ-
производными по ?, 1) и С от функции
которая называется ньютоновским потенциалом на точку А поля точки М.
[Ср. 566, 1).]
В случае поля, созданного системой материальных точек, потенциал выра-
выразился бы суммой дробей этого вида, причем производные потенциала по 5, i), С
по-прежнему давали бы проекции силы притяжения на оси.
Отсюда естественно приходим к такому выражению для потенциала
простого слоя, расположенного по поверхности (S), с плотностью р, на
точку А:
Возникает лишь вопрос, сохраняется ли для этого потенциала фундамен-
фундаментальное свойство:
dW_	dW_	dW_p	т
где Fx, Fy, Fz суть проекции силы F притяжения простого слоя на оси и
определяются формулами (8).
Если точка А не лежит на поверхности, так что никаких нарушений
непрерывности нет, то легко показать, что к интегралу (9) при дифференци-
дифференцировании его по I, 1) или С применимо правило Лейбница (для этого пона-
понадобилось бы лишь повторение уже знакомых нам рассуждений). Таким путем
оправдываются и для рассматриваемого случая распределения масс соотно-
соотношения A0).

633J	§ 3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	279
633. Примеры. 1) Вычислить поверхностные интегралы:
(а)	/,=
(б)	/,=
'•i'f—i
•У (*'+/ +г8J
распространенные на поверхность (S) эллипсоида:
Решение, (а) Если воспользоваться представлением эллипсоида:
х = a sin <p cos в, _у = & sin cp sin в, 2 = ccosip
то [629, 17)] элемент поверхности представится в виде
ds=afrc тЛ8' у6' 9 +sin' yin'e + gfe sin у rf? rfe.
С другой стороны, подинтегральная функция
1 Ал:* I ^* I г2 	-1 / sin* <p cos2 в . sin* у sin2 в . cos2 f
К ^^F"?"—^ ^ ' ^ ' с2""'
По соображениям симметрии вычисление приводится к первому октанту,
так что
"FT
sin* в cos8
„Л С /sin2? cosJ в sin2? sin
fli T js i cs
(б) Аналогично,
Я 1С
~2"Т
sin ©
Г Г
J J
(a2 sin2 <f cos2 8 + 6s sin2 <p sin2 6 + с2 cos2 ?)
Вычисляя внутренний интеграл по <р, положим cos<p = z:
1
2 a2 cos2 в + b* sin8 в
f (в8 cos8 в + &8 sin8 в) — (в8 cos8 в + b' sin2 в — с2) г8} 2
(в2 cos8 в + b2 sin2 в) — (в2 cos8 0 -j- 62 Bin2 в — с2) г2
г=-\

280
и окончательно
ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[633
a2 cos2 6 + b2 cos2 6
2) Вычислить интеграл
L =
(S)
где (S) есть поверхность, отсекаемая от верхней части конуса г2 = fts (х* -f- у!)
цилиндром л:2-f-У— 2ах = 0.
Р еш е ни е. Переписав уравнение поверхности в виде z =
имеем dS=yi + k2dxdy, и по формуле E)
L =
55 [ft2
(л:2 + у2)* + лг2У] d* dy,
где (D) есть круг, ограниченный окружностью х2 -\-у* — 2адс = 0 на плоскости
ху. Переходя к полярным координатам, найдем
1 = 1- (80ft2 -f 7) па° V Ьр5-
3) Вывести формулу (принадлежащую Пуассону):
it 2it
sin? cos6 -\-n sin? sine-f-p costp) sin<p df)
==2я
(где m2-\-n2-\-p2 > 0 и f(t) есть непрерывная функция для
z	,
Решение. Обозначим интеграл слева через
Р; его легко представить в виде поверхностного
интеграла
(S)
распространенного на сферу (S), описанную вокруг
начала радиусом 1.
Переходя к новой системе координат uvw,
возьмем за плоскость vw именно плоскость
тх 4- пу -\- рг = 0 и направим ось и перпендикулярно к ней (рис. 94); тогда
a=r mx + ny+pz
рис 94.
В координатах uvw тот же интеграл напишется так:

633]	§ 3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА	281
Если параметрическое представление сферы (S) взять в виде
- и" cos a, w = У1 — и2 sin а
то dS = du d<o, и окончательно
2я 1	1
¦ р=\ $ /(и /т2 + л2 + р2)rfu rf<o = 2*
Полагая « = cosX (OsgX sgit), часто пишут формулу Пуассона в виде
¦it 2и
^ \ f(m sin tf cos 6 -f- n sin ? sin 6 -\- p cos ф) sin m rfe rftf =
6 б
4)	Пусть вдоль поверхности (S) распределена масса с плотностью р =
= Р (*> У> г)- Найти выражения в виде поверхностных интегралов, распростра-
распространенных на (S): (а) общего количества т массы; (б) статических моментов и
моментов инерции ее Myz, Mzx, Мху, 1уг, Izx, lyz относительно координатных
плоскостей; (в) координат ?, i), С центра тяжести массы.
5)	Найти массу поверхности сферы, если ее поверхностная плотность в
каждой точке равна (а) расстоянию этой точки от вертикального диаметра,
(б) квадрату этого расстояния.
(а) Решение. Взяв за начало координат центр сферы и направив ось г
по вертикали, перейдем к сферическим координатам у и в, пол'агая
х = R sin ^ cos 0, у = R sin у sin в, г = R cos у,
где R — радиус сферы. Тогда
dS = Rs sin ? dtp d%, p = Ухг -\-ys = R sin tp,
так что
О
(б) Ответ: т = -=-я/?4.
о
6) При тех же предположениях (а) и (б) относительно распределения масс
найти положение центра тяжести верхней полусферы.
(а) Решение. Если выбрать оси, как и только что, то по соображениям
симметрии сразу ясно, что $ = irj = O.
Вычислим статический момент:
1С
2it 2~
С С	С С	2
МХу= \ \ zfdS = Ri \ \ sin tfcosfrfto d6 = — kR*.
0 „J	J j	<>
ф	о о
Мы уже знаем [см. задачу 5)] полную величину массы: т=-уя1/?, значит,

282	гл. xvii. поверхностные интегралы	[633
(б) Ответ. При том же расположении осей 5 = 4 = 0, ?=—#.
о
7) Найти (а) положение центра тяжести однородной (р= const) кони-
конической поверхности
(б) ее моменты инерции относительно координатных плоскостей.
Решение, (а) Очевидно, 5 = к) = 0. Далее, имеем
dS =
и, следовательно,
~Мху
= ^sP \ \ У *3+.У dxdy—-^-p \ г8dr = у яЛ//?р
2
Так как m = nlR?, то ? = —й.
О
(б) lxy= ^ pzsrfS=-^-p ^ r*dr=
Аналогично
iyz—'zx
8) Дан прямой круговой цилиндр радиуса R и высоты Л. Предполагая его
боковую поверхность однородной (р = 1), найти (а) притяжение, испытываемое
со стороны поверхности центром основания, (б) потенциал этой поверхности на
центр основания.
Решение, (а) Если принять центр основания за начало координат, а ось
цилиндра — за ось г, то, очевидно, Fx= Fy=*Q. Представив цилиндр пара-
параметрически:
х = R cos 6, у = R sin в, г = z,
имеем dS = R dz dO, так что
2it A
р. _ f С zR dz db
-$$:
(б) Имеем
2it A
9) Для конической поверхности задачи 7) найти (а) потенциал этой поверх-
поверхности на центр основания конуса и (б) на его вершину, а также (в) притяже-
притяжение, испытываемое центром основания и (г) вершиной конуса.

Ш1
§ 3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ПЕРВОГО ТИПА
283
Решение, (а) Полагая 1==У^-\-На, будем иметь
R
dxdy
2к
= Tf
Pr — Rh*	. . 2*:Rh*
*— 2Rh*r
dr
/•=0
+
^Л2р In [/2r — Rhs +
r=R
/•=0 "
А) 1
.
(в) По соображениям симметрии Fx = Fy = 0. Далее,
(r-R)rdr
Интеграл приводится к сумме трех интегралов:
dr
R(h> —
— 2Rh*r +
С	I'r — Rh*
\
" (/2г! — 2ДЛаг + R*
2R*hs
dr
(/V2 — 2Rh*r + R*h*J
Собрав все результаты, окончательно получим:
2хЛ/?р, R 1 + R 2к? (R + h)
Гг~ Р а h~T=h	1 *
(г) На этот раз несобственный интеграл оказывается расходящимся:

284	ГЛ. XVH. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|633
10)	Предполагая, что плотность масс, распределенных по поверхности ко-
конуса, равна расстоянию точки до вершины, найти (а) потенциал поверхности
на вершину, (б) притяжение, испытываемое вершиной со стороны поверхности.
Ответ, (a) W=kRI = S; (б) Fx — Fv = 0, Fz=^j^.
11)	Найти силу притяжения точки однородным (р = const) сферическим
слоем.
Решение. Пусть центр сферы лежит в начале координат, а притягивае-
притягиваемая точка А .(массы 1) находится на положительной оси г на расстоянии а от
центра. Проекции Fx и Fy силы притяжения на оси х и у, очевидно, равны
нулю. Далее, имеем
(S)
(г— расстояние между точкой А и произвольной точкой М сферы). Если
перейти к сферическим координатам:
х = R sin cp cos 6, y — R sin <p sin 8, г = R cos <p,
то
dS = R* sin f rf<p db, r = УRs + a2 — 2Ra cos <?
и
(R cos f — a)!
P*
Подстановкой /?2 + as — 2Racos<t — t* преобразуем это выражение
\R-a\
Рассмотрим теперь два предположения.
A)	Пусть a<.R; в таком случае \R — a\—R — а, в квадратных скобках
стоит нуль и
Итак, точка, находящаяся внутри однородного сферического слоя,
не испытывает со стороны последнего никакого притяжения.
B)	Если же a>R, то [R—fl|=—(R — а), так что
Поэтому точка, находящаяся вне однородного сферического слоя,
испытывает со стороны последнего такое же притяжение, какое испы-
испытывала бы, если сосредоточить всю массу m = 4ж./?2р = Sp слоя в его
центре.
Остановимся особо на случае a = R. В этом случае точка А лежит на
сфере, и интеграл A1) становится несобственным. После очевидных
упрощений он принимает вид
1С
с1 	^___
У 2 jjyi— cos?

634J	$ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	285
При приближении а к R со стороны меньших или больших значений Fz
имеет предельные значения, соответственно, 0 и — 4яр. Таким образом, притя-
притяжение испытывает разрыв непрерывности при прохождении притягиваемой
точки через поверхность сферы, причем величина притяжения для точки на
сфере есть среднее арифметическое упомянутых предельных значений.
12) Найти потенциал однородного сферического слоя на произвольно взя-
взятую точку.
Решение. При прежних обозначениях имеем
sin tp
a '
]R-a\
Если a < /?, то
так что внутри однородного сферического слоя его потенциал постоянен.
Напротив, при а > R будет
т. е. потенциал, созданный сферическим слоем во внешнем простран-
пространстве, не изменится, если всю массу его сосредоточить в центре.
Для случая a=R несобственный интеграл, выражающий потенциал,
имеет значение
Как видим, при переходе точки через сферическую поверхность потенциал
сохраняет непрерывность.
§ 4. Поверхностные интегралы второго типа
634. Определение поверхностного интеграла второго типа.
Это новое интегральное образование строится по образцу криволи-
криволинейного интеграла второго типа.
Там мы исходили из направленной (ориентированной) кривой
и разложив ее на элементы, каждый такой элемент, соответственно
направленный, проектировали на координатную ось. Проекция
получалась тоже направленной, и мы брали ее длину со знаком
плюс или минус в зависимости от того, совпадало ли ее направление
с направлением оси или нет.
Аналогичным образом рассмотрим теперь двустороннюю
поверхность E), гладкую или кусочно-гладкую, и фиксируем какую-
либо из двух ее сторон; как мы видели [620], это равносильно
выбору на поверхности определенной ориентации.
Для определенности предположим сначала, что поверхность задана
явным уравнением
z = z{x, у),

286	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1634
причем точка (х, у) изменяется в области (D) на плоскости ху,
ограниченной кусочно-гладким контуром. Тогда выбор возможен
между верхней и нижней сторонами поверхности. В первом случае
замкнутой кривой на поверхности приписывается направление про-
против часовой стрелки, если смотреть сверху, во втором —
обратное направление.
Если поверхность разбита на элементы и каждый такой, соответ-
соответственно ориентированный, элемент спроектировать на плоскость ху,
то направление обхода контура проектируемой фигуры определит и
направление обхода контура проекции. Это направление будет совпа-
совпадать с вращением против часовой стрелки, т. е. отвечать ориентации
. самой плоскости ху, если фиксирована была верхняя сторона по-
поверхности E); в этом случае мы площадь проекции будем брать со
знаком плюс. В случае нижней стороны вращение будет обрат-
обратным, и площадь проекции будем брать со знаком минус [стр. 610].
Пусть теперь в точках данной поверхности (S) определена неко-
некоторая функция f(M)=f(x,y,z). Разложив поверхность сетью
кусочно-гладких кривых на элементы
E0, №),..., EЯ),
выберем в каждом элементе (S{) по точке M;{xit yit zt). Затем вы-
вычислим значение функции f(Mi)=f(xlt yt, zt) и умножим его на
площадь Dt проекции на плоскость ху элемента E,), снабжен-
снабженную знаком по указанному выше правилу. Составим, наконец, сумму
(тоже, своего рода, интегральную сумму)
а = f] f(Mi) Dt = 2 Пх„ у„ гд D,.	A)
Конечный предел этой интегральной суммы при стремлении диа-
диаметров всех частей (St) к нулю называют поверхностным
интегралом (второго типа) от
f (Ж) dxdy=f (x, у, z) dx dy,
распространенным на в ыбранну ю сторону поверхности (S),
и обозначают символом
/= \ \f(M) dxdy = \ \/(х, у, z) dx dy,	B)
(S)	(S)
(здесь dx dy напоминает о площади проекции элемента поверх-
поверхности на плоскость ху).
Впрочем, в этом символе не содержится как раз указания на то,
какую именно сторону поверхности имеют в виду, так что это ука-
указание приходится делать всякий раз особо. Из самого определения

635]
§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА
287
Рис. 95.
следует, что при замене рассматриваемой стороны поверхности проти-
противоположной стороной интеграл меняет знак.
Если поверхность (S) не имеет указанного специального вида, то
определение поверхностного интеграла строится совершенно так же,
лишь площади Dt проекций приходится брать не все с одними и теми
же, а возможно и с разными знаками, если одни элементы поверх-
поверхности оказываются лежащими, так сказать,
вверху, а другие — снизу (рис. 95).
Если эле.мент лежит на цилиндриче-
цилиндрической части поверхности, с образующими,
параллельными оси z, то проекцией его
служит направляющая цилиндрической по-
поверхности; мы будем предполагать, то
эта кривая имеет нулевую площадь, и
в таком случае о знаке ее говорить не
приходится.
Однако здесь может встретиться
и такой случай, когда элемент лежит
частью сверху, частью снизу, либо
когда элемент не проектируется на
плоскость ху взаимно однозначно.
Так как на деле роль подобных «неправильных» элементов
ничтожна, то слагаемых, отвечающих этим элементам, мы в интеграль-
интегральную сумму включать не будем. Ниже мы убедимся в том, что это
•соглашение не вносит никаких осложнений ни в вычисление, ни в
использование поверхностных интегралов.
Если вместо плоскости ху проектировать элементы поверхности
на плоскость yz или zx, то получим два других поверхностных
интеграла второго типа:
\\f(x, у, z)dydz или \\f(x,y,z)dzdx.	B*)
E)	(S)
В приложениях чаще всего встречаются соединения интегралов всех
этих видов:
\\ Р dy dz + Q dz dx + R dx dy,
(S)
где P, Q, R суть функции от (x, у, z), определенные в точках по-
ррхности (S). Еще раз подчеркнем, что во всех случаях поверх-
поверхность (S) предполагается двусторонней и что интеграл рас-
распространяется на определенную ее с тор о ну.
635. Простейшие частные случаи. 1°. Возвратимся вновь к инте-
интегралу B) для случая, когда поверхность (S) задана явным урав-
уравнением
г = г{х,у) (.(х, у) из (D)),

288	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F3!
причем функция z непрерывна вместе со своими частными произвол
дг	дг
ными p = -s- и а ==з-.
Если интеграл B) берется по верхней стороне поверхности
то в интегральной сумме A) все Dt положительны. Подставляя в этз
сумму вместо zt его значение z(x(, _уг), приведем ее к виду
> У и
в котором легко узнать интегральную сумму для обыкновенное
двойного интеграла
\ \f(x, у, z {х, у)) dx dy.
Ф)
Переходя к пределу, установим равенство
\ \/(х> У> z) dxdy—\ \f(x, у, z (х, у)) dx dy,	C
(S)	Ф)
причем существование одного из этих интегралов влечет за собо!
существование другого. В частности, оба интеграла наверное суще
ствуют, если функция / непрерывна.
Если интеграл распространить на нижнюю сторону поверх
ности (S), то будем иметь, очевидно,
$ \/(х, у, z)dxdy = -\ \f(x, у, z (х, у)) dx dy.	C*
(S)	(D)
Замечание. Можно было бы во всех случаях сохранить фор
мулу C), если только двойной интеграл справа считать распростра
ненным на надлежаще ориентированную область (D) [см. 610
Покажем теперь (для рассматриваемого случая), что поверхностны]
интеграл второго типа приводится и к поверхностному интегралу пер
вого типа. Рассмотрим снова сумму A), в предположении, что фикси
рована верхняя сторона поверхности, так что все D( ^> 0. По фор
муле B) п° 625
где v есть острый угол между нормалью к поверхности и осью г
Применив теорему о среднем значении, получим
Si=—Ц- или D, = 5/C0Svf;
COSNi
здесь v* означает угол с осью z нормали к поверхности в некоторо!

635|	§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	289
(отнюдь не произвольно выбираемой) точке элемента (Si). Подставляя
в о это значение D{, получим
0=2 fix i, yi, zt) cos ч* S^
Эту сумму естественно сопоставить с суммой
п
3= ^fiXi, Уи Z,) COS Vfi,,
где V; отвечает уже произвольно выбранной точке (xt, уь zt); послед-
последняя сумма является, очевидно, интегральной суммой для поверх-
поверхностного интеграла первого типа
\\fix, у, г) cos vdS.
(S)
Ввиду непрерывности функции
1
cos v = —
>
если поверхность (S) разложить на достаточно малые элементы, то
колебание этого косинуса в пределах отдельного элемента станет
меньше любого наперед заданного числа е ^> 0. Предполагая функцию /
ограниченной: |/|^Ж, оценим разность обеих сумм о и 3:
п
| а — 81 <: 2 \ fixi> У{> zt) [ | cos v* — cos v^ I Si <^MSz;
»аким образом, о — з —> 0. Ясно, что для обеих сумм предел суще-
существует одновременно и притом один и тот же. Так мы приходим
к равенству
$ $/(¦*• У> z) dxdy = \ \f(x, у, z) cos ч dS,	D)
(S)	(S)
причем из существования одного из интегралов вытекает существова-
существование другого. Мы видим снова, что, в частности, оба интеграла суще-
существуют в предположении непрерывности функции /.
Заменяя верхнюю сторону поверхности нижней, мы тем самым
меняем знак левой части равенства D). Если одновременно с тем
под v разуметь угол с осью z нормали, направленной вниз же, то
косинус, а с ним и интеграл справа, также изменит знак, так что
равенство сохранится.
2°. Если (S) есть часть цилиндрической поверхности с образующими,
Шраллельными оси г, направляющая которой на плоскости ху имеет
10 Г. М, Фихтенгольц, т, III

290	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[63(
нулевую площадь, то все ее элементы имеют нулевые проекции, таи
что в этом случае
\\f{x,y,z)dxdy = O.	E]
(S)
Очевидно, здесь также имеет место формула D): так как cos v = О
то и правая часть этой формулы будет нулем.
636. Общий случай. Обратимся к общему случаю простой незамк-
незамкнутой гладкой поверхности. В интегральную сумму
как мы условились, не включены слагаемые, отвечающие «неправиль-
«неправильным» элементам, которые либо лежат на поверхности частью сверху
а частью — снизу, либо не допускают взаимно однозначной проект»
на плоскость ху. На это обстоятельство условно указывает штри>
у знака суммы.
Разумея вообще под v угол, составленный с осью z нормальк
к поверхности, направленной в соответствии с выбранной сторо
ной поверхности, мы будем иметь всегда равенство, верное вплот!
до знака (v* имеет тот же смысл, что и выше):
Dt = St cos vf.
Таким образом,
а' = ^/(хи yit z,) cos vf S^
Эту сумму сопоставим с суммой
,-, yt, z,) cos Vi S{
(vj отвечает выбранной точке). Как и выше, легко убеждаемся в том
что
lim(o' — ?) = 0.	F
Если к сумме а' присоединить еще сумму
3" = 2'7(*«> У» zt) cos ^i Si7
соответствующую отброшенным «неправильным» элементам, то полу
чится полностью интегральная сумма о для поверхностного интеграл;
первого типа
Ц/(х> У> z) cos vdS.
(S)
Можно доказать [мы предпочитаем сделать это ниже, в 637], чт!
при стремлении к нулю диаметров всех элементов (S{) сумма
8"-*0.	п G

636]	§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	291
Тогда в связи с F) мы снова получаем равенство D), в предположе-
предположении, что существует один из фигурирующих в нем интегралов (суще-
(существование другого отсюда уже вытекает).
Исходя из параметрического представления поверхности (S), можно
свести интеграл в D) справа, а с ним, по доказанному, и интеграл
слева — к обыкновенному двойному интегралу, распространенному на
область (Д) изменения параметров. Именно, так как
cosv = ±— C	AS= / А1 + Я1 + С da dv,
то имеем
\\f(x, у, z)dxdy = ±\\f(x{u, v), у {и, v), z (и, v))Cdudv. (8)
(S)	(Д)
Двойной знак отвечает двум сторонам поверхности (S); в частности,
если ориентация плоскости uv отвечает ориентации поверхности (S),
-связанной с выбором определенной ее стороны, то надлежит взять
знак плюс [621]. И здесь существование одного из этих интегралов
влечет за собой существование другого.
Аналогичные рассмотрения могут быть проведены и для других
поверхностных интегралов второго типа, связанных с проектированием
на другие координатные плоскости. Объединяя все эти результаты,
можно написать
\\Pdydz-\-Qdzdx-\-Rdxdy =
= \\ (Р cos X -j- Q cos fj. -j- R cos v) dS. (9)
(S)
Это — общая формула, сводящая поверхностный интеграл, второго
типа к поверхностному интегралу первого типа. Здесь Р, Q, R обо-
виачают ограниченные функции, определенные в точках поверхности
E), a cos X, cos j», cos ч суть направляющие косинусы нормали, на-
направленной в соответствии с выбранной стороной поверхности.
Приведем, наконец, общую формулу, сводящую поверхностный
интеграл второго типа к обыкновенному двойному интегралу:
J 5 Р dy dz -j- Q dz dx -j- R dx dy =
\	A0)
В правой части подразумевается, что в функции Р, Q, R вместо
х, у, z подставлены их выражения через и, v. По поводу знака можно
повторить прежние замечания.
10»

292	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[637
Все полученные результаты непосредственно распространяются
и на более общий случай поверхности — замкнутой или нет, — состав-
составленной из конечного числа простых незамкнутых гладких частей, при-
примыкающих одна к другой.
637. Деталь доказательства. .Обратимся к доказательству соотноше-
соотношения G). Мы утверждаем, что по любому наперед заданному е > О найдется
такое к) > 0, что, лишь только диаметры всех элементов будут меньше ц,
в «неправильных) элементах повсюду будет выполняться неравенство
|cosv|<e.	A1)
Допустим противное; тогда существуют такое е0 > 0 и такая последова-
последовательность «неправильных) элементов (s^) с убывающими до нуля
диаметрами, что в некоторой точке каждого (s^) будет
|cosv|^e0.	A2)
Если через (8ft) обозначить элемент области (Д), отвечающий (s^), то и диа-
диаметры элементов (8ft) также стремятся к нулю. С помощью леммы Боль-
цан о—В ейерштрасса [172], из последовательности {(8^)} можно выделить
такую частичную последовательность, элементы которой стягиваются к неко-
некоторой точке (и0, v0) области (Д); впрочем, без умаления общности можно
предположить это относительно самой последовательности {(8^)}.
Для угла v = v0, отвечающего значениям и = м0, v = v0 параметров и, v,
необходимо должно быть
cosv0 = 0.	A3)
Действительно, в противном случае мы имели бы для этих значений пара-
параметров
Но тогда в окрестности точки (и0, v0) можно было бы рассматривать и, v
как однозначные функции от х, у и, подставив их выражения через х, у
в функцию z = z(u, v), представить поверхность явным уравнением
z=f(x,y)*.
Кроме того, в этой окрестности, если выбрать ее достаточно малой, cosv
сохранял бы определенный знак. Так как (8ft) при достаточно больших k
неминуемо попали бы в эту окрестность, то им не могли бы отвечать «не-
правильныеэ элементы (sk).
Итак, равенство A3) установлено. В таком случае, при достаточной
близости (8ft) к точке (к0, v0), мы имели бы для этих областей сплошь
|cosv|<e0,
вопреки предположению A2). Полученное противоречие и доказывает наше
утверждение, связанное с неравенством A1).
Пусть теперь диаметры элементов, на которые разложена поверхность (S),
все будут меньше i). Тогда для «неправильных) элементов (если они вообще
имеются) выполняется неравенство A1), и соответствующая им сумма "о"
будет по абсолютной величине меньше, чем MSt, если через М обозначить
верхнюю границу для |/|. Отсюда и следует G).
* Если точка (н0, v0) принадлежит контуру области (Д), то сказанное
остается справедливым для общей части упомянутой окрестности этой точки
с областью (Д). См. Дополнение к первому тому [262].

638]
§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА
293
638. Выражение объема тела поверхностным интегралом. Объем
тела выражается интегралом, распространенным на ограничивающую
это тело поверхность, наподобие того, как
площадь плоской фигуры выражается
интегралом, взятым по контуру фигуры
[551]. Рассмотрим тело (V), ограничен-
ограниченное кусочно-гладкими поверхностями
(Si) z = zl>(x,y),
(S^ z = Z(x, у)
и цилиндрической поверхностью (Sa), об-
образующие которой параллельны оси z
(рис. 96). Направляющей этой поверхно-
поверхности служит кусочно-гладкая замкнутая кри-
кривая (К) на плоскости ху, ограничивающая
плоскую область (D). В частном слу-	Рис д§
чае на кривой (К) может выполняться
и равенство zo(x, y) — Z(x, у); тогда поверхность (Sa) вырож-
вырождается в линию.
Объем V тела, очевидно, равен разности интегралов
V= 5 5 Z(x, у) dx dy — 5 5 20 (х> У) dx dy.
(D)	(D)
Вводя поверхностные интегралы, можно это равенство переписать
так [см. C) и C*)]:
V=
zdxdy,
(Si)
причем интегралы берутся по верхней стороне поверхности ()
•«по нижней стороне поверхности (Si). Прибавим к правой части
интеграл
55 zdxdy,
распространенный на внешнюю сторону цилиндрической поверх-
поверхности (S3). Этот интеграл, в силу E), равен нулю, а потому прибав-
прибавление его не нарушает равенства. Итак, окончательно,
A4)
где интеграл распространен на внешнюю сторону поверхности
E) = Er1)-f-Es) + E3), ограничивающей тело.
Формула (И) установлена нами лишь для цилиндрических брусов,
определенным образом ориентированных. Но, очевидно, она верна для

294	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	{638
гораздо более широкого класса тел, которые могут быть разло-
разложены на части изученного вида с помощью цилиндрических поверх-
поверхностей с образующими, параллельными оси г. Действительно, осуще-
осуществив это разложение, мы можем применить к каждой части фор-
формулу A4) и затем сложить результаты. Так как интегралы, распро-
распространенные на вспомогательные цилиндрические поверхности, равны
нулю, то мы вновь приходим к формуле A4).
Мы покажем сейчас, что эта формула имеет место для широкого
класса наичаще встречающихся тел, именно, для тел, ограничен-
ограниченных произвольными кусочно-гладкими поверхно-
поверхностями.
Пусть (V)— такое тело. Прежде всего выделим все «ребра» на
его поверхности (S) с помощью конечного числа прямоугольных парал-
параллелепипедов *, и притом так, чтобы не только их общий объем был
произвольно мал, но произвольно малой была бы и площадь заклю-
заключенной в них части поверхности (S), а вместе с тем и распространен-
распространенный на эту часть интеграл \\zdxdy.
Возьмем теперь любую точку М0(и0, г»0) поверхности, не лежа-
лежащую на «ребре». Так как она не является особой, то в ней отли-
отличен от нуля хоть один из определителей
А, В, С. Если С ф О, то, как известно,
в окрестности точки Мо соответствующий
кусок поверхности (S) выражается явным
уравнением вида
z=f(x, у).
г,
1
При А фО или Вф 0 придем к явным же
уравнениям других видов:
Рис. 97.	. ч	t/ ч
x g{y z) или y = h(z, х).
Таким образом, точка Мо может быть окружена таким параллелепи-
параллелепипедом, который вырезает из тела (V) «призматический брус», огра-
ограниченный пятью плоскостями и куском поверхности одного из этих
трех видов (рис. 97).
Применяя лемму Бореля [175] к нашей поверхности **, мы выде-
выделим из всей этой бесконечной системы параллелепипедов конечное
их число. В результате, за выключением параллелепипедальной по-
полосы, выделяющей «ребра», остальная часть (Vj) тела (V) разобьется
на конечное число «призматических брусов» и просто параллелепи-
параллелепипедов. -Если бы удалось доказать справедливость формулы A4) для
всех этих элементарных тел, то путем сложения легко было бы убе-
* Здесь и ниже мы имеем в виду параллелепипеды с гранями, соответ-
соответственно параллельными координатным плоскостям.
** Которая, как нетрудно видеть, представляет собой замкнутое
множество.

$Щ	§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	295
литься и в ее верности для их суммы (Vj), а затем с помощью пре-
предельного перехода (связанного со сжиманием окрестностей «ребер»)
и для исходного тела (V).
Но для брусов первого вида, а тем более для параллелепипедов,
формула уже доказана выше. Остановимся теперь для примера на
•«призматическом брусе» (V) второго вида, ограниченного плоскостями
х = х0, у=у0, у=уи z = z0, z = zx и поверхностью (s): x = g{y, z).
Подражая процессу, которым мы.пользовались в п° 551 для рас-
расширения условий применимости формулы для площади плоской фи-
фигуры, мы на этот раз вместо вписывания ломаной в кривую станем
Вписывать в поверхность (s) многогранную поверхность (а). Как мы
знаем [627], с помощью надлежащей триангуляции прямо-
прямоугольника
(О = [Уо> Уь •?«, Zi],
представляющего собой проекцию нашего тела на плоскость yz, это
можно сделать так, чтобы нормали к граням поверхности (а) были
сколь угодно близки по направлению к нормалям к поверхности
в точках соответствующих ее участков. Заменив поверхность (s)
многогранной поверхностью (о), мы вправе написать для измененного
тела V формулу
V = \\zdxdy,	A5)
(S)
где через (§) обозначена вся поверхность, ограничивающая много-
многогранник {V). Действительно, этот многогранник легко разлагается
на части такого типа, для которого наша формула уже доказана.
Остается теперь в A5) перейти к пределу (при безграничном умень-
уменьшении ребер многогранной поверхности и сближении направлений
нормалей к ее граням и к данной кривой поверхности), чтобы по-
получить A4).
Для доказательства сближения правых частей названных формул
йредставим их разность в виде
^zdxdy — ^ z dx dy -f- я,
(s)	(«)
*де а обозначает интегралы по тем частям боковых поверхностей
тея (У) и (V), которыми эти поверхности разнятся. Очевидно, что
в—-О. Разность же интегралов можно переписать, переходя к инте-
интегралам первого типа, сначала в виде
^z cos v ds — ^z cos v d<s,
(S)	(a)

296	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
а затем, снова возвращаясь к интегралам второго типа, —- в виде
COSV , ,
'. —г a v dz —
cos А. '
Здесь cos X, cos v, cos X, cos v — направляющие косинусы внешних
нормалей к обеим поверхностям. Заметим, что на (s)
cos X = ¦
есть непрерывная функция, не обращающаяся в нуль, и, следова-
следовательно, ограничена снизу положительным числом;
при достаточном же сближении нормалей к поверхностям (s) и (о)
то же справедливо и относительно cos X для многогранной поверх-
поверхности (о).
Наконец, вводя уравнение x = g(y, z) многогранной поверхно-
поверхности (о), можно переписать это выражение в виде обыкновенного
двойного интеграла, распространенного на прямоугольник (d):
С С /Г cosvl	Г cosv~|	\
J J Ц coslJx = g(y,z) L COslJx=g(y,z)i *
Учитывая не только сближение соответствующих точек поверхно-
поверхностей ($) и (о), но и сближение нормалей в них к этим поверхностям,
теперь уже ясно, что в упомянутом предельном процессе написанный
интеграл стремится к нулю, чем и завершается доказательство.
Наряду с формулой A4) объем тела выражается и формулами
V=\\xdydz или V=\\ydzdx,	A4*)
(S)	(S)
которые получаются простым изменением роли осей. Складывая все
три, можно получить и более симметричную формулу:
A6)
Во всех случаях интеграл берется по внешней стороне поверх-
поверхности (S), ограничивающей тело.
Вводя вновь направляющие косинусы cos X, cos |х, cos v в н е Щ?,
ней нормали, перепишем последнее выражение в виде поверхностного
интеграла первого типа:
(S)

639J	$ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	297
639. Формула Стокеа. Пусть E) снова будет простая гладкая
двухсторонняя поверхность, ограниченная кусочно-гладким конту-
контуром (/.). Точки поверхности с помощью формул
х=х(и, v), y=y(u,v), z==z(u,v)
связаны взаимно однозначным соответствием с точками плоской об-
области (Д), ограниченной кусочно-гладким же контуром (Л), на пло-
плоскости uv. При наших предположениях всегда А* -\- В* -{- С*~^>0.
Выбрав определенную сторону поверхности, а в соответствии
с этим и ориентацию на ней [620], для определенности будем
считать, что положительному обходу контура (Л) отвечает обход
контура (Z-) в положительном направлении. Тогда, как мы устано-
установили в 621, формулы
,	А	В
cos л =		——, cos о. = ¦
cosv =	 С	-	A8)
характеризуют именно выбранную сторону поверхности (S).
После этих замечаний мы обращаемся к выводу формулы, связы-
связывающей поверхностный интеграл с криволинейным и служащей обоб-
обобщением уже известной нам формулы Грина [600].
Пусть в некоторой пространственной области, содержащей внутри
себя поверхность (S), задана функция
Р = Р(х, у, z),
непрерывная в этой области вместе со своими частными производ-
производными. Тогда имеет место формула
\ Pdx= [ i fzdzdx-d?dxdy,	A9)
(I)	(Sl
"причем направление обхода контура (L) соответствует той стороне
поверхности E), на которую распространен интеграл справа.
Прежде всего преобразуем криволинейный интеграл по кривой (L),
заменив его интегралом по кривой (Л):
(i)	W
Равенство это легко проверить, если ввести параметрическое пред-
представление кривой (Л), а через него — и кривой (L): оба интеграла
сведутся к одному и тому же обыкновенному интегралу по пара-
параметру.
Теперь к интегралу в B0) справа применим формулу Грина:

298	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[639
Так как последнее подинтегральное выражение в развернутом виде дает
\дх
да ' ду ди ' дг ди) dv ¦" dv да
/дР д±\дРду,дР дг\д?	 д%х
\дх dv < ду dv ' dz dv) ди	ди dv
дР /дг_ d*	дг дх\	dP /Аг ду	д?
п	п)	п
	дР /дг_ d*	дг дх\	dP /Аг ду	д? ду^\
дг \дп dv dv дп) ду \дп dv dv дп)'
то мы приходим к двойному интегралу
По формуле же A0) его легко преобразовать в поверхностный интеграл
дР . .. дР . ,
последний берется по выбранной стороне поверхности, ибо именно
эту сторону характеризуют формулы A8). Этим и завершается дока-
доказательство равенства A9)*.
Эта формула установлена нами для гладкой поверхности; но
ее легко распространить и на случай кусочно-гладкой (само-
(самонепересекающейся) поверхности: стоит лишь написать ее для каж-
каждого гладкого куска в отдельности и почленно сложить полученные
равенства.
Путем круговой перестановки букв х, у, z получаются еще два
аналогичных равенства:
A9*)
.,	„ У ду У Z ~ ~дх Z X'
где Q n R — новые функции от х, у, z, удовлетворяющие тем же
условиям, что и Р.
Складывая все три равенства A9) и A9*), получим искомый ре-
результат в наиболее общей форме:
(I)	(S)
* Следует отметить, что при выводе нами использованы существование
дР\ д*х д*х
и непрерывность производных д— и , ¦, , , , , которые в окончатель-
окончательном результате не участвуют. На деле формула имеет место и без этих
предположений.	¦	, "'Г

6401	§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	299
Это равенство и называется формулой Стокса (G. G. Stokes).
Еще раз подчеркнем, что сторона поверхности и направ-
ление обхода контура взаимно определяются по правилу,
установленному в п° 620.
Если в качестве куска поверхности {S) взять плоскую область (D)
на плоскости ху, так что z = 0, то получится формула
в которой читатель узнает формулу Грина; таким образом, по-
последняя является частным случаем формулы Стокса*.
Отметим, наконец, что поверхностный интеграл второго типа в
формуле Стокса может быть заменен поверхностным интегралом
первого типа. Тогда эта формула примет вид
причем cos X, cos (i, cos v означают направляющие косинусы нормали,
отвечающей именно выбранной стороне поверхности.
640. Примеры. 1) Вычислить интеграл
распространенный на нижнюю сторону круга л* -\-y*z=R*.
Указание. Так как поверхность, по которой берется интеграл, совпа-
совпадает со своей проекцией (D) на плоскость ху, то, учитывая сторону,
имеем
I = -\\ (x*+y*)dxdy.
Ответ. /= — <j~
2) Вычислить интеграл
*y*z dx dy
по верхней стороне нижней половины сферы х* + у3-f-г' == R3.
* Для облегчения запоминания формулы Стокса укажем, что первое
слагаемое в интеграле справа — то же, что и в формуле Грина, а остальные
получаются из него, круговой перестановкой букв х, у, z и Р, Q, R.

300	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	'64в
Указание. Проекцией полусферы на плоскость ху служит круг (D),
ограниченный окружностью jc2 -{-у2 = R*. Уравнение нижней полусферы z =
е=—У R*— Xs—у*. Поэтому
J=— \\ х*у* УД*—хг—у2 йхdy.
Ответ. J = — j^R7.
3) Вычислить интеграл
К= \\x*dy dz+ys dz dx + z* dx dy,
E)
распространенный на внешнюю сторону сферы
(х — af + (у — by + (z — сJ = /?*.
Решение. Остановимся на вычислении интеграла
Кг = \\ г8 dx dy.
(S)
Так как явное уравнение сферы будет
г — c=±.VR* — {х — аI — (у — *)»
(где плюс отвечает верхней полусфере, а минус — нижней), то удобно пред-
представить подинтегральную функцию г2 в виде
г3 = (г — с)8 + с8 + 2с (г —с).
Сумма первых двух членов, будучи проинтегрирована по верхней стороне
верхней полусферы и нижней стороне нижней полусферы, дает резуль-
результаты разных знаков, которые взаимно уничтожаются. Последний же член,
который сам меняет знак при переходе от верхней полусферы к нижней, дает
при интегрировании по ним равные результаты, так что
y-6J=S«8
Аналогично получаются и другие два	интеграла
Ki = \\jc*tlydz,	Я, = 5$У
E)	-	(S)
8
3"
Ответ. K=^*R*
4) Найти интегралы
(a) It = \\dxdy, (б) It=*\\zdxdy, (в) /8 = $ $ *• dx dy,
распространенные на внешнюю сторону эллипсоида
Ответ, (a) /t = 0; (б) /s = s-7ta&c; (в) /, = 0.

8401	§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	'301
5) Вычислить интегралы
(a) Lt = \\x'dy dz, (б) La = [[ yz dz dx
Ы	Ы
по верхней стороне верхней половины того же эллипсоида.
—±a~l/ I— ^j— ~ ,
Решение, (a) x
Vs Z8
где (Dt) есть первый квадрант эллипса ^% + -,- = 1. Переходя к обобщен-
О С
ным полярным координатам, легко найдем
о
Можно столь же легко получить этот результат, исходя из параметриче-
параметрического представления нашей поверхности:
X = a sin <f cos 8, у = b sin у sin в, г = с cos <j>	B2)
Так как А = йс sin8 <f cos 8, то по формуле A0)
~	2it
= в3йс у
(•	0
sin5 <p rfcp V cos4 8 </8 = -=- it a'bc.
J	5
(Верхней стороне поверхности отвечает знак плюс в упомянутой формуле),
(б) Пользуясь и здесь параметрическим представлением, заметим, что
В = ас sin2 <fsiab. Поэтому
1С
2~	2я
Z.a = abc* \ sin* <f cosy dy 1 sin8 8 db = -|- вйс\
6) Найти интеграл
dydz , dzdx dxdy
x +~y ' J~
no внешней стороне эллипсоида, о котором была речь выше.
Указание. Интеграл — несобственный, поскольку подинтегральное вы-
выражение обращается в бесконечность (в сечениях эллипсоида плоскостями
координат). С помощью параметрического представления приходим к собст-
собственному двойному интегралу.
_ ' . lab , be , са\
Ответ. 4тс [—|
\ с а и I
7) Если выражение A6) для объема V тела преобразовать по формуле A0)
в обыкновенный двойной интеграл, то получим
V=±W\(Ax.+ By+ Cz) du dv.	B3)

302	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F40
Учитывая значения А, В, С как определителей, легко результат этот предста-
представить в виде
х у г
V = 4-ic
*'•
da dv.
При этом знак плюс ставится, если А, В, С имеют знаки направляющих
косинусов внешней нормали; в противном случае ставится знак минус.
8) Вычислить по этой формуле объем V эллипсоида
исходя из параметрического представления B2) (Osg^^ic; 0 <: 8 ^2п).
4
У Казани е. Определитель равен abc sin <j. Ответ. V = — ъаЬс.
о
9) Если поверхность, ограничивающая тело, задана полярным уравнением:
r = r(T, в),
то, как в 629, 14), можно перейти к параметрическому представлению поверх-
поверхности, причем роль параметров играют <р, 6.
Предлагается, исходя из этого представления, вывести из формулы B3)
изящное выражение для объема:
К == — V \ г8 sin у вГу ?Г8,	B4)
где (Д) есть область изменения параметров у, в.
10) Вычислить объем тела, ограниченного поверхностью
Решение. Исходд из полярного уравнения поверхности
г = a sin <p y^sin 28>
используем формулу B4). Будем иметь:
те	те
	T ^ JL
V = ^-a* V sin4 ^ d4 \ sin2 6cos2 6d6.
Вычисляя первый интеграл по формуле (8) из 312, а второй — по формуле в
534, 4), (а), окончательно найдем:
' ~" 48
11) Проверить формулу Стоке а B1) для функций
если контур (L) есть окружность x*-\-ya = as, z = 0, а поверхностью (S) слу-
служит полусфера х*-\-у2 -J-za = «a (г>0). При этом на поверхности возьмем
в е р х н ю ю сторону, а контуру придадим направление против часовой стрелки
(если смотреть сверху).
Интеграл
x*ys dx -\- dy-\-zdz,

640)	8 <• ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	303
очевидно, приводится к одному первому члену
\ x*y>dx= — a6 \ sin* в cos2 6 ей = — | а».
J	J	°
J
а.)
Далее, имеем
<>Q ^p_	d/г л? ер
Вычисляя интеграл
— 3 ? ^ *у**4у = — 3
придем к тому же результату.
12) Проверить формулу С т о к с а для функций
если (L) есть окружность
x = acos!t, y = a]f2 sin tcos ^, г = в sin2 ? (Огйг^гж),
a (S) — ограниченный ею круг.
(Круг этот получается в пересечении плоскости х -\- г = а и сферы хг -|-
_j-_ys Jrzi:=a2; его радиус равен	)
Криволинейный интеграл
\ydx+zdy + xdz = as[(— УТ sin» f + 2cos» * sin 0 d^ =— ~ yT na\
поверхностный же
— \\ dx dy -\- dy dz ¦{- dz dx
(S)
оказывается равен сумме площадей проекций упомянутого круга на коорди-
координатные плоскости, взятой с обратным знаком, т. е. —2-=--cos 45° =
= -,1/2-™*.
13) Проверить формулу С т о к с а, положив
и взяв в качестве (S) поверхность, вырезанную цилиндром х* -\-у* = 2гх из
сферы х' + У* + z% = 2Rx (R>r, г > 0).
Псибегнув к параметрическому представлению кривой
* Если положить х — r —roast, _y = rsin/, то геометрический смысл
параметра t ясен; подставляя эти выражения в уравнение сферы, найдем и
щависимость г от t.

304	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[640
для криволинейного интеграла найдем довольно сложное выражение в виде
обыкновенного интеграла:
:-rsin<L-
+ [г8 A + cos tf + ra sin21] • I УЦШ=? (_ sin t)} dt.
Но первое и третье слагаемые в фигурных скобках имеют вид /(),
и интегралы от них, ввиду периодичности косинуса, равны нулю. Выполнив
остающуюся выкладку, получим 2ъ#га.
Поверхностный же интеграл
2 \[ (у — z) dy dz + (г—х) dz dx + (x — у) dx dy,
распространенный на верхнюю сторону упомянутой поверхности, преобра-
преобразуем сначала в интеграл другого типа:
2 И [(У — г) cos X 4- (г — х) cos ц + С* —у) cos v] dS.
(S)
Так как
, x — R
cos X = -
R	v	z
—,	COSfl = ^-,	COSV = —,
то, подставляя эти выражения, произведем упрощение и сведем искомый ин-
интеграл к следующему:
(S)
В силу симметрии поверхности относительно плоскости хг, интеграл [ f у dS
оказывается нулем. Остающийся же интеграл снова преобразуем к интегралу
второго типа:
[ \ zdS =
2
14) Проверить формулу С т о к с а
{ (г8 — лта) dx 4- (хг —у3) dy+(ys — гг) dz =
(I)
: 2 И х dx dy -\-y dydz + z dz dx,
(S)
взяв за (S) винтовую поверхность
х = иcosvb y = usmv, z = со

•MJ	8 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	305
ограниченную двумя винтовыми линиями и двумя прямолинейными отрезками
в совокупности образующими контур (L).
Ответ. Если поверхностный интеграл распространить на верхнюю
сторону указанной поверхности, а криволинейный взять в соответствующем
направлении, то оба интеграла равны яс(й2— а2).
641. Приложение формулы Стокса к исследованию криволиней-
криволинейных интегралов в пространстве. Пусть в открытой области G)
заданы функции Р, Q, R, непрерывные со своими производными
dPdP.dQdQ.dRdR
dy' dz ' dz ' dx' dx' dy '
С помощью формулы Стокса легко установить условия, необ-
необходимые и достаточные для того, чтобы обращался в нуль ин-
интеграл
\ Pdx+Qdy + Rdz,	B5)
взятый по любому простому (т. е. не пересекающему себя) замк-
замкнутому кусочно-гладкому контуру (L), лежащему в G).
Впрочем, для того чтобы возможно было использовать формулу
Стокса, нужно наперед наложить на трехмерную область G),
к которой относятся наши рассмотрения, естественное ограничение.
Именно, нужно потребовать, чтобы, каков бы ни был простой за-
замкнутый кусочно-гладкий контур (L) в области (Т), на него
можно было «натянуть» кусочно-гладкую (самонепересекающуюся)
поверхность (S), имеющую (L) своим контуром и также цели-
целиком содержащуюся в G). Это свойство аналогично свойству од-
односвязности плоской области; при наличии его пространствен-
пространственную область G) также называют («поверхностно»*) одно-
связной. Упомянем для примера, что тело, ограниченное двумя
концентрическими сферическими поверхностями, будете этом смысле
односвязным, а тор нет.
Пусть же область G) будет (поверхностно) односвязной. Натя-
Натянув на контур (L), как сказано, поверхность (S), заменим по фор-
формуле Стокса криволинейный интеграл B5) поверхностным интег-
интегралом
[[(?Q_dP\j d _i_f— —'
(S)
Для обращения его в нуль, очевидно, достаточны условия
dQ dP dR dQ dP dR
dx dy' dy dz ' dz dx'
(Б)
* В отличие от другого типа односвязности пространственной области, о
которой речь будет ниже [632].

306	ГЛ. XVII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F41
Эти условия в то же время и необходимы, в чем легко убе-
убедиться (наподобие п° 601), если рассматривать плоские фигуры (S),
лежащие в плоскостях, параллельных поочередно той или .иной из
координатных плоскостей.
Читатель видит, что мы использовали здесь формулу С т о к с а
совершенно так же, как в п° 601 с аналогичными целями была ис-
использована формула Грина.
Легко доказать, что те же условия (Б) будут необходимы и
достаточны для того, чтобы интеграл
\ Pdx-\-Qdy-\-Rdz	B6)
(АВ)
не зависел от формы, кривой {АВ), соединяющей любые две
точки А и В области (Т), в предположении, конечно, что эта
область поверхностно односвязна.
Необходимость. Если предположить интеграл B6) незави-
независящим от пути, то (как и в п° 661) отсюда следует обращение в
нуль интеграла B5) по простому замкнутому контуру (L), а значит
и выполнение условия (Б).
Достаточность. Из (Б) вытекает обращение в нуль инте-
интеграла B5) по простому замкнутому контуру (Z.). Отсюда (как и в
561) легко получается равенство
5 = 5,	<27>
(Л/В) (А//В)'
если только кривые (AIB) и (АПВ) не имеют общих точек, кроме
А а В. Если же это не так, и взятые кривые пересекаются, то
здесь вопрос оказывается более простым, чем в плоском случае:
в связной пространственной области G) всегда можно взять такую
третью кривую (AHIB), которая уже не пересекалась бы ни с одной
из прежних. Тогда
¦ 5 = J ¦ S - J ¦
(AiB (AIIIB) (AllB) (AIIIB)
откуда и следует B7).
С этим исследованием можно связать и вопрос о том, будет
ли дифференциальное выражение
Pdx-\-Qdy-\-Rdz	B8)
полным дифференциалом от некоторой однозначной функции
трех переменных. Необходимость условий (Б), для того что-
чтобы это было так, проверяется непосредственно, см. п° 564. Но в то

6411	§ 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО ТИПА	307
время как там достаточность условий (Б) была установлена
лишь для случая, когда основная область (Г) есть прямоугольный
параллелепипед, теперь нетрудно сделать это и в общем случае
(поверхностно) односвязной области. Первообразная может быть
написана сразу в виде криволинейного интеграла
(я, у, z)
F(x,y,z) = $ Pdx+Qdy + Rdz,
(*о. Уо. го)
который — при соблюдении условий (Б) — не зависит от пути. Итак,
для области (Г) указанного типа, условия (Б) оказываются необ-
необходимыми а достаточными для того, чтобы выражение B8)
было точным дифференциалом.

ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ
ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
§ 1. Тройной интеграл и его вычисление
642. Задача о вычислении массы тела. Пусть дано некоторое
тело (V), заполненное массами, и в каждой его точке М (х, у, z)
известна плотность
распределения этих масс. Требуется определить всю массу т тела.
Для решения этой задачи разложим тело (V) на ряд частей:
(Vi), (Ц), ...,(Vn)
и выберем в пределах каждой из них по точке
Mt ft, щ, C|).
Примем приближенно, что в пределах части (V,) плотность постоянна
и равна как раз плотности р ft, т\{, С,) в выбранной точке. Тогда
масса /И; этой части приближенно выразится так:
«i = pft> "»)»> О Vir
масса же всего тела будет
п
/Я=2р($(-, 7),, С,)^.
i=l
Если диаметры всех частей стремятся к нулю, то в пределе это
приближенное равенство становится точным, так что
л
i=i
и задача решена.
Мы видим, что решение задачи и здесь привело к рассмотрению
предела своеобразной суммы — типа интегральных сумм раз-
различного вида, с которыми мы многократно имели дело на протяже-
протяжении всего курса.

©43J	§ 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ	309
Подобного рода пределы приходится часто рассматривать в ме-
механике и физике; они получили название тройных интегралов.
В принятых для них обозначениях полученный выше результат за-
запишется так:
\\i{x,y,z)dV.	B)
(V)
Теории тройных интегралов и их важным приложениям посвящена,
в основном, настоящая глава. Так как целый ряд предложений, уста-
установленных для двойных интегралов, переносится вместе с их доказа-
доказательствами на случай тройных интегралов, то мы обычно будем
довольствоваться лишь формулировкой этих предложений, предоставляя
читателю перефразировать прежние доказательства.
643. Тройной интеграл и условия его существования. При
построении общего определения нового интегрального образования—•
тройного интеграла, основную роль играет понятие объема тела,
наподобие того как понятие площади плоской фигуры лежало в
основе определения двойного интеграла.
С понятием объема мы уже знакомы по первому тому и сталки-
вались с ним не раз. Условие существования объема для данного
тела заключается в том, чтобы ограничивающая его поверх-
поверхность имела объем 0 [341]. Только такие поверхности мы и
будем рассматривать, так что существование объемов во всех нуж-
нужных нам случаях тем самым обеспечивается. В частности, как мы
знаем, в состав указанного класса поверхностей входят кусочно-
гладкие поверхности.
Пусть теперь в некоторой пространственной области (V) задана
функция f(x,y, z). Разобьем эту область с помощью сети поверх-
поверхностей на конечное число частей ( Vt), (Vi), ... , (Vn), имеющих соот-
соответственно объемы Vu Vt,..., Vn. В пределах 1-го элемента (V,)
возьмем по произволу точку (Е,-, ¦»],-, С/), значение функции в этой
точке /(?,-, i\i, С,) умножим на объем Vt и составим интегральную
сумму
(=]
Конечный предел I этой суммы, при стремлении к нулю наи-
наибольшего из диаметров всех областей (Vt) и называется трой-
тройным интегралом функции f(x, у, z) в области (У). Он
^обозначается символом
/==И \f<x>y> z)W=\\\f(x,y, z)dxdydz.
(Ю	(V)

310	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[644
Конечный предел подобного вида может существовать только для
ограниченной функции; для такой функции вводятся, кроме
интегральной суммы а, еще суммы Дарбу:
1=1
где
M,= sup{/}.
(Vt)	(V.)
Обычным путем устанавливается, что для существования интеграла
необходимо и достаточно условие
или
л
lim.2o)fV,- = 0,
где <Oi — Mi — mt есть колебание функции / в области (V{). [Заме-
[Заметим, что при существовании интеграла обе суммы s, S также имею!
его своим пределом.]
Отсюда непосредственно следует, что всякая непрерывная функ-
функция f интегрируема.
Можно несколько расширить эти условия, а именно: интегри-
интегрируема всякая ограниченная функция, все разрывы которой лежат
на конечном числе поверхностей с объемом 0.
Доказательство этого утверждения [ср. 590] основано на следую-
следующей лемме:
Если область (V), содержащая поверхность (S) с объемом 0
разложена на элементарные области, то сумма объемов тех ш
них, которые задевают поверхность (S), стремится к нулю
вместе с диаметрами всех частичных областей.
644. Свойства интегрируемых функций и тройных интегралов
Достаточно перечислить эти свойства [доказываются они аналогично
изложенному в 692].
1°. Существование и величина тройного интеграла не зависят
от значений, принимаемых функцией вдоль конечного числа поверх-
поверхностей с объемом 0.
2°. Если (V) = (V)-\-(V"), то
(V)	(V)	(V)
причем из существования интеграла слева вытекает уже суще-
существование интегралов справа, и обратно.

644J	§ 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ	311
3°. Если k = const., то
(V)	(V)
причем из существования интеграла справа следует и существо-
существование интеграла слева.
4°. Если в области (V) интегрируемы две функции Jug, то
интегрируема и функция f±g> причем
\\\{f±g)dV=\\\fdV±\\\gdV.
(V)	{V)	(V)
5°. Если для интегрируемых в области (V) функций fug вы-
выполняется неравенство f^g, то
(V)	(V)
6°. В случае интегрируемости функции f интегрируема и
функция |/|, и имеет место неравенство
W\\\
(V)	(V)
7°. Если интегрируемая в (V) функция f удовлетворяет нера-
неравенству
то
Иными словами, имеет место теорема о среднем значении
(V)
В случае непрерывности функции / эту формулу можно написать
в виде	~„. ,
\\\fd,y=f{X,y,z)V,	C)
(V)
где (Я, у, S) есть некоторая точка области (V).
Далее, легко распространяется на трехмерный случай и содержа-
содержание п° 693: так же, как и там, устанавливается понятие функции
вт (трехмерной) области, в частности, аддитивной функции.
Лажным примером такой функции (см. 2°) является интеграл по пе-
переменной области (v):
S\S	D)

312
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
|645
Вводится аналогично прежнему понятие производной функ-
функции Ф ((©)) по области в данной точке М; так называется
предел
Нш
А/-
d
**»/
О
при стягивании к точке М содержащей ее области (р).
8°. Если подынтегральная функция непрерывна, то производной
по области в точке М (х, у, z) от интеграла D) будет как раз
значение подинтегральной
функции в этой точке, т. е.
f(M)=f(x,y,z).
Таким образом, при сделан-
сделанном предположении интеграл D)
служит для функции / в не-
некотором смысле «первообраз-
~7L
/\
1^4
?
А / /
7Т7
i	</ / /// / i/
ной» и, как доказывается ана-
аналогично плоскому случаю,
единственной аддитив-
аддитивной первообразной.
Рис. 98.
Т
645. Вычисление тройного
интеграла, распространенно-
распространенного на параллелепипед. Изло-
Изложение вопроса о вычислении тройного интеграла начнем с того
случая, когда тело, в котором определена функция f(x, у, z), пред-
представляет собой прямоугольный параллелепипед ( Т) = [а, Ь; с, d; e, /]
(рис. 98), проектирующийся на плоскость yz в прямоугольник
(R) = [c,d;e,f].
Теорема. Если для функции f{x, у, z) существует тройной
интеграл
l\\f(x,y,z)dT	E)
(Т)
- при каждом постоянном х из [а, Ь] — двойной интеграл
I(x) = \\f(x,y,z)dR,	F)
(R)
и
то существует также повторный интеграл
ь
a (R)
и выполняется равенство
5 J
(Г)
ь
= §<?*
а (Л)
G)
(8)

645)	S 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ	313
Доказательство аналогично проведенному в п° 594. Разде-
Разделив промежутки [а, Ь], [с, d] и [е, /] на части с помощью точек
Уо = с О, < Л . <_у,- <... <j/m = d,
тем самым разложим параллелепипед G) на элементарные параллеле-
параллелепипеды
Gл у, ft) = [•**> ^/+i; -Уу> Уу+ь zk, zk+l]
(/ = 0, 1,..., я— 1; / = 0, 1,..., да — 1; А = 0, 1,...,/— 1)
и одновременно прямоугольник (R) — на элементарные прямоуголь-
прямоугольники
(где j и k пробегают те же значения, что и только что).
Положив
'' J' к (П . J ' '"''* (Г. , А)
I, J, Я	ly J, Я
имеем в силу 644, 7°,
'z*«? \\ f(x,y,z)dydzs^Mij3
для всех значений х из [xit xi+1]. Фиксируя произвольное значение
X—li в этом промежутке, просуммируем подобные неравенства для
всех значений j и k; мы получим неравенства
2 S «I. У, ЛуАЧ < / (У = \ \f&, У, г) dy dz <
У *	W
у *
Наконец, умножим эти неравенства почленно на Ддгг и просумми-
просуммируем на этот раз по значку i:
22 S	2 < 2 2 2 м1ш Л Ад^дууд^.
i j к	i	i j h
Крайние члены представляют собой суммы Дарбу для интеграла
E) и стремятся к нему, как к пределу, при стремлении к нулю всех
ракюстей Длг,-, Дуу, Lzk. Значит, к тому же пределу стремится и
интегральная сумма, стоящая посредине. Этим доказано одновременно
как существование интеграла G), так и равенство (8).

314	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[646
Если предположить еще существование простого интеграла
/
\f(x,y,z)dz
(9)
при любых значениях х из [а, Ь] и у из [с, d], то двойной интег-
интеграл в равенстве (8) можно заменить повторным [594] и окончательно
получим:
b d f
\\\f{x,y,z)dT=\dx\dy\f(x,y,z)dz.	A0)
(Г)	асе
Таким образом, вычисление тройного интеграла приводится к
последовательному вычислению трех простых интегралов. Роли пере-
переменных х, у, z в формуле A0), разумеется, могут быть произвольно
переставлены.
Предлагаем читателю убедиться самому, что из существования
тройного интеграла E) и простого интеграла (9) вытекает формула:
(И)
S S \/(х>У> z) dT= \ \ dxdy\f(x,y, z)dz,
(Л	(У)	е
где Q = [a, b; с, d]. И здесь роли переменных можно переставлять.
В частности, для случая непрерывной функции f(x, у, z),
очевидно, имеют место все формулы (8), A0), A1) и им подобные,
получающиеся перестановкой переменных.
646. Вычисление тройного интеграла по любой области. Как
и в п° 696, общий случай интеграла, распространенного на тело (V)
любой формы, может быть легко приведен к только что рассмотрен-
рассмотренному. Именно, если функция f(x, у, z) определена в области (V),
то вместо нее следует лишь ввести,
функцию f*(x,y,z), определенную
в объемлющем (V) прямоугольном
параллелепипеде (Г), полагая
Этим путем и получаются все при-
приводимые ниже формулы.
Рис. 99.	Мы остановимся на случаях, пред^
ставляющих наибольший интерес.
Пусть тело (V) содержится между плоскостями х = х0 и х = Х
и каждою параллельною им плоскостью, отвечающею фиксированному
значению х (х9 ^ х ^ X), пересекается по некоторой фигуре, имею-
имеющей площадь; через (Рх) обозначим ее проекцию на плоскость;^

647]
5 I. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ
815
(рис. 99). Тогда
f(x,y,z)dydz
(8*)
(V)
в предположении существования тройного и двойного интегралов.
Это — аналог формулы (8).
Пусть, далее, тело (V) представляет собой «цилиндрический
брус», ограниченный снизу и сверху, соответственно, поверхностями
z — z{x,y) и z — Z(x,y),
проектирующимися на плоскость ху в некоторую фигуру (D), огра-
ограниченную кривой (К) с площадью 0; с боков тело (V) ограничено
цилиндрической поверхностью с образующими, параллельными оси г,
и с кривой (К) в роли направляющей
(рис. 96). Тогда аналогично формуле
A1) имеем
\\\f(x,y,z)dV=
(О)
\ f(x,y,z)dz;
(
A1*)
при этом предполагается существова-
существование тройного интеграла и простого —
внутреннего — интеграла справа.
Если область (D) представляет со-
собой криволинейную трапецию, ограни-
ограниченную двумя кривыми (рис. 100)	Рис. 100.
прямыми х — хл, х = Х, то тело (V) подходит под оба типа, рас-
рассмотренных выше. Заменяя двойной интеграл — то ли в формуле (8 *),
то ли в формуле A1*) — повторным, получим
X Y(x) Z{x, у)
11 $/(*,у, г) d V= \dx $ dy $ f{x, у, z) dz.
(V)	*o Уо(х) го(х,у)
A0*)
Эта формула обобщает формулу A0)
Как и в простейшем случае, который был рассмотрен в преды-
предыдущем п°, и здесь непрерывность функции f(x,y,z) обеспечивает
"Наложимость всех формул (8*), A1*), A0*) и им подобных, полу-
получающихся из них перестановкой переменных х, у, z.
§47. Несобственные тройные интегралы. В случаях, когда об-.
меть интегрирования простирается в бесконечность или подинтег-
р*льная функция перестает быть ограниченной вблизи особых точек,

316
ГЛ. XVIH. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
|6*
линий или поверхностей, несобственный тройной интеграл получаете)
с помощью дополнительного предельного перехода, исходя из соб
ственного интеграла. Своеобразие многомерного случая по сравнении
с линейным случаем уже было отмечено в связи с изучениел
несобственных двойных интегралов, и сейчас к этому добавит!
нечего.
Несобственные тройные интегралы также являются необходимс
абсолютно сходящимися. Это обстоятельство сводит веа
вопрос о существовании и вычислении таких интегралов к случак
положительной (неотрицательной) подинтегральной функции.
Ограничиваясь этим предположением, можно, как и в случае двои
ных интегралов, установить связь между тройным интегралом и раз
ного типа повторными интегралами. Остана
вливаться на этом мы не будем.
648. Примеры. 1) Вычислить интеграл
dx dy dz
распространенный на тетраедр (V), ограничивае-
ограничиваемый плоскостями л: = 0, _у = 0, г = 0 и х-\-у-{
+ z—\ (рис. 101).
Решение. Проекцией тела на плоскость X}
служит треугольник, образованный прямыми *=0
у = 0 и х-\-у=1. Ясно, что границами измене
ния х служат числа 0 и 1, а при постоянном л
в этих границах переменная у изменяется от 0 д<
1 —х. Если же фиксированы и х, и у, то точка может перемещаться пс
вертикали от плоскости г = 0 до плоскости x-\-y-\-z—\; таким образом
пределами изменения г будут 0 и 1—х—у.
По формуле A0*) имеем
р
1-х 1-х—у
J
Последовательно вычисляем интегралы, начиная с внутреннего:
1-х-у
С	d	¦ _ 1 Г
dz
1-х
\_ с г ч 1
2 J Ш+х
з—х
наконец,

«8|	§ 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ	317
2) Вычислить интеграл
хг yJ z2
где (V) есть верхняя половина эллипсоида —| + 4^Н—а=?П.
X* V*
Решение. Проекцией тела на плоскость ху является эллипс -a+4a=S
sg 1. Поэтому пределами изменения л: являются числа — а и а, при фиксиро-
фиксированном же х переменная у изменяется от	У а*—х% до -|— Ya* — х*-
Тело ограничено снизу плоскостью ху, а сверху — поверхностью эллипсоида,
так что при фиксированных х и у пределами изменения z служат
По той же формуле A0*)
a	a
/ = \ dx	\	dy	\	zdz —
a
Вычисление можно было бы провести и другим путем. Именно, по фор-
Муле (8*), лишь меняя в ней роли переменных х и z, будем иметь
dxdy,
где (Rz) есть проекция на плоскость ху сечения эллипсоида плоскостью
Ж=г (проектирование происходит без искажения). Но двойной интеграл
гг.
dxdy
* Ввиду четности подинтегральной функции.

318	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[64S
есть не что иное, как площадь Rz этой проекции. Так как контур проекции
имеет на плоскости ху уравнение
= 1,
т. е. представляет собою эллипс с полуосями
а
то, как мы уже знаем,
Следовательно,
с
г м	| dz — * аЬс%
Выкладка значительно упростилась, но лишь потому, что удалось ис
пользовать известную нам величину площади эллипса.
3) Вычислить интеграл
" (Г)
где (Г) есть весь эллипсоид—j+^H--^-^!.
Решение. Применяя второй способ, указанный при решении преды
дущей задачи, получим
(Рх)	-0	(Qy)
Отсюда
a
—6
с
nab С , Л г'\ , 4
4) Вычислить интеграл
7 ^ И 5 г dx dy dz'
(Л)
И 5
(Л)
где тело (А) ограничено конической поверхностью г2 = -^(хг -{-у2) и пло
скостью z = h (рис. 102).

648|
8 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ
319
Решение, /а) Проекция (О) конуса на плоскость ху есть круг
*^R*. По формуле A1*)
:dy
яли, переходя к полярным координатам,
2* /?
/ ——
Л2
(б) При другом способе решения можно написать
А
где (D) есть проекция на плоскость ху сечения конуса плоскостью, ей парал-
параллельной и лежащей на высоте z над нею. Эта проекция	г\
i	Rz
есть круг радиуса j-, так что двойной интеграл,
представляющий его площадь, равен -rj-z*. Отсюда
тг
Рис. 102.
5) Вычислить интеграл
K=l\lxdxdydz,
где (V) есть призма, ограниченная плоскостями
*= 0, .у = 0, z = 0, y = h и x-{-z—a.
Указание. Воспользоваться формулой (8*); (Рх) есть прямоугольник
«о сторонами ft и а — х.
Ответ: K=s-.
6
6) Найти значение интеграла
y=f f \z*dxdydz,
г*де (Г) есть общая часть двух сфер (рис. 103):
х3 4-У + z8 =s? R3 и х3 + уг -f. га г? IRz.
Решение. Пересечение их поверхностей происходит по плоскости z =
¦¦'¦5г. Сечения тела (Г) плоскостями, параллельными плоскости лгу, суть круги.

320
ГЛ. XVIH. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Переходя и здесь к повторному интегралу — простому от двойного, найдем,
что
~2R	R
J=« \ z\2Rz-z*)dz + * J z*(R* — z*)dz = щ*&.
R
7) Вычислить интеграл
где (V) есть общая часть параболоида л:! -\-y2^2az и сферы х* -\-у* -f г8 ^ За3
Решение. Прежде всего, раскрывая под-
интегральное выражение, видим, что интеграль
от членов 2ху, 2xz, 2yz по соображениям сим-
симметрии исчезают *. Таким образом,
S = J И (л:2 +y*+za) dx dy dz.
По формуле (8*) (с перестановкой ролей д
)
и г)
Рис. 103.
S = ldz
0
\ dz
(x*+y*+z*)dxdy +
Двойные интегралы легко вычисляются с помощью перехода к поляр
ным координатам:
2« [
Отсюда
агг) ife-j-jn С (9а* —г4) dz ==
* Это можно обосновать (прибегнув к повторным интегралам) свой
ствами лишь простых и двойных интегралов.

€48|	§ 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ"
8) Вычислить интеграл
321
l[
где (Г) есть общая часть конуса у2 -\- z2
Ответ. 1=~ B — У~2).
о
и сферы х2 -\-у2 -f- z2 =g R2
9) Пусть дан конус
= (-?-) + (|-) ;
плоскостью г = с он пересекается по эллипсу,
проекция которого на плоскость ху имеет урав-
— 1 +(^) = 1. Рассмотрим'тело G), ле-
лежащее в первом октанте и ограниченное упомя-
упомянутыми конической поверхностью и плоскостью
г = с, а также двумя координатными плоскостями
лт = О и у = 0 (рис. 104).
Предлагается вычислить распространенный на
это тело интеграл
А —
^= dx dy dz.
Рис. 104.
(а) Интегрируя сначала по г, затем по у и, наконец, по х, находим пре-
пределы изменения:
	х*
1	1,
Тогда
А = \ х dx
dz
и последовательно
?-
11 Г. М. Фихтенгольц, т. III

322	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[648
(б) Выкладки немного упрощаются, если интегрировать в обратном
порядке. На плоскость^ наше тело проектируется в виде треугольника, огра-
ограниченного прямыми >> = 0, г = с «у =— г. Поэтому пределы изменения будут
для г: 0 и с, для у: 0 и — г,
д.,
и искомый интеграл перепишется так:
4-
-VWW
В этом случае
A0) Найти интегралы
(a) /j = \\ \ zm dx dy dz, (б) /а ='
где тело (у)~—то же, что и в предыдущей задаче (от — натуральное).
Указание. Интегрирования расположить в том же порядке, как и в 9) (б)
Во втором случае интеграл
ь
приводится к известному интегралу § cos™ в rf6 [300, 1)].
_	. . , тс abcm+l
Ответ, (а) 11=
(б) /, —| amiftc(m_l)!|
нечетном>-

ij. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ	323
11) Вычислить интеграл
л. С С С
Решение. Имеем
, У R? — x*—y
-f J I-] J><y =
и, наконец, после элементарных (хоть и длинных) преобразований
15 (P + Tf) G+ «)(«
12) Показать, что употребительные формулы для вычисления (а) объема
цилиндрического бруса, ограниченного поверхностью г=г(х, у),
V = \\zdxdy
i)
(б) объема тела по поперечным сечениям:
ь
а
суть следствия основной формулы:
Указание. Применить к последнему интегралу формулы A1*) и (8*)*.
649. Механические приложения. Естественно, что все геометрические
и механические величины, связанные с распределением масс в пределах неко-
некоторого тела (V) в пространстве, в принципе выражаются на этот раз трой-
тройными интегралами, распространенными на тело (V). Здесь также проще всего
Вользоваться принципом «суммирования бесконечно малых элементов> [ср.
Ж— 356 и 598].
• Дальнейшие примеры на вычисление тройных интегралов можно позаим-
позаимствовать из а' 675, где рассматриваются интегралы п-п кратности, взяв там я=3.
¦Нй
11

324	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1<И9
Обозначим через р плотность распределения масс в произвольной точке
тела (V); она является функцией от координат точки; эту функцию мы будем
всегда предполагать непрерывной. Суммируя элементы массы dm = p dV=
= р dx dy dz, для величины всей массы будем иметь
A2)
[ср. 642].	( }	( '
Исходя из элементарных статических моментов
dMyZ = xdm — xp dV, dMzx = у dm =y? dV,
dMxy = z dm == zp dV,
найдем самые статические моменты:
9dV,	A3)
«и,
(V)	(V)	(V)
a no ним — и координаты центра тяжести:
В случае однородного тела, р = const, получаем проще:
Jt
* — у j1)— у > ^	у •
Сами собой понятны и формулы для моментов инерции относительно
осей координат:
Ш
или относительно координатных плоскостей:
Наконец, пусть массы, заполняющие тело (V), оказывают притяжение нг
точку А E, т), С) (массы 1) по закону Ньютона. Сила притяжения со сто-
стороны элемента dm = pdV массы имеет на оси координат проекции*
где
r=/(T^
* См. сноску ** на стр. 277.

650J
S t ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ
325
есть расстояние элемента (или точки, в которой мы считаем сосредоточен-
сосредоточенной его массу) от точки А. Суммируя, для проекций полной силы F при-
притяжения на оси координат получим
Аналогично определяется и потенциал нашего тела на точку:
W=
A7)
Если точка А лежит вне тела, то все эти интегралы оказываются соб-
собственными. В этом случае можно дифференцировать интеграл W по любой
из переменных 5, т), ? под знаком интеграла на основании соображений, сход-
сходных с теми, которыми мы пользовались в отношении простых интегралов
J507]. В результате мы и получим, что
В случае же, когда точка А сама принадлежит телу (V), в этой точке
Г = 0, и подинтегральные функции в A7) и A8) вблизи нее перестают быть
ограниченными. Ниже [663] будет показано, что эти интегралы, как несоб-
несобственные, все же существуют, и для них выполняются основные соотноше-
соотношения A9).
650. Примеры. 1) В 598 для статических моментов однородного цилин<
дрического бруса (при р = 1) мы имели формулы:
(Р)	"(РГ
Вывести их из общих формул A3) предыдущего п".
Имеем, например,
(Р)
но
(V)
{Р)
zdz;
z dz = -к- г2
что и приводит к требуемому результату.
В 598 взамен вычисления последнего интеграла были привлечены сообра-
соображения из области механики (относительно статического момента элементар-
элементарного столбика).
2) Аналогично, в предположении, что площадь поперечного сечения
тела (V), параллельного некоторой плоскости, задана в функции расстояния х
сечения от этой плоскости: Р(х), в 356 1) была выведена для статического
момента формула	ъ
М = \ х Р (х) dx.
Ее гакже можно получить, как следствие из общей формулы.

826	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F50
Именно, по формуле (8*)
ft
Л1 = 5 5 S x dV=i\x dx\ \ dy dz;
(V)	а	(Рх)
но внутренний интеграл как раз и выражает площадь сечения, которая на-
наперед дана.
Замечание. Эти примеры привлекают наше внимание к тому факту,
что некоторые из механических величин, относящихся к простран-
пространственному распределению масс, выражались (правда, при простейших
предположениях) двойными и даже простыми интегралами. Эта иллю-
иллюзия понижения кратности интеграла, как читатель видит, проистекает из того,
что при представлении тройного интеграла в виде двойного от простого или
простого от двойного внутренний интеграл в простых случаях оказывается
уже известным из геометрических или механических соображений и не
Нуждается в вычислении.
3)	Использовать задачи 2), 4), 10) п° 648 для определения положения
центров тяжести рассмотренных там тел.
4)	Найти центр тяжести тела, ограниченного поверхностями параболоида
лг2+У = 2ог и сферы х* +у2-\-г*=За*.
Решение. Статический момент относительно плоскости ху проще
всего вычислить по формуле, упомянутой в 2), с заменой лишь х на z. Пло-
Площадь R(z) поперечного сечения равна it-2az для z от 0 до а и я (За8 — z2)
для z от а до а ]/. Таким образом,
a	aV~5
Мху = 2*я \ гЧг + к *\ (За2 — г2) dz == -|- ка*.
Так как объем тела уже известен: К=~ F Y 3 — 5) [343,6)], то ? =
о
= ъъ (^ V 3 -f- 5) а. По соображениям симметрии: ? = tq = 0.
оо
5) Найти массу и определить положение центра тяжести сферы
если плотность в точках сферы обратно пропорциональна расстоянию этих
точек от начала координат:
k
р
Решение. По формуле A2) п° 648 масса
dxdydz
Преобразуя тройной интеграл аналогично (8*), можно представить его в виде
простого интеграла от двойного:
1а
dx dy
К)

650]
S 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИС ЛЕНИВ
327
тде (R2) есть круг радиуса Yiaz — z*. Внутренний интеграл без труда вы-
вычисляется, если перейти к полярным координатам;	г,
он оказывается равным
V 2аг-г
Отсюда
rdrdb
т = -
= 2к(уг2аг—г).
Аналогично вычисляется и статический мо-
момент
,=k
zdxdydz 16
Рис. 105.
Таким образом, C = -g-e. Остальные две координаты центра тяжести, оче-
о
видно, равны 0.
6) Та же задача, но при другом законе распределения масс:
к
лриводит к результатам:
т = 2nka,
•=т-
В дальнейших задачах плотность р распределения масс предполагаем
постоянной.
7) Найти притяжение центра основания цилиндра всей массой цилиндра
(рис. 105).
При обозначениях рис. 105 имеем [см. 648, A7)]
fzdz
остальные две слагающие притяжения равны 0, так что притяжение на-
вравлено вертикально вверх.
8) Найти притяжение конусом его вершины (рис. 106).
2пЛр
Ответ, F=Ft =
I
(l-h).

828
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
|65(
9) Найти притяжение, испытываемое любой точкой А (массы 1) со сто-
стороны сферы (рис. 107).
'' У
У
Рис. 106.
Рис. 107.
Решение. Обозначим радиус сферы через R, а расстояние О А через а
Оси координат расположим так, чтобы положительное направление оси г
проходило через точку А. Тогда
F* =
а)
Ш
(V)
-«J]2
R
dxdy
-R
Внутренний интеграл легко вычислить путем перехода к полярным коорди-
координатам, он равен
2тс|
8атем,
-R
Ho
-R
-R
—2R, если
— 2а, если a^R.
С помощью подстановки t =
интеграл:
R
— R
— 2az-\-as легко вычислить и второй
О
если

650]	| I. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ	829
Окончательно получаем, что
—о-гс^'р •—, если
4
—q-^ep,	если
В то же время, очевидно, Fx= Fy = 0. Итак, во всех случаях притяжение
направлено к центру сферы.
При этом точка, находящаяся вне сферы (a^R), испытывает со сто-
стороны последней такое же притяжение, какое испытывало бы, если бы
$ центре сферы была сосредоточена вся ее масса m = -^-^Rsf. С другой
стороны, так как по отношению к точке, лежащей внутри сферы (а < R),
притяжение не зависит от R (и имеет такую же величину, как и в случае
R = a), то ясно, что наружный сферический слой не оказывает на внут-
внутреннюю точку никакого действия.
10) Найти потенциал цилиндра на центр его основания.
Указание. Здесь проще начать с интегрирования по х и у, причем
двойной интеграл вычислить с привлечением полярных координат:
= ^R* . In
11) Найти потенциал конуса (а) на его вершину и (б) на центр его осно-
основания.
Указание — то же.
Ответ, (a) W=nh(l— Л)р;
(б) У=
12) Найти потенциал сферы на произвольную точку А.
Решение. При обозначениях задачи 9) имеем
Г dg PC 	dxdy
R
— R
Различая случаи a $J R, имеем далее
Л
\ VR* —
R
dz= ±
¦~R

330	ГЛ. XVIH. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|65С
*	BRa (ess/?),
Таким образом,
1*/?»р • —	(а:
Мы видим прежде всего, что потенциал на точку, лежащую вне сфе-
сферы, таков же, как если бы вся масса сферы была сосредоточена в et
центре.
Вторая же из полученных формул приводит к такому следствию. Есл*
рассмотреть полую сферу с внутренним радиусом Rl и внешним радиу-
радиусом R2, то ее потенциал на точку, лежащую в полости (а < Rt), предста
вится в виде разности
и не зависит от а. Потенциал полой сферы в пределах полости сохраняет
постоянную величину.
г
Рис. 108.
13) При обозначениях рис. 108 найти моменты инерции тора: I, и 1Х
[См. 648 A5).]
Указание. Имеем
(x*+y*)dxdy,
где /?! = rf—У а* — г2, Rt = d-+-Ya* — *2
ются переходом к полярным координатам
Ответ, 1г = ^ аЧ Dd2 + За2) 9, 1Х = ? а
Двойные интегралы вычисля
3 + 5а2) р.

«501
§ 1. ТРОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ И ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ
331
14) Пусть тело (V) вращается вокруг оси z с угловой скоростью «.
Тогда для элемента dm = pdV, отстоящего от оси вращения на расстояние
г = У~хг-\-уг, линейная скорость будет v=ru>, а следовательно кинети-
кинетическая энергия
rfr=yrfm-»2 = yco2r2ptfK.	Zk
Отсюда легко получить выражение для кине-
кинетической энергии Г всего вращающегося тела:
=4ш8 \ \\
(V)
В последнем интеграле мы узнаем выра-
выражение для момента инерции /г нашего тела
относительно оси вращения [648 A5)]. Итак,
окончательно имеем
„ 1 , ,
Рис. 109.
15) Поставим теперь задачей вычислить момент инерции рассматривае-
рассматриваемого тела (V) относительно произвольной оси и (рис. 109), составляющий
е координатными осями, соответственно, углы о, р, -у.
Для расстояния MD = b произвольной точки М (х, у, г) тела от оси
имеем 52 = г2 — d3, где, как известно из аналитической геометрии,
г1 = Xs -\- уг -\- г2, d = х cos о -{¦ у cos f! -{- г cos -у *.
Так как cos2o+ cos2 p + cos2f=l, получаем отсюда
»> = х2 (cos2 p + cosat) + y (cos2f+ cos2 a) + г2 (cos2 о + cos2?) —
— 2yz cos p cos f — 2zx cos -y cos о — 2xy cos о cos P-
Теперь ясно, что
/e = \\ f 5*p dV = Ixcos* a -f Iy cos2 p + /г cos2 -y —
— 2Kyz cos p cos f — 2KZX cos f cos а — 2Kxy cos о cos p,
где
(V)
(V)
dV.
(V)
Последние интегралы носят название произведений инерции или
Центробежных моментов [ср. 599, 5)].
Если пожелать наглядно изобразить распределение моментов инерции
тела относительно различных осей, проходящих через начало, то аналогично
|ому, как мы это делали для плоской фигуры, следует на каждой оси и от-
зЬжить отрезок
(Пусть
4=.
COSf
"VTtt
* Последнее соотношение есть запись того факта, что точка М лежит
яр плоскости, проходящей перпендикулярно к оси на расстоянии d от начала.

332	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[650
будут координаты конца N этого отрезка. Тогда из найденного для /в вы-
выражения легко получить уравнение геометрического места точек Nl
Y2 + IZZ2 — Жу* YZ — 2KZXZX— 2KxyXY= 1.
У Y + IZZ2 — Жу* YZ — 2KZXZX— 2Kxy
Так как ON не обращается в бесконечность, то эта поверхность вто-
второго порядка необходимо является эллипсоидом; она носит название эллип-
эллипсоида инерции. При исследовании движения твердого тела важную роль
играют оси эллипсоида инерции, называемые главными осями инерции; если
точка О есть центр тяжести тела, то соответствующие оси инерции назы-
называются главными центральными осями инерции.
Будет ли та или другая из координатных осей главной осью инерции,
зависит от центробежных моментов. Например, для того чтобы ось
х была главной осью инерции, необходимо и достаточно выполнение условий
Кху = 0, K.zx — О-
В частности, они выполняются, если массы расположены симметрично от-
относительно плоскости yz.
16) Рассмотрим, в заключение, вопрос о центробежной силе,
развивающейся при вращении твердого тела вокруг оси.
Если тело (V) вращается вокруг оси г с угловой скоростью <о, то на
элемент dm = ? dV тела будет действовать элементарная центробежная сила
величины
dF= ш2г dm = co2rp dV,
где г есть расстояние элемента от оси вращения. Ее проекции на коорди-
координатные оси будут
dFx = cAtp dV, dFy = <-o2ypdV, dFz = 0,
так что проекции результирующей центробежной силы F выразятся
интегралами
где Му2, Mzx — статические моменты нашего тела. Если через 5, •<), С обоз-
обозначить координаты центра тяжести тела, то эти формулы перепишутся так:
Отсюда видно, что упомянутая результирующая центробежная сила F
в точности такова, как если бы вся масса тела была сосредоточена в
его центре тяжести.
Элементарная центробежная сила, о которой выше была речь, имеет
следующие моменты относительно координатных осей:
dMx = zdFy = со2^гр dV, dMy — zdFx= Лхр dV, dMz = 0.
Следовательно, результирующие моменты относительно этих осей будут:
Для того чтобы центробежные силы взаимно уравновешивались и не
оказывали никакого действия на вал (а через его посредство — на подшип-
подшипники, в которых он укреплен), необходимы и достаточны условия:

6511	$ 2. ФОРМУЛА ГАУССА-ОСТР ОГР АДСКОГО	333
Первые два означают, что центр тяжести тела должен лежать на оси г;
пусть это и будет начало О. Последние же два показывают, что ось г должна
быть одной из главных осей инерции. Итак, центробежная сила не произ-
производит давления на подшипники лишь при условии, если ось вращения со-
совпадает с одной из главных центральных осей инерции вращающего-
вращающегося тела.
§ 2. Формула Гаусса — Остроградского
651. Формула Остроградского. В теории двойных интегралов мы
ознакомились с формулой Грина, связывающей двойной интеграл
по плоской области с криволинейным интегралом по контуру области.
Ее аналогом в теории тройных интегралов служит формула Остро-
Остроградского, связывающая тройной интеграл по пространственной
области с поверхностным интегралом на границе области.
Рассмотрим тело (V) (рис. 96), ограниченное кусочно-гладкими
поверхностями	,оч	.
(SO z = zt(x,y)	-
E,) z = Z(x, у) к °^ ;
' и цилиндрической поверхностью (S3), образующие которой парал-
' лельны оси z. Направляющей здесь служит кусочно-гладкая замкну-
замкнутая кривая (К) на плоскости ху, ограничивающая область (D) — проек-
проекцию тела (V) на эту плоскость.
Допустим, что в области (V) определена некоторая функция
R (х, у, z), непрерывная вместе со своей производной -т- во всей
области (V), включая ее границу. Тогда имеет место формула
^dxdydz=^{Rdxdy,	.	A)
причем 5 есть поверхность, ограничивающая тело, и интеграл справа
распространен на внешнюю ее сторону.
Действительно, по формуле A1*) п° 646,
(D)	г„ (х, у)
= \\R(x, у, 1(х, у))dxdy — \\R(х, у, z0(x, у))dxdy.
(D)	(О)
Если ввести в рассмотрение поверхностные интегралы, то, в силу
формул C) и C*) п° 635,
~dxdydz= [ ? R(x, у, z)dxdy+ <\ [ R(x, у, z)dxdy,
причем первый из интегралов справа распространен на верхнюю

334	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1651
сторону поверхности E), а второй — на нижнюю сторону поверх-
поверхности (Si). Равенство не нарушится, если мы прибавим к правой его
части интеграл
$ $ R (х, у, z) dx dy,
распространенный на внешнюю сторону поверхности E), так как
этот интеграл равен нулю [636, E)]. Объединяя все три поверхност-
поверхностных интеграла в один, мы и придем к формуле A), которая пред-
представляет собой частный случай формулы Остроградского.
В приведенном рассуждении читатель, вероятно, уже усмотрел
сходство с тем, с помощью которого в п° 638 была выведена фор-
формула A4) для объема тела (V): эта последняя получается из фор-
формулы A) при R(x, у, z) = z.
Как и там, легко понять, что формула A) верна для более широ-
широкого класса тел, которые могут быть разложены на части изученного
типа. Можно доказать также, что формула A) справедлива вообще
для тел, ограниченных произвольными кусочно-гладкими поверхностями.
Доказательство проводится в основном так же, как и в п° 638,
при расширении условий применимости формулы для объема. К этому
добавим только одно замечание. Если рассматриваемое тело (V) пред-
представляет собой «призматический брус», ограниченный, скажем, справа
поверхностью x = g(y, z), то изложенное в п° 638 рассуждение
переносится на настоящий случай лишь в предположении, что функ-
ции R и -g- определены и непрерывны и в некоторой области справа
от упомянутой поверхности (ибо вписанная многогранная поверхность
может и выйти несколько за пределы рассматриваемого тела)*.
Аналогично формуле A) имеют место и формулы:
\\?\\	B)
(V)	\
fi[	C)
если функции Р и Q непрерывны в области (V) вместе со своими
дР dQ
ПРОИЗВОДНЫМИ тр И -s^.
Сложив все три формулы A), B), C), мы и придем к общей
формуле Остроградского:
\\l?x? ?)^
* На деле для верности формулы это предположение несущест-
несущественно.

652J	§ 2. ФОРМУЛА ГАУССА - ОСТРОГРАДСКОГО	335
Она выражает общего вида поверхностный интеграл второго типа,
распространенный на внешнюю сторону замкнутой поверхности, через
тройной интеграл, взятый по телу, ограниченному этой поверхностью.
Если привлечь к рассмотрению поверхностные интегралы первого
типа, то получим другой, весьма употребительный и легко запоми-
запоминаемый вид формулы Остроградского:
= $ $(Р cos x-fQ cos fi, 4-# co
где X, (j., v суть углы, составленные внешней нормалью к поверх-
поверхности (S) с координатными осями.
Замечание. Формулы Грина, Стокса и Остроград-
Остроградского объединены одной идеей: они выражают интеграл, распро-
распространенный на некоторый геометрический образ, через интеграл, взя-
взятый по границе этого образа. При этом формула Грина относится
к случаю двумерного пространства, формула Стокса — также к
случаю двумерного, но «кривого» пространства, а формула Остро-
градского — к случаю трехмерного пространства.
На основную формулу интегрального исчисления
ь
\f(x)dx=f(b)-f(a)
а
мы можем смотреть, как на некоторый аналог этих формул для
одномерного пространства.
652. Приложение формулы Остроградского к исследованию
поверхностных интегралов. Пусть в некоторой открытой области G)
трехмерного пространства заданы непрерывные функции Р, Q, R.
Взяв любую замкнутую поверхность (S), лежащую в этой области и
ограничивающую некоторое тело, рассмотрим поверхностный интеграл
\\Pdydz-\-Qdzdx-\-Rdxdy =
IS)
= $ $ (Р cos X -f- Q cos (i. -j- R cos v) dS. F)
(S)
Какому условию должны удовлетворять функции Р, Q, R,
чтобы интеграл F) всякий раз оказывался равным нулю?
Эта задача аналогична задаче об обращении в нуль криволиней-
криволинейного интеграла по замкнутому контуру [601, 641], которая легко
разрешалась с помощью формулы Грина или Стокса. Здесь же
кы прибегнем к формуле Остроградского, предполагая, конечнб,

836	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1653
что для функций Р, Q, R существуют и непрерывны те производ-
производные, которые фигурируют в этой формуле.
Однако для того чтобы иметь право преобразовать интеграл F)
по формуле Остроградского, необходимо и в настоящем случае
наложить некоторое ограничение непосредственно на основную об-
область (Г). Именно, нужно потребовать, чтобы, лишь только обла-
области (Т) принадлежит простая замкнутая поверхность (S), огра-
ограничивающая извне тело (V), то и это тело также целиком со-
содержится в указанной области. Область, обладающую этим свой-
свойством, называют («пространственно») односвязной [ср.
641]. Сущность этого типа односвязности состоит в отсутствии «дыр»,
хотя бы и точечных; по отношению к телу, не простирающемуся
в бесконечность, можно было бы попросту потребовать, чтобы его
границей служила одна-единственная замкнутая поверхность
[ср. 659]. Поэтому, например, в отличие от сказанного по поводу
«поверхностной» односвязности в 641, здесь тор будет односвязным
телом, а полая сфера — нет.
Формула Гаусса—Остроградского сразу приводит к ис-
искомому условию:	, ЯГЛ ,п
OP I OQ ¦ OR п	,„ч
¦з—г -г1 ¦+- -г- = 0.	(В)
дх ' ду ' az	v '
Достаточность его очевидна, а необходимость легко
доказывается с помощью дифференцирования тройного интеграла по
области [644, 8°].
Аналогично случаю криволинейных интегралов, вопрос об обра-
обращении в нуль интеграла по замкнутой поверхности оказывается рав-
равносильным вопросу о независимости интеграла по незамкнутой по-
поверхности, «натянутой» на данный контур, от формы поверхности.
Останавливаться на этом не станем.
В заключение заметим, что если требование непрерывности функ-
функций Р, Q, R и их производных нарушено в одной или нескольких
точках области G), то и при выполнении равенства (В) интеграл F)
может оказаться отличным от нуля. Но в этом случае нетрудно
установить, что интеграл F) имеет одно и то же значение для всех
замкнутых поверхностей (S), охватывающих определенную особую
точку [ср. 562].
Все эти обстоятельства иллюстрируются на примере интеграла
Гаусса, которому мы посвящаем следующий п°. ¦>
653. Интеграл Гаусса. Так называется интеграл
где г есть длина радиуса-вектора, соединяющего постоянную точку А E, •»), ?)
с переменной точкой М (х, у, г) поверхности:

653]	$ 2. ФОРМУЛА ГАУССА — ОСТРОГРАДСКОГО	337
а через (г, п) обозначен угол между этим радиусом-вектором и нормалью к
поверхности в точке М. При этом поверхность (S) предполагается двусто-
двусторонней, и нормаль п отвечает определенной ее стороне.
Если направляющие косинусы нормали суть cosX, cos [л, cosv, то
cos (г, п) = cos (х, г) cos X -f- cos (у, г) cos [x + cos B, г) cos v =
,2 — С
|COS V.
х — S . , v — ¦»]	,2 — С
= 	COS X -f- —	 COS [Л -|
Таким образом, интеграл Гаусса перепишется так:
(S)
Здесь
у. 	 С
I"»	•
так что
дР_ 1 3 (х — S)" dQ_J	3 (у — ->)J d#_J	3(г — СK
длг г3	г5 ' ду г3	гъ ' dz rs	гъ '
Легко проверить выполнение условия (В) во всем пространстве, исклю-
ч а я т о ч к у А (?, -г), С), в которой функции Р, Q, R терпят разрыв. Следо-
Следовательно, интеграл Гаусса, взятый по замкнутой поверхности, равен нулю,
если поверхность не охватывает точки А. Для всех же поверхностей, со-
содержащих эту точку внутри себя, интеграл сохраняет одно и то же значе-
значение. Его легко найти, если за поверхность (S) взять, например, сферу, опи-
описанную радиусом R вокруг точки А. Здесь радиус-вектор точки сферы со-
сохраняет постоянную длину, а направление его совпадает с направлением
внешней нормали к сфере, так что cos (г, л) = 1. Имеем:
— — — — 4тг
W
таково значение интеграла Гаусса для всех поверхностей, окружающих
точку А.
Все эти результаты легко устанавливаются и непосредственно, если ис-
исходить из геометрического смысла интеграла Гаусса, как меры телесного
угла *, под которым поверхность (S) видна из точки А.
Для доказательства этого предположим сначала, что поверхность (S) пере-
пересекается с каждым лучом, исходящим из точки А, не более, чем в одной точке.
Пусть нормаль п направлена в сторону, противоположную точке А. Взяв эле-
элемент (dS) поверхности (S), выберем точку М на нем и проведем через эту
точку сферу с центром в точке А. Если спроектировать элемент (а!5)изЛна
* Телесным углом называется часть пространства, ограниченная
некоторой конической поверхностью; вершина конуса является вершиной
угла. Если вокруг вершины описать сферу единичного радиуса, то упомяну-
упомянутая коническая поверхность вырежет на ней фигуру, площадь которой и слу-
служит мерой телесного угла.

338	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[654
упомянутую сферу, то площадь проекции будет*:
cos (г, и) dS,
так что площадь фигуры, вырезанной исходящими из А лучами зрения на
сфере единичного радиуса, будет:
cos (г, п) _
Это и есть (телесный).угол видимости элемента (dS). Мерой же угла видимости
всей поверхности (S) служит сумма всех элементарных углов, т. е. интеграл G.
Если поверхность (S) пересекается с лучами, исходящими из А, более чем
в одной точке, но может-быть разложена на части, каждая из которых пе-
пересекается этими лучами уже лишь в одной точке, то нужно лишь просум-
просуммировать интегралы Гаусса, относящиеся к этим частям.
Обычно выбирается определенная сторона поверхности, и направление нор-
нормали п согласуют с этим выбором. Тогда для одних участков поверхности эта
нормаль окажется направленной в сторону, противоположную Д и угол види-
видимости получится с плюсом; для других же участков, где нормаль направлена
в сторону А, этот угол получится с минусом. Интеграл Гаусса будет алге-
алгебраической суммой этих углов видимости.
Из геометрического истолкования интеграла Гаусса непосредственно
ясно, что если поверхность (S) замкнута и точка А лежит внутри ограни-
ограниченной ее области, то О = 4я. Наоборот, если точка лежит вне этой области,
то углы видимости разных знаков взаимно уничтожаются и G = 0.
Если точка А лежит на самой поверхности (S), то интеграл Гаусса
становится несобственным. Легко понять, что если поверхность (S)
в точке А имеет определенную касательную плоскость, то О = 2я.
654. Примеры. 1) Преобразовать по формуле Остроградского
поверхностные интегралы:
(S)
(б)	/2 = \ [ У"л:а+У -f-za (cos X + cos fi + cos ч) dS,
W
(в)	/, = { [ x dy dz -\- у dz dx -\- z dx dy,
is?
считая, что поверхность (S) ограничивает тело (V).
Ответ.
(а) Л=:
(в) /8 = ЗУ[ср. 638A6)!].
* При этом мы приближенно считаем как элемент (dS), так и его про-
проекцию плоскими и пользуемся формулой для ортогональной (а не цен-
центральной) проекции. Но для бесконечно малого элемента (dS) и допускаемая
здесь относительная погрешность будет бесконечно мала.

654]	« 2, ФОРМУЛА ГАУССА - ОСТРОГРАДСКОГО	339
2) Доказать с помощью формулы Остроградского формулы:
(a)
{ ? С
(б) { ? С ©Да dx dy dz =
ди
(в) ^^
(V)	(S)
если положить
df df , . . df . . . df ,
•r- = -r- c°s (x, п)Л-4- cos (v, n) + -f- cos (г,
o/t ox	r>"	rf*
и разуметь под я внешнюю нормаль к поверхности.
Указание. Решение этой и ближайших задач вполне аналогично
решению задач 3), 4), 5), 6), 7) п° 602.
3)	Функция и, непрерывная вместе со своими производными и удовлетво-
удовлетворяющая в области (V) уравнению Д« = 0, называется гармонической
в этой области. Доказать, что гармоническая функция характеризуется
выполнением условия	(* С du
V V -v- dS = О
JJdn
(S)
для любой содержащейся в области (V) простой замкнутой поверхно-
поверхности (S).
4)	Доказать следующее утверждение:
Если функция и—гармоническая в замкнутой области (V), то ее
значения внутри области однозначно определяются ее значениями на
поверхности (S), ограничивающей эту область.
5)	Пусть и есть гармоническая функция в области (V), (лг0, у0, г0) —
какая-либо внутренняя точка этой области и (S^) — сфера радиуса #с
центром в точке (л:0, у0, г0). Тогда имеет место формула:
« (х„, у0, *„) =
Доказать это.
Указание. См. доказательство в 602, 6); лишь в качестве вспомога-
вспомогательной гармонической функции здесь следует взять v = —, где
г= У(х—хв
6) Доказать, что функция и(х, у, г), непрерывная в замкнутой обла-
области (V) и гармоническая внутри области, не может достигать своего
наибольшего {наименьшего) значения внутри области (если только не
сводится к постоянной),
Пользуясь этим, усилить результат в 4) наподобие того, как это сделано
в 602, 7).

340	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[654
7).Доказать, что жесткая замкнутая поверхность, подвергнутая всесто-
всестороннему равномерному давлению, остается в равновесии.
С этой целью установим, что равны нулю главный вектор и главный
момент (относительно какой-либо точки) всей системы приложенных к по-
поверхности сил.
Выделим элемент (dS) поверхности. Если через р — const, обозначить
давление, т. е. силу, действующую на единицу площади, то элементарная
сила, действующая на (dS) по нормали к этому элементу, будет иметь про-
проекции на оси
-~рcos! dS, —pcosfxrfS, —pcosvdS	G)
(знак минус поставлен потому, что давление направлено внутрь поверх-
поверхности, а X, [х, v суть углы внешней нормали с координатными осями).
Проекции Rx, Ry, Rz главного вектора получаются из проекций G) эле-
элементарных сил суммированием их:
Rx = — р $ J cos X dS, Ry=—p\\cosiidS, Rz= — p § \ cosv dS.
\S)	E)	E)
Но все эти интегралы равны нулю, что видно из формулы Ос троград-
ского, если положить в ней
P=l, Q = R — 0; Q=\, P = R = 0; R—\, P=Q = 0.
Итак, главный вектор давлений равен нулю.
Для определения главного момента системы элементарных сил, скажем,
относительно начала координат, просуммируем составляющие по осям мо-
моментов этих элементарных сил *:
p(zcos[x—у cos ч) dS, p(xcosv—zcosX)rfS, p(y cos\—xcosp) dS.
Таким образом, проекции главного момента давлений относительно начала будут:
Lx=р \ \(z cos (д. —у cos v) dS, Ly =p \ J (x cos v — г cos X) dS,
(S)	(S)
Lz=p\ J(ycosX—xcostfdS.
(S)
Если в формуле Остроградского взять Р = 0, Q =pz, R= —ру, то
получим, что Lx = 0. Так же легко установить, что и Ly=-L2 — 0. Главный
момент давлений {относительно начала) равен нулю. Этим и завершается
доказательство.
8) В качестве последнего примера применения формулы Остроград-
с к о г о выведем один из основных законов гидростатики —закон Ар х им еда.
Известно, что давление жидкости на погруженную в нее площадку напра-
направлено по нормали к площадке и равно весу столба жидкости, основанием кото-
которого служит эта площадка, а высотой — глубина погружения площадки. Допу-
Допустим теперь, что в жидкость погружено твердое тело (V); на каждый элемент
(dS) его поверхности (S) по указанному закону давит жидкость. Требуется
определить равнодействующую элементарных давлений и ее точку приложения.
* Напомним, что если слагающие силы по осям суть X, Y, Z, и прило-
приложена она в точке (х, у, г), то момент силы относительно точки (?, -ц, ?) имеет
следующие проекции на оси:

654J	S 2. ФОРМУЛА ГАУССА - ОСТРОГРАДСКОГО	341
Для решения этой задачи выберем координатную систему, совместив
плоскость ху со свободной поверхностью жидкости, а ось z направив верти-
вертикально вниз.
Пусть удельный вес жидкости равен р, а глубина погружения элемента
(dS) есть z; тогда испытываемое этим элементом давление будет:
а составляющие его но осям
— рг cos X dS, — рг cos ja dS, — рг cos v dS.
В таком случае для проекций главного вектора на оси имеем:
Rx = — р ^ V z cos X dS, fiy = — р \ \ z cos ja dS,
(S)	(S)
^?, = — p \ \ z cos v dS.
С помощью формулы Остроградского, как и в предыдущей задаче,
легко получить
Таким образом, главный вектор давлений направлен вертикально вверх и
равен весу вытесненной телом жидкости.
Рассмотрим теперь моменты элементарных сил относительно центра тя-
тяжести С E, т), С) т-ела (здесь и дальше имеется в виду центр тяжести
геометрического тела при равномерном распределении масс; он
может не с&вяадать с центром тяжести физического тела). Составляю-
Составляющие элементарных моментов по осям будут
рг [(г—t) cos [л — (у-—tj)cosv], рг [(х — ?) cosv—(г — C)cosX],
Рг [(У — гд cos X — (х — 5) cos |x],
а для составляющих главного момента (относительно точки С) получим:
S \	а — (у — yj)cosv]«/S,
Z.J, = р J J г [(х — S) cos v — (г — С) cos X] rfS,
(S)
Lz = ?\ \г[(у — i))cosX— (.v— ?)cosjA]rfS.
Применяя к первому интегралу формулу О ст р о г р ад с к о г о, найдем:
^ \ \ to-y)dv=9Uv-
ибо интеграл \lj(ji(/l/ есть статический момент тела относительно пло-
(V)
скости xz и равен ^V. Аналогично устанавливается, что Ly = 0; непосред-
непосредственно получается, наконец, что и 1г=0.

342	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[655
Итак, главный момент давлений относительно центра тяжести тела
равен нулю. Сопоставляя это утверждение с ранее доказанным предложением
о главном векторе, приходим к такому заключению: на тело, погруженное
в жидкость, со стороны последней действует сила, равная весу жидкости,
вытесненной телом; эта сила приложена к центру тяжести (геометри-
(геометрического) тела и направлена вертикально вверх.
§ 3. Замена переменных в тройных интегралах
655. Преобразование пространств и криволинейные коорди-
координаты. Идеи, развитые в п° 603 в связи с преобразованием плоских
областей, естественно переносятся и на случай пространственных
областей.
Пусть имеем пространство, отнесенное к системе прямоугольных
координат xyz, и другое пространство с системой координат bjC
Рассмотрим две замкнутые области (D) и (Д) в этих пространствах,
ограниченные соответственно поверхностями (S) и B), которые мы
всегда будем предполагать кусочно-гладкими. Допустим, что эти
области связаны между собой взаимно однозначным непре-
непрерывным соответствием, которое осуществляется формулами:
х — х($, т\, С), |
у=у(%, т), С),	A)
* = *(?, % Q. )
При этом, необходимо, точкам поверхности (?) отвечают именно
точки поверхности (S), и наоборот.
Пусть функции A) имеют в области (Д) непрерывные частные
производные; тогда и якобиан
D (х, у, z)	™
Z3(S, v), С)	W
также является непрерывной функцией в (Д). Мы и здесь [ср. п° 603]
будем считать, что этот определитель всегда отличен от нуля,
сохраняя определенный знак.
Если в области (Д) взять кусочно-гладкую поверхность:
е = ?(и, v), 11 = 4(и, «), С = С(я, v)	C)
(предполагая, что параметры изменяются в некоторой области Е на
плоскости uv), то формулы A) преобразуют ее в кусочно-глад-
кусочно-гладкую же поверхность в области (D). Эта поверхность будет иметь
уравнения
х = х Q. (и, v), т] (и, v), С (и, v)) — х (и, v), у ==у (и, v), z = z (и, v). D)
Ограничимся случаем гладкой поверхности B): на ней особых точек
нет, так что определяем:
ц. С) Д(С6) D F, ц)	,«
D(u,v)' D{u,v)' D(u,v)

6561	§ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	343
одновременно в нуль не обращаются. Проверке подлежит лишь отсут-
отсутствие особых точек и на поверхности C).
По формуле F) п° 204 имеем линейные равенства относительно
величин D):
Д(У,г) = Д(з>, г) РЫ, С) , Р(у, г)	Р(С, ?) ¦
Р (и, v) P (i), С) ' ?) (к, ») ' ?> (С, ?) '	Р (u, w) "T~"
I P(y, z)	D(E, tj)
' D(S, tj) '	D (u, w)'
P (г, *) _ D (г, лг) Р (ц, С) , ZHv*)	D (t, j) ,
D (u, v) P (t), C) ' P (u, w) "t" d (t, g) '	d (Ul v) ~T
P(г, jc)	D(|,_
O(*,j>)_D(jf,j>)
Определитель, составленный из коэффициентов при этих величинах,
т. е. из алгебраических дополнений к элементам определителя B), —
по известной теореме алгебры равен квадрату этого последнего и,
следовательно, вместе с ним отличен от нуля. Если бы левые
части написанных равенств в какой-нибудь точке (и, v) одновременно
обратились в нуль, то нулями были бы и все три определителя E),
что противоречило бы допущению.
Числа S, •»), С, однозначно характеризующие положение точки
в пространстве xyz, называются криволинейными координатами
этой точки. Точки пространства xyz, для которых одна из этих
координат сохраняет постоянное значение, образуют координатную
поверхность. Всего будет существовать три семейства таких коор-
координатных поверхностей; через каждую точку области (D) проходит
по одной поверхности каждого семейства.
Впрочем, все это будет так лишь в предположении строгой однознач-
однозначности соответствия между областями (D) и (Д). На
практике эта однозначность часто нарушается.
656. Примеры. 1) Цилиндрические координаты
представляют соединение полярных координат в пло-
плоскости хусобычнойдекартовойаппликатойг(рис. ПО).
Формулы, связывающие их с декартовыми, имеют вид
г = г.	B)
: Эти формулы отображают область
к.	~~~~
на все пространство xyz. Отметим, однако, что прямая р—0, г = г отобра-
отображается в одну точку @, 0, г); этим нарушается взаимная однозначность соот-
соответствия.

344
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[656
Координатные поверхности в рассматриваемом случае будут:
(а)	р== const. — цилиндрические поверхности с образующими, параллель-
параллельными оси г; направляющими для них служат окружности на плоскости ху
с Центром в начале;
(б)	6 = const—полуплоскости, проходящие через ось г;
(в)	г = const — плоскости, параллельные плоскости ху.
Якобиан преобразования:
cos в sin в
	р Sin I
О
р COS 6
О
cos в sin в
— sin 6 cos в
= р.
где
Исключая случай р=0, якобиан сохраняет положительный знак.
2) Сферические координаты, называемые иначе полярными координа-
координатами в пространстве, связаны с декартовыми формулами:
л: = г sin <p cos в, у = г sin <p sin в, z = г cos tp,
О s? r < + со, 0 s? tp si я, Ог?б<2я.
Геометрический смысл величин г, <р, 6 ясен из рис. Ill: r есть радиус-век-
радиус-вектор ОМ, соединяющий начало (п о л ю с) с данной
точкой М; tp—угол, составляемый этим радиусом-
вектором с осью «(полярной осью); в —
угол, составляемый с осью л: проекцией ОР = г sin tp
радиуса-вектора ОМ на плоскость ху (перпенди-
(перпендикулярную к полярной оси).
В этом случае мы снова сталкиваемся с нару-
нарушением взаимной однозначности соответствия:
плоскость г = 0 пространства г<р9 отображает-
отображается "в начало координат x=y = z — 0, прямая
<р = 0(я) , г = г отображается в одну точку:
О
Рис. 111.
х=у=-0, z-=r.
Координатные поверхности составляют три семейства:
сферы с. центром в начале координат;
осью которых служит ось г;
проходящие через ось г.
Якобиан этого преобразования»
sin ip cos в sin ep sin 6
COS?
r cos <p cos 6 r cos tp sin 9 — r sin <p
— r sin <f sin 9 r sin <p cos 9	0
= r2 sin <p.
Якобиан сохраняет знак плюс, за исключением упомянутых выше слу-
случаев, когда г = 0, либо <р = О(я), и якобиан обращается в нуль.
3) Преобразование пространства самого в себя по формулам:
г	6	1f	Т	,	С
?2 +12 +12 > 0) однозначно обратимо:
5 =
	У
? = -
Оно, как и в случае плоскости [604, 2)], называется инверсией и имеет
наглядно геометрическое истолкование; предоставляем читателю установить
его, равно как и найти отвечающие этому преобразованию три семейства
координатных поверхностей.

657]	g 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	345
4) Эллиптические координаты. Рассмотрим семейство софокусных и со-
ссновных поверхностей второго порядка:
состоящее из эллипсоидов (при X > k), однополостных гиперболоидов (при
k > X > h) и, наконец, двуполостных гиперболоидов (при 0 < X < Л).
Через каждую точку (х, у, г) пространства, не лежащую на координат-
координатных плоскостях, проходит по одной поверхности каждого типа. Действи-
Действительно, левая часть уравнения, получаемого из B):
X2 (Is — Л2) (Xs — ft2) — (X2 — Л2) (X2 — /г2) х2 — X2 (X2 — k2) у* —
_Х2(Х2 — Л2)г2 = 0,
имеет знак минус при Х=0, знак плюс при Х = Л, снова знак минус при
X = ft и, наконец, знак плюс при больших X. Отсюда следует, что уравнение
имеет три положительных корня: один X > k (что отвечает эллип-
эллипсоиду), второй (л < k, но > h (он дает однополостный гиперболоид), третий
ч < h (двуполостный гиперболоид).
Используя свойства корней написанного выше уравнения, которое мы
можем рассматривать как кубическое уравнение относительно X2, а именно:
X2
XV2 + f1^
X>V = h2k2x2,
найдем:
=±V ,._ ^ K( h2) fc2- h2) (h* =
—Л2
Если ограничиться первым координатным октантом, то в этих формулах над-
надлежит сохранить лишь положительные знаки, Числа X, jx, v можно рассмат-
рассматривать, как криволинейные координаты точек этого угла. Их и называют
эллиптическими координатами. Три семейства координатных поверхно-
поверхностей— это и будут семейства эллипсоидов, однополостных и двуполостных
гиперболоидов, о которых была речь выше.
Якобиан преобразования имеет вид:
/=-
1/"(X2 — Л2) (X2 — ft2) (fi2 — Л2) (ft2 — ц») (Л2 — m2) (ft2 — v2) *
657. Выражение объема в криволинейных координатах. Воз-
Возвращаясь к предположениям и обозначениям п° 655, поставим себе
задачей выразить объем (ограниченного) тела (D) в пространстве хуг
тройным интегралом, распространенным на соответствующее тело (Д)
в лространстве Irf.*.
* Как и в п" 605, мы и здесь предполагаем дополнительно существова-
существование и непрерывность частных производных, скажем,
это облегчает доказательство, хотя не существенно для верности самого
результата.

348	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[657
Искомый объем выражается прежде всего поверхностным интегра-
интегралом второго типа [см. 613 A4)]:
D — 1 \zdxdy,
распространенным на внешнюю сторону поверхности (S). Отсюда
постараемся перейти к обыкновенному двойному интегралу.
Будем исходить из параметрических уравнений C) поверхности E)
(и, v изменяются в области (Е) на плоскости uv). Тогда уравне-
уравнения D) выразят, очевидно, поверхность (S).
Полагая
г_Р(х,у)
^ — D(u,v)'
по формуле (8) п° 636 имеем:
D = \ \zCdudv.
(Е)
При этом интеграл берется со знаком плюс, если ориентация поверх-
поверхности (S), связанная с рассмотрением внешней ее стороны,
соответствует ориентации плоскости uv, что всегда можно предпо-
предположить [620, 621].
Так как х, у зависят от и, v через посредство переменных
?, % ?, то, по известному свойству функциональных определителей,
[204, F)]:
г_Р(х, у)Р$, т,) , Р (х, у) D (т,, С) , D(x, y)D{Z,, ?)
ь	^'	~^) P(u,v)'
Подставляя выражение С в полученный выше интеграл, найдем:
D= \У \PW~4) ЩцГЪ + Щ^ТТ) Щ^Т) +
Сопоставим этот интеграл с поверхностным интегралом второго
типа, распространенным на внешнюю сторону поверхности (?):
Если его преобразовать, исходя из параметрических уравнений C),
к обыкновенному двойному интегралу, по формуле, аналогичной
формуле A0) п° 636, то придем как раз к интегралу D). Единствен-
Единственное различие между этими интегралами может заключаться лишь
в знаке: если ориентация плоскости uv соответствует ориентации

657J
§ 8. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ
347:
поверхности Q]), связанной с рассмотрением внешней ее стороны,
го интегралы равны, в противном же случае они разнятся знаками.
Наконец, от интеграла G) по формуле Остроградского
можно перейти к тройному интегралу по области (Д):
D)
Подинтегральное выражение равно:
дгР(х, у) ¦ дгР(х,у) . дгР(х,у) ,
di P (tj, С) ' <Ji) D (С, ?) ' <?С D E, tj) '
i JdP(x,y) , ^Р(лг, j>) , a P(x, j>)
+ L
Сумма, стоящая здесь в первой строке, равна якобиану:
D (лг, j;, г)
дх
ду
dz
да
дх
дг\
ду
dz
дх
Ж
ду
дг
дС
в чем легко убедиться, разлагая этот определитель по элементам
последней строки; сумма же в квадратных скобках, как показывает
непосредственное вычисление, равна нулю *.
Таким образом, приходим к формуле:
(л)
Если вспомнить, что по предположению якобиан сохраняет знак,
который он сообщает и интегралу, то станет ясно (так как мы здесь
считаем D^>0), что знак перед интегралом должен совпасть со зна--
Очевидно,
д D (х, у) _ д-х ду дх д*у д*х ду дх д*у
<?? D ft, С)" ~ д# dC + д ?W? dUdi д dZ dft
д D (лг, у) __ дгх ду дх д2у дгх ду
&п D (С,- ?) ~" дЩ 1% + Ж 7Щ~ ~Щ ~Ы
d*v
д Р(х, у) _ д*х ду дх д*у д*х ду __ дх д*у
dZ DE, -ц) ~~ didZ а^ + да ддЧ ЛД ft д д?д
Складывая эти равенства почленно, получим справа тождественно нуль.

348	ГЛ. XVHI. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	{658
ком якобиана. Это дает нам право переписать полученный результат
в окончательной форме:
или, обозначая якобиан для краткости через J(fi, ~i\, С):
(8*)
Подинтегральное выражение
D (х, у, z)
, 1), С)
= |y(?, щ
обычно называют элементом объема в криволинейных координа.'
max.
658. Дополнительные замечания. 1°. На поверхностях (Е) и (S)
мы фиксировали определенные стороны, именно, внешние по отно-
отношению к ограниченным ими телам. В связи с этим для названных
поверхностей установлены и определенные ориентации [620]. Если
точка на поверхности (S) опишет простой замкнутый контур, раз-
разделяющий поверхность, и мы остановимся на любой из
двух ограничиваемых им областей, то соответствующая
ей по формулам A) точка на поверхности (S) опишет подобный же
контур, причем на этот раз нам не придется производить выбор из
двух областей, ибо этот выбор осуществится сам со-
бою по тому же закону соответствия A). Если напра-
направление обхода первого контура с точки зрения ориентации поверх-
поверхности (L) было, скажем, положительным, то направление обхода
второго контура, если исходить из ориентации поверхности (S), мо-
может оказаться как положительным, так и отрицательным.
В первом случае мы будем говорить, что ориентации обеих поверх-
поверхностей соответствуют одна другой по формулам преобразования, а
во втором — что они не соответствуют.
Так как мы с самого начала считали ориентацию поверхности (S)
отвечающей ориентации плоскости uv, то тот или другой случай
имеет место в зависимости от того, будет ли ориентация поверх-
поверхности (?) отвечать ориентации плоскости uv или нет. С этим, в
свою очередь, был связан выбор того или иного знака перед инте-
интегралом в формуле для объема. Но в конце обнаружилось, что упо-
упомянутый знак совпадает со знаком якобиана.
Сопоставляя все сказанное, мы приходим к заключению:
В зависимости от того, сохраняет ли якобиан положитель-
положительный или отрицательный знак, ориентации обеих поверхностей
(Е) и (S) оказываются соответствующими одна другой по фор-
формулам преобразования A) или нет.

659}
I 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ
349
2°. Применяя к формуле (8*) теорему о среднем, получаем соот-
ношение	Л = |УA, i Q| Д,	(9)
где (?, т), С) есть некоторая точка из области (Д), а Д — объем этой
области. Отсюда легко вывести, что при стягивании области (Д) к
точке (&, т), С) будем иметь [ср. и 644, 8°]:
так что абсолютная величина якобиана есть коэффициент рас-
растяжения пространства ?tjC (в данной его точке) при преобразовании
его в пространство xyz.
3°. Формула (8) [(8*)] выведена при известных предположениях
(взаимно однозначное и непрерывное соответствие между областями
(D) и (Д) и т. д.). Однако, как и в 606, 4°, можно показать, что
нарушение этих условий в отдельных точках или вдоль отдельных
линий и поверхностей не мешает формуле быть верной, лишь бы
якобиан оставался ограниченным или, по крайней мере, интегрируе-
интегрируемым (хотя бы в несобственном смысле).
659. Геометрический вывод. Вывод формулы F) можно по-
построить и. на чисто геометрических соображениях (которые и здесь
впервые сформулировал М. В. О с т р о г р а д с к и й, ср. 609). Беско-
Бесконечно малому прямоугольному параллелепипеду в пространстве Ь?
с измерениями а"%, di\, dC сопоставляется элементарное тело в про-
пространстве xyz между координатными поверхностями «?» и «?-f-d!;»,
«Ki» и «Ki-j-rfvj», «С» и «C-|-dtl», которое приближенно можно рассмат-
рассматривать как косоугольный параллелепипед. Его объем равен ушесте-
ушестеренному объему тетраедра с вершинами в точках:
АС*, у, г), /
ду
Щ
¦л (*+%*+%
dz
dz
и по известной из аналитической геометрии формуле выражается
(по абсолютной величине) определителем:
dx ve dx , dx
(К
f dl Q
di	Л)
Ж'
dz ,E dz , dz ,„
зг dt -Д- d-n --di,
di	d-t] ' aC
D (x, y, z)

850
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Суммируя эти отдельные «элементы объема», приходим к фор-
формуле F).
Таким образом, существо дела и здесь в том, что для опре-
определения объема тела оно разлагается на элементы не с помощью
взаимно перпендикулярных плоскостей, а с помощью сетки коор-
координатных поверхностей.
В простых случаях выражение для «элемента объема» в криво-
криволинейных координатах может быть получено непосредственно.
Для примера в случае цилиндрических координат рассмотрим
элементарную область (в пространстве xyz), ограниченную двумя цилиндри-
цилиндрическими поверхностями радиусов р и p+rfp, двумя горизонтальными плоскостями,
лежащими на высотах z и z-\- dz,
и двумя полуплоскостями, проходя-
проходящими через ось z и наклоненными к
плоскости xz под углами 6 и в -\- db
Рис. 112а.
Рис. 1126.
(рис. 112а). Считая приближенно эту область прямоугольным параллелепипедом,
без труда находим, что измерения его суть rfp, p db и dz, так что объем его
равен р dp db dz, а якобиан, представляющий отношение этого объема
к объему dfdbdz элементарного параллелепипеда в пространстве рвг, равен р.
Аналогично в случае сферических координат рассмотрим эле-
элементарную область (в пространстве xyz), ограниченную сферами радиусов г и
r-\-dr, конусами <р и <p+fiftp и полуплоскостями 6 и Q-\-df) (рис. 1126).
И эту область можно принять за прямоугольный параллелепипеде измерениями
AD = dr, AB = rd<? и, наконец, АС. Так как дуга АС равна своей проек-
проекции MN, а последняя описана радиусом ОМ — г sin 9 и отвечает центральному
углу db, то ЛС = г sin <p d6. В силу этого объем рассматриваемой области
равен г3 sin 9 dr d<? db, а якобиан есть г3 sin у.
Оба эти результата, найденные из элементарно-геометрических сообра-
соображений, согласуются со сказанным в 656, 1) и 2).
660. Примеры. 1) Вычислить
(а)	(*+f + *y %
(б)	(
() (
объем тела, ограниченного поверхностью
+
г2 +
() ( + +)
(в) (лг2 +у* + г2)" =x

§ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	351
Решение, (а) Тело расположено симметрично относительно плоскостей
уг и zx, ибо х и у входят в уравнение только в квадратах. Далее, поскольку
левая часть уравнения всегда положительна, необходимо и z^O, т. е. все
тело лежит вверх от плоскости ху. Эти замечания позволяют ограничиться
вычислением объема четверти нашего тела, лежащей в первом октанте.
Наличие в уравнении выражения xi-\-yi-\-zi подсказывает нам переход
к сферическим координатам. Подставляя в уравнение (а) поверхности выра-
выражения
х = г sin у cos 8, у = г sin у sin 8, z = r cos у,
придем к уравнению поверхности в сферических координатах: r = aycosf'
Так как первый октант характеризуется неравенствами Osg^sg-^.Osge^
^-п-у то, учитывая значение якобиана J=rs sin у [656, 2)], будем иметь:
и:	я	з/-		*
Т ~2 ay cos <р	Т
V = 4 \ db \ dy V г2 sin у dr = -^ л«8 \ sin ? cos у dy —-^- яа".
о "о	о	о
(б) Тело лежит в первом, третьем, шестом и восьмом октантах, для кото-
которых, соответственно:
х 5г О,
a:s?0,
Оно состоит из четырех частей, которые попарно симметричны относительно
одной из координатных осей (ни левая, ни правая части уравнения не изме-
изменяются при одновременном изменении знаков любых д в у х из величин х,у, г).
Переходя к сферическим координатам, получим:
2 2 а У ein2 у cos <p sin 8 cos в
У=4 \ dd, \ d<(	\	r'sinydr =
~2
4 С	С
= -s- a8 \ sin* ;p cos <p d<p • 1 sin в cos 6 db =
О
(в) Формулы перехода к сферическим координатам здесь проще взять в
виде
х = г cos у, у = г sin у cos в, г = г sin у sin в.
Тогда уравнение поверхности примет форму г = cos2""l у.
2) Найти объем тела, ограниченного поверхностью
()(
(б) DУ)т
(а) Решение. Хотя тип задачи и несколько отличен от предыдущих,
во и здесь выгодно применить сферические координаты. Уравнение поверх-
поверхности примет форму:
rs (sin1 f> -f- cos4 cp) ^= sin <j> sin 8.

352	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	16©
Учитывая симметрию, будем иметь:
it	т_	3/"
2	2	Г si
s'n V
=4 С ^в С rf<p	С	г8 sin <fdr =
О	О
я
~2~	00	_
— AC cos2 у rfy _ 4_ С t* _ тс У 2
~ 3 Jsin4 <р + cos1 <р ~ 3 3 1+*4	~3~
(б) Указание.
udu
cos6 ф .) Зи2 —
о
(если положить m = cos2<p)- Ответ. V = —%=¦.
3/3
3) Найти объем тела, ограниченного поверхностью:
. . 1х2 у2 . г2 \2	х2у
jb-2	4«S	яЗ
(а) Решение. При наличии выражения-^+ тг--J—а в уравнении пс
верхности часто бывает полезен перехрд к обобщенным сферически;
координатам* по формулам:
х = ar sin 9 cos 8, y = br sin <p sin 9, z — cr cos <p;
якобиан в этом случае равен J = abc r2 sin ср. Имеем (с учетом симметрии
я it a2b sin3 <p cos2 9 sin 8
2	2	A3
=4\ df> \ dy	С	abcr2sin<?dr =
0	0	0
1С
2	Т
= -^ ^—г-^- \ cos6 в sin3 6 of9 V sin10 <p rf<
о	о
так что окончательно
	 те в7&4с
192 ~F~'
* Которые аналогичны обобщенным полярным координатам на плоскост!

§ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	353
(б) Ответ. V = -—abc.	(в) Ответ. V = ^abc.
4) Найти объем тела, ограниченного поверхностями
2 = 0, у = 0, у = х.
Указание. Эти поверхности определяют промежутки изменения для
Сферических координат:
1:
Тело состоит из двух обособленных кусков (в первом и третьем координат-
координатных октантах).
Ответ. V— —
5) Вычислить объем тела, ограниченного поверхностью
2	2	2
(т)т+(*)т+(т)т->-
Решение. Введем новые координаты по формулам:
х = ar sin3 <p cos3 8, y = br sin3 <p sin8 6, z = cr cos* 9
В этом случае якобиан
/= 9 abc г2 sin5 ф cos8 <p sin8 6 cos2 8,
так что
2ге
F=9a&c I r3 dr \
6) Найти объем тела, ограниченного поверхностями
I r3 dr \ sin5 <f cos2 <f dtp \ sin8 8cos2 6 rf9 = 5= я eftc.
Указание. Положить
х = г sin2 <p cos2 в, у = г sin2 <p sin2 в, г = г cos2 9
G-5=0, o<?<-J, о<в<|-).
Якобиан
J= 4r2 sin* tp cos 9 sin в cos 9.
Ответ. ^=cq-
7) Найти объем косоугольного параллелепипеда, ограниченного шестью
плоскостями:
предполагая, разумеется, что определитель
ei ^i ci
отличен от нуля.
12 Г» М. Фихтенгольц, т, Ш

354	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Решение. Введем новые переменные
[660
С = агх
ctz,
ctz
Определитель ^ ' J проще всего найти, заметив, что он равен обрат-
ной величине определителя I1' ^'—'-. . Имеем
-hi -
8) Найти объем тела, ограниченного
(а) цилиндром
(пух + buv + с,гJ + (а2лт +Ь,у+ с „г)* =
и плоскостями
c»z = 0 и алх
(б) эллипсоидом
(alX + bty + ctzf
(агх
с,*)*
(при прежнем предположении, что определитель
. . .. nRsh ... .. 4 я/?3
(а) У^щ-. (б) К = Т
9) Применение цилиндрических координат к вычислению объема тела
приводит к интересной формуле.
Рассмотрим тело (К), ограниченное кусочно-гладкой поверхностью, и пред-
предположим, что исходящая из оси г полуплоскость, отвечающая 6 = const, пере-
пересекает тело по некоторой плоской фигуре (Qe),
при изменении в от а до р (рис. 113). Тогда
fife,
(К)
рис
рд	щ
расстояние рс(е) ее центра тяжести С от оси г:
причем фигуру (Ов) удобно отнести к прямоуголь-
прямоугольной системе координат рг, вращающейся вместе
с упомянутой плоскостью вокруг оси z *.
Теперь легко видеть, что двойной интеграл
[[ р tfp dz представляет статический момент
Щ
фигуры (Qe) относительно оси z, который равен
произведению площади Q F) этой фигуры на
С
* Вместо того, чтобы тождественную с ней фигуру относить к непод-
неподвижно й плоскости рг в пространстве p6z.

660|	$ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	355
Подставляя это выражение для объема, придем к окончательной формуле:
Эта формула была указана П. П. Кусковым. Она особенно удобна для опре-
определения объема тел получающихся при винтовом движении плоской фигуры
(постоянной или деформирующейся), как-то: винтовых нарезок, пружин и т. п.
Если тело (К) есть попросту тело вращения неизменной фигуры ((?),
не пересекающей оси г, вокруг этой оси, то Q = const, pc = const, <x = 0,
Р = 2я, и формула принимает вид:
Она выражает известную теорему Гульдина [351], гласящую, что объем
тела вращения плоской фигуры около не пересекающей ее оси равен про-
произведению площади этой фигуры на длину окружности, описанной центром
тяжести фигуры. Таким образом, формула Кускова является естественным
обобщением этой классической теоремы (и, наоборот, легко может быть из
нее получена).
10) Объем трехосного эллипсоида
х% „2 -а
^ + р + ^=1
4
многократно вычислялся; он равен -^шЬс. Попробуем, однако, к вычисле-
вычислению этого объема привлечь эллиптические координаты!,(л, v [655, 4)]. Если
положить
Л8 _— />2	/i2 Ь2 __ /*2	лЗ
— а — о , я — а —с,
то сам данный эллипсоид получается при Х = а.
Первому октанту эллипсоида отвечает изменение X от k до а, ;л от Л до
ft, v до 0 до Л. Поэтому
Л ¦ * а
1	f С С	^2—f**) (Xя — v2) ((А8 — Vs)
"*" ~ J V ^ ^ ^ ^ (X2 — Л2) (Xs — fc2) (а2 — Ла) (й2 — и.8) (Л2 — v2) (й3 — v2)
Оля
Но, как указано, этот объем равен
4- • 4-™Ьс = -тг о, V(a* — Л8) (а* — А8).
о о	О
Таково, следовательно, значение написанного выше сложного интеграла;
Найти это значение иным путем представило бы значительные трудности.
"•*" В заключение дадим два интересных применения основной формулы (8),
позволяющих установить связь понятий площади кривой поверхно-
поверхности идлиныкривой с принципиально более простым понятием объема
тела.
11) Пусть задана гладкая поверхность (S):
х = х(и, v), y=y(u, v), г —г {и, v),
причем в области D) изменения параметров и, v эти функции имеют непре-
непрерывные производные второго порядка.
12»

356
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[660
На нормали к поверхности в каждой ее точке М отложим, симметрично
в обе стороны от поверхности, отрезок длины 2г>0. Эти отрезки заполнят
некоторое тело (Vr) *, в котором содержится и за-
заданная поверхность (рис. 114).
Обозначая через х, у, г координаты точки М
поверхности, а через X, Y, Z—координаты любой
точки Р на упомянутом отрезке нормали в ней,
будем иметь, очевидно,
В
где А, В, С имеют обычное значение, а р означает расстояние МР (с соот-
соответствующим знаком, так что — r^psgr). Параметры (и, v, p) служат, таким
образом, криволинейными координатами для точек упомянутой области (Vr).
По формуле (8) объем Vr этого тела равен
Но
D(X, Y, Z)
D (и, v, p)
du dv dp.
D (X, Y, Z)
D (и, v, р)
(и, v)p z'a+a3(u,v)p
(«. ») P «; + Pe («, v) p
BC
*;+Pi(«, *)p у
A
Y a2 + в2 4- c8 Y a2+bs + c3 Y a2+в2 + c2
i (и. «) P + 72 («, ») ps,
где а„ a2, o8, рь p2, p8, y1( ys означают некоторые непрерывные функции от
a, v. Очевидно, при достаточно малом г (так как |p|sgr) это выражение
будет иметь знак первого слагаемого, т. е. станет положительным. Поэтому
2+ 7lP
du dv =
A)
* du dv + Lr> (L = const.).
' Отсюда легко вытекает окончательный результат
г-»0 « J J
в последнем интеграле мы узнаем площадь S кривой поверхности. Таким
образом эта площадь может быть получена, исходя из
объема.
• Можно доказать, что при достаточно малом г упомянутые
отрезки между собой не пересекаются, так что каждая точка тела лежит на
одной нормали.

660)
§ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ
357
12) Пусть задана гладкая кривая
x = x(t), y=y(t), z = z(t)
, ===<=== Г),
причгм функции х, у, z имеют и непрерывные вторые производные. В пло-
плоскости, нормальной к кривой в любой ее точке М, вообразим себе круг ра-
радиуса г > 0 с центром в М. Из всех таких кругов составится некоторое
тело (Vr) *, содержащее кривую.
Не умаляя общности, можно предположить, что на рассматриваемом
участке кривой всегда x't2-\-y't2> 0. Тогда, желая построить в упомянутой
плоскости, нормальной к кривой, прямоугольную систему координат, мы мо-
можем принять за оси координат две взаимно перпендикулярные нормали
с направляющими косинусами
у'
х'
, 0 и
х'г'
У х'2
уХ'2+у2
yX'2+y2+z'2'
Обозначив соответствующие координаты через и, v, мы можем выра-
выразить координаты X, Y, Z любой точки Р тела (Vr) так:
yU	I	X'Z'V
Х=х
I
V
х'и
V х'2 + у'2 ~ V х'2 +у'2 Ух'2 +у'2 + z's '
у х'2+у2
Здесь t, и, v играют роль криволинейных координат точки Р, так что
D(X, Y, Z)
D(t, и, v)
dt da 4v.
Легко видеть, однако, что
Р(Х, У, Z)
D(t,u,v)
у
x'
у X"+y*
У х'* +у*
y'z'
= Vx'1 +У*
Ух'2+у"+г'*
ко
* И здесь можно доказать, что — снова при достаточно малом г—
эти круги попарно не имеют общих точек, так что каждая точка тела при-
иадлежит лишь одному из них.

&58	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[661
где а„ ..., р, — непрерывные функции от t. Это выражение сохраняет поло-
положительный знак при достаточно малом г (так как |и|, |»|^г). Тогда
1
t0
dudv =
г>3 dt+
где К и L — постоянные. В первом интеграле узнаем длину s дуги, второй
же интеграл обращается в нуль. Поэтому
Длина дуги получается из объема еще более непо-
непосредственно, даже без предельного перехода!
661. Замена переменных в тройных интегралах. С помощью
выражения объема в криволинейных координатах нетрудно установить
и общую формулу замены переменных в тройных интегралах.
Пусть между областями (D) и (Д) пространств xyz и \rf. суще-
существует соответствие, охарактеризованное в п° 655. Считая соблю-
соблюденными все условия, при которых была выведена формула (8), мы
покажем теперь, что имеет место следующее равенство:
5 \ \f(x,
5 \ \ у, z) dx dy dz =
= 111 fix а Ч. О» У a 4. C). z E, yj, С)) 17E, -ri, QI d\ dn d: A0)
вполне аналогичное формуле замены переменных в двойных интегралах.
При этом функцию f{x,y,z) мы предполагаем непрерывной или, самое
большее, допускающей разрывы вдоль конечного числа кусочно-
гладких поверхностей (но во всяком случае сохраняющей ограничен-
ограниченность). Таким образом, существование обоих интегралов в равенстве
A0) не вызывает сомнений; нужно установить лишь самое равенство.
Для доказательства поступаем так же, как и в п° 609. Разложив
кусочно-гладкими поверхностями области (D) и (Д) на (соответству-
(соответствующие друг другу) элементарные части (Dt) и (Д,) (/=1, 2, ..., «),
применим к каждой паре областей (D{), (Д,) формулу G); мы получим
где (?г, •»)?, у есть некоторая точка области Дг, не зависящая от на-
нашего выбора. Возьмем соответствующую точку (Дс<( yit zt) области
(Pi), т. е. положим
¦»)«> У» zt = *(!,•, т^, li), A2)

662)	S 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	359
и составим интегральную сумму для первого из интегралов A0):
Подставив сюда вместо Xit yit zt выражения A2), а вместо Dt — вы-
выражение A0), придем к сумме
которая, очевидно, уже является интегральной суммой для второго
из интегралов A0).
Устремим к нулю диаметры областей Д,-, вследствие чего в силу
непрерывности соответствия устремятся к нулю и диаметры областей
(D,). Сумма о должна стремиться одновременно к обоим интегралам,
откуда и следует требуемое равенство.
Как и в случае двойных интегралов, формула A0) имеет место
и при нарушении сформулированных выше при доказательстве фор-
формулы (8) предположений в отдельных точках или вдоль конечного
числа кусочно-гладких линий и поверхностей, лишь бы якобиан
сохранял ограниченность.
Можно пойти дальше в расширении условий применимости фор-
формулы A0), допуская и несобственные интегралы. Мы предоставляем
читателю перефразировать для рассматриваемого случая изложенное
в п° 617. Подчеркнем еще раз, что при указанных там условиях
формула имеет место в предположении существования одного из
интегралов A0), существование другого отсюда уже будет вытекать.
В заключение упомянем, что формулы (8) и A0) могли бы быть
записаны и без знака абсолютной величины при якобиане. Для того
чтобы иметь право на это, следовало бы ввести понятие об ориенти-
ориентированном теле (в связи с ориентированием его границы), затем в за-
зависимости от его ориентации приписывать тот или другой знак его
объему и распространенному на тело интегралу. Подробности предо-
предоставляем читателю, отсылая его к п° 616 и к замечанию 1° в п° 668.
662. Примеры. 1) Вычислить интеграл
где (V) есть тело, ограниченное сверху поверхностью
а снизу плоскостью z = 0.
Решение. Перейдем к сферическим координатам. Уравнение поверх-
поверхности примет вид
rs = a' sin2 7 sin в cos в,

360	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[662
а интеграл, с учетом симметрии тела относительно оси z, преобразуется так:
2
'-2S*
n
2
Г8\ а
6
asin
' f
COS 6
r3 sin <p
COS
*
1
в1 (*	f	a4
= у I sin3 6 cos3 в </в l sin5 <p cos <p д"<р = тдд.
5	о
2) Вычислить интеграл
xyzdxdydz	^
, V,
y2 +
[ср. 648, 11)].
Решение. В сферических координатах
2 2 Я
r4 sin8 tf cos <p sin 6 cos 6 dr d<p i
a2 sin2 <p cos2 8 -J- P2 sin2 <p sin2 9 -)- 72 cos2 <p
ooo
Удобно произвести подстановку sin2<p = M, sin2 8 = v. Тогда
R
п * С С С г*
0 0 0*
1
— V ц </и
0
иаг ди
— °) + Р2"
i
J К If ¦
0
3) Вычислить интеграл
(V)
где (V) есть трехосный эллипсоид
dv
v + -
t-(a
1 xyz
X
dxdy
>
dz
"z
"J T+7« + ^
15 (P + 7)G + a)(a + P)
ва + &а ' с2
Решение. Если перейти к обобщенным сферическим координатам
по формулам
x = ar sin f cos в, y = br sin <p sin 8, z — cr cos 9,
7 = after2 sin tp,
то интеграл перепишется в виде
Я 1С
"  I
t• г» г* ,	шп" у cos у sin а cos В аг ду дй
К= aWc*^ J \ r a2 sin2 <p cos2 8 -f Ьг sin2 ? sin2 в + с" сов2 <р *
0 0 0

662]	§ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	361
Подстановка sin2<p = «, sin2 8 = v. Окончательный результат:
г,	asb2cs	[,, ,. с . „„. а , „,„. Ь
4) Вычислить повторный интеграл
со со	уг
\dz \ydy
Решение. Заменяя его тройным интегралом
$ \ \ е*У* х3у dx dy dz,
XzzO.y.z^l
прибегнем затем к подстановке
и
1
Интеграл приведется к такому:
И \ еи+в+и) du dv dw,
и, v,
f
который вычисляется легко.
Ответ: -s—1.
5) Вернемся к вычислению двойного интеграла:
00 00
В = \ \ е~ а *х* +У* cos x\ cosyt\ dx dy
[ср. 617, 21)]. Так как при &>0
со „»
У
[497, 8)], то, полагая > = a/j;*+/i получаемг
9
2
9
в 2 г

362	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[662
Подставляя это в интеграл В и меняя порядок интегрирований, найдем
оо	со оо
е
О	0 0
ах	ay
или, если перейти к переменным м = -^„- и » = -йг:
о
8
о
[519, 6) (а)]. Интегрируя по частям, нетрудно уже получить окончательный
результат:	к	Q
b=y
Перестановка интегрирований обосновывается существованием трой-
тройного интеграла.
6) Найти массу и определить положение центра тяжести сферы
х2 + у* + г2 ^2аг
при следующем законе распределения масс:
k
[ср. 650, 5)].
. 650, 5)].
Указание. Перейти к сферическим координатам.
7) Найти притяжение, испытываемое произвольной точкой пространства
ео стороны однородной сферы [Ср. 650, 9).]
Решение. Перейдя к сферическим координатам, найдем
2% ъ R
о
2% ъ R
С С Г pra(rcos<p — e)sin
Но, рд	р
чение двойного интеграла
2я -я
о о о (r2 + a3 —2ercos<p) 2
Но, определяя притяжение сферическим слоем [633, 11)], мы уже нашли зна-
значение двойного интеграла
С С (гcosij — a) sin у rf? db 	ГО при а<:г,
о о (r2 + e*_2erCos<pJ ^—"? при а>г.
В таком случае при a~>R
а при

€62]	§ 3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ	363
8)	Найти потенциал однородной сферы на произвольную точку [ср.
650, 12)].
Указание. Перейти к сферическим координатам и использовать ре-
результаты зацачи 12), 633.
9)	Решить наново задачи, относящиеся к притяжению и потенциалу
сферы, при более общем законе распределения масс:
где /— произвольная функция расстояния точки от центра.
Отметим, что заключения, сформулированные нами в 650, 9) и 12),
остаются в силе и в настоящем случае.
10)	Найти моменты инерции /г и 1Х тора [ср. 650, 13)].
Указание. Учитывая, что тор получается от вращения круга (см.
рис. 108), положение точки в этом теле естественно определить, во-первых,
углом <f, который составлен меридиональным сечением с плоскостью хг, и,
во-вторых, обыкновенными полярными координатами р, в—в пределах самого
сечения.
0Гда * = (rf + pcos8)cos<p, y = (d-\-f cosЬ) sin f, z = psinfi,
/=p(rf+pcose),
причем р изменяется от 0 до о, а <у и 8—от 0 до 2к.
11)	Вычисление потенциала однородного (р = 1) эллипсоида
,.2	.,2	-2
~ -f-|s- + ^s < 1 (а>Ъ>с)
на его центр приводит к эллиптическому интегралу.
Введем сферические координаты, но, взяв на этот раз ось х за полярную ось:
х = г cos (р, У = т sin <р cos 8, z = r sin <? sin 9.
Будем иметь
w== с с е	dxdydz =
¦я	л -|/7cosf\s , /1sinycos8\2 , /8inysin6\
2"	IV \~~a~) +V b I +\ t~~)
- 8 f sin <p rf<f f dQ	С	rdr —
0	0	0
It	11
= 4 i sin <p rftp 1 -=	j
J T T J В cos8
•Csin2e*
o"	o~
где
cos8 у , sin8 <p „	cos8 у , sin8 <p
Внутренний интеграл равен —т==* Полагая> л&псе, -——— cos<p = f,
получим эллиптический интеграл первого рода
— са
а
2паЪс С	dt

364	ТЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ-	[663
который, в свою очередь, с помощью подстановки t = s\n\ приводится
к форме Лежандра:
w== 2nabc С	dX	= 2ltabc Fn k)
У~аа—с2 J V 1 — A|sinU У а» —с3 '
о
о
где для краткости положено
— с2
663. Притяжение со стороны тела и потенциал на внутреннюю
точку. Вернемся теперь к общим выражениям A7) и A8) п° 649 для проек-
проекций на координатные оси притяжения телом точки А (?, *), С) и потенциала на
эту точку, но остановимся специально на том случае, когда сама точка А
принадлежит телу. Это снова даст повод использовать замену переменных.
Легко убедиться, прежде всего, в существовании упомянутых несобствен-
несобственных интегралов. Достаточно перейти к сферическим координатам, выбрав за
полюс точку А, чтобы эти интегралы преобразовались в собственные. Если
вырезать из тела (V) сферу (v0) радиуса г0 с центром в А, то получим
аналогично
2ic it го
/• г* /•«/.» б\	г* с с
Р cos в sin2 <p dr dy db
и т. д. Подинтегральные функции здесь оказываются непрерывными *.
Гораздо более тонких соображений требует установление для рассматри-
рассматриваемого случая соотношений A9) п° 649. Здесь также оказываются полез-
полезными сферические координаты.
Прежде всего из предыдущих равенств получаются неравенства
SIS
A3)
которыми мы ниже воспользуемся.
Придадим тепе.рь g приращение h и наряду с точкой А E, ¦>), С) рассмот-
рассмотрим точку At (? + h, ч\, С). Обозначая по-прежнему через г расстояние AM
от точки А до произвольной точки М(х, у, г) тела, через rt обозначим
расстояние AtM. Нужно доказать, что при й->-0 и
стремится к нулю.
• Плотность р мы считаем непрерывной функцией от координат.

663)
3. ЗАМЕНА ПЕРЕМЕННЫХ В ТРОЙНЫХ ИНТЕГРАЛАХ
365
Выделим из тела (V) сферу (»0) радиуса 2 | h | с центром в А (рис. 115);
тогда Д представится в виде суммы четырех членов:
Со)
Ш
(V)-(v0)
Второй и третий члены сразу оцениваются с помощью неравенств A3) и A4)
при гв = 2| А|:
— ?)
Чтобы удобнее оценить первый член, окружим точку At сферой (vt) радиуса
г
Рис. 115.
31 Л |; в ней целиком содержится сфера (»0). Тогда, снова пользуясь нера-
неравенством вида A3), будем иметь
Наконец, обращаемся к последнему члену. Если ввести функцию
/E. Ч, 9 = -р,
то выражение в фигурных скобках есть не что иное, как
/(? + *, Т. Q—ZfeT. 0 ,. /S _ «
что по формуле Тейлора может быть заменено через
Но в нашем случае
ft* Kh п> Ч——~t*—

366	ГЛ. XVIH. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[664
поэтому	4
где г2 есть расстояние ASM от точки М до точки Л8(; + 6Л, ц, С).
Из треугольника АМА2 (см. рис.) имеем АгМ^>АМ— АА3. Но точка
М лежит вне сферы (v0) рис. 21 А |, a AAit очевидно, меньше | А |, так
что ААг<. -к- AM и АгМ>-^-АМ, т. е. Гз^-^-г. Учитывая все это, при-
приходим к такой оценке:
Возьмем теперь сферу (F,), с центром в А, столь большого радиуса R,
чтобы в ней целиком содержалось тело (V). Тогда полученное выражение
в свою очередь оказывается меньшим, чем
2ч it R
С С С dv т | С С С s'nf
(Vi) — (Vo)	0 0 2 | ft |
= 64id. I AI (In/?— In 2 IAD-
Окончательно
\\\^Cl\h\+Ci\h\\n2\h\,
где Ct и Ca — постоянные, которые нетрудно подсчитать. Отсюда ясно, что
Д вместе с А стремится к нулю, т. е.
dw _p
Аналогично устанавливаются и другие два из соотношений A9) п°649. Нако-
Наконец, подобными же соображениями можно доказать и непрерывность
dW dW dW	.
производных --ЗГ, -g—, -jp- даже для точек А, принадлежащих телу (V).
§ 4. Элементы векторного анализа
664. Скаляры и векторы. Применение интегрального исчисления к во-
вопросам математической физики и механики часто удобнее проводить в век-
векторной форме. Поэтому читателю полезно ознакомиться с некоторыми основ-
основными понятиями векторного анализа, которые приводят к векторной интер-
интерпретации интегральных образований и связывающих их формул интегрального
исчисления.
Мы предполагаем, что читатель уже знаком с понятием скаляра или
скалярной величины, которая вполне характеризуется своим числен-
численным значением (как, например, объем, масса, плотность, температура) и с по-
понятием вектора или векторной величины, которая для полного
своего определения требует еще указания на направление (перемещение,
скорость, ускорение, сила и т. п.). Говоря о векторе, мы, как обычно, будем
представлять себе изображающий его направленный отрезок. Условимся
обозначать векторы буквами со стрелками над ними: Я г, ?, ,., ; те же
буквы без стрелок: А, г, v, ... будут означать длины векторов:
а буквы со значками, например Ах, rv, vn, ... —векторов ~А, Т, ~v, ... проек-
проекции, соответственно, на оси х, у, п, ... Проекции Ад, Ау, Аг вектора ^ на

665]	$ 4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	36t
координатные оси вполне его определяют и по длине (численному значе-
значению) и по направлению.
Мы считаем также, что читатель владеет и основными сведениями из
векторной алгебры. Ограничимся напоминанием, что скалярным произве-
произведением векторов ~А и Ъ называется скаляр (число)
Я- ~В=АВ cos (А, В),
которое через проекции на оси выражается так:
2-Ъ — АхВх + АуВу + АгВ,.	A)
Векторное произведение векторов А и S есть вектор с длиною
АВ | sin (A, Z?) |, перпендикулярный к обоим сомножителям и направленный
в ту сторону, с которой вращение от Л к В (на угол, меньший 180°) ка-
кажется происходящим против часовой стрелки; его обозначают че-
через "А. Х~В. Проекции векторного произведения на оси будут
АуВг— АгВу, AZBX—AXBZ, AxBy — AyBx,	B)
если, как мы это впредь и будем предполагать, в основу положена правая
система координат [620].
665. Скалярное и векторное поля. Если с каждой точкой М опреде-
определенной пространственной области (которая может охватывать и все про-
.странство) связана некоторая скалярная или векторная величина, то говорят,
что задано поле этой величины, соответственно, скалярное или векторное.
В ближайших пп" нам все время придется иметь дело с такими полями.
Примером скалярного поля может служить поле температуры или элек-
электрического потенциала. Если положение точки М определять ее координа-
координатами по отношению к некоторой произвольно выбранной координатной си-
системе Охуг, то задание поля скалярной величины U равносильно просто
заданию числовой функции U (х, у, г). Мы всегда будем предполагать, что
эта функция имеет непрерывные частные производные по всем переменным.
Если эти производные не обращаются одновременно в нуль, то уравнение
U(x, у, z), = C С = const
определяет некоторую поверхность (без особых точек), вдоль которой вели-
величина U сохраняет постоянное значение; такая поверхность называется по-
поверхностью уровня. Вся рассматриваемая область заполнена этими поверх-
поверхностями, так что через каждую точку ее проходит одна и только одна по-
поверхность уровня. Ясно, что поверхности уровня между собой не пересекаются.
Примером векторного поля может служить силовое поле или поле скоро-
скоростей; подобные поля нам уже встречались. Если положить в основу некоторую
систему координат Охуг, то задание поля векторной величины К может
быть осуществлено путем задания ее проекцией на оси
Ах (*. У, г), Ау (х, у, г), Аг (х, у, г) ^	C)
как функций от координат точки М, с которой величина Л* связана. И эти
функции мы будем предполагать имеющими непрерывные производные. При
изучении векторного поля важную роль играют векторные линии; векторной
линией называется кривая, направление которой в каждой ее точке М совпав
дает с направлением вектора А, отвечающего этой точке. Если вспомнить
[234], что направляющие косинусы касательной к кривой пропорциональны
дифференциалам dx, dy, dz, то получится, что векторная линия характери-
характеризуется равенствами	dx dy dz
Ах Ay Аг

868	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	F66
В предположении, что вектор ~А не обращается в нуль, можно доказать, опираясь
на «теорему существования» из теории линейных систем дифференциальных
уравнений, что вся рассматриваемая область заполняется векторными линиями,
причем через каждую точку ее проходит одна и только одна такая линия.
Векторные линии между собой не пересекаются.
Иногда приходится рассматривать поверхности, составленные из векторных
линий; их называют векторными поверхностями. Векторная поверхность
характеризуется тем, что в каждой ее точке М соответствующий вектор А (М)
лежит в плоскости, касательной к поверхности в этой точке (или тем, что
проекция Ап вектора А на нормаль п к поверхности во всех ее точках равна
нулю). Если взять в рассматриваемой области какую-нибудь линию, отличную
от векторных линий, и через каждую ее точку провести векторную линию, то
геометрическое место этих линий и даст нам векторную поверхность. В случае,
если упомянутая «направляющая» линия является замкнутой, получается трубко-
образная векторная поверхность, которая и называется векторной трубкой.
666. Градиент. Пусть задано скалярное поле U(M) = U(x, у, г). Век-
Вектор g с проекциями на оси
dU dJJ dU
дх' ду' дг	D)
называется градиентом величины U (в соответствующей точке) и обо-
обозначается так:	—
g = grad U.
Это формальное определение имеет тот недостаток, что использует коорди-
координатные оси и оставляет открытым вопрос о независимости понятия градиента
от их выбора.
Чтобы убедиться в этой независимости, вспомним данное еще в первом
томе [184] определение производной от функции по заданному
направлению /: ^т- > которая выражает скорость возрастания функции
по направлению /. Мы имели там формулу
— = —cos a -I- — cos 4- ^cos
dl ~~ дхс а ' ду cos Р ' дг с "*'
где cos а, cos p, cos 7 суть направляющие косинусы направления /; если через
X* обозначить единичный вектор, проведенный в этом направлении, то ее
можно переписать и так:
-5т = grad U- X = grad/f/.
Наибольшего значения эта производная, очевидно, достигает в том случае,
когда направление / совпадает с направлением градиента, причем это наи-
наибольшее значение равно
Это приводит нас к такому определению [ср. 184]: градиентом скалярной
величины U в данной точке называется вектор, который по численному
значению и по направлению характеризует наибольшую скорость возраста-
возрастания величины U. Здесь уже координатная система не упоминается вовсе.
Легко усмотреть, что направление градиента совпадает с направлением
нормали к поверхности уровня U(x, у, г) = С, проходящей через данную
точку.
Итак, скалярное поле U(M) порождает векторное поле
градиента grad U.

6661	в *• ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	369
Гамильтон (W. R. Hamilton) ввел в рассмотрение символиче-
символический векторе проекциями
дх' ду' дг
на оси координат, который он назвал «наблой» и обозначил через V. Поль-
Пользуясь этим обозначением, можно написать, что
grad?/=Vtf
Действительно, если упомянутый «вектор» формально «умножить> на ска-
скаляр U, то и получится вектор с проекциями D)!
Примеры. 1) Обозначая через "г радиус-вектор ОМ, соединяющий не-
некоторую постоянную точку О с переменной точки М пространства, а через
г — его длину, положим
17(М) ()
где <р — какая-нибудь скалярная функция от положительного скалярного аргу-
аргумента г, имеющая производную постоянного знака. Поверхностями уровня,
очевидно, будут сферы радиуса г с центром в О, так что направление гра-
градиента совпадает с радиальным или прямо противоположно ему, смотря по
тому, будет ли <р'(г)>0 или <0. Легко видеть, что
f
т
В частности,
grad — =	g 7 (с = const).
Если поместить в точке О массу m и рассмотреть поле ньютоновского
притяжения, то его напряжение F в точке М будет
-$	OL2L — — !!L~*
r*r~ г3
и, таким образом,
Вопрос о том, может ли данное векторное поле быть рассматриваемо
как поле градиента для некоторой скалярной величины, имеет большую важ-
важность. По существу он для нас не нов; мы вернемся к нему ниже [670].
2) Рассмотрим поле температуры U. Взяв элемент поверхности (rfS)
с определенным образом направленной нормалью п, подсчитаем количество dQ
тепла, протекшего через этот элемент в направлении п за бесконечно малый
промежуток времени dt. Тепло течет от более нагретых частей тела или
среды к менее нагретым, и притом тем быстрее, чем быстрее убывает
температура. Обычно принимают, что упомянутое выше элементарное коли-
6U
чество тепла dQ пропорционально dS, dt и, наконец,
Ш
. Обозначая через
коэффициент пропорциональности («коэффициент внутренней тепло-
теплопроводности» для данного места), можно написать
в согласии со сказанным выше количество тепла dQ оказывается положи-
dU
тельным именно в том случае, когда -^- отрицательно, т. е. когда в напра-
направлении п температура U убывает.

370
гл. xvm. тройные и многократные интегралы
F67
Если ввести так называемый вектор потока тепла
~q =—fegrad U,
то выражение для dQ можно переписать короче:
dQ = dSdtqn.
667. Поток вектора через поверхность. Пусть теперь задано некоторое
векторное поле А (М), т. е. заданы три функции C). Возьмем поверхность (S)
и, выбрав определенную ее сторону, обозначим через cosX, cos;*, cosv направ-
направляющие косинусы соответственно направ-
направлю	ленной нормали п. Тогда поверхностный
интеграл
(Axcos X
ч) dS,
который короче можно написать так:
(S)
называют потоком вектора А через по-
поверхность (S) в указанную сторону.
Обратимся к примерам.
1) Самое название «поток* связано с не-
рис не.	которой гидромеханической задачей. Рас-
Рассмотрим движение жидкости в пространстве;
в общем случае мы не предполагаем его
стационарным, так что скорость движения v зависит не только от
положения точки М, к которой она относится, но и от времени t. Поставим
себе задачей вычислить количество жидкости, протекающее через поверх-
поверхность (S) в определенную сторону за бесконечно малый промежуток времени
dt. Через элемент (dS) поверхности протечет количество жидкости, которое
заполнит собой цилиндр с основанием dS и высотой vndt (рис. 116), где нор-
нормаль п предполагается направленной именно в выбранную сторону. Если
через р обозначить плотность жидкости, которая также может зависеть и
от положения точки, и от времени, то масса протекшей через dS жидкости
будет
р dS vndt.
Для всей поверхности (S) получим
dt \ \ 9vndS.
Количество же протекшей жидкости Q, отнесенное к единице времени,
выразится интегралом
E)
читатель узнает в нем «поток вектора» рг» через поверхность (S)!
2) Аналогично можно говорить и о потоке тепла. Легко видеть,
что [при обозначениях п° 641, 2)] за время dt через поверхность (S) проте-
протечет количество тепла, равное

6681	§ 4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	371
Если отнести количество протекшего тепла к единице времени, то получим
т. е. «поток вектора» ~q через поверхность (S). Отсюда и название вектора
~q—— ftgrad U
— <ве,ктор потока тепла».
Замечание. Так как оба рассмотренных в 1) и 2) процесса мы не
предполагали установившимися, то на деле величина Q сама, вообще говоря,
зависит от времени. Она имеет характер скорости и точнее может быть
названа с к о р о с т ь ю возрастания количества протекшей через (S) жид-
жидкости (или протекшего тепла) в рассматриваемый момент времени.
3) Если рассматривается поле ньютоновского притяжения [о котором
была речь в 666, 1)]
то поток этого вектора через поверхность (S)
т{г: п) dS
оказывается связанным с телесным углом, под которым поверхность (S)
видна из точки О [653].
668. Формула Остроградского. Дивергенция. Возвращаясь к общему
случаю векторного поля ~А, рассмотрим тело (К), ограниченное замкнутой
поверхностью (S); через п будем обозначать внешнюю нормаль к поверх-
поверхности. Тогда по формуле Остроградского [651 E)], если положить в
ней Р=АХ, Q = Ay, R= Az, можно преобразовать поток вектора Л через
поверхность (S) вовне в тройной интеграл:
= ^ J (ЛжсовХ + Ау cos
Стоящее под знаком тройного интеграла выражение называется ди-
дивергенцией (или расходимостью) вектора Л (в соответствующей
точке) и обозначается символом
Таким образом, формула Остроградского перепишется в виде
G)
(
в каком она чаще всего и" применяется.
Введенная только что величина, дивергенция, есть скаляр; но ее
определение формально связано с выбором координатной системы. Для того
чтобы освободиться от этого недостатка, поступим следующим образом.
Окружим точку М каким-нибудь телом (V) с поверхностью (S) и напишем

372	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[669
формулу G); если обе части разделить на объем V тела и перейти к пре-
пределу, стягивая тело (V) в точку М, то [644, 8°] справа как раз и получится,
div А в точке М. Итак,
div ~A= lim ,r	•	(8)
это равенство также может служить определением дивергенции, причем в
этой форме определение уже не зависит от выбора координатной системы.
На этот раз векторное поле А порождает скалярное
поле дивергенции div Л.
Заметим, что определение F) дивергенции может быть с помощью сим-
символического вектора V Гамильтона записано так:
div ~A = V • А;
это станет ясно, если вспомнить выражение A) скалярного произведения
двух векторов.
Пример. Остановимся на движении несжимаемой жидкости
(р = 1) при наличии источников (или стоков). Производительностью источ-
источников, заключенных в-нутри замкнутой поверхности (S), называется количе-
количество вытекающей через (S) жидкости, отнесенное к единице времени, т. е.
поток вектора-скорости ~Ъ
[см. 667, 1)]. Если источники распределены непрерывно по рассматри-
рассматриваемой области, то вводится понятие плотности источников. Так называют
предельное значение производительности источников в теле (V), окружаю-
окружающем точку М, рассчитанное на единицу объема, т. е.
lim Ш-
Но, как мы только что видели [см. (8)], этот предел равен div v\ итак, div~5
и есть плотность источников.
Аналогичное рассмотрение можно провести и для теплового потока при
наличии источников тепла, лишь вместо вектора-скорости пришлось бы
взять вектор потока тепла.
669. Циркуляция вектора. Формула Стокса. Вихрь. Пусть снова дано
какое-нибудь векторное поле "Л (М). Интеграл
(I)
Axdx -f- Aydy -\- Azdz = j Atdl,
)	(i)
взятый по некоторой кривой (I) в пределах рассматриваемой области,
называется линейным интегралом от вектора % вдоль кривой (/). В слу-
случае замкнутой кривой этот интеграл называют циркуляцией вектора
А* вдоль (/). _^
Если поле ~А есть силовое поле, то линейный интеграл выражает работу
сил иоля нри перемещении точки по- кривой (/) [ср. 554}.

i. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА
373
Представим себе некую поверхность (S), ограниченную замкнутым кон-
контуром (/). Тогда по известной уже читателю формуле С т о к с а [639 B1 *)]
циркуляция вектора А вдоль этого контура может быть выражена поверх-
поверхностным интегралом:
dS.
(9)
С » .,, С С [1дАг дАу\ i . 1дАх
G)	(S)
(S)
Вектор с проекциями на оса
дА, dAv дА,
дА,
дА,
ду dz ' dz дх ' дх ду
называется вихрем или ротором вектора А и обозначается сим-
символом *	—
rot Л.
Таким образом, в векторной форме формула С т о к с а запишется так:
= [ \ rot» A dS.
if)
A0)
Циркуляция вектора вдоль замкнутого контура оказывается равной по-
потоку вихря через поверхность, ограниченную этим контуром. При этом на-
направление обхода контура и сторона поверхности должны соответствовать
друг1 другу, как это разъяснено в п°620.
Данное выше определение понятия «вихрь»
страдает обычным недостатком: в нем исполь-
используется определенная координатная система. Взяв
любое направление п, исходящее из данной
точки М, окружим ее в перпендикулярной к п
плоскости площадкой (и) с контуром (К) (рис. 117).
Тогда по формуле С т о к с а
\^d\ = j J rotn A da;
Й
разделив обе части равенства на площадь и упо-
упомянутой площадки и «стягивая» последнюю к
данной точке, в пределе получим **
Рис. 117.
rotn A = lim
dX
Таким образом, удается определить проекцию вектора rot А на любую
ось, а значит, — и сам вектор, без всякой ссылки на предварительно выбран-
выбранную координатную систему.
Подчеркнем, что здесь векторное поле Л*порождает вектор-
векторное же поле вихря rot Л. С помощью гамильтонова вектора V можно
просто записать и определение вихря: rot X=V x А [см. выражения B) для
проекций векторного произведения!].
* От английского слова rotation — вращение; употребительно и обозна-
обозначение curl~A—от английского слова curl, означающего «завиток».
** Легко усмотреть здесь своеобразное дифференцирование по
области; обосновать его предоставляем читателю.

374
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[670
П р и м е р. Рассмотрим произвольное движение некоего твердого тела.
Если фиксировать в нем точку О (рис. 118), то, как доказывается в кине-
кинематике, для любого момента времени поле скорости Ъ точек тела опреде-
определяется формулой
где v есть «поступательная скорость>, т. е. скорость
точки О, ш — мгновенная «угловая скорость>, а
г —радиус-вектор, соединяющий точку О с произ-
произвольной точкой М тела. Проекции этого вектора
на оси произвольной системы Охуг будут [см. B)]
Если, воспользовавшись выражениями (9), подсчи-
подсчитать проекции вихря для этого поля, то получим
ИС" '	2ч>х, 2а>у, 2шг, так что <^ = -к- rot tT.
Таким образом, с точно'стью до числового множителя, ротор поля ско-
скорости гГ дает как раз мгновенную угловую скорость; с этим связано и самое
название «ротор>.
670. Специальные поля. В этом и следующем п° для простоты
мы ограничимся рассмотрением полей, связанных с прямоуголь-
прямоугольными пространственными областями, в частности со всем трех-
трехмерным пространством.
1) Потенциальное поле. Векторное поле А называется потен-
потенциальным, если существует скалярная величина U, для которой
А служит градиентом:	->
A
Это равенство распадается на следующие три [см. D)]:
л —ди л —ди л —ди
* дх ' ду г дг
и равносильно утверждению, что выражение A^dx -f- Aydy -f- Azdz
является полным дифференциалом от функции U(x, у, г). Перво-
Первообразная функция U называется потенциальной функцией
(или скалярным потенциалом) поля А.
Перефразируя уже известное нам [564 и 641; см. условия (Б)],
можно сказать, что
для того чтобы поле А было потенциальным, необходимо
и достаточно, чтобы во всей рассматриваемой области выпол-
выполнялись равенства
дАг	дАу
~ду~~~дТ
		дАх
— ~дГ' ~дТ
дАг
дАу	дАх
~дх~~ ду '
т. е. чтобы rot А обращался в нуль.

670J	§ 4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	375
Таким образом, понятие потенциального поля оказывается
совпадающим с понятием «безвихревого» поля.
Опираясь на сказанное в п° 564 и 641, можно охарактеризовать
потенциальное поле и тем, что циркуляция по простому замкну-
замкнутому контуру всегда будет нулем, а линейный интеграл по кри-
кривой, соединяющей любые две точки поля, оказывается не завися-
зависящим от формы кривой.
Сама потенциальная функция U, с точностью до произ-
произвольного постоянного слагаемого, определяется линей-
линейным интегралом
\ AJx -f Aydy -f AJz = $ Atdl,
@	@
взятым от некоторой фиксированной точки Mo до переменной точки
М рассматриваемой области по любой соединяющей эти точки кривой (/).
Все эти факты получают естественное истолкование в терминах
работы для случая потенциального силового поля. Таким будет,
как известно, поле ньютоновского притяжения как в случае отдель-
отдельных притягивающих центров, так и при непрерывном распределении
притягивающих масс.
2) Соленоидальное поле. Векторное поле А называется солено-
идальным, или трубчатым (от греческого слова ooXsv — трубка),
если существует векторная величина В, для которой А служит вихрем:
A = iotB.	A1)
Это равенство распадается на следующие три [см. (9)]:
. _дВг дВу . _дВх дВг . _дВу дВх
л*~~ду ~дг ' лу — ~Ш Ш> Аг~"ЗГ~~3^
Сам вектор В называют векторным потенциалом поля А.
Докажем теперь следующую теорему, дающую легко проверяемое
условие соленоидальности:
для того чтобы поле А было соленоидальным, необходимо и
достаточно, чтобы, во всей рассматриваемой области выполня-
выполнялось равенство	,. -~
r	div А = 0.
Необходимость проверяется непосредственно вычислением:
если ~A = xotB, то [см. A2)]
Достаточность. Пусть имеет место равенство A3). Поста-
Постараемся найти хотя бы частное решение (Вх, Ву, Вг) уравнений A2).

376	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[670
В целях упрощения положим с самого начала Вг = 0. Тогда первые
два из уравнений A2) примут вид
дВу	дВх
дг~ •*' ~дг	У
и при интегрировании по z дадут следующие выражения для Вх и Ву\
г	z
Ву = —\ах (х, у, z) dz + ? (х, у), Вх = $ Ау (х, у, z) dz,
го	г0
где z0 — произвольное из допустимых значений г, а ср (л:, у) — еще
подлежащая определению функция двух переменных. Дифференцируя
интегралы по правилу Лейбница, найдем
дВу__
дх ~
Используя равенство A3) для того, чтобы удовлетворить последнему
из уравнений A2), получим такое условие на функцию 9
откуда ср легко определяется интегрированием по х (с точностью до
произвольного слагаемого, зависящего от у).
Итак, наше утверждение доказано. Представляет интерес еще
установить, какая степень произвола остается при определении вектор-
векторного потенциала В из уравнения A1). Если #@) есть какое-либо фи-
фиксированное его решение, то общее решение В определяется условием
rot (В — 2?@)) = 0 и, в силу 2), пред-
представится в виде
где С есть любой потенциальный
вектор.
Из соображений п°652 явствует,
р	что условие A3), характеризующее со-
леноидальное поле А, равносильно
требованию, чтобы поток вектора А через любую замкнутую
(и ограничивающую некоторое тело (V)) поверхность (S) был равен
нулю.
Рассмотрим теперь в качестве тела (V) отрезок векторной
трубки (рис. 119) между двумя произвольными ее сечениями
(Si) и (Si); боковую поверхность отрезка трубки обозначим через
(S3)- Тогда — в случае соленоидального поля, — по сказанному,
{ИИИ
(Si) (S%) (St)

670]	%4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	377
причем нормаль направлена вовне по отношению к телу. Вдоль по-
поверхности E3), очевидно, Аа = 0F65); если в сечении (S,) изменить
направления нормалей (так, чтобы они — в некотором смысле — были
направлены согласно с нормалями в E2), см. рис. 119), то придем
к равенству:	^3=^ AndS.
<«i)	to)
Таким образом, мы получаем следующее свойство соленоидального поля:
поток вектора через поперечные сечения векторной трубки со-
сохраняет постоянную величину; ее называют интенсивностью
векторной трубки.
Легко показать, что указанное свойство вполне характеризует со-
леноидальное поле. Это сразу следует из формулы (8) для расходи-
расходимости вектора А, если в качестве тела (V), окружающего выбран-
выбранную точку М, взять именно отрезок векторной трубки: тогда
\\AadS=0, а с ним и div Л = 0.
(S)
Если вернуться к приведенной выше гидромеханической интер-
интерпретации векторного поля, то окажется, что в случае несжимаемой
жидкости и при отсутствии источников (div v = 0) расход
жидкости через поперечное сечение векторной трубки имеет одно и
то же значение для всех сечений.
3) Разложение произвольного векторного поля. Мы покажем те-
теперь, что произвольный вектор А всегда может быть представ-
представлен в виде суммы потенциального вектора А' и солено-
соленоидального вектора А":
~А=~А'-\-~А'
(rot Л'= 0, divI' = 0).
Положим сразу же Л'—gradФ, где Ф — еще подлежащая опре-
определению скалярная функция; равенство rot A'=rotgxiAO = Q этим
-уже обеспечено. Теперь А" = А — grad Ф, так что Ф нужно выбрать
иод условием
uviA' = div Л — div grad Ф = 0.
Но
если, как обычно, под ДФ разуметь оператор Лапласа. Таким обра-
8ом, для определения Ф имеем дифференциальное уравнение в част-
частных производных второго порядка
которое всегда имеет решения (и даже бесчисленное множество их).

378	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[671
671.	Обратная задача векторного анализа. Она состоит в разыс-
разыскании векторного поля А по наперед заданным его расхо-
расходимости divA = F(F — скалярная функция) и вихрю rot A = B. Ввиду
2), ясно, что для разрешимости задачи во всяком случае необходимо
условие: divB — Q; предположим это условие выполненным.
Естественно (если вспомнить 3)) искать решение А в виде
суммы решений А' и А" таких систем:
A) rot А' = О, divA' = F, B) tot А" = В, divA" = 0.
A)	Из первого уравнения, в силу 1), A' = grad<I>. Для определе-
определения Ф обратимся ко второму уравнению:
divgracKI^/7 или ЬФ = Р,
так что Ф есть одно из решений уже знакомого нам дифференциаль-
дифференциального уравнения.
B)	Ввиду того, что (по предположению) divS = 0, в силу 2),
уравнение первое рассматриваемой системы имеет решение *. Обозначая
через А„ какое-нибудь фиксированное частное решение этого урав-
уравнения, общее его решение можно написать в виде А" = А'„ -\- С,
где С — произвольный потенциальный вектор, C=gradФ. Остается
удовлетворить еще и второму уравнению системы B), т. е. опреде-
определить Ф из условия
div ~А" = div А'ё + Дф = 0 или ДФ = — div Л„.
Поставленная задача решена. Установить теперь степень произ-
произвола в определении искомого вектора А. Легко сообразить, что два
решения разнятся таким вектором G, который удовлетворяет двум
уравнениям:	div 0= 0, rot 0^ 0.
Второе из них дает: 0=0, rotO==0, а из первого получаем тогда,
что Д//= 0: Н есть произвольная гармоническая функция.
Однозначно вектор А получается, если установлены и «гранич-
«граничные условия», которые приводят к однозначному определению упо-
упомянутой гармонической функции.
Результаты двух последних п° распространяются и на области
общего вида, удовлетворяющие — это нужно подчеркнуть — требова-
требованиям односвязности того или другого типа, смотря по случаю.
672.	Приложения. В заключение этого параграфа мы приведем
различные примеры использования понятий векторного анализа и
основных интегральных формул в векторной форме. Начнем с примеров
на применение формулы Остроградского и связанных с нею понятий.
* Обращаем внимание читателя на изменение обозначений — по срав-
сравнению с 2).

672]	.	§ 4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	379
Г. Уравнение неразрывности. Рассмотрим вновь движение жидкости при
отсутствии источников, но не будем, вообще говоря, предполагать
ее несжимаемой. Считая, что жидкость сплошным образом заполняет прост- .
ранство или определенную его часть, вырежем из жидкости, произвольное
тело (V), ограниченное поверхностью (S). Количество жидкости Q, вытекаю-
вытекающее вовне из этого тела, рассчитанное на единицу времени, как мы знаем,
выразится формулой E). Подсчитаем это же количество иначе. Если учесть
изменение плотности р за промежуток dt на величину -J dt, то масса udV
элемента (dV) тела изменится на -SdtdV, а масса всего рассматриваемого
тела на
mdV-
Такое количество жидкости должно за промежуток времени dt протечь
внутрь тела; изменив его знак, получим количество жидкости, вытекаю-
вытекающей за этот промежуток вовне. Наконец, если отнести количество выте-
вытекающей жидкости к единице времени, то найдем
Чтобы удобнее было приравнять оба выражения для Q, преобразуем по-
поверхностный интеграл E) по формуле Остроградского G) также
к тройному интегралу. Таким путем мы получим
{У)
Так как это равенство имеет место для любого тела (V) в пределах рас-
рассматриваемой области, то, в силу 644, 8°, отсюда следует, что тождест-
тождественно	д
Это равенство и известно под наименованием уравнения неразрывности.
2°. Основное уравнение движения идеальной жидкости. Пусть на
жидкость в общем случае действуют как внешние, так и внутренние силы.
Внешние силы мы считаем пропорциональными массе, так что, если Fесть
сила, действующая на единицу массы, то на элемент жидкости (dV) будет
действовать сила pdV F-
Что же касается внутренних сил, т. е. сил, действующих на выделенное
из жидкости тело (V) со стороны остальной жидкости, то идеальная жидкость
характеризуется именно тем, что эти силы приводятся к нормальному по
отношению к поверхности (S) этого тела давлению, направленному внутрь
тела. При этом самая величина р давления, приходящегося на единицу пло-
площади, зависит не от ориентации той бесконечно малой площадки, к ко-
которой давление приложено, а лишь от ее координат. Таким образом, на
элемент поверхности (dS) действует сила, проекции которой на оси будут
—pdScos'K, —pdScosp-, —pdScos\
если через cos \, cos ц, cos •* обозначить направляющие косинусы внешней
нормали к поверхности. На все тело (V) будет действовать сила, опреде-
определяемая проекциями
j

380	ГЛ. XVIH. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|672
или — если снова прибегнуть к преобразованию по формуле Остроград-
Остроградского, — интегралами
Сила, приходящаяся на долю элемента (dV) жидкости, будет иметь проекции
и следовательно, как вектор, представится в виде
Если теперь через ~а обозначить отвечающее элементу (dV) ускорение,
то по закону движения Ньютона
F9dV— dVgradp,
откуда окончательно
а = Т	— grad/».	A4)
Это и есть основное уравнение движения идеальной жидкости в век-
векторной форме. Оно распадается на три скалярных уравнения, если перейти
к проекциям на три оси координат.
3°. Уравнение теплопроводности. В качестве последнего примера приме-
применения формулы Остроградского рассмотрим вопрос о тепловом состоя-
состоянии тела под действием внутренней теплопроводности при отсутствии источ-
источников тепла.
Если выделить тело (V), ограниченное поверхностью (S), то, как мы ви-
видели в 667, 2), количество тепла, вытекающего из тела через поверхность (S)
вовне, рассчитанное на единицу времени, будет равно
(?= — Ш grade
(мы сохраняем прежние обозначения). Изменив знак в этом выражении и пре-
преобразуя его к тройному интегралу, для количества тепла, вытекающего
внутрь тела, найдем выражение
Это тепло повлечет за собой изменение температуры внутри тела (V) и
может быть подсчитано иначе. Увеличение температуры U на dU— -jr? dtsa.
промежуток времени dt потребует сообщения элементу (dV) тела количества
тепла
где с означает теплоемкость тела в рассматриваемой точке. Все тело (V)
за время dt поглотит количество тепла

672]	§ 4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	381
если же отнести его к единице времени, то получим
MdV.	A6)
Приравнивая выражения A5) и A6), придем к равенству
которое выполняется для любого тела (V), взятого в рассматриваемой области.
Отсюда, как и выше в 1°, заключаем, что в этой области имеем тождественно:
ср -^т = div (й grad U).
Это и есть уравнение теплопроводности.
В случае однородной среды оно принимает вид
к
где аг — — и Д означает оператор Лапласа:
d3U,d*U
Наконец, при стационарном распределении температуры U она не за-
зависит от времени и удовлетворяет уравнению Лапласа
т. е. является гармонической функцией координат точки.
Перейдем к примерам приложения формулы С т о к с а и связанных с нею
понятий. Эти приложения относятся к движению жидкости.
4°. Рассматривая внутри жидкости линию или поверхность в некий мо-
момент времени, мы будем интересоваться тем, какой образ составится из
тех жежидкихчастицв другой мо-
момент. В этих исследованиях важную роль
будет играть такое вспомогательное утвер-
утверждение: производная по времени от цир-
циркуляции скорости по замкнутому жидко-
жидкому контуру равна циркуляции ускорения
по этому же контуру.
Рассмотрим какой-нибудь контур (Lo) =
= (А0В„) в момент времени^. Выберем за
параметр, определяющий положение точки
Мо на нем, скажем, дугу а = Л„М0 (рис. 120); если в момент t жидкий кон-
ryp (Lo) = (АаВЛ перешел в (L) = (AB), то положение точки М, в которую
перешла точка Мо, определится уравнениями вида
р .„„
Циркуляция скорости
I
J=\ vxdx + vydy + v,dz =
^ + v, g) d,
A7)

382	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
может быть продифференцирована по t по правилу Лейбница:
а
dJ f (dvx дх . dvv ду . dvz дг\
д*х . д2у , d3z \ . f / дх , ду , дг
Первый из полученных двух интегралов дает циркуляцию ускорения
\ axdx -{- uydy -|- йгй?г.
d)
Второй же непосредственно вычисляется, так как подинтегральное выраже-
выражение есть производная по а от
он равен
1	.
2	V A'
что в случае замкнутого контура (Z.) обращается в 0.
Итак, окончательно:
* г	/»
V а^л: + aydy + a2rf2,	A8)
что и требовалось доказать.
5°. Пусть мы имеем дело с идеальной жидкостью в смысле 2°.
Кроме того, сделаем еще два предположения: 1) сила F имеет потенциал,
т. е.
2) плотность р есть однозначная функция от давления *:
Введем величину
* Жидкость, удовлетворяющая последнему требованию, иногда назы-
называется «баротропной».

6721	§ 4. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА	383
тогда
дФ	dФ др	 1 др
д~х dpdx p ~дх
и аналогично
ду f ду' дг р дг'
так что
gгadФ=—grad p.
Мы имели уже основное уравнение гидродинамики A4). Теперь оно на-
напишется в виде
Если подставить это в полученное выше равенство A8), то окажется
rn= \ d(U—Ф) = 0, так что J=const.
Таким образом, циркуляция скорости по любому замкнутому окидкому
контуру постоянна во времени. Это есть теорема Т о м с о н a (W. Thomson).
Отсюда, как простое следствие, получается интересное предложение
Лагр ан ж а: если рассматриваемая масса жидкости не имеет вихрей в
некий определенный момент времени, то она не может иметь вихрей и
во всякий другой момент. Действительно, отсутствие вихрей равносильно
обращению я нуль циркуляции скорости вдоль любого замкнутого контура
1670, 1°]. Если это обстоятельство имеет место однажды, то по теореме
Т о м с о н а то же будет и всегда.
6°. Теперь мы в состоянии доказать две важные теоремы Гельмгольца,
относящиеся к «вихревым> линиям и трубкам *. При этом мы все время
сохраняем предположения, указанные в начале 5°.
Теорема о сохранении вихревых ланий. Частицы жидкости, обра-
образующие вихревую линию в некий момент времени, и во все время дви-
движения образуют вихревую линию.
,. Нам проще доказать это сначала относительно вихревой поверх-
ност и. Пусть (So) будет такой поверхностью в момент времени t0; тогда
В каждой ее точке вихрь скорости
вудет лежать в касательной к (So) плоскости, т. е. 2„ = 0. Если взять на по-
поверхности любой замкнутый контур (Хо), ограничивающий часть (а„) поверх-
поверхности, то подформуле Стокса A4)
\ vxdx + Vydy + vzdz =¦ \ \ QndS0 = 0.
* Вихревой линией или поверхностью (в частности, трубкой)
называется, соответственно, векторная линия или поверхность (трубка) для
Поля вихря.	,

384	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1673
В момент времени t жидкая поверхность (So) перейдет в поверхность (S),
ее часть (з0) — в (а), а жидкий контур (Хо) — в контур (X). Но по теореме
Томсона и сейчас
vxdx + Vydy 4- vzdz = О,
так что (снова по формуле С т о к с а)
\vx
Ввиду произвольности (а) отсюда легко заключить, что вдоль (S) тождественно
так что и поверхность (S) оказывается вихревой.
Так как вихревую линию всегда можно рассматривать как пересечение
двух вихревых поверхностей, то теорема доказана. В частности, отсюда сле-
следует и сохранение вихревых трубок.
Теперь уж совсем легко получается
Теорема о сохранении интенсивности вихревых трубок. Интен-
Интенсивность любой вихревой трубки во все время движения остается посто-
постоянной.
По формуле С т о к с а интенсивность вихревой трубки, т. е. поток вихря
через поперечное сечение трубки, приводится к циркуляции скорости по
контуру этого сечения [ср. 670, 23]. В таком случае требуемое заключение
прямо следует из теоремы Томсона [3°).
Этими примерами применения введенных понятий и основных формул
интегрального исчисления мы и ограничимся.
§ 5. Многократные интегралы
673. Задача о притяжении и потенциале двух тел. Потребности
анализа и его приложений не исчерпываются уже изученными типами
определенных интегралов: простыми, двойными и тройными.
Проиллюстрируем это на примере задачи о притяжении
двух тел. Будем обозначать через хь уи z^ координаты точек
первого тела, (Vi), а через дг2, уъ гг, — координаты точек второго
тела, (V2). Пусть в функции от этих координат заданы и плотности
распределения масс в обоих телах: pt = pt (jc1( у1г zt) и р2=р2 (лг2, у^, z^).
Если в каждом из тел выделить по элементу с массой, соответственно,
PidXidyidzt и p^dXidy^dZi, то второй из них действует на первый по
закону Ньютона с силой *
'1,2
где rl i есть расстояние между элементами:
—У if + (za—
* Коэффициент пропорциональности в ньютоновой формуле закона
всемирного тяготения мы, как обычно, полагаем равным I.

673J	$ 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	385
Так как эта сила направлена от точки (xlt yit Zx) к точке
(хь yit гг), то ее направляющие косинусы будут —	-, ———,
'1,2	'1,8
8 '¦. Поэтому проекция, скажем, на ось х силы притяжения пер-
Г1,2
вого элемента вторым равна
'1.3
Проекция же Fx результирующей силы, с какой второе тело притя-
притягивает первое, получается суммированием найденных выражений по
всем элементам обоих тел, т. е. выражается шестикратным
интегралом
PlPa (Xr!~ Xl) dx.dy^dx.dy.dz,,
распространенным на шестимерную область ( V) = ( Vt) X ( Vg) то-
чек (jfI, yx, Zx, х%, уь Zi), где (xt, ух, Zx) взято из (Ц), a (xit yit zj
из (У8). Так же выражаются и другие две проекции.
Аналогично этому величина
есть потенциал одного элемента на другой. Суммируя эти выражения,
получим потенциал одного тела на другое, снова в виде шестикрат-
шестикратного интеграла:
W= \\ \ \
Если оба тела тождественны, то подобный интеграл, деленный на 2
(ибо иначе каждая пара элементов учитывалась бы дважды!), даст
нам потенциал тела на себя.
Предложим себе для примера вычислить потенциал на себя одно-
однородной (р, = р9 = 1) сферы дг2 -\-уг -j- гг «S #*> т. е. интеграл
Вычисление можно провести так. Потенциал сферы х\ -\-у\ -f- z\ ^ R2
на элемент dxxdyxdzx с координатами xlt ylt zlt отстоящий на рас-
расстояние Гх = V~x\ -\-y\ -\- z\ от центра, мы уже знаем [650, 12)]; он
выражается Тройным интегралом и равен*
B-kR* — у кг») dXxdyxdzx.
* Следует учесть, что масса точки, на которую здесь вычисляется по-
потенциал, есть не 1, a dxtdytdZi, кроме того роль а, которое фигурирует
в выведенной раньше формуле, здесь играет rt.
13 Г, М. Фихтеигольц, т, III

386	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[674
Остается еще просуммировать подобные выражения по всем элементам
сферы х\ -\-у\ -f- z\ ^ /?2, т. е. взять еще один тройной интеграл:
Это легко выполнить, переходя к сферическим координатам. Оконча-
Окончательно получим:
В данном случае вычисление шестикратного интеграла свелось к
вычислению двух тройных интегралов, из которых один к тому же
был уже известен.
Перейдем теперь к установлению относящихся сюда общих поня-
понятий, хотя в большинстве случаев придется ограничиться ссылкой на
аналогию с изученными выше видами интегралов.
674. Объем л-мерного тела, л-кратный интеграл. Наподобие
того, как при определении простого, двойного, тройного интеграла,
мы пользовались понятием длины отрезка, площади плоской фи-
фигуры, объема пространственного тела, в основе определения я-крат-
ного интеграла лежит понятие объема* л-мерной области. Для
простейшей л-мерной области — л-мерного прямоугольного параллеле-
параллелепипеда
\аь Ь{, а2, ?2; ••• ; «л. К]	A)
объемом называется произведение его измерений
— а2)... (bn — а„).
Само собою ясно, чтб разуметь под объемом тела, составленного из
конечного числа таких параллелепипедов. Элементарно можно пока-
показать, что объем не зависит от того, каким образом тело разложено
на параллелепипеды.
Рассматривая такие «параллелепипедальные» тела, входящие в дан-
данное л-мерное тело (V) и выходящие из него, можно обычным обра-
образом построить понятие объема V для тела (V) [ср. 340].
Мы будем иметь дело только с телами, для которых объем сущест-
существует; он заведомо существует для тел, ограниченных гладкими
или кусочно-гладкими^ поверхностями**, в частности, для
* Мы решили сохранить этот термин, хотя смысл его, разумеется,
меняется вместе с я: речь идет об „л-мерном объеме". Можно было бы за-
заменить его одним из слов: „протяженность", „мера" и т. п.
** Гладкой поверхностью называется здесь образ в л-мерном про-
пространстве, определяемый л параметрическими уравнениями ел — 1 пара-
параметрами, причем фигурирующие в уравнениях функции параметров должны
быть непрерывны вместе с частными производными, и определители (л—1)-го
порядка матрицы производных не должны одновременно обращаться в нуль.

674J	5 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	387
простейших .знакомых нам л-мерных областей — я-мерного симплекса
и л-мерной сферы
ниже мы вычислим их объемы [650, 1) и 2)].
Пусть в области (V) задана функция л переменных f(xb хг, ... ,
хп); тогда, разлагая эту область на элементарные части и повторяя
другие столь привычные уже нам операции [ср. 643], придем к по-
понятию я-кратного интеграла
t ... dxn.	B)
В случае непрерывной подинтегральной функции он наверное суще-
существует.
Вычисление такого интеграла приводится к вычислению интегра-
интегралов низшей кратности, вплоть до простых. В случае, когда область
интегрирования (V) представляет собою прямоугольный параллелепи-
параллелепипед A), имеет место формула, аналогичная формуле A0) п° 646:
Ь1	6j	"п
1= I dxi ^ dxt ... J f{Xi, xt, ... , xn)dxn.	C)
Для областей более общего вида, характеризуемых неравенствами
\ < хi < Хь х\
х\ < хi
... , Xn {Xi, ..., X^i) ^ Xn <S Xn (Xi, ..., X^i),
применима формула, аналогичная формуле A0 *) n° 646
dxt...	I	f(xi,xi,...,xa)dxn. D)
Подобным же образом (для соответствующего вида областей,
который в каждом случае нетрудно установить) имеют место и дру-
другие формулы, аналогичные формулам (8 *) и A1 *) п° 646, где
вычисление л-кратного интеграла приводится к последовательному
вычислению Интегралов низших кратностей, в сумме дающих л.
Все Зто доказывается совершенно так же, как для случаев
л =2 или я = 3, без привлечения каких бы то ни было новых идей,
так что нет надобности на этом задерживаться. Без дальнейших
пояснений очевидно, как определяются несобственные л-кратные
интегралы и как на них распространяются упомянутые выше формулы.
13*

3S8
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
[675
Замечание. Можно было бы для функции от п переменных
установить понятие и об интеграле, распространенном на
(и—1)-мерную поверхность [см. замечания к примерам 3) и
16) п° 676]. Ввиду сложности предмета, мы не можем здесь на этом
останавливаться. Отметим лишь, что М. В. Остроградским —
в обобщение формулы D) п° 661 — было установлено соотношение,
связывающее такой интеграл, взятый по замкнутой поверхности,
с неким л-кратным интегралом, распространенным на ограниченное
ею тело.
675. Замена переменных в n-кратном интеграле. Этот вопрос
мы рассмотрим несколько подробнее. Пусть даны две я-мерные
области: (D) в пространстве xtx^ ... хп и (А) в пространстве $i&2... ?„,
ограниченные каждая одной непрерывной — гладкой или кусочно-глад-
кусочно-гладкой— поверхностью. Предположим, что между ними с помощью
формул
(
E)
устанавливается взаимно однозначное соответствие. Тогда, при обыч-
обычных предположениях относительно производных и сохранения знака
якобианом
~ fj дха дхп
т
дхп
х3, ..., хп)
, 6», .... in)
интеграл от непрерывной в (D) функции f(Xi, хг, ..
быть преобразован по формуле
дха дх„
, хп) может
Ф)
... dxn =
F)
которая совершенно аналогична формулам преобразования двойных
и тройных интегралов [609 B1); 661 (8)].
Доказательство этой формулы мы проведем по методу
математической индукции. Так как для и = 2 и я = 3 она уже была

675]
S 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
389
установлена, то достаточно, предположив справедливость
подобной формулы преобразования для (я—^-крат-
(я—^-кратного интеграла, доказать ее для интеграла я-кратного.
Без умаления общности можно предположить, что какая-либо из
частных производных ^р сохраняет знак (иначе пришлось бы лишь
разложить область (А) на части, для которых это справедливо);
пусть это будет производная -±г~.
Выделив в предложенном интеграле B) интегрирование по хи
перепишем этот интеграл в виде
я— I
1
5
... dxn
G)
здесь (DXl) означает область изменения переменных хг, ..., хт
вечающую фиксированному значению хх.
Разрешив первое из уравнений E) относительно переменной
выразим ее в функции от xit $2> • • • > ^л:
от-
оти подставим это выражение в остальные формулы. Таким путем мы
получим новые формулы преобразования:
= Хг& (xlt U, •¦¦• У.
хп == хп
(8)
Преобразуем, исходя из этих формул, (я — 1)-кратный внутренний
интеграл в G) к переменным ?s, ..., $я, что по предположению можно
сделать по формуле, аналогичной (б). Мы придем к интегралу
п-\
(9)
где
дх3 дхп

390	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[675
Поставим теперь в нем интегрирование по Xi на первое место:
.... *„(*!, U, .... У)!-/*!***!,
и во внутреннем интеграле перейдем от переменной х^ к переменной
?i по первой из формул E) (при фиксированных Е8, ..., у. Мы получим
я— 1	s ({	5 )
... t<#8 ... <Й„ \	/(Jfl(?l, ?2, ..., У
(д»)	5° (S	5 )
?2> • • • » '•лЛ • • • > *^я (*1> *2> • • • > *п// "^ ^е
или, возвращаясь к и-кратному интегралу:
я
J ... J/ (J^i (?i, . .., <n)> ••• > xn D> • • • > «п.
Чтобы придти к F), остается только убедиться в тождестве
Но, дифференцируя сложные функции (8) по ?8, ...,?„ и используя
для выражения производных от функции ?t правило дифференциро-
дифференцирования неявной функции, найдем
d d
(I, k = 2, .... и).
Поэтому, если в определителе J к элементам k-Vi строки (k — 2,..., и)
прибавить соответственные элементы первой строки, умноженные на
дх1
то он примет вид
дхп

6761	S 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	391
откуда и ясно, что он равен J* j~. Этим и завершается доказа-
доказательство.
Заметим, что мы молчаливо предполагали (я—1)-мерные области
(DXI) и (А*,) ограниченными всякий раз одной непрерывной, гладкой
или кусочно-гладкой, поверхностью (в соответствующем пространстве).
Раздробив предварительно область (D) и одновременно с нею (А) на
части, всегда можно добиться того, чтобы сказанное было верно, по
крайней мере, для каждой части в отдельности. Формула (б), справед-
справедливая для этих частей, будет справедлива и для всей области в целом.
Обычным образом формула замены переменных распространяется
и на случай несобственных интегралов.
676. Примеры. 1) Найти объем Тп «-мерного симплекса [162]
Решение. Имеем
л
Заменяя в этих простых интегралах последовательно переменные по
формулам
*, = Л5„ дг8 = Ш	, хп = Л5„,
причем нет надобности пользоваться общей форму-
формулой F), придем к результату
если через аа обозначить значение интеграла, подобного предложенному, но
отвечающего А=1.
С другой же стороны, имеем (попутно используя полученный результат)
г
и

392	ГЛ. XVIH. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1676
Найденное рекуррентное соотношение (с учетом того, что а1=1) дает нам
1
так что окончательно
т -h-
2) Найти объем Vn л-мерной сферы [162]
Решение. На этот раз речь идет о вычислении интеграла
я
Vn= $ ... ^ dx^Xt ... dxn.
Полагая
легко получить, что Vn = $nRn, где числовой коэффициент рл выражает
объем п-мерной сферы радиуса 1.
Для определения р„ преобразуем
S • • • S
Внутренний интеграл представляет объем (я — 1)-мерной сферы радиуса
л— 1
—5Д и, следовательно, равен р„_, A — $Д) 2 . Подставляя, придем
снова к рекуррентному соотношению
о
или [см. 534, 4) (б)]
* И здесь также не нужна общая формула F): представив крат-
кратный интеграл по формуле D) в виде повторного, можно затем последова-
последовательно заменять переменные в каждом из простых интегралов в отдельности.

676]	$ 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Так как Pj = 2, to легкое вычисление дает
R — Л
Искомый же объем равен
Для случаев п четного и нечетного получаются формулы
W 	_	 DSOT I/	_ *\&Щ	DSm+l
Vtm~ m\H ' 2m+1~ Bm + l)!!
В частности, для Vu Vt, Vt, естественно, находим хорошо известные зна-
значения 2#, *#*, ~^г.
а
3) Вычислить (несобственный!) интеграл
я- 1
Решение. Преобразуем предложенный интеграл так:
X
Внутренний интеграл здесь равен тс, так что [см. 2)]
л
тс
S-TC	J ...\	«te, ... ЛС^-^я.,-
*;+...+*л_а«1	ГЫ
Замечание. Любопытно отметить, что вычисленный только что ин-
интеграл, с точностью до множителя 2, выражает площадь поверх-
поверхности л-церной сферы х*-{- ... -j--*гД = 1. Не входя в подробности,
упомянем, что в случае явного задания поверхности

394	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[676
где точка (хи ..., дг„_,) изменяется в (я — 1)-мерной области (Е). площадь
этой поверхности выражается интегралом *
л-1
В частности, для полу с.ф еры
имеем
dx, ... dxn_, _
i
Таким образом, площадь поверхности n-мерной сферы радиуса 1 равна
2гсрл-2; в случае сферы радиуса R площадь, очевидно, будет
(т)
Этот результат принадлежит Я к о б и.
4) Доказать формулу Дирихле:
xpn-'dx dx -
Г
Применим метод математической индукции, опираясь на то, что при
л = 2 формула уже была установлена [F97, 12); 617, 14)]. Допустим ее вер-
верность для (л — 1)-кратного интеграла. Переписав левую часть формулы в виде
* Она по строению совершенно аналогична формуле Dа) 329 для длины
дуги плоской кривой и формуле E) 626 для площади кривой поверх-
поверхности, где в обоих случаях имеется в виду явное задание.

676j	$ 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	395
произведем во внутреннем интеграле подстановку *
и затем применим к (п — 1)-мерному интегралу формулу Дирихле.
Мы получим
если заменить интеграл его выражением через Г:
то придем к требуемому результату.
5) Формулу Дирихле легко обобщить:
«"• г (&)... г (л
(a,-, a,-, pi > 0).
Эта формула приводится к уже доказанной, если перейти к новым пере-
переменным ?; = (—-) '(< = !, ..., п)*.
В частности, при pt= ... == /?л = 1,«t = ... =а„ = 2, «!==... = «„ = /?,
отсюда снова получается формула для объема Vn я-мерной
сферы ** [(см. 2)].
* См. сноску на стр. 392.
** Следует лишь иметь в виду, что в. связи с ограничением положи-
положительными значениями переменных формула Дирихле непосредственно
дает лишь щ объема.

396	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1676
6) Особо отметим формулу Дирихле для случая л = 3:
$ J $	jcP-^-V-1 dx dy dz =
к, у, г э= О
дРЬ1сг
г Ш г ( i.\ г (L
г [а) \ р / [f
(р, q,r> о),
которая полезна при определении объемов, статических моментов, моментов
инерции и центробежных моментов для однородных тел указанной формы.
[Х\2 I V \2 /Z \а
Например, для части эллипсоида — + [~\ + — ^1(а = Р = 7 = '^,
содержащейся в первом октанте, получаем (считая плотность равной 1):
. аЪс IГ (т)| тс
=T--k_J_=_
^ ГA)[ГШГ «2Ь
при /? = 2, 9 = r=l Afy2 = -g	Г C) ~ Тб '
G\
\2)
7) Доказать формулу Лиувилля (ри р2, ..., рп>0):
t(*i+ ... +д:я)^-14« ... хрпп~х dXldx2
в предположении абсолютной сходимости простого интеграла справа.

676J	§ S. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	897
Для л = 2 эта формула уже известна [597, 16); 611, 17); 617, 14)]. До-
Допустим ее справедливость для (я—1)-кратного интеграла. Левую часть дока-
доказываемой формулы перепишем так:
x^ X
X	\	T№t •¦• +х„)х-я» dxn.
Если положить
то внутренний интеграл здесь заменится через ty(xt-{- ¦•• + -*Vi-i), a тогда
по формуле Лиувилля, примененной к (л — 1)-кратному интегралу, по-
последний представится так:
ГО»,) •
Подставляя Вместо ф (t) его выражение, мы заменим полученный повторный
интеграл двойным:
Остается лишь применить к последнему уже доказанную формулу, чтобы
придти к требуемому результату.
8) Отсюда легко получить более общую формулу:
S-S »(©¦'+¦••+(§)¦") <¦"¦¦¦ <•"'" •••*¦-
(все числа ef-t a,-, />j предполагаются положительными).

895	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	|676
Эта формула, например, позволяет вычислить следующие интегралы, уста-
устанавливая попутно и условия их существования *:
(а) [ ... \ —fl	l^i-	dXl ...dxn =
4	xJo (\-x\i-...-xty
(при |х < 1);
F) V ... \ ^	1^-^	dxt ... dxn--
Г & ... Г №
1	 .(-«l
(в) С	\ ^'^>T/	*¦ -
¦(т) r(f+i
.......
где для краткости положено
* Поскольку абсолютная сходимость интеграла справа в формуле Л и у-
в и л л я имеет место одновременно со сходимостью интеграла слева.

6761	§ 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	3§9
9) Доказать с помощью математической индукции формулу:
yPi ' jr ** Ах* Ах
х. ... х- ел, ... илп
... \
(
[см. 611, 18); воспользоваться 534, 2)].
10) Покажем, следуя Кош и, как вычисление кратного интеграла
2? S? pi -1.., /п- ~ le - («i*i +-...+«»*»)
dxx...dxa
О О
(ft. «i */. Я > 0)
может быть приведено к вычислению простого интеграла.
По известной формуле [531 A3)]
I	» i — а |Лл-1- Я| jet -t- ...-1-л—jc—i ..я— 1 j (
оо
Подставляя это в интеграл /?*и изменяя порядок интегрирований, представим
его в виде
|р 	/я. _4_л, «1 _г,я#	1*	/•— (а„ -\-Ь„и) х„ р — 1 ,
lo	о
или, наконец, если для интегралов в фигурных скобках снова использовать
указанную формулу:
Г fa) ...Т(р„) С* e-b°auq~x du
Результат этот имеет место и при fto = O,но в предположении,чторг +...
Рп>4-
11) Приведем вычисление интеграла
k ... dxn,
где 2ft — четное натуральное число, а аи ..., в„ — произвольные Вещественные
числа.

400	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1676
Имеем, прежде всего, по формуле для степени многочлена
Если интегрировать по сфере х\ + ••• -\-*%^ 1» то интегралы от членов, для
которых хоть один из показателей X — нечетное число, оказываются нулями.
Таким образом,
- 2
14 + ... + |1„ = й
Но по обобщенной формуле Дирихле [см. 5)] написанный интеграл имеет
значение *
!(! + *+¦)
Полагая здесь
после преобразований получим:
2ft
Этот интеграл (правда, другим путем) впервые вычислил Н. Я. Сонин.
Заметив, что интеграл
равен всегда нулю, Сонин получил затем, с помощью разложения показа-
* При этом следует учесть, что формула Дирихле предполагает огра-
ограничения JCiJSO, ..., *я5=0; поэтому результат, который она дает, должен
быть еще умножен на 2".

676J	§ 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	401
тельной функции в ряд и почленного интегрирования, значение и такого инте-
интеграла:
oo
ъ
где для краткости положено
При четном n = 2m этот результат может быть переписан в виде
/ Р \2ft _ B*
\2J * (!»
- 1)*
п.
fe! (ft + т)\ \J (»
ft = o	ft=o	0>J 2
т. е. выражается через бесселеву функцию со значком т = -=- [395,14)] от мни-
мнимого аргумента. Нужно сказать, впрочем, что, если ввести в рассмотрение и
бесселевы функции с дробным значком, то полученный результат сохранит
силу при нечетном п.
12) Перейдем теперь к примерам применения к вычислению кратных ин-
интегралов общей формулы F) замены переменных.
Естественно начать с обобщенного полярного преобразования по фор-
формулам
A0)
xs = r sin <pj cos <рг,
x3 = r sin ?! sin f2 cos <p3,
/li	pI93. . sin f«_s
xn = r sin <pj sin <pa. . sin!pn_j sin
Если в пространстве Х1Хг...хп рассматривается сфера лг|-J-лг| +... +
+ *п^Я2, то ей в новом пространстве r<pt... «prt_i, очевидно, можно поста-
поставить в соответствие прямоугольный параллелепипед
если же берется только часть сферы, отвечающая ограничениям лг,^О,
ДГз^О, ..., лгЛ^О, то изменение всех углов <pi> • •¦> Чп-i ограничивается
Промежутком 0, -=- .
Якобиан преобразования
J= D(xu xs, ..., хп)
D(r, <plf ..., <р„_,)
*ычисляется непосредственно по определению очень кропотливо. Поэтому мы

402	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	f676
вычислим его обходным путем. Формулы A0) легко приводят к системе урав-
уравнений:
Fa = г* sin8 <p, sin2 tp2 — (х| + • • • + ^„) = 0,
Fn = r* sin* <px ... sin2!pn-i — дгп==^>
для которой, обратно, система функций A0) и будет решением. В таком случае
по формуле п° 210, 8),
D{FuFit..., Fn)
D(xu xs, ..., xn)_	D(r, <р„ ...,
D(r, <plt .... <fn-i)~~	~'" "
D(xt, xs	xn)
Оба последних определителя вычисляются сразу, ибо приводятся к произве-
произведениям диагональных членов; они равны соответственно
D(FU .... Fn) __
D(n	?»-.)""
= (— 1)Я2Я г2" sin2/l"'f, cos <pi sin2" <p8 cos <ps ... sin <р„_, cos yn-i,
2 xx x
= 2nrn sin" 1 yt cos<f! sin"<p2 cos<?t ••• sin <fn_t cos?„_!.
Таким образом, окончательно,
Рассмотрим для примера интеграл
n
G= J ... J f(Yxl + ... + x')dxt ...dxn.
Если прибегнуть к полярному преобразованию, то его вычисление непосред-
непосредственно приведется к вычислению п отдельных, один от другого не зависящих,
интегралов:
R	я	*
fn-i/(r)dr.f sinn-*Tiаъ Г sin2<р„_8^<р„_, X
л	2л
Если использовать для вычисления интегралов от степеней синуса формулу из
534, 4) б):
Т
on»-» T rfT = 2
+1 ,

% S. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
403
то после упрощений получим
так что вопрос свелся к вычислению одного простого интеграла по г.
В этом, как частные случаи, содержатся результаты упражнений 2) и 3).
В свою очередь, полученный результат содержится в формуле Лиувилля 8).
13) Если возвести формулы A0) в квадрат, заменить л:», **,..., л:* через
хи х3, ..., хп*, а г8, sin*?!, .... sin2<р„_, — через ии и3	 и„, то придем
к такой системе соотношений:
A1)
Преобразование A1), таким образом, в некотором смысле равно-
равносильно полярному преобразованию A0). В случае п = 2 его применил Я ко б и
для доказательства известного соотношения между функциями В и Г [617 A3)].
Предлагается непосредственно установить формулу Лиувнл-
ля 7), применив к интегралу в левой части преобразование A1). Симплексу
n-i — «i «a • • • «л-i A — «л),
при этом отвечает куб [0, 1; ...; О, 1] в пространстве и, ... ип. Якобиан пре-
преобразований равен
J=
1 —ua u2(l —и.) ••• н2 ...и„-1A—и„) и, ... и
— Ид tt,(l — U3) ... «jtt, ••^Н„_1A — И„) UxUt ... U
—и.и.
и.
••• «»_*(!— н„)
Если к элементам каждого столбца прибавить соответственные элементы всех
последующих столбцов, то все элементы ниже диагонали заменятся нулями,
а диагональные элементы окажутся равными
1, «1, ил	Mt ... «„_,.
Таким образом, окончательно
По формуле F) наш интеграл приводится к следующему:
X
х
... dan,
* Конечно, в таком случае эти переменные могут принимать лишь неот-
неотрицательные значения.

404	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1676
а этот уже представляется в виде произведения простых интегралов;
остальное ясно.
14) То же преобразование переменных позволяет получить и видоизме-
видоизмененную формулу Лиувилля, где п-кратный интеграл оказывается распро-
распространенным на бесконечную область:
X,
А
г fa) г fo)...гы ? (й)а,1+р1+„.+ргив;
T<J>+P2 + +P) ] Т
при этом предполагается, что интеграл справа сходится абсолютно.
Эта формула обобщается так же, как и предшествующая [ср. 8)]:
и
«1
'(")«'
С помощью последней формулы можно установить, например, что
,а
....... (,_ь__

676J	§ б. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	405
15) Доказать формулу (также принадлежащую Лиувиллю):
1 1
?{v<pt ... vn) A -v^~l A -v^~x...
Указание. Формула выводится из соотношения, данного в 7), если
заменить там tj (и) на tp A —и) и положить
Якобиан преобразования в этом случае имеет значение
16) Рассмотрим, вместе с Каталаном, интеграл (п5=3):
л—1
;- S-5
ЛГ= V ... \ f(mix1 + ... + mnxn)
dxx ...«?*„_!
\x,
я I
«I+ .»+*?-
Л-1
= 2 \ ... \
1 + ... + m^«)w==========-;
К1 •*! ¦•• хп-\
при этом, полагая
считаем функцию /(и) непрерывной для \и\^М.
Прибегнем к линейному ортогональному преобразованию всех
переменных, включая и хт по формулам
«л = on«i + Ьпиг + ¦.. + кпи„ ., + /„«„,
* В первой форме этот интеграл по сути является поверхностным
интегралом
] ^/(л + тпхп) dS,
распространенным на поверхность единичной сферы в n-мерном пространстве
[ср. замечание к C)].

406
ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
1676
где п1 коэффициентов подчинены Г* условиям
Из них следует, что
«J + BI + ... +«» = * + * + ... + *
и мы берем за новые независимые переменные ии .... Mn_j, полагая
«„ = ±.V~\-u*-...-u%_i.
Произвол в выборе коэффициентов настолько велик, что мы вправе конкретно
положить	•
а^1л (г==1> 2	л)
и даже дополнительно потребовать, чтобы определитель, составленный из
коэффициентов преобразования, был равен + 1. При таком предположении, как
известно, алгебраическое дополнение, отвечающее какому-либо элементу
определителя, равно самому элементу. С учетом этого якобиан
Р(хи ..., xn_t) __
оказывается равным
un
un
a	I Ui h	I 	k —I -^
Таким образом,
n-1
^T=J
я —2
Внутренний интеграл, как легко получить из 3), равен
п-\

6761	§ S. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	407
так что окончательно
Полагая здесь и = cos X @ =й X =й я), можно написать результат и в виде
При п = 3 отсюда получается известная формула Пуассона, которую
мы вывели в 633, 3) и, по существу, тем же методом преобразования координат.
17) Известная уже нам формула Каталана [см. 597, 15) и 616, 16)]
непосредственно—путем повторения тех же рассуждений — переносится на
«-мерный случай
t	ха)) dxt... dxn =
м	м
, A2)
где
f(xlt...,xn)dXl...dxn.	A3)
Здесь М может быть и + оо, причем { понимается как lim \ .
к	«-«т
Предполагается для примера по методу Каталана получить из формулы
Дирихле 4) формулу Лиувилля 7).
18) Н. Я. Сонин обратил внимание на то, что формулу Каталана
иной раз можно использовать в другом плане.
Предположим функцию f(xu ..., хп) однородной [187] степени s,
а функцию g(хи ..., х„) — однородной же, но первой степени; например,
функция g может иметь вид
или
Пусть, далее, /п = 0. Тогда, полагая в A3)

408	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	1676
(Якобиан 7= и") и учитывая, что неравенство О^^(лгь..., хп)*~^и перейдет
при этом в неравенство O^g(Zu..., ?я)=ё 1, мы получим, что
* (и) = «г»*-*
Подставляем это в A2) (лишь вместо ? снова пишем х):
п.
\ •••\ /C*i, .... xn)<t(g(xlt ...,xn))dXi ... dxn =
Теперь, если удается выбрать, во-первых, функцию 9 и, во-вторых, пре-
предел М так, чтобы интеграл слева легко вычислялся, то отсюда получается
выражение для интеграла
/С*!, ..., xn)dxt ... dxn.
Если, например, ограничиваясь неотрицательными значениями хи ..., хп,
взять
g(xlt ..., лг„) = л:14- ... +хп,
то s окажется равным /?г-{- ... +/?„ — п, и мы получим формулу Дири-
х л е [4)]:
-1
Sf	vPi —' хр" dx dx =
19) Предлагается тем же приемом осуществить приведение интеграла
в предположении, что
?!+... +pn>q>0.

676J	§ S. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	409
Указание. Взять у(и} = е~а, Л1 = -|-оо; воспользоваться результатом
10) при «1= ... =в„= 1 и &0 = 0.
Ответ.
Tjp,) ...T(pn)	Г*
20) Н. Я. Сонину принадлежит также следующее обобщение формулы
Каталана:
и ..., xn,g(xu .... лг„))йлг, ... dxn =
где
Ф(<, с)= J ... ^ <р(лг„ ..., л:„,
[Формула Каталана отсюда получается, если функции <p(jCi, ...,хтс)
придать частную форму: f(xu ..., xa)<f(c).]
. Приведем доказательство автора.
В очевидном равенстве
^ Л j ... j F(xit..., xn,t) dxx... dxn = J ... J dxt ...dxn^ F(xl,...,'xn,t)dt
Tit tn^g^Al	tn^g\^zJii	tn
положим
С., ..., Xn, t)	.	. .
" dt n , если m^g(xlt ..., xn)^t,
О,	если g(xlt ..., xn)>t;
тогда получим
м	n
" dt' "' dx% ••• d^-~
M
\ dt \ ...
Если вычислить внутренний интеграл справа, то отсюда
п.
(хи ..., xn,g)dxt ... dxn =
м

410	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	J676
С Другой стороны, по правилу дифференцирования сложной функции
<полная производная»
Применяя к вычислению второй производной справа правило Лейбница,
заменим ее через
L-J
1, ..., Xn, t) ,	.
—wi	axt ... axn.
Проинтегрируем теперь это равенство по t от тдоМ; принимая во внимание,
что Ф (т, т) = 0, найдем:
м
... С ^(Xl, .^,xn,t)dXi ^ dXnZ=
Если сопоставить A4) и A5), то и получится доказываемая формула.
21) Применим формулу С они на к вычислению интеграла:
Здесь
alXl+ ...
<t(xl,...,xmc) =
m=0, M=\,
Имеем, очевидно,
5 ...

6761	§ 5. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	411
Воспользовавшись результатом упражнения 11), легко получить разложение
Li
k=o
где
=J у	\	:	ii
Li ь,т(п,.,Л \2с
Отсюда
4 = 0
_«-. 2Л V	1	it \ак
так что по формуле С о н н н а
СР. 11)].
22) Вычислить интеграл (Х^О):
°? °z -(¦*!+•¦¦+^-1+згтг^—)
=5-1'	' - *
[ср. 617, 19)].
Дифференцируя (при X > 0) по параметру X под знаком интеграла и заменяя
в результате одну переменную xt через
X»
получим, что
!~М
со оо | „ ,	| _
т. е.
Отсюда
L_l	л-2 t я-1
г—*

412	ГЛ. XVIII. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ	[676
Так как при Х=0 интеграл /? сохраняет непрерывность, то
[531, 6°]. Окончательно:
1	—
/? = UB*) 2
23)Лиувилль остроумно использовал этот интеграл для вывода теоремы
умножения для функции Г, принадлежащей Гауссу [536].
Умножив обе части полученного равенства на Х** (р > 0), проинтегрируем
его по X от Х = 0 до X = -{- оо. Справа получится
п-\ С
\	^4 Г(р).	A6)
4
Слева же перенесем интегрирование по X на первое место (по порядку выпол-
выполнения):
я-1
о о
Х)е "I	«-»
о
Xя
Внутренний интеграл подстановкой 	 =t приводится к
х, ... х
я-t
а тогда остающийся (л—1)-кратный интеграл распадается на произведение
отдельных простых интегралов:
Р + 1 _ j	°°	Р + п-—\ _ j
п \nj \ п I	\ п
Приравнивая это произведение выражению A6) и заменяя/» через па (а > 0),
мы и придем к формуле Гаусса:
в ее обычном виде.

676]
| S. МНОГОКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
413
24) Пусть fi (х), /2 (л:), ..., fn(x) будут ограниченные функции, интегри-
интегрируемые в конечном промежутке [a, ft]. Доказать, что
2
/»(*l) /,(•*«) •••/*(¦*„)
/»(¦*») — fn(Xn)
a
6
6
Sfnfid
x
Определитель справа называется определителем Грама (J. P.Gram).
Разложив промежуток [в, Ь] на т (> п) равных частей, введем в рассмотре-
рассмотрение значения всех я функций в точках деления:
(/=1,2, .... n;j — p, 1	т— 1).
Возведем в квадрат прямоугольную матрицу, составленную из этих чисел. По
известной теореме соответствующий ей определитель *
оказывается равным сумме квадратов определителей упомянутой исходной
матрицы:
Л <Л<..•</„' '*'
где суммирование распространено на всевозможные сочетания из /п (> п)
значков 0, 1, ...,/в—1 по п. Если от сочетаний перейти к размещениям,
то каждый член воспроизведется п! раз; можно не избегать и равенства знач-
значков у, ибо этому случаю отвечает нулевой член. В результате можно написать:
т—\ т—\
Л-о
in—1
у=о
1\,	а\П
Если каждое слагаемое кратной суммы слева умножить на I	j и
Ъ — а
одновременно каждый элемент определителя справа на	, то получится
равенство вроде доказываемого, но лишь с интегральными суммами вместо ин-
интегралов. Чтобы завершить доказательство, остается перейти к пределу при
тп — со.
* Для краткости мы записываем в виде | од | определитель, у которого
в пересечении i-k строки и Л-ro столбца стоит элемент од.

ГЛАВА ДЕВЯТНАДЦАТАЯ
РЯДЫ ФУРЬЕ
§ 1. Введение
677. Периодические величины и гармонический анализ. В на-
науке и технике часто приходится иметь дело с периодиче-
периодическими явлениями, т. е. такими, которые воспроизводятся
в прежнем виде через определенный промежуток времени Т,
называемый периодом. Примером может служить установив-
установившееся движение паровой машины, которая по истечении опре-
определенного числа оборотов снова проходит через свое начальное
положение, затем явление переменного тока, и т. п. Различные
величины, связанные с рассматриваемым периодическим явлением,
по истечении периода Т возвращаются к своим прежним зна-
значениям и представляют, следовательно, периодические функции
от времени t, характеризуемые равенством
Таковы, например, сила и напряжение переменного тока или —
в примере паровой машины — путь, скорость и ускорение крейц-
крейцкопфа, давление пара, касательное усилие в пальце кривошипа
и т. д.
Простейшей из периодических функций (если не считать по-
постоянной) является синусоидальная величина: A sin (not -f- a),
где а> есть «частота», связанная с периодом Т соотношением:
Из подобных простейших периодических функций могут быть
составлены и более сложные. Наперед ясно, что составляющие
синусоидальные величины должны быть разных частот, ибо, как
легко убедиться, сложение синусоидальных величин одной и той
же частоты не дает ничего нового, ибо приводит опять к си-
синусоидальной величине, притом той же частоты. Наоборот, если
сложить несколько величин вида
Уо = А. У1 = Л, sin (urf -f а,), у, = As sin Barf -f- Oj), \
Уз = A* sin Curf 4- ou,), ....	j

677)
1. ВВЕДЕНИЕ
415
которые, если не считать постоянной, имеют частоты
ш, 2со, Зш, ... ,
кратные наименьшей из них, ю, и периоды
1
1
' 5" ' 5" *»••*»
то получится периодическая функция (с периодом Т), но
уже существенно отличная от величин типа B).
Рис. 121.
Для примера мы воспроизводим здесь (рис. 121) сложение
трех синусоидальных величин:
sin 1-f g- sin 2t -f i- sin 3?
график этой функции по своему характеру уже значительно
разнится от синусоиды. Еще в большей степени это имеет место
для суммы бесконечного ряда, составленного из величин
вида B).
Теперь естественно поставить обратный вопрос: можно_ ли
да иную периодическую функцию срJt) периода Т представить
в виде суммы конечного или хотя бы бесконечного множества
синусоидальных величин вида B)? Как увидим ниже, по отноше-
отношению к довольно широкому классу функций на этот вопрос можно
&ать утвердительный ответ, но только если привлечь имен-
именно всю бесконечную последовательность величин B).

418	гл. xix. ряды фурье	1677
Для функций этого класса имеет место разложение в «тригономет-
«тригонометрический ряд»:
ер (t) = А0-{-А1 sin (wt -f- at) -f- Л2 sin Bu>t -f- оц) -f-
oo
an), C)
причем Ло, Л1( aj, Л2, оц, ... суть постоянные, имеющие осо-
особые значения для каждой такой функции, а частота <ю- дается
формулой A).
Геометрически это означает, что график периодической функции
получается путем наложения ряда синусоид. Если же истол-
истолковать каждую синусоидальную величину механически как представ-
представляющую гармоническое колебательное движение, то можно также
сказать, что здесь сложное колебание, характеризуемое функцией
9@, разлагается на отдельные гармонические колебания.
В связи с этим отдельные синусоидальные величины, входящие
в состав разложения C), называют гармоническими составляющими
функции 9@ или просто ее гармониками (первой, второй и т. д.).
Самый же процесс разложения периодической функции на гармоники
носит название гармонического анализа.
Если за независимую переменную выбрать
то получится функция от х:
тоже периодическая, но со стандартным периодом 2гс. Разложение
же C) примет вид
f(x) = Ай^ГА1 sin (х + a,) -f Л2 sin Bx
... = Л0+ |] Л„8ш(ял; + а„). D)
Развернув члены этого ряда по формуле для синуса суммы
и положив
AQ = a0, Л„8ша„ = а„, Л„со8а„ = &„ (л=1, 2, 3, ...),
мы придем к окончательной форме тригонометрического разложе-
разложения:
f(x) = а0 -\- (at cos x-\-bt sin x) -\- (a$ cos 2x -\- b% sin 2x) -\-
-j- (a3 cos 3x -\- bb sin Ъх) -(-...=
2j {ancosnx-
л=1

678|
§ 1. ВВЕДЕНИЕ
417
в которой мы всегда и будем его рассматривать *. Здесь функ-
функция от угла х, имеющая период 2тс, оказывается разложенной
по косинусам и синусам углов, кратных х.
Мы пришли к разложению функции в тригонометрический ряд,
отправляясь от периодических, колебательных явлений и связанных
с ними величин. Важно отметить, однако, уже сейчас, что подобные
разложения часто оказываются полезными и при исследовании функ-
функций, заданных лишь в определенном конечном промежутке и вовсе
не порожденных никакими колебательными явлениями.
678. Определение коэффициентов по методу Эйлера — Фурье.
Для того чтобы установить возможность тригонометрического раз-
разложения E) для заданной функции f{x), имеющей период 2тс, нужно
исходить из определенного набора коэффициентов а0, at, Ъь ..., anbn,...
Мы укажем прием для определения их, который во второй половине
XVIII	века был применен Эйлером и независимо от него в начале
XIX	века — Фурье.
Будем предполагать функцию f(x) интегрируемой в проме-
промежутке [— тс, тс] — в собственном или в несобственном смысле;
в последнем случае мы дополнительно будем предполагать, что
функция абсолютно интегрируема. Допустим, что разложение E)
имеет место, и проинтегрируем его почленно от —тс до тс; мы по-
получим
cos nx dx -f- bn
Но, как легко видеть,
cos nx dx =
sin nx dx = —
sin nx
cos nx
= 0
F)
Поэтому все члены под знаком суммы будут нулями, и окончательно
найдем
G)
Для того чтобы установить величину коэффициента ат, умно-
умножим обе части равенства E), которое мы все время предполагаем
* От этого разложения, разумеется, легко перейти в случае надобности
обратно к разложению вида D).
14 Г. М, Фихтенгольц, т, III

418	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	1678
выполненным, на cos mx и снова проинтегрируем почленно в том
же промежутке:
те	тс
§ f(x) cos mx dx =a0 § cos mx dx-\-
—	1С	— 1С
OO Г	1С	П	"I
~b 2 a« \ cos nx cos mxdx-\-bn ^ sin nx cos mx dx .
Я=1 L — 1С	—it	J
Первый член справа исчезает ввиду F). Далее имеем [ср. 308, 4)]
Х	1С
\ sin nx cos mx dx = у \ [sin(«-)-/w)Ar-}-sin(K—/я)дг]йл = 0; (8)
—	1С	— Я
Я	1С
\ cos лх cos mx dx = -=- \ [cos(n-\-m)x-\-cos(n—m)x]dx — Q, (9)
^ Л	— 1С
если пфт, и, наконец,
.1С
^ 1+c^2m** = ie.	A0)
Таким образом, обращаются в нуль все интегралы под знаком суммы,
кроме интеграла, при котором множителем стоит именно коэффициент
ат. Отсюда этот коэффициент и определяется:
am = -^- § f(x)cosmxdx	A1)
Аналогично, умножая предварительно разложение E) на sin mx
и затем интегрируя почленно, определим коэффициент при синусе:
tomxdx	A2)
¦— л
При этом, кроме F) и (8), мы опираемся еще на легко проверяемые
соотношения:
^ sin nx sin mx dx = 0,	A3)
¦— 1С
если л ф т, и
1С
\ sins mx dx — тс.	A4)
— я

679]	t 1. ВВЕДЕНИЕ	419
Формулы G), A1) и A2) известны под названием формул Эйлера —
Фурье; вычисленные по этим формулам коэффициенты называются
коэффициентами Фурье данной функции, а составленный с их
помощью тригонометрический ряд E) — ее рядом Фу р ь е. Рядами
Фурье мы исключительно и будем заниматься в настоящей главе.
Дадим теперь себе отчет в том, какова логическая ценность про-
проведенных рассуждений. Так как мы исходили из предположения, что
тригонометрическое разложение E) имеет место, то вопрос о том,
отвечает ли это действительности, естественно, остается откры-
открытым. Но убедительны ли те соображения, с помощью которых по
примеру Эйлера и Фурье мы определили коэффициенты разло-
разложения E), даже в предположении, что оно осуществляется? Мы
пользовались повторно почленным интегрированием ряда,
а эта операция не всегда дозволительна [434]. Достаточным условием
для ее применимости является равномерная сходимость ряда.
Поэтому строго установленным можно считать лишь следующее:
если функция f(x), имеющая период 2%, разлагается в равно-
равномерно сходящийся тригонометрический ряд E)*, то последний
необходимо будет ее рядом Фу рье.
Если же предполагать наперед равномерности сходимости, то
наши соображения не доказывают даже и того, что функция может раз-
разлагаться только в ряд Фурье [ср. ниже 759, 760]. Каков же смысл
приведенных соображений? Их можно рассматривать лишь как наве-
наведение, достаточное для того, чтобы в поисках тригонометрического
разложения данной функции, по крайней мере, начать с ее ряда
Фурье, обязуясь (уже со всею строгостью!) установить, при каких
условиях он сходится и притом — именно к данной функции.
Пока же это не сделано, мы имеем право лишь формально
рассматривать ряд Фурье данной функции f(x), но не можем о нем
ничего утверждать, кроме того, что он «порожден» функцией f(x).
Эту его связь с функцией / обычно обозначают так:
оо
f(x) ~ ??„ -(- ^ (я„ cos nx -\- bn sin nx),	E а)
избегая знака равенства.
I/679. Ортогональные системы функций. Изложенное в предыду-
предыдущем п° является образцом рассуждений, которыми часто приходится
пользоваться в математическом анализе при изучении многих разло-
разложений.
* Заметим, что равномерная сходимость сохранится и при умножении всех
членов ряда на ограниченные функции cos mx, sin mx [429]. Равномерную
сходимость можно было бы заменить здесь ограниченностью частичных
(Сумм ряда [528].
14»

420	гл. xix. ряды фурье	[679
Назовем две функции <р (х) и ф (л:), определенные в промежутке
[а, Ь], ортогональными в этом промежутке, если их произведение
имеет интеграл, равный нулю:
Рассмотрим систему функций {<?„(х)}, определенных в промежутке
[а, Ь] и интегрируемых в нем вместе с их квадратами; тогда, как
мы знаем [483, 6)], и произведения этих функций, взятых попарно,
также интегрируемы. Если функции данной системы попарно ортого-
ортогональны:
0	A5)
а
(п, т = 0, 1, 2, ...; п ф т),
то ее называют ортогональной системой функций. При этом мы
всегда будем предполагать, что
A6)
так что в составе нашей системы нет ни функции, тождественно
равной нулю, ни какой-либо другой ей уподобляющейся, в
некотором смысле * функции, интеграл от квадрата которой оказывает-
оказывается нулем.
При соблюдении условий Х„=1 (я = 0, 1, 2, ...) система назы-
называется нормальной. Если же эти условия не выполнены, то при
желании можно перейти к системе Гп _'L которая уже заведомо
будет нормальной. Обратимся к примерам.
^у 1) Важнейшим примером ортогональной системы функций как раз
и является тригонометрическая система
1, cos х, sin x, cos 2x, sin 2x, ..., cos nx, sin nx, ... A7)
в промежутке [ — тс, -к], которую мы рассматривали выше; ее ортого-
ортогональность следует из соотношений F), (8), (9) и A3). Однако нор-
нормальной она не будет ввиду A0) и A4). Умножая тригонометрические
функции A7) на надлежащие множители, легко получить нормальную
систему:
1	cos л: sin л:	cosnx sin nx	.
¦щГ^г » -.,'	i -.г — i • • • i -, /	t ~/	j * • •	\1 ' /
V 2гс ]/я у к	у it	у л
* См. ниже, 733.

679]	§ 1. ВВЕДЕНИЕ	421
2)	Отметим, что та же система A7) или A7*) в урезанном про-
промежутке [0, тс] уже не будет ортогональной, ибо
1С
§ sin пх cos тх dx ф О,
о
если п и т — числа разной четности. Наоборот, каждая из частичных
систем, состоящая либо только из косинусов:
1, cos л:, cos 2x, ..., cosnx, ...,	A8)
либо только из синусов:
sin дг, sin 2х, ..., sin их, ...	A9)
в отдельности, будет в этом промежутке ортогональной, что легко
проверить.
3)	Несущественно разнятся от только что рассмотренных такие
системы:
.,	nx	2%x	ппх	,. ОЛ.
1, cos-^-, cos—,..., cos—,...	A8*)
TZX	. itZX	. WZX	,л лф.
sinT, sin-у-	 sin—,...	A9*)
Каждая из них представляет собой ортогональную систему в про-
промежутке [0, /].
4) Чтобы дать пример более сложной ортогональной системы, состоящей из
тригонометрических же функций, рассмотрим трансцендентное уравнение:
tg ? = с? (с = const).	B0)
Можно доказать, что оно имеет бесконечное множество положительных корней:
графически эти корни^получаются, как абсциссы точек пересечения тангенсо-
тангенсоиды -rj = tg ? и прямой чг) = с$ (рис. 122). Составим систему
siny*, sin j *,...,sin jXt...
Легко вычислить (при аф$), что
. . „ . 1 f sin (о — Р) / sin (
Sina*s.n $x dx = Y{ l»
Если положить здесь « = у, Р =-? (при/196 m), то, используя уравнение B0),
получим:
С ^^A:rfA: = 0 (пфт).
J *.,,..

422
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
[679
Этим установлена ортогональность указанной системы в промежутке
I"» 'J-
Аналогичное заключение можно сделать относительно системы
е;
cos j х, cos -j x, ..., cos -у- x,
если
есть последовательность положительных корней уравнения
ctg ? = с$ (с = const).
Однако ни та, ни другая система не будут нормальными.
!
/
/
Г
1
i 7
1
\
\
О
А
л
!
1
J
/I
х 1
Рис. 122.
5) Важный пример ортогональной системы в промежутке [—1,1] до-
доставляют многочлены Л е ж а н д р а:
1 dn (х2	1 "i"
^о \х) — Ь fn \X) — ош т^п.	\п — Ь A d> •••,
[см. пп° 118, 320]. Так как
то для получения нормальной системы нужно было бы эти полиномы
умножить, соответственно, на 1/ п -j- -=j- (n = 0, 1, 2, ...).
6) Наконец, рассмотрим еще один пример, связанный с бессе лев ыми
функциями. Мы ограничимся для простоты письма функцией Jo (x), но все ска-
сказанное будет справедливо и для функций Jn (х) при п > 0.
В теории бесселевых функций устанавливается, что 70 (х) имеет бесчи-
бесчисленное множество положительных корней:

679J	I |. ВВЕДЕНИЕ	423
Переписав уравнение, которому удовлетворяет функция Jt(x), в виде
d Г dzl
—- I х -г- I = — хг,
dx\_ dx}
легко получить, каковы бы ни были числа аир:
d_
dx
d_
dx
Умножая первое из этих равенств hhJ0($x), а второе — на Ja (их), и почленно
вычитая одно из другого, найдем:
(Э* — a8) xJt (ах) Jo флг) =~ [axJ,, фх) J'o (ах) — ^xJ0 (ax) J, фх)\.
Отсюда, если аф$;
¦Уо (ах) Jo (§лг) dx = ¦
Если положить здесь о = ?„, р = ?т (при п ф т), то придем к соотношению
1
^ xJ0 ft,*) Л Em*) rf* = 0.
о
которое показывает, что система функций \Yx Л (?«*)} ортогональна
в промежутке [0, 1]*. Эта система не будет нормальной.
Пусть в промежутке [а, Ь] дана какая-нибудь ортогональная си-
система {<рл (¦*)}• Зададимся целью разложить определенную в [а, Ь] функ-
функцию f{x) в «ряд по функциям ср» вида:
fix) = с„?о (х) + c,9i (Jf) +... + с„9« W + • ••	B2)
Для определения коэффициентов этого разложения, допуская его
возможность, поступим так, как мы это сделали в частном случае
Выше. Именно, умножив обе части разложения на fm(x), проинтег-
проинтегрируем его почленно:
b	оо	Ь
\ f С*) ?т (X) dX = 2 Сп \ <Р» № <?т (х) UX.
0
* Обобщая понятие ортогональности функций у и <\>, вводят понятие орто-
ортогональности с весом р(х), связывая его с выполнением равенства
ь
Если воспользоваться этой терминологией, то можно сказать также, что система
функций {J(,(Znx)} будет ортогональна с весом х.

424	гл. xix. ряды фурьЕ	|680
В силу ортогональности [см. A5) и A6)], все интегралы справа,
кроме одного, будут нулями, и легко получается:
B3)
(т=0, 1, 2, ...)
[Формулы G), A1), A2) являются частными случаями этой формулы.]
Ряд B2) с коэффициентами, составленными по формулам B3),
называется ' (обобщенным) рядом Фурье данной функции, а
сами коэффициенты — ее (обобщенными) коэффициентами Фурье
относительно системы {срга(л:)}. Особенно просто выглядят формулы
B3) в случае нормальной системы; тогда
B3*)
а
(m = 0, I, 2, ...).
Конечно, здесь могут быть повторены те же замечания, какими
мы закончили предыдущий п°. Обобщенный ряд Фурье, построен-
построенный для данной функции f(x), связан с нею лишь формально.
И в общем случае связь между функцией f(x) и ее (обобщенным)
рядом Фурье обозначают так:
/(х)~?сЛ(*)-	B2*)
о
Сходимость этого ряда к функции f(x), как и в случае триго,номет-
рического ряда, подлежит еще исследованию.
680. Тригонометрическое интерполирование. Можно естествен-
естественным образом подойти к вопросу о представлении заданной функции
f(x) тригонометрическим рядом, отправляясь от тригонометри-
тригонометрического интерполирования, т. е. приближения к функции
f(x) с помощью тригонометрического многочлена
п
°п (•*) = «о + 2 (Я* C0S kx + Pft SiH kX^>	B4)
значения которого в ряде точек совпадают с соответствующими
значениями функции.
Именно, всегда можно подобрать 2л-)-1 коэффициентов: а0, аи
Pi, ..., а„, р„ тригонометрического многочлена и-го порядка B4)
так, чтобы его значения были равны значениям функции/(л:) в 2п-\- 1
наперед указанных точках промежутка (— тс, тс), например в точках
gi = ft A= — п, —п-\-\,..., —1, 0, 1,..., и—1, п),

6801	§ 1. введение	425
где X =	Действительно, для определения этих 2п-{-1 коэф-
коэффициентов мы имеем столько же линейных уравнений:
п
а0~1~ 2 (aft COS k^i ~\~ Pft s'n ^()==/(?»)	B5)
(i = —я, — л+1	л).
Для решения этой системы нам придется вспомнить одно элемен-
элементарное тригонометрическое тождество *:
1 у! sin^ra + yju
 + .^ C0S /Й =	25.п^Л •	B6)
Сложим почленно все равенства B5). Ввиду нечетности синуса
коэффициент при pft
2 sinA6, = 0.
То же можно сказать и о коэффициенте при <tk, ибо по четности
косинуса	п	п.
2 cos АЕ,- = 1 + 2 ^ cos ^^ = °	B7)
в силу тождества B6), если взять в нем /г = АХ=	Поэтому
п
1
Чтобы определить а.тA^т^п), умножим равенства B5), соот-
соответственно, на cos n&i и снова почленно сложим. Коэффициент при
сц, будет нулем ввиду B7); равен, очевидно, нулю и коэффициент
при рй по нечетности синуса. Что же касается коэффициента
при ak>. то он представится так:
п	п	п
У cos {k f rri) \ \
У cos k%t cos mb; = Y У cos {k -f- rri) \t -\-у У cos (k —
l=—n
при k^ m обе суммы справа ввиду B7) обратятся в нуль, а при
k = m первая сумма будет нулем, в то время как вторая получит,
* Его легко получить, если умножить левую часть на 2 sin -^- h и каж-
каждое произведение 2 sin у Л cos «Л заменить разностью sin I i -(- у] h —
-sin (i-y)A. [Ср.307 B).]

426	гл. xix. ряды фурьв	[680
очевидно, значение —~w~ • Таким образом, лишь коэффициент при
ат оказывается отличным от нуля, именно, равным "Г*" .. Теперь
уже легко найти
л
os n&i1 A ^ т ^ п).	B9)
Совершенно аналогично, умножая равенства B5) на sin mlt и скла-
складывая, найдем	п
Р2 ^<> Sin m%i 0 < « < ")•
Читатель несомненно заметил в примененном приеме сходство с
методом Эйлера — Фурье для определения коэффициентов тригоно-
тригонометрического ряда. Однако здесь наши выкладки безупречны, ибо легко
проверить, что полученные значения неизвестных действительно удов-
удовлетворяют уравнениям B5). Впрочем, это и без проверки ясно из
простых алгебраических соображений. Мы видели, что система B5)
может иметь, если вообще имеет, лишь единственное решение,
которое дается формулами B8), B9), C0), каков бы ни был нг-
бор правых частей. Но в таком случае ее определитель необ-
необходимо отличен от нуля, и сама система является определенной.
Итак, тригонометрический многочлен оп(х) с найденными значениями
коэффициентов удовлетворяет поставленным требованиям и может
служить для интерполирования нашей функции в промежутке [ — тс, тс].
Предположим теперь, что заданная функция в этом промежутке
интегрируема (на этот раз — в собственном смысле!). Если мы
станем увеличивать п до бесконечности, то интерполяционный мно-
многочлен оп(х) будет меняться, совпадая с f(x) на все более и более
«густом» множестве точек. Он не только будет «удлиняться», но и
уже вошедшие в игру его коэффициенты будут изменяться. Чтобы
лучше разобраться в их поведении, представим себе промежуток
[ — тс, тс] разложенным на 2л —j— 1 равных частей с помощью точек
деления xt = Bl—1) „¦ . . (— n^i^n-\- I). Точки \t являются
как раз серединами этих частичных промежутков, а длины последних
все равны Ал:,= . =Х. Если переписать формулы B8), B9) и
C0) в виде
ао = — > /E-)Дл:., а_ = — У
Л

6811	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	427
то суммы в правых частях окажутся интегральными суммами,
отвечающими именно указанному разбиению промежутка. Теперь ясно,
что при п -*¦ оо
1С	1С
«о -»- ^ § f{x) dx, ат -> ~ ^ f(x) cos mx dx,
1С
— V f{x)
sin mx dx,
так что предельными значениями коэффициентов интерполяцион-
интерполяционного тригонометрического многочлена являются соответствую-
соответствующие коэффициенты Фурье нашей функции. Можно сказать, что
интерполяционный многочлен «в пределе» как бы переходит в ряд
Фурье!
Этот процесс, разумеется, тоже может рассматриваться лишь как
наведение. Он ничего не доказывает относительно связи между функ-
функцией и ее рядом Фурье, но, в свою очередь, достаточно мотивирует
интерес именно к этому ряду. В последующих параграфах мы и зай-
займемся, наконец, непосредственно изучением поведения ряда Фурье
для разных классов функций.
§ 2. Разложение функций в ряд Фурье
681. Постановка вопроса. Интеграл Дирихле. Пусть fix) бу-
будет функция с периодом 2тс, абсолютно интегрируемая, хотя бы и
в несобственном смысле, в промежутке [ — тс, тс], а следовательно, и
в любом конечном промежутке. Вычислим постоянные (ее коэффици-
коэффициенты Фурье):
1С	1С
ат — — \ /(и) cos mudu, bm = — \ /(и) sin mudu	A)
— ТС	— 1С
(т—0, 1, 2, ...)	(m = l, 2, ...)
и по ним составим ряд Фурье нашей функции
/С*) ~ y + 2 ^m eos тх ~t~ bm sin тх^ш	B)
Читатель замечает здесь маленькое отступление от обозначений п° 678:
коэффициент а9 мы определяем теперь по общей формуле для ат
при т = 0, в разрез с формулой G) упомянутого п°, но зато сво-
свободный член ряда пишем в виде —¦•

428	гл. xix. ряды фурье	[681
Заметим здесь же (этим замечанием мы будем пользоваться
и в последующем), что для функции F(u), имеющей период 2гс, ве-
величина интеграла	а-\-2к
[ F(u)du
а
по промежутку длины 2тс не зависит от а [ср. 314, 10) и 316]. По-
Поэтому и в формулах A), определяющих коэффициенты Фурье, ин-
интегралы могут быть взяты по любому промежутку длины 2тс; напри-
например, можно было бы написать
2я	2it
1С	1С
ат = — \ f(x) cos mx dx, bm = — \ f(x) sin mx dx A *)
(m = 0, 1, 2, ...)	(m = l, 2, ...)
И Т. П.
Для того, чтобы исследовать поведение ряда B) в какой-нибудь
определенной точке х = х9, составим удобное выражение для его
частичной суммы	„
fa» C0S	+ Ь	)
l
Подставим вместо ат и йот их интегральные выражения A) и подве-
подведем постоянные числа cos mxa, sin тхй под знак интеграла:
Sr.(*o) = 2^ ) f(u)du-\-
п
~ \ /(H) [cos mu cos mx0 -4- sin mu sin тхЛ du =
1С J	UJ
= 1 ^ /00 A4
т=\ —
— 7C	m=l
Воспользовавшись для преобразования выражения в фигурных
скобках формулой B6) п° 680, будем иметь:
п	"
1 i V
cos т (и — хо) =
2 sin ¦
и окончательно
C)
Этот важный интеграл носит имя Дирихле (G. Lejeune-Dirichlet).

682J	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	42S
Так как мы имеем здесь дело с функциями от и периода 2я, то
промежуток интегрирования [— тс, тс] по сделанному выше замечанию
можно заменить, например, промежутком [хл — тс; л:0 -)- тс]:
Подстановкой t = u — ха преобразуем этот интеграл к виду:
(re+y;
я	О
Затем, разбивая интеграл на два: ^ —j— ^ и приводя второй интеграл
0 -к
путем изменения знака переменной тоже к промежутку [0, тс], придем
к такому окончательному выражению для л-й частичной суммы ряда
Фурье:	«
1 Г sinfn + y)*
*„(*.) =4 [/(*о + 9+/(*о-<)]—	г1-Л.	D)
J	2si4^
Таким образом, дело сводится к исследованию поведения именно
этого интеграла, содержащего параметр п. Своеобразие представля-
представляющейся здесь задачи заключается в том, что здесь не может
бить использован предельный переход под знаком интеграла*, ко-
который до сих пор (см. главу XIV) служил нам единственным сред-
средством для разыскания предела интеграла, содержащего параметр.
И с таким положением вещей нам в этой и в следующей главах
придется сталкиваться систематически.
682. Первая основная лемма. Прежде чем продолжить наше ис-
исследование, докажем следующее важное для дальнейшего утвержде-
утверждение, которое принадлежит Р и м а н у:
Если функция g(t) абсолютно интегрируема в некотором
конечном промежутке [а, Ъ\, то
ъ
V\va.\g{$) sin ptdt = 0
* В данном случае подинтегральное выражение при я —* оо вовсе не
имеет предела.

430	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	1682
и, аналогично,
lim \g(t) cos ptdt = O.
Доказательство достаточно провести для первого из этих пре-
пределов. Заметим предварительно, что, каков бы ни был конечный про-
промежуток [а, р], имеем такую оценку:
С sin ptdt
COS pa — COS
±.	E)
Допустим сначала, что функция f(x) интегрируема в собственном
смысле. Разобьем промежуток [а, Ь] на п частей точками
= &	F)
и в соответствии с этим разложим и интеграл
Ъ	n-l'i+i
\ g(t) sin ptdt=2i $ g{t) sin pt dt.
a	t=0 t{
Обозначив через mt точную нижнюю границу значений g(t) в i-м
промежутке, можно преобразовать это выражение так:
ь
\ g(t) sin pi dt =
n- 1 'i+i	n — \ 'i+t
Гели <ог есть колебание функции g(f) в г-м промежутке, то в его
пределах g(t) — /иг^и);; с учетом неравенства E) теперь легко по-
получить для нашего интеграла оценку:
b
i=0
Задавшись произвольным числом е^>0, выберем сначала дроб-
дробление F) так, чтобы было
л —1
1=0

682Г.	| 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	43
это сделать можно именно ввиду интегрируемости функции g [297]
Теперь, так как числа /»| тем самым уже определены
можем взять
T/.l«il
и для этих значений р получим
ь
sin Ptdt\<:s,
что и доказывает наше утверждение.
В случае, если функция g(t) интегрируема в несобственном смысл*
(но обязательно абсолютно!) достаточно ограничиться предполо
жением, что в промежутке [а, Ь] имеется лишь одна особая точка
например точка Ь*.
Пусть 0<С"Ч<^Ь— а. Разлагая интеграл на два:
ft	ft—1)	U
a	a	6 — i|
для второго интеграла справа имеем при любом р оценку:
ь	ь
I \ #@ sin /^ <# I s^ § |g-@1 dt,
что <С"т> если выбрать ¦»] достаточно малым. Что же касается ин
теграла
$ g(t) sin ptdt,
а
то при р -*¦ -f- оо он стремится к нулю — по уже доказанному, та!
как в промежутке [а, Ъ — ¦»]] функция g(t) интегрируема в с обет
венном смысле слова; написанный интеграл по абсолютной ве
личине также станет <^y пРи достаточно большом р. Этим и завер
шается доказательство.
Мы обращаем внимание читателя на то, что уже здесь пределы
к которым стремятся интегралы, установлены помимо предель
ного перехода под знаком интеграла.
* Иначе можно было бы разложить промежуток на конечное число ча-
частей, содержащих лишь по одной особой точке, и применить рассужденш
к каждой части в отдельности.

432	гл. хгх. ряды фурье	[683
Если вспомнить формулы A), выражающие коэффициенты Фурье,
то в качестве первого непосредственного следствия отсюда полу-
получается утверждение:
Коэффициенты Фур ь е ат, Ът абсолютно интегрируемой
функции при т —*¦ -\- оо стремятся к нулю.
683. Принцип локализации. Вторым непосредственным же след-
следствием доказанной леммы является так называемый „принцип лока-
локализации".
Взяв произвольное положительное число 8<^тс, разобьем интеграл
8
в D) на два: \ = ^-|-§- Если второй из них переписать в виде:
О 0 8
то станет ясно, что множитель при синусе является абсолютно
интегрируемой функцией от t в промежутке [8, к], ибо знаменатель
2 sin -к-1 в этом промежутке в нуль не обращается. В таком случае
по лемме этот интеграл при п -> оо стремится к нулю, так что и
самое существование предела для частичной суммы ряда Фурье,
sn(xo)> и величина этого предела целиком определяются поведением
одного лишь интеграла
1
Г
dt. G)
/ 1\
sin Г+ТГ
J
Но в этот интеграл входят лишь значения функции f(x), отвечаю-
отвечающие изменению аргумента в промежутке от дг0 — 8 до х0 -)- 8. Этим
простым соображением и доказывается „принцип локализации", со-
состоящий в следующем:
Теорема Римана. Поведение ряда Фурье функции f(x) в
некоторой точке х№ * зависит исключительно от значений, при-
принимаемых функцией в непосредственной близости рассматривае-
рассматриваемой точки, т. е. в сколь угодно малой ее окрестности.
Таким образом, если, например, взять две функции, значения ко-
которых в произвольно малой окрестности точки х9 совпадают, то как
бы они ни разнились вне этой окрестности, соответст-
соответствующие этим функциям ряды Фурье ведут себя в точке хЛ одина-
одинаково: либо оба сходятся, и притом к одной и той же сумме, либо
* Мы понимаем под этим сходимость или расходимость ряда в точке х01
а также наличие для него (в случае сходимости) той или иной суммы.

684]	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	433
оба расходятся. Этот результат покажется еще более разительным,
если подчеркнуть, что самые коэффициенты Фурье рассматриваемых
функций, зависящие от всех их значений, могут оказаться совершенно
различными!
Эта теорема обычно связывается с именем Р и м а н а, ибо является
следствием более общей его теоремы, доказанной в 1853 г. Следует,
однако, отметить, что идея „принципа локализации" содержится в од-
одной работе Остроградского 1828 г. по математической физи-
физике, а также отражена в исследованиях Лобачевского 1834 г. по
тригонометрическим рядам.
684. Признаки Дин и и Липшица сходимости рядов Фурье.
Возвращаемся к прерванному исследованию поведения частичной суммы
sn(x0) ряда Фурье, для которой мы получили интегральное выраже-
выражение D). Отметим, что упомянутое равенство имеет место для каждой
функции f(x), удовлетворяющей поставленным условиям. Если, в част-
частности, взять /(дг)=1, то и sn(x)=l, и из D) получим, что
Умножая обе части этого равенства на постоянное число So —
предполагаемую сумму нашего ряда, точное значение
которой мы установим ниже, и вычитая результат из D), найдем:
dt,	(8)
где для краткости положено
? (О =/C*b+ <)+/(•*. —9 —2S!>.	(9)
Если мы хотим установить, что S9 действительно является суммой
ряда, то для этого нужно доказать, что интеграл (8) при п~>оо
стремится к нулю.
Обратимся к выбору самого числа 50. Практически важны те случаи,
когда (а) функция f(x) в точке х0 непрерывна, либо F)f(x) имеет в
этой точке с обеих сторон разве лишь разрывы первого рода (или
скачки), так что оба предела /(*0 + 0) и /(х0 —0) существуют.
Этими случаями мы впредь ограничимся и раз навсегда полагаем:
в случав (а): 50==/(л:0),
- случае (б): <Уо=

434	гл. xix. ряды фурье	[684
В различении случаев (а) и (б) нет надобности, если в точке лг0,
где налицо разрыв первого рода, выполняется равенство
Точки, где это условие соблюдено, иногда называют регулярными.
Отметим, что так как
(a) lim /(х„ ± t) =/(хй) или (б) lim f(x9 ± t) =f(x0 ± 0),
f-«+o	/—+о
смотря по случаю, то при указанном выборе числа 50 всегда будет
lim f @ = 0.	A0)
Имея это в виду, сформулируем теперь
Признак Дина. (U. Dini) Ряд Фурье функции f(x) в точке х0
сходится к сумме Sq, если при некотором й^>0 интеграл
и
существует.
Действительно, при этом предположении существует и интеграл
Если переписать выражение (8) в виде
то непосредственно по основной лемме ясно, что оно при п -> оо
стремится к нулю, так как функция *ЦА а с нею и ^~ •	г—
абсолютно интегрируема. Этим и завершается доказательство.
В развернутом виде интеграл Д и н и может быть написан так:
А
в случае (а):
в случае (б): {

$ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	435
Очевидно, достаточно предположить существование порознь ин-
интегралов (смотря по случаю)
\f(X, + t)—/(X,)\dt и С \/(Xo~t^—j^ondt	(n)
ИЛИ
С \f(xo + t)-f(xo + O)\
dt и
Отсюда можно получить ряд частных признаков, используя различные
известные признаки существования интегралов. Например, ограничи-
ограничиваясь случаем (а), укажем
Признак Липшица (R. О. Lipschitz). Ряд Фурье функции f{x)
сходится в точке дг0, где она непрерывна, к сумме f(x0), если
для достаточно малых t выполняется неравенство
|/(х,± Q—/(*,)!<?*•,
где L и а. — положительные постоянные (а^1).
В случае а = 1 имеем попросту
(*.± <)—/(*.)
-
так что интегралы A1) существуют как собственные [480]. Если же
а<1, то
f(xo±t)—f(xo)
и так как справа стоит интегрируемая функция, то интегралы A1)
все же существуют, хотя бы как несобственные [482].
В частности, условие Липшица при а=1 заведомо будет вы-
выполнено, если для функции f(x) в точке х0 существует конечная
производная f'(x0) или, по крайней мере, конечные односторонние
производные
/;(*„) = lira /(*• + *>-/<¦*«> f /;(*„)= lim /(^о-<)-/(^о))
хотя бы и различные между собой («угловая точка»). Таким образом,
в точке х0, где функция f(x) дифференцируема или, по край-
крайней мере, имеет обе конечные односторонние производные, ряд
Фурье сходится, причем сумма его равна f(xe).
Легко перефразировать признак Липшица и для случая (б).
Как частное следствие отсюда, укажем и здесь, что в точке ха

436	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[683
разрыва первого рода для сходимости ряда Фурье достаточно
предположить существование конечных пределов:
lim /(лго-О-/(лго-0)
причем на этот раз суммой ряда будет Л-*"°+ )+/(*<> — )
Упомянутые пределы в некотором смысле уподобляются односто-
односторонним производным, лишь значение/(дг0) функции в точке дг0 заме-
заменяется, соответственно, ее предельными значениями справа или слева
от этой точки.
Наиболее часто на практике приходится иметь дело с функциями
f(x), имеющими период 2тг и дифференцируемыми или же
кусочно-дифференцируемым и. * Как видим, для таких функ-
функций ряд Фурье всегда сходится к самой функции f(x), за исклю-
исключением «точек стыка» различных функций, где суммой ряда будет
/( + O)+/( —0)
685. Вторая основная лемма. Для построения дальнейших при-
признаков мы будем нуждаться еще в одном вспомогательном утвержде-
утверждении, впервые установленном Дирихле:
Если функция g(t) монотонно возрастает, оставаясь ограни-
ограниченной, в промежутке [О, h], где й^>0, то
h
lim \g(t)^-dt = ^g(r\-0).	A2)
Р-со 0	<	Z
Доказательство. Прежде всего, рассматриваемый интеграл
может быть представлен в виде суммы двух интегралов:
н	н
ff(+°) \ —r~dtJr \ 1^@ — g{-\-v)\—j— dt-	A3)
Если первый из них с помощью подстановки pt = z преобразовать
К ВИДУ	pft
о
* Функция f{x) называется кусочно-дифференцируемой в
промежутке [а, Ь], если этот промежуток разлагается на конечное число
частичных промежутков, внутри которых функция дифференцируема, а на
концах не только имеет предельные значения, но и односторонние произ-
производные, при условии замены на этих концах значений функций упомянутыми
предельными значениями. Можно представить себе кусочно-дифференцируе-
кусочно-дифференцируемую функцию как бы «склеенной» из нескольких функций, дифференцируе-
дифференцируемых (а следовательно, и непрерывных) в замкнутых частичных промежут-
промежутках с тем лишь, что в «точках стыка» (равно как и на концах а и Ь основ-
основного промежутка) ее значения устанавливаются особо.

685]	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	437
то сразу ясно, что при р-+-\-оо он стремится к — • g(-\-0), ибо
Таким образом, весь вопрос сводится к доказательству того, что
второй из интегралов A3) стремится к нулю.
По произвольно заданному е^>0 найдется такое 8^>0 (можно
считать 8 <^ И), что
О<#@ — ?(+0)<е для
Разобьем теперь упомянутый только что интеграл на два:
6	h
К интегралу It применим формулу Бонне [306]; мы получим, что
8	р5
П	РЧ
Но первый множитель <^ е, а второй равномерно ограничен при всех
значениях р. Действительно, из сходимости несобственного интеграла
го
р sin г , ¦	,	_ „. ,
Д	dz следует, что непрерывная (при z^0) функция от z
о
sin 2 ,
— dz,
имеющая при z-*--(-оо конечный предел, будет ограничена при
всех значениях» z:
г
L (I = const),
так
что
г
f
}
sin г
z
S2L.
Итак, для интеграла Д имеем независимо от р оценку
|/,|<21е.	A4)
Что же касается интеграла /а, то при р-^-оо (и фиксирован-
фиксированном 8) он стремится к нулю по лемме п° 682, так как множитель при

438	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[686
sin pt есть интегрируемая в собственном смысле функция (ведь
t^bl). Этим и завершается доказательство.
686. Признак Дирихле — Жордана. Обратимся теперь к выводу,
нового признака сходимости рядов Фурье, основанного на другой
идее.
Признак Дирихле — Жордана. Ряд Фурье функции f(x)
в точке Хо сходится к сумме So, если в некотором промежутке
[хо — h, xo-\-h] с центром в этой точке функция имеет огра-
ограниченное изменение.
Мы видели в п° 683, что поведение частичной суммы sn(x0) при
я -*- ос определяется поведением интеграла р„ (8) [см. G)], где за 8,
в частности, можно взять и то число п, о котором была речь выше.
Перепишем интеграл р„(/г) в виде
Т5-1 sin [n + -тг
Сумма в квадратных скобках, по предположению, есть функция
Т t
с ограниченным изменением; частное же —j— представляет собой воз-
sinT*
растающую функцию. Таким образом, и произведение их имеет огра-
ограниченное изменение и, следовательно, представляется в виде разности
двух монотонно возрастающих функций. Поскольку лемма предыду-
предыдущего п° приложима к каждой из них в отдельности, она приложима
и к их разности, и мы сразу получаем, что
O)]=	.
п—*¦ оо
Этим все доказано, ибо в точке непрерывности полученное выраже-
выражение само собою обращается в /(дг0)-
Нужно сказать, что первоначально сформулированные самим
Дирихле условия разложимости функции в ряд Фурье носили
более частный характер. Именно, он установил следующее предложение:
Признак Дирихле. Если функция f(x) периода 2п кусочно-
монотонна в промежутке [—it, ir] * и имеет в нем не более, чем
конечное число точек разрыва, то ее ряд Фурье сходится
* Под этим разумеется возможность разложить промежуток [—тс, тс] на
конечное число частичных промежутков, внутри которых по отдельности
функция монотонна.

S 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	439
к сумме /(лг0) в каждой точке непрерывности и к сумме
/(*t + 0)+/(*. —0) в каждой тояке ра3рша.
С тех пор высказанные здесь условия известны под именем
«условий Д и р и х л е».
Так как функция, удовлетворяющая этим условиям, очевидно,
имеет ограниченное изменение в любом конечном промежутке, то
этот признак формально перекрывается предыдущим признаком.
Изложенных признаков вполне достаточно для удовлетворения
практических потребностей анализа и его приложений. Другие пред-
предложенные признаки представляют, главным образом, теоретический
интерес; на них мы не имеем возможности останавливаться.
Коснемся в заключение вопроса о взаимоотношении признаков
Дини и Дирихле—Жордана. Можно показать, что они н е с р а в-
н и м ы между собой, т. е. не вытекают один из другого. Рассмотрим
сначала функцию f(x), которая в промежутке [—тс, тс] опреде-
определяется так *:	.
~nn при
= 0.
Эта функция непрерывна и кусочно-монотонна и, значит, удовлетво-
удовлетворяет условиям Дирихле. В то же время интеграл Дини, относя-
относящийся к точке лг = О:
" |/C+/(-<)-2/@)| ,,,__«, С dt
Г 1/C+/(-<)-2/@)[ df==2 Г
явно расходится при любом h ^> 0.
С другой стороны, если в промежутке [—тс, тс] определить функ-
функ*
цию равенствами *:
!f(x) — x cos-j^r при
/@) = 0,
го в точке х = 0 заведомо выполняется условие Липшица:
а следовательно и условие Дини. Однако на этот раз функция
/(х)ни в какой окрестности точки jc = O не имеет ограниченного
изменения [567].
* На остальную'часть числовой оси функция распространяется по закону
Периодичности: f(x-\-2%)=f{x).

440	гл. xix. РЯДЫ фурье	[687
687. Случай непериодической функции. Вся построенная выше
теория исходила из предположения, что заданная функция опреде-
определена для всех вещественных значений х и притом имеет период 2ir.
Между тем, чаще всего приходится иметь дело с непериоди-
непериодической функцией f(x), иной раз даже заданной только в проме-
промежутке [— 1С, 1С].
Чтобы иметь право применить к такой функции изложенную тео-
теорию, введем взамен нее вспомогательную функцию /*(х), определен-
определенную следующим образом. В промежутке [—it, ir] мы отождест-
отождествляем /* с /:
/*(*)=/(*) (—«<*<*),	A5)
затем полагаем
а на остальные вещественные значения д: распространяем функцию
f*(x) по закону периодичности.
К построенной таким образом функции f*(x) с периодом 2тг
можно уже применять доказанные теоремы разложения. Однако если
речь идет о точке лг0, лежащей строго между —п и
л, то [при проверке условий этих теорем нам пришлось бы иметь
дело ввиду A5) лишь с фактически заданной функцией f{x). По
той же причине и коэффициенты разложения можно вычислять по
формулам A), не переходя к функции /*(х). Короче говоря, все до-
доказанное выше непосредственно переносится на заданную функ~
цию f(x), минуя вспомогательную функцию f*(x).
Особого внимания, однако, требуют концы промежутка x = dzic.
При проверке для функции /*(х) условий какой-либо из теорем
пп° 684, 686, скажем в точке лг = тг, нам пришлось бы иметь дело
как со значениями вспомогательной функции/* (х) слева от x = tz,
где они совпадают с соответственными значениями данной функ-
функции f(x), так и со значениями /* (х) справа от x = ir, где они
совпадают уже со значениями f(x) справа от х = — тс. Поэтому,
если бы мы пожелали перефразировать для случаев точек x^zhn, на-
например, признак Дирихле — Жордана, то нам в обоих случаях
следовало бы потребовать, чтобы f(x) имела ограниченное изменение
как слева от jc = ic, так и справа от х=—ic. При этом в качестве
значения 50 в обоих же случаях надлежало бы взять
2
Таким образом, если заданная функция f(x) даже непрерывна
пр« х = ±п, но не имеет периода 2тт, так что/(тс)^/(—т),

688|	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	441
то при соблюдении какого-либо из достаточных для сходимости ряда
Фурье условий суммой этого ряда будет число
/( — *) + /(*)
2
отличное как от/(—тс), так и от/(тс). Для такой функции разло-
разложение может иметь место лишь в открытом промежутке (— тс, тс).
Следующее замечание заслуживает серьезного внимания читателя.
Если тригонометрический ряд B) сходится в промежутке (— it, тс)
к функции f(x), то ввиду того, что его члены имеют период 2тг, он
сходится всюду, и сумма его S(x) оказывается тоже периодиче-
периодической функцией от jc с периодом 2тс. Но эта сумма вне указан-
указанного промежутка вообще уже не совпадает с функцией f(x)
(если последняя была задана на всей вещественной оси). Ниже [690]
это замечание будет проиллюстрировано многочисленными примерами.
Отметим, наконец, что вместо промежутка [—тс, тг] можно было
бы взять любой промежуток [а, а -\- 2тс] длины 2тс.
v 688. Случай произвольного промежутка. Предположим, что
функция f(x) задана в промежутке [— /, /] произвольной длины
2/(/^0). Если прибегнуть к подстановке
то получится функция / ( -^) от у в промежутке [— тс, тс], к кото-
которой уже приложимы рассмотрения предыдущего п°. При соблюде-
соблюдении определенных условий, как мы видели, можно разложить ее
в ряд Фурье:
(а«cos пу+bn sin пу^'
коэффициенты которого определяются формулами Эйлера — Фурье:
«.=4- \ /(-?)cos *у*у> *«=-Н 7Нг)sin *уd»
—1С	— 1С
(я=0, 1, 2 .. .)	(я=1, 2	)
Вернемся теперь к прежней переменной х, полагая
тел:
Тогда мы получим разложение заданной функции f{x) в тригоно-
тригонометрический ряд несколько измененного типа:
оо
¦ei \ а» i V1 I	ПкХ i t •
/(*)=-j- + 2d г"cos ~т~+ъ*sin
л=1

§ /Иcos
442	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
Здесь косинусы и синусы берутся от углов, кратных не х, а ~.
Можно было бы и формулы для определения коэффициентов этого
разложения преобразовать той же подстановкой к виду
i	i
(х, bn = -j- \ f(x) sin^^-dx. A7)
(л = 0. 1,2,...)	(я=1,2	)
В отношении концов промежутка х = ±1 сохраняют силу заме-
замечания, сделанные в предыдущем п° относительно точек х = ± тс.
Конечно, промежуток [—/, /] может быть заменен любым другим
промежутком длины 21, в частности, промежутком [0, 21]. В послед-
последнем случае формулы A7) должны быть заменены формулами
11	21
at 	 I y ( \^\ сс\ъ 	ff v* h ¦¦¦—	 V т ( v\ 41 ti ^___.™. ff V" (Л 7 ^*\
(я = 0, 1,2,...)	(л = 1. 2, ...)
При всех оговорках относительно концов промежутка или отно-
относительно точек разрыва функции, мы все же установили факт огром-
огромного принципиального значения: произвольно заданная в произволь-
произвольном промежутке функция в очень широком классе случаев*
оказывается разложимой в тригонометрический ряд, т. е. пред-
представляется единым аналитическим выражением — тригонометрическим
рядом — во всей области определения функции. В п° 690, в частно-
частности, мы найдем большое число примеров такого разложения функций,
первоначально заданных в различных частях промежутка различными
аналитическими выражениями. Аппарат тригонометрических рядов
оказывается универсальным средством для «склеивания» функций,
окончательно стирая грань между функциями, допускающими
единое аналитическое представление во всей области определе-
определения, и функциями, определенными с помощью нескольких анали-
аналитических выражений [ср. 46, 3°; 363 5); 407, замечание I; 497,
11) и др.].
689. Разложения только по косинусам или только по синусам.
Начнем со следующего замечания: если заданная в промежутке
[—it, тс] интегрируемая (в собственном или несобственном смысле)
функция f(x) будет нечетной, то для нее
к
\ f(x)dx==0.
* Включающем, например, функции кусочно-дифференцируемые или ку-
кусочно-монотонные и т. п.

2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	443
В этом легко убедиться, представив интеграл \ в виде суммы ин-
— те
я	О
тегралов: § -|~ $ и заменив во втором из них дг на — х. Таким же
О —те
путем устанавливается, что в случае четной функции fix):
[ср. 312, 9) и 314].
Пусть теперь fix) будет абсолютно интегрируемая в промежутке
[—тс, тс] четная функция. Тогда произведение fix) sin пх окажется
нечетной функцией, и по сказанному
1С
Ь„ = — [ fix) sin пх dx = 0.
Таким образом, ряд Фурье четной функции содержит одни лишь
косинусы:
«»«>s/ur.	A8)
71=1
Так как f(x) cos пх в этом случае тоже будет четной функцией
то, применив сюда второе из сделанных выше замечаний, можем,
коэффициенты ап разложения написать в виде
те
ап = — \f(x) cos пх dx.	(fl 9)
о
(я = 0, 1,2, ...)
Если же функция f(x) будет нечетной, то нечетной будет
и функция 'f{x) cos пх, так что
ап = — V /(л:) cos ллг йл: = 0.
(л=0, \,2, ...)
Мы приходим к заключению, что />яд Фурье нечетной функции
содержит одни лишь синусы:
00
f(x)~ ^bnsinnx.	B0)
1

444	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
При этом ввиду четности произведения f[x) sin nx можно писать:
bn = ~ [fix) sin nxdx.	B1)
о
Отметим попутно, что каждая функция f(x), заданная в проме-
промежутке [—• я, тг], может быть представлена в виде суммы четной
и нечетной составляющих функций:
где
/С*) =Л (*)+/»(*)>
/aw—
Очевидно, что ряд Фурье функции f(x) как раз и составится
из разложения по косинусам функции /i (x) и разложения по синусам
функции /2 (х).
Предположим, далее, что функция f(x) задана лишь в про-
промежутке [0, те]. Желая разложить ее в этом промежутке в ряд
Фурье B), мы дополним определение нашей функции для значе-
значений х в промежутке [—ir, 0) по произволу, а затем при-
применим сказанное в 687. Подчеркнутый
выше произвол в определении функ-
функции дает возможность получить таким
путем различные тригонометрические
ряды. Если в какой-нибудь точке х„
между 0 и те наша функция удовлетво-
удовлетворяет одному из признаков, установлен-
установленных в пп° 694, 696, то все эти ряды бу-
будут в точке ха сходиться к/(дг0) или в слу-
-Л"
Рис. 123.
чае разрыва к
Можно использовать произвол в опре-
определении функции в промежутке [— к, 0)
так, чтобы получить для f(x) разложение
только по косинусам или толь-
только по синусам. Действительно, пред-
представим себе, что для 0 <^ х <: it мы полагаем
f(-x)=f(x),	B2)
так что в результате получится четная функция в промежутке
[—к, п] (рис. 123, а), к тому же имеющая даже период 2it. Ее
разложение, как мы видели, будет содержать одни только косинусы.
Коэффициенты разложения можно вычислять по формулам A9), куда
входят лишь значения первоначально заданной функции f{x).

§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	445
Аналогично, если дополнить определение функции f(x) условием
(для (Х'х^ъ)
^	/(-*) = -/(*),	B3)
так, чтобы она оказалась нечетной (рис. 123,6), то в ее разло-
разложении будут участвовать только члены с синусами. Коэффициенты
его определяются по формулам B1).
Таким образом, заданную в промежутке [0, тс] функцию при
соблюдении известных условий оказывается возможным разла-
разлагать как в ряд по косинусам, так и в ряд по синусам/
Особого исследования требуют, впрочем, точки х = 0 и x = tz.
Здесь оба разложения ведут себя по-разному. Предположим
для простоты, что заданная функция f(x) непрерывна при х = 0 и
х = щ и рассмотрим сначала разложение по косинусам. Условие B2)
прежде всего сохраняет непрерывность при х = 0, так что при
соблюдении надлежащих условий ряд A8) при х = 0 будет сходиться
именно к / @). Так как, далее,
Л—* + 0)=/(« —0)=/(к),
то и при х = те имеет место аналогичное обстоятельство.
Иначе обстоит дело с разложением по синусам. Не вдаваясь
в соображения относительно нарушения непрерывности условием
B3) и т. п., мы просто заметим, что в точках лг = О и х = к сумма
ряда B0) явно будет нулем. Поэтому она может дать нам значения
/@) и /(тс), очевидно, лишь в том случае, если и эти значения
равны нулю.
Если функция / (х) задана в промежутке [0, /] (/ ^> 0), то, прибегнув
к той же замене переменной, что и в 688, мы сведем вопрос о раз-
разложении ее в ряд по косинусам:
2
или в ряд по синусам:
ппх
sin —;—-
к только что рассмотренному. При этом коэффициенты разложений
вычисляются, соответственно, по формулам:
^x	B4)
(я = 0, 1, 2, ...)
ИЛИ
/
bn=~-\f{x)sin^-dx.	B5)
о
С-1,2,...)

446
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
[690
690. Примеры. Функции, которые ниже приводятся в виде примеров,
как правило, относятся к классу дифференцируемых или кусочно-дифферен-
кусочно-дифференцируемых. Поэтому самая возможность их разложения в ряд Фурье — вне
сомнения, и мы на этом вопросе останавливаться не будем.
1) Разложить функцию
f(x) = eax (a = const, в
в промежутке (;—те, тс).
По формулам A):
_o
атс
an = L Lax cos nx dx = 1 a cos nx + «sin nx
n n J	n	a*-f-rt2
sin nx Ле = —
тс
Итак, для —тс<сл:<Стс будем иметь
(	00
7 "cos ПХ
тс a2-}-»2
еах = — sh атс {-^- •
те	2а
(-1)"
= (— 1)" 1 -—¦ —*—.—г sn ате-
тс а ~+- п
[о cos nx — n sin nx] >.
Если бы мы исходили из промежутка @, 2те), то получилось бы разложение
с иными коэффициентами — в этом случае нужно было бы пользоваться форму-
формулами A*). Впрочем, новое разложение легко вывести и из уже найденного.
2) Разложить функцию
— х
в промежутке @,
По формулам

) 2
2те).
A*):
2it
1 Р те
" }
-Г
nnxdx
,2
Т
л:
л:
—
1 (
2те 1
cos nx dx =
1
2*
1 Г,
2 ^
— X
. sin лл:
cos nx
-,)
2,
0
9
2,
0
1
2я1
1
2пте
-П
— и,
2it
,2,3,...)
0
1
п

S 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ
447
Таким образом, мы приходим к замечательному по простоте разложению,
содержащему одни лишь синусы:
оо
т~ ~
л=1
При лг = О (или 2те) сумма ряда равна нулю, и равенство нарушается.
Не будет равенства и вне указанного промежутка. График суммы ряда
S(x) (рис. 124) состоит из бесчисленного множества параллельных отрезков
и ряда отдельных точек на оси х.
п
Рис. 124.
3) Ввиду особой важности разложения, полученного в предыдущем упраж-
упражнении, мы дадим элементарный вывод его, не опирающийся на общую теорию.
Пусть 0<лг<2тс. Воспользовавшись формулой B6) п° 680, которую мы
можем написать так:
sin Bn + !)-§-
2'
имеем последовательно:
2*г-12»»'*—г+1
B«+lL-
-dt:
2 sin-
dt.
о
Но при п — -\-со второй член в последней части равенства стремится к 0 по
основной лемме п° 682*, а третий член подстановкой и = Bn -f 1) -тг
* Множитель в квадратных скобках, если при ? = 0 приписать ему значе-
значение 0, оказывается функцией, аналитической в этой точке, ибо в окрест-
окрестности ее разлагается в степенной ряд:
1	1	1	37
2sini- T2 ЪШ

448	гл. xix. ряды фурье	[690
преобразуется к виду
и, очевидно, стремится к
lim
5
0
sin
и
п
и
sin
sin;
и
kx
- du
те
2 *
я-
Отсюда
— X
что и требовалось доказать.
4) Из разложения в 2) уже без вычислений можно получить и другие
интересные разложения. Заменяя в нем х на 2х и деля обе части равенства
на 2, найдем:
вычитая же одно разложение из другого, получим:
Если через S(x) обозначить сумму последнего ряда, то S @) = S (я) = 0.
Изменяя знак х, для промежутка (—те, 0) по нечетности синуса найдем, что
Рис. 125.
S(x) = —-г-\ для прочих же значений х сумма S(x) получается по закону пе-
периодичности, так что, в частности, для промежутка Bте, Зя) снова S(x) = -j-t
и т. д. График функции S (лг) изображен на рис. 125; рисунок же 126 харак-
характеризует постепенное приближение к этой разрывной функции частичных
сумм ряда.
те
Если положить в рассматриваемом разложении х = -^-, то получим уже
известный нам ряд Лейбница [404A6)]

§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ
449
При ¦*¦=•«- и * = -5- получаются ряды:
О	О
__1+_____-|-13+17 ... и
Сочетая полученное здесь разложение с разложением в 2), легко прийти
к ряду для функции /(лг) = лг:
Непосредственно мы получаем его лишь для 0<лг<тс, но равенство явно
Л
х=О
з:
\z--n
''
Г'х
х=а
Ч.^' х=
"^	?-i
л
Рис. 126.
имеет место для лг = О и, кроме того, обе его части, очевидно, представляют
йечетные функции, так что окончательно разложение оказывается верным
15 Г, М. Фихтенгольц, т. III

450
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
[690
для всего промежутка (— те, тс). График суммы ряда при изменении х
от —оо до + оо легко себе представить по рис. 127. На рис. -128
1/
f-Zn -n
О п /2ri Зя s
Рис. 127.
Рис. 128.
приведен график частичной суммы:
sin 2л: sin Зх sin 4х , sin 5лг\
5) Опираясь на разложение в 2), доказать, что на всей вещественной оси
°°	с х — ?(лг) для нецелых х,
для целых х.
1
о
1 VI sin 2пте х
Z
я
2
6) Разложить (четную!) функцию f{x) = xi в ряд по косинусам в
промежутке [— я, я].

S 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ
По формулам A9):
2 f , 2 „ sin nx
an = — | л:2 cos nx dx = — x2
	\ л sin ил: йл: =
о пп
4 соэлл:
ПК	П
*	4_
О П2тс
так что
451
График суммы ряда, состоящий из бесконечного числа примыкающих
одна к другой параболических дуг, изображен на рис. 129.
-2П -п	О п Ы ЗП
Рис. 129.
Полагая в полученном разложении лг = те или х = 0, придем к известным
результатам:
оо	оо
2
пг
12
л8
, которые, впрочем, и непосредственно вытекают один из другого.
7) Разложить функции:
(а)	/j (л:) = cos ах по косинусам в [— п, к\,
(б)	/» (х) = sin адг по синусам в (— тс, тс)
(число а здесь предполагается не целым).
15*

452	гл. xix. ряды фурье	{690
(а) Имеем
1С
1	1 f	, sin ате
~, = — \ cos ax dx = ¦
2 ° те \	ате
2 .
ап = — \ cos ax cos пх ах =
так что
тсшзал: 1 у	ocosn*
(б) Ответ.
те sin аЛТ
2,.„ n sinnx	.	.
4 ' а2 — n-1	x	'
Отметим попутно, что при лг = О из (а) получается:
оо
1 1
sin ая ал ' ^ (аяJ — (пте)
1
или, если положить вте = г:
оо
г2 —(ПтеJ
1 .
(здесь г — любое число, отличное от кратного я). Мы вновь пришли к раз-
разложению функции -—¦ на простые дроби. Полагая же в (а) лг = те, мы мо-
можем восстановить разложение на простые дроби функции ctg г. [Ср. 441, 9).]
Весьма замечательно, что столько важных математических фактов полу-
получается просто как следствие отдельных тригонометрических разложений!
8) Разложения функций
(а)	/i (х) = ch ах по косинусам в [— тс, тс],
(б)	/2 (х) = sh ах по синусам (— те, те)
проще всего получить из разложения в 1) функции f(x) = eax, для которой
они служат четной и нечетной составляющими [689]. Они имеют вид:
оо
те ch ах 1 ,
2 sh ате jLi	a2 -t- rr	ч	'

690]
§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ
453
Как следствие отсюда можно получить разложения на простые дроби
функций —г-— и cth z.
Перейдем к примерам разложений функций, заданных в промежутке от 0
до я, по косинуоам или по синусам [689].
9) Функцию f(x) = х в промежутке [0, я] разложить по косинусам.
По '
1о формулам A9):
xdx —
2 Г	, 2 sinnx
а„ = — \ х cos nx dx = — х
К 1	7t
т. е.
nx |« _ 2_ Г1 .
— \ sin nx dx =
	 g COS ПК 	 l
Bft
Искомое разложение имеет вид:
X = Y~4
cos Bft— 1)jc
(A=l,2, 3, ...).
@ < л: ^ я).
Bft- 1)»-
График суммы ряда представлен на рис. 130 [ср. разложение в 4) той же
9.,
функции по синусам и график на рис. 127]. На рис. 131 изображена аппрок-
аппроксимирующая кривая:
у = s5 (х) = -?¦	(cos х + -qi cos З.е -f -g« cos 5jc] .
Комбинируя полученный результат с разложением в 6) функции х" по
косинусам, легко установить:
Зл:3 —
cosnx

454
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
Впрочем, так как обе части равенства не меняют своего значения при за-
замене х на 2те— х, то на деле равенство сохраняется и в более широком
промежутке [0, 2те].
10) Функцию /(х) = л:2 в промежутке @, те) разложить по с и н у с а м.
Ответ.
X2 = ^ *л sin пл:>
л= 1
где
— * А	—
2ft —Г 7tBfe—1K>
Предоставляется читателю составить график для суммы ряда и сопоставить
его с графиком на рис. 129.
11) Разложить функцию f(x) = eax в промежутке от 0 до я (а) в ряд
по косинусам и (б) в ряд по синусам.
Ответ.
1 О/т
P1+
1 \Прп-к 1
(б) е« = 1
sin пх @ < * < «).
л= 1
12) Разложить функции
(а)	/, (лг) = sin ax по косинусам в [0, я],
(б)	/2 (лг) = cos ax по синусам в @, те).
(а) Решение. Предположим сначала, что а— число не ц е л о е.

690J	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬВ	455
Тогда
я
1 1С- j 1 — cos ак
-=-а„=— \ smaxdx—	.
2 С	1С
аа = — \ sin ax cos nx dx = — \ [sin (а + л) х + sin (а — л) jc] rfje =
Искомое разложение можно написать в виде:
* = 1
oo
cos Bft—:
. _ \4-со$ап vi cosB&—1)
+ 2a^	 2 д» —BJfc —
Пусть теперь а — целое число. Здесь снова придется различать слу-
случаи, когда а = 2т есть четное число или а = 2/и — 1 нечетное число.
Пря а — 2т
8	1
так что
Аналогично при а = 2т—1
(б) Указание. Следует различать те же случаи, что и в (а).
13) Доказать, что для х в [0, л]
со
2 COS (Ik	 I) JC	1	.	„ w . . г.	г..ч
BJfc-l)« = 96"(л-2x) (л + 2лд: -2х >'
cosBA— \)x _ 1
Указание. Разлагая в ряд Фурье функцию f(x), приведенную
в правой части, при повторном интегрировании по частям учесть, что
* Легко показать, что если в левой части заменить синус его абсолют-
абсолютной величиной, то разложение будет иметь место на всей вещественной оси.

456	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	|690
14) Рассмотрим теперь примеры разложения функций, интегрируемых
в несобственном смысле. Пусть требуется разложить по косинусам в
промежутке (— тс, л) четную функцию
На концах промежутка функция обращается в оо, но сохраняет (абсолют-
(абсолютную) интегрируемость.
По формуле A9):
i- a0 = — С In 2 cos -? tfx = In 2 + — С In cos t dt = 0
о	о
[cm. 492, Г], а для л>0
тс	*
2 f"	л:	2 , „ л; sin nx
ал = — \ In 2 cos -ft- cos лл: rfx = — In 2 cos ¦7r
sin nx ¦ sin Tf-	, * sin их cos -rr
= (—1)»-> — \
x	ч	m ,	.x
COS ^5-
2	z
(замена х на я — х). Для вычисления последнего интеграла представим
подинтегральную функцию в виде суммы:
sin nx cos -=- sin (n 4- тг 1 * sin I га -
sin (ra +y) ¦
sm -к-	2 sin -=- x	2 sm -p- jc
а каждое из слагаемых, в	силу тождества B6) п80, заменим, соответ-
соответственно, суммой:
п	п— 1
-s- + \ cos гх или -р- + \ cos г'х.
Окончательно
и искомое разложение имеет вид:
л=1
Можно считать, что это равенство имеет место и при х = ±п, если
в этом случае обеим его частям приписать значение — ос. Если под знаком
1п вместо косинуса написать его абсолютную величину, то равенство будет
справедливо для всех вещественных значений х\

690J	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	457
Заменяя в установленном равенстве х на л — х, придем к другому
интересному разложению:
оо
, п . х V cos пх	,.	„ .
— In 2 sin -=- = > 		@ < х < 2я).
Относительно распространения этой формулы можно сделать те же заме-
замечания, что и выше.
Приведем в заключение примеры разложения «склеенных» функций, ко-
которые в разных частях промежутка задаются разными аналитическими вы-
выражениями *.
15) Пусть
О, если — л ¦< х ¦< О,
х, если 0 =g л;=?; я.
Разложить эту функцию в полный ряд Фурье.
Имеем по формулам A):.
... . cos пк — 1
— \ sin пх dx =	5
1 f	. 1 sinrax « 1С.
а„ = — \ х cos пх dx — — х	\ si
я j	я п о пп \
о	О
т. е.
Аналогично
y
ra	re	v y n '
Разложение будет таково:
я 2	, .	sin2jc 2	, sin3jc
c°sx + smxcos3x +
sin 4x
16) Функции
( 1 для
(a) /i(*) = {
1 0 для h
I 0 для 2Л < x
разложить в промежутке от 0 до л по" к о с и н у с а м.
* Впрочем, здесь нет ничего принципиально нового по сравнению с уже
изученными примерами: ведь, скажем, сумма ряда в 2) также может рассмат-
рассматриваться, как функция, «склеенная» из ряда линейных функций (ср. рис. 124).

458
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
2 С	. 2 sm nh
а„ = — \ cos nx ax = —
IT	П
sin nh
исключая, впрочем, точку л; = Л, где сумма ряда равна -=-
2ft
2ft
2А
.2 1 — cos2nA 2 sin2 nh
cos пл; ах =
17) Доказать, что
. . cos 5л; , cos7x
(a) cosx	g— + —j- -
cos 11л;
I
Г при x=i'
О при -j
2n
(б) s
sin Ъх . sin7x
s'inlljc
6/3
18) Пусть функция /(jc) определена равенствами:
2/3
IT1
^^jc при
3
=- при 4 ¦
2тс
cos х для 0 ^ д: =g -=-,
— cosjc для
Разложить ее по косинусам.

690)	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	459
Ответ.	ю
{
{2J
19)	Доказать, что сумма ряда
оэ
у (cos x + sin х) 4- 2 2ft+ 1 tcosD*+ !)¦* — sin Dft-f- 1)* —
ft=o
— cos Dft -f 3) x — sin Dft + 3) x]
равна л sin л: для mn < л: < mn + -^-, hcosjc для тл + у < л; < (m+ \)n
и (— l)my для х = тп или
(ffl = 0,±l, ±2,...).
20)	Вокруг трех вершин правильного ше-
шестиугольника (через одну) радиусами, рав-
равными стороне а шестиугольника; описаны ок-
окружности; из их внешних дуг составляется
трилистник (рис. 132). Написать поляр-
полярное уравнение трилистника, если за полюс
принят центр шестиугольника, а полярная	рис 132.
ось проведена через центр одного из кругов.
Указание, г =/F) (—7ts?6sgn), где четная функция /(в) опре-
определяется равенствами:
|2ecos6 для	^
, 2	I
2ecos 8	— ] для -s-
Разложить эту функцию по косинусам.
Ответ.
(— 71 г? 6 < я).
21) Использовав уже известные разложения, доказать, что
(а) хйпх=\~сое*
2
n=2
оо
(б)	л: cos л: =—^~ sin л:+ 2 \(—1)"~»——; sin пдг	(—л
оэ
(в)	sin х In 2 cos у = -j- sin л; + > vg	y ¦ sin ил;	(— я< дг < л);
л=2
оо
(г) cos д: In 2 cos у =-„-—-jcos;t+ У ^~Т~Г" cos ЛА* (~л'
л=2

460	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	F90
22)	Если заданная в промежутке [0, 2я] функция f(x) удовлетворяет
условию
(а)/B* — x)=f(x) или (б) /Bя —х) = —f(x),
то в первом случае все Ьп = 0, а во втором — все а„ = 0.
Доказать это [либо исходя из формул A), либо опираясь на четность
или нечетность периодически продолженной функции].
Замечание. Теперь ясно, что особенности разложения в промежутке
[0, 2л] функций^—=— и In 2 sin-~- [2) и 14)] можно было бы предвидеть, так
как
л — Bл — х)	 я — X
2	~~	2~'
1 о • 2л — х . _ . х
In 2 sin —=-— = In 2 sin -к-.
23)	Доказать, что если в промежутке [— п, л] функция f(x) удовлетво-
удовлетворяет условию
(а) /(х + к)=/(х) или (б) /(* +л)= —f{x),
то в первом случае a2m-i = Ьйт_i = 0, а во втором e,OT = ft8m=0.
24)	Ограничиваясь функциями, заданными в промежутке [0, к], доказать,
что условие
(а)	/(" — x)=f(x) влечет равенства asm_1=0 (при разложении поко-
покоси н у с а м) или Ь2т — 0 (при разложении по синусам);
(б)	/(я — х)= —/(х) влечет равенства а2т = 0 (при разложении по к о-
синусам) или bam_t = 0 (при разложении по синусам).
Замечание. На этом основании можно было бы предвидеть особен-
особенности разложений по синусам функций -j	^- и -г- в 4), функций sin 2mx и
sin Bm—\)х по косинусам в 12), а также разложений в 13), 17) и 18).
25)	Подражая рассуждениям п° 689 установить, что функцию fix), задан-
заданную лишь в промежутке 0, -^-1, можно в нем с обычными оговорками разло-
разложить по косинусам или по синусам одних лишь четных кратных или одних
нечетных кратных х. Вывести формулы для коэффициентов, приложить
их к примерам.
26)	Пусть задана функция fix), имеющая период 2к, иат,Ьт — ее коэф-
коэффициенты Фурье. Требуется выразить через них коэффициенты Фурье
ат, Ът «смещенной» функции /(х-(- h) (Л = const).
Используя замечание в 681 насчет интеграла от периодической функции
имеем:
-h
it	тс + Л
"am = — \ f (x-{-h) cos mx dx = — \ f(x) cos rn(x — h)dx =
— it	— я+Л
IC+ft	IC+ft
If	If
= cos mh— \ / (x) cos mx dx -f- sin mh— \ f(x) sin mx dx =
= ат cos mh -f- bm sin mh
и, аналогично,
~jjm — bm cos mh — am sin mh.

691J	§ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯД ФУРЬЕ	461
691. Разложение In Г (д:). В качестве более сложного примера мы устано-
установим, следуя К у м м е р у (Е. Е. Kummer), разложение в ряд Фурье функ-
функции In Г (jc) в промежутке @, 1].
Пользуясь сделанными в п° 688 замечаниями о разложении функции в
промежутк? @, 21] (в нашем случае 21=1), ищем разложение в виде:
t»
In Г (х) = -^ + У (ап cos 2ппх + Ьп sin 2пш),
причем коэффициенты его могут быть установлены по формулам, аналогичным
формулам A7*) п° 688:
1	1
ап = 2 [ In Г (х) cos 2пкх dx, Ьп = 2 f In Г (х) sin 2пкх dx.
б	О
(га = 0, 1, 2, ...)	<я=1, 2, ...)
Впрочем, как мы покажем, коэффициенты ап можно определить почти
без вычислений. В самом деле, логарифмируя известное соотношение [531,5°]
Г(х)ГA— х)=
4 v '
2 sin лдс
мы найдем
1пГ(лг)
Ряд Фурье функции 1пГA—д:) получается из ряда Фурье функции
1пГ(;е) заменой х на 1—х, так что члены с косинусами сохранятся, а члены
с синусами изменят знаки. Складывая, получим
л=1
С другой стороны, легко написать ряд Фурье для функции, стоящей в пра-
правой части равенства, если использовать известное разложение функции
х
— In 2 sin -s- [690, 14)], но заменив лишь х на 2кх:
со
In 2л + 7 — cos 2плх.
i_) П
Таким образом, получаем сразу
¦1во = 1п/2^ вл = ^- (л=1, 2,...).
Гораздо большего труда потребует вычисление коэффициентов Ъп. Мы
будем исходить из формулы для In Г (х) [540]
которую подстановкой e~z = t преобразуем к виду:

462	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[691
Подставляя это выражение в формулу для Ьп и переставляя интегрирования
по а: и по t, получим:
1	1
Г1	*Х— 1	П
sin 2пъх dx.
Для обоснования нашего права переставлять интегрирования заметим
следующее. Выражение
\—t	^
теряет непрерывность как функция двух переменных лишь при <=0*. Но
интеграл от этого выражения по переменной t сходится равномерно
относительно х в [0, 1], ибо (при 0<г<1)
и*~1 — 1	п
[ 1 —t	J
sin 2п%х |
^ 1-х (In х |	X	^ 1-х | In х|
По известной теореме [521] перестановка допустима.
Продолжаем вычисление. Имеем:
1	1
1
С	С
\	sin 2rtiwc dx = О, V х si
J	J
о	о
х sin 2nnx dx= — -
1	1
с	1 (*
\ tx~l sin 2пъх dx = — \ е*1п ' sin 2пкх dx =
О	о
— In к cos 2raiTjc
- gX In |
I lin'f -f- 4/fJC'J
Отсюда
h ~ v i	2nrc
Полагая здесь t = e~2n1cu, окончательно приведем выражение для bn к виду.
В частности,
со
откуда
i — = — In я
* Легко проверить, что при t = 1 непрерывность фактически не нарушается.

692J	§ 3. ДОПОЛНЕНИЯ	463
(интеграл Фруллани, 495). Таким образом, определение всех коэффициен-
коэффициентов приводится к определению первого из них.
Вспомним интегральное выражение эйлеровой постоянной [535|:
Тогда
Но первый интеграл вычисляется непосредственно, он равен 0; второй же
равен — In 2л (снова — интеграл Фруллани). Окончательно получаем:
-откуда затем
Итак, искомое разложение имеет вид:
со
In Г (х) = In Ybi + У 2^" cos 2ятмг + — (С + In 2/m) sin 2пкх
§ 3. Дополнения
692. Ряды с убывающими коэффициентами. До сих пор мы
исходили из наперед заданной функции и разлагали ее в ряд Фурье,
пользуясь установленными для этого достаточными условиями. В не-
немногих простых случаях удается, наоборот, по заданному тригономет-
тригонометрическому ряду установить, что он сходится к некоторой абсо-
абсолютно интегрируемой функции и является ее рядом Фурье. Мы из-
изложим относящиеся сюда исследования Юнга [W. H. Young].
Речь будет идти о рядах вида:
со
(С) 4-<7о+ У ?vcosvjc, (S]
причем мы раз навсегда предположим, что коэффициенты у, поло-
положительны и стремятся к нулю, монотонно убывая. Как мы
знаем [см. конец п° 430], в любом замкнутом промежутке, не содер-
содержащем точек 2Ая(А = 0, ±1, ...), оба ряда сходятся равномер-
равномерно. Обозначим сумму ряда (С) через f(x), а сумму ряда (S) через
g(x); обе функции имеют период 2тс и непрерывны повсюду, исклю-
исключая точек вида 2Ы. В этих исключительных точках ряд (С) может

464	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[692
и расходиться *. Так как функция / четна, a g нечетна, то доста-
достаточно ограничиться промежутком [0, те].
1°. Если функция f (или g) абсолютно интегрируема, то
ряд (С) [или (S)] представляет собой ее ряд Фурье**.
(а) Умножив разложение функции g на sin/их (т = \, 2, 3, ...):
оо
g(x) sin mx = 2 q4 sin vx • sin mx,
мы получим равномерно сходящийся в промежутке [0, тс] ряд.
Действительно, так как
1	1.1
2^ sin vx =
COS -=- X — COS f И —j—=- j X
2sinT
то
п
У sin чх sin mx -lsinm*l
l
. X	X
= тъ,
и сюда приложим признак Дирихле [429]. Мы использовали здесь
элементарные неравенства
В таком случае ряд можно почленно проинтегрировать от 0 до тс,
и мы получим:
те
qm = — \ g(x) sin mx ax.
(б) Переходя к функции /, умножим ее разложение на 1 — cos mx:
f(x)(\ — cos mx) =
CO
= y?oA — cos mx) -\- У q, cos чх A — cos mx).
* Если ряд2<7ч сходится, то оба ряда (С) и (S) сходятся равномерно
к непрерывным функциям, для которых и служат рядами Фурье [678]. Все
дальнейшее представляет интерес лишь в случае, если упомянутый ряд рас-
расходится.
** Эта теорема есть частный случай одной общей и очень трудно дока-
доказываемой теоремы [см. 750, 751];' мы предпочли для рядов рассматриваемого
простого типа здесь же исчерпать этот вопрос.

692]	§ з. дополнения	465"
Этот ряд также будет по признаку Дирихле равномерно сходя-
сходящимся в промежутке [0, те]. Чтобы убедиться в этом, достаточно
заметить, что
A)
v^i	2 sin у х
и потому
у (I — cos mx) -f- У cos vx A — cos mx)
1 — cos mx
'	X
2 sin -=-
Использовано неравенство: 1—C0S2<^y 23.
Интегрируя почленно от 0 до -к, находим:
1х	\ fix) cos
(от = 1. 2, 3, . ..)
Перейдем здесь к пределу при т —- -f- oo. При этом по предполо-
предположению qm —-0, а также стремится к нулю и последний интеграл —
по основной лемме п° 682. Таким образом, получаем сначала
1С
а затем и вообще
\х) cos mxdx,
чем и завершается доказательство.
2°. Если ряд
B)
сходится, то оба ряда (С) к (S) определяют абсолютно инте-
интегрируемые функции (к, следовательно, являются их рядами
Фу р ь е).

466
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
[692
Так как рассуждения для обоих рядов однотипны, то мы огра-
ограничимся случаем ряда (С). Полагая
будем иметь последовательно:
л=1
п(п+\)
со	га
v=l
=4*
со	со
со
==— 4- У Il — L
мы переставили здесь два суммирования [393| и использовали оче-
очевидные равенства:
jLin(n-\-\)	л^п{п-\-\) ч
Пусть теперь
Для этих значений х представим f(x) в виде:
fix) = I y^o + 2 ^ cos vx j 4-
cos
Первая сумма оценивается по абсолютной величине числом Qn. Для
оценки второй применим к выражению
ч=п-\-т
cos
лемму Абеля [383]. Так как
sin
cos
2 sin -=-
TO
l
COS VAT

S 3. ДОПОЛНЕНИЯ	467
Та же оценка в пределе сохраняется и для всей второй суммы, так
что окончательно
В таком случае [см. C) и B)]
¦к
\f(x)\dx= У \ \f(x)\dx^
СО
1
так что функция /(дг) действительно абсолютно интегрируема.
Остается применить 1°.
Как мы увидим ниже [732J, сходимость ряда B) является одно-
одновременно и необходимой для того, чтобы ряд (S) был рядом
Фурье, так что в отношении ряда (S) полученный результат даль-
дальнейшему улучшению не подлежит. Иначе обстоит дело с рядом (С):
здесь упомянутое условие отнюдь не необходимо. Мы приведем для
этого случая еще и другое достаточное условие, которое не покры-
покрывается прежним.
3°. Если и разности Ayv = yv — qy+l монотонно убывают с
возрастанием v, то функция f(x) неотрицательна и интегри-
интегрируема [а ряд (С) является ее рядом Фурье].
Подвергнем частичную сумму
п
q+ 2 9 cos
преобразованию Абеля [383]. Учитывая A), найдем:
< л-1
У
-\-qa- sin [п-\-~
Полученную сумму мы снова подвергнем преобразованию Абеля.
Если для краткости положить Д#„ — Д?„+1 = Д*р* и учесть, что
2 8Ш-1-ЛГ

468	ГЛ. xix. ряды фурье	1692
то С„(х) приведется к виду:
л-2
1
С„ (х) = —р— 2 А^ • A - cos v + 1 *) +
,	sin л -4- уг > х
1 — cos nx ,	\ ' 2 I
4 sin2 -н- jc	2 sin -=- х
Так как последние два члена стремятся к нулю при п -> -(- оо,
то, переходя к пределу, получим для /(л:) разложение по неот-
неотрицательным и непрерывным функциям:
(коэффициенты Д2^, неотрицательны по предположению). Отсюда
ясно, что и функция /(л:) неотрицательна.
Для доказательства интегрируемости этой функции восполь-
воспользуемся следствием из п° 518 и замечанием к нему, перефразиро-
перефразированным для рядов. Можно написать:
f{x) dx=2 ДЧ I l-"»(] + »* dx,
$ 4 sin2 i- x
если только сходится этот ряд.
Так как
=2 U+ 2
х=1
то непосредственно получаем:
[ср. 309, 5) (б)], так что
Остается лишь убедиться в сходимости ряда справа.
Мы видели в 375, 3), что если ряд
D)

693]	§ 3. ДОПОЛНЕНИЯ	469
с монотонно убывающими положительными членами сходитс'я, то
необходимо выполняется условие
vav -> 0.
Отсюда следует, далее, что ряд
2 (v + 1) (а, - а,+1) = 2 (•> + 1) A"v
v=0	v=0
сходится и имеет ту же сумму, что и ряд D): это видно из тож-
тождества
я-1	л-1
2 (v -+¦ 1) (о, — av+i) = 2 av — «ал-
v=0	v = 0
Если теперь взять av = A#v, то оказывается, что
и окончательно
о
Теорема доказана.
Например, условию этой теоремы удовлетворяет ряд
со
V cos пх
In л
rt 2
этот пример поучителен в том отношении, что теорема 2° к нему
не применима, так как ряд
1
га In га
расходится [367, 69)].
Замечание. Если в рядах (С) и (S) заменить переменную х
на лг-)-7г, то получатся ряды с знакопеременными коэффициентами,
убывающими по абсолютной величине. Для таких рядов доказанные
теоремы также сохраняют силу.
693. Суммирование тригонометрических рядов с помощью
аналитических функций комплексной переменной. В ряде случаев,
исследуя коэффициенты рядов вида (С) или (S), можно установить,
что эти ряды сходятся (исключая, быть может, отдельные точки)
и являются рядами Фурье для своих сумм (см., например, преды-
предыдущий п°), но во всех этих случаях естественно возникает вопрос,

470	гл. XIX. РЯДЫ фурье	{693
как найти суммы этих рядов или — точнее — как выразить их в ко-
конечном виде через элементарные функции, если они, вообще, в таком
виде выражаются. Еще Эйлер (а также Лагранж) с успехом
применял для суммирования тригонометрических рядов в конечном
виде аналитические функции комплексной переменной. Идея метода
Эйлера состоит в следующем.
Допустим, что при некотором наборе коэффициентов {q4} ряды
(С) и (S) сходятся к функциям f(x) и g(x) повсюду в промежутке
[О, 2ic], исключая разве лишь отдельные точки. Рассмотрим теперь
степенной ряд с теми же коэффициентами, расположенный по степеням
комплексной переменной z:
На окружности единичного круга |г| = 1, т. е. при z = eix, этот
ряд по предположению сходится, исключая отдельные точки:
=f(x) + lg(x). F)
В таком случае, по известному свойству степенных рядов ряд E)
заведомо сходится при |2|<М, т. е. внутри единичного круга,
определяя там некоторую функцию <p(z) комплексной переменной.
Используя известные нам [см. § 5 главы XII] разложения элемен-
элементарных функций комплексной переменной, часто удается свести к ним
и функцию <р (z). Тогда для z = rexi (г <^ 1) имеем:
и по теореме Абеля [456], лишь только ряд F) сходится, его сумма
получается как предел
i).	G)
Обычно этот предел равен попросту (р (eix), что и позволяет вычис-
вычислить в конечном виде функции f{x) и g(x).
Пусть, например, предложены ряды
оо
2cosv.r V sinv;e
	 И
Доказанные в предыдущем п° утверждения приводят к заключению,
что оба эти ряда сходятся (первый — исключая точки 0 и 2тс) и слу-

€931	§ з. дополнения	471
жат рядами Фурье для определяемых ими функций f(x) и g(x).
Но что это за функции? Для ответа на этот вопрос составим ряд
4=1
По сходству с логарифмическим рядом [458] легко устанавливается
его сумма:
1
следовательно,
f(x) + ig(x) = lnj-^ (хфО, 2*).
Теперь легкое вычисление дает:
1-е'* A— cos*) — ism* "+ 2A—cos*)
так что модуль этого выражения есть	, а аргумент "
Поэтому
и, таким образом, окончательно
/(*) = —In2stay, ^(х) = ^=^
Результаты эти нам знакомы [690, 14) и 2)] и даже были однажды
получены с помощью «комплексных» соображений [461, 6) (б)]; но
в первом случае мы исходили из функций fag, а во втором — из
аналитической функции ср. Здесь же впервые нам отправной
точкой послужили сами ряды. Дальнейшие примеры подоб-
подобного рода читатель найдет в следующем п°.
Подчеркнем еще раз, что нужно наперед быть уверенным в схо-
сходи м о с т и рядов (С) и (S), чтобы иметь право определить их суммы
с помощью предельного равенства G). Одно существование предела
в правой части этого равенства еще не позволяет сделать заключе-
заключение о сходимости упомянутых рядов. Чтобы показать это на при-
примере, рассмотрим ряды
¦-\- У cosvjc и "У sinvx,

»— l

472	гл. xix. ряды фурье	1694
заведомо расходящиеся для 0<^jc<^2ir. Между тем, если со-
составить соответствующий им ряд
1 , у z->!±
1 у z	!__±
2 "Г Za ~\—z' 2 '
v = l
то при стремлении точки z = ге'х вдоль по радиусу единичного круга
к точке е'х на окружности, его сумма будет иметь вполне определен-
определенный предел
1	1 . sin х
Если сходимость рядов (С) и (S) наперед не установлена, то
равенство G) можно рассматривать только как н а ведение: получив
с его помощью функции fag, следует затем вычислить их коэф-
коэффициенты Фурье и лишь в случае совпадения с коэффициентами
данных рядов прибегнуть к известным признакам сходимости рядов
Фурье.
694. Примеры. Во всех задачах сходимость предложенных рядов
предоставляется установить читателю.
1) Просуммировать ряды:
, . , , cos х , cos 2x , , cos nx
(а) ! + _+___+ ... + ___+..,
.... sin х sin 1x ,	sin nx
Решение. Здесь *
2
v=l
так что
tp (eix) = ecosx+ 'sin* = ecosx [cos (sin x) + / sin (sin x)].
Отсюда
(a) / (л:) = ecos * cos (sin x), g (x) — ecos x sin (sin л:).
2) Просуммировать ряды
cos x cos 3x , cos 5x	л. sin x sin 3x , sin 5x
(a) -yj —з; i gj ..-, °> П	3! I 5!
cos 2x j^ cos 4л;	. . sin 2x sin 4x sin 6л:
(в) 1	21 ' 4!	¦¦¦' (г; ~2\	4Г 6!
Указание. Функция tp (г) равна
г z3 , г5
в случаях (а), (б); она равна
* Мы сохраняем обозначения предыдущего п°.

694]	§ з. дополнения	473
в случаях (в), (г). Использовать разложения синуса и косинуса от комплекс-
комплексного аргумента на вещественную и мнимую части [359]:
sin (a -\- ftf) = sin a ch р -)-' cos a sh р,
cos (а -\- р<) = cos a ch р — i sin a sh p.
Ответ.
(a) sin (cos x) ch (sin x), F) cos (cos x) sh (sin x);
(в) cos (cos x) ch (sin x), (r) sin (cos x) sh<(sin x).
3) Просуммировать ряды:
nii-i cosnx /б	i
2
л=0
OO
,.__, sinnx
n=i
(а), (б). Решение. Соответствующий этим случаям ряд
непосредственно не дает известной нам элементарной функции, но если,
использовав очевидное равенство
п (п+ 1) п л+ 1 '
преобразовать его следующим образом:
1 i ( z* , z3	\ , ( z . г2 г3 , 1
!+{г—2+Т-- } + {-Т + -з-Т + - \>
то, вспоминая логарифмический ряд [459], легко уже найдем, что
)+[l(l+)]
Подставим теперь сюда z = eix = cos x -\- i sin x. Имеем:
1 + г = A + cos х) + / sin x = 2 cos у [cos у + i sin ~),

474	гл. xix. ряды фурве	1694
X
так что (для 0<х<п) модуль этого выражения есть 2cos-~-, а аргумент
х
4'
Окончательно,
ср (eix) — [A -f- cosx) — isinx] ¦ Fln2cos4 + i4rl-
L	^ l л
Отсюда для — к < х < л
jc 1
/(x) = A + cos л:) In 2 cos y -f-у jc sin jc,
1	jc
g (x) = -=- x A -j- cos x) — sin jc In 2 cos -=-.
(в) — (з). Указание. Во всех случаях, используя соответственно ра-
равенства
1	1/1	1 \	л	1/1,1
га2—1 2U- 1 га+1/' п2 — 1 2 1/1-1 ' п +
1	1	1_
(п-1)(я + 2)~я+1 п + 2'
свести дело к логарифмическому ряду.
Ответ, (ж) (cos jc + cos 2x) In 2 cos -^ -j- -»- (sin jc + sin 2x) — cos jc,
JC X
(з) (sin jc -f- sin 2x) In 2 cos -a	=- (cos jc + cos 2x) — sin jc.
[По поводу (в) — (е) ср. 690, 21).]
4)	Просуммировать ряд:
со
/ nn-i cosBn — 1) jc
п
Указание. <p(z) = — ln(l-f-z2).
Ответ. Ограничиваясь промежутком O^jc^tc, имеем
cos jc In 2 cos jc -f- jc sin jc	для 0 sg jc < -p,-,
cos jc In 2 | cos jc | + (jc — л) sin jc для -=- <C x =S it.
5)	Просуммировать ряды:
cos 2x cos 3jc cos 4jc ,
.,. cos2jc . cos3jc , cos4jc ,

§ 3. ДОПОЛНЕНИЯ
475
Указание. Используя разложения
1	1
(л— 1)л (я—1)я(я+1)
«на простые дроби>, свести дело к In-г	.
Ответ, (а) A — cos x) In 2 sin -=	к— sin x -\- cos x,
х 3	1
(б) A — cos л:) In 2 sin -=- + -j- cos x—=-;
в обоих случаях для 0 < х < 2те.
6) Просуммировать ряды:
л=1
л=1
(а), (б). Решение. Составив ряд
оо
Bn-lJn •
2л—1'
узнаем в нем разложение арктангенса:
которое имеет место для | z | ^S 1, исключая г = ± i [459].
Положим здесь z = eix, ограничиваясь промежутком О
чая х = -~-. Имеем:
, но исклю-
исклю\-\-zi	. cos л: 	. /я х \
l — zi ~~l 1 + sinx ~~ g \T~~Tj'
. /те л:\ I	те
tg ^-|- — y)\ > а аргумент равен + у
так что модуль этого выражения есть
или —2" в зависимости от того, будет ли д;< j или х>-д-. Следова-
Следовательно,
1 l+z« 1
In г—!—r = ln
1 —zi
Х^
Итак,
/(*) =
те
-j для
те	я
-р ДЛЯ -^-

476	гл. xix. ряды фурье	[694
и для тех же значений х
(в) Указание. Сочетая только что полученный результат с резуль-
результатом упражнения 4), найдем:
-т	-s- (cos х In 2 cos x -\- x sin X) для 0<x<v,
	j- — -s- (cos х In 2 [ cos л: | + (л: — n) sin x) для -=- < x
7) Просуммировать ряды:
, .	, 1 cos Зх , 1 ¦ 3 cos 5x , 1 • 3 • 5 cos 7x
(a) coe* +	+	+
cos x 1 cos 3x 1 ¦ 3 cos 5x 1-3-5 cos 7x
W 1-2 + 2 " 3-4 +2T4 5-6 +2^476 7-8
. . sin x 1 sin 3x 1 • 3 sin 5x .
(Г) Т^2 + "'~зТ4"+2Т4~5Тб" + -"
Решение. Для случаев (а) и (б):
. . VI Bп —3)!! г8"
?(Z)==2 Bn-2y.\2n-\=
л=1
[459]. Далее, для OsgxsCrc:
arcsin eix = arcsin		-|- ' ln (.V1 + sin л: + ]A sin x).
у 1 + sin x
Это легко проверить, установив, что синус выражения справа действи-
действительно равен е'х. Впрочем, нетрудно и вывести это выражение, найдя
и, v из уравнений
sin и ch v = cos x, cos и sh v = sin x.
Итак,
j., ,	.	cosx
f{x) = arcsin	,
к 1 + sin x	(o
g (x) = In (/1 + sin x + /sln~x)
Для случаев (в) и (г) получается ряд:
z 1 г3 1 • 3 г5 1 • 3 ¦ 5 г7 _
П>+2 3-4 + 2.45-6 + 2-4-67-8 +
ТТ + 2Т4' + 2Т4ТбУ
1 f 1., , Ы,. , Ь1-3	Ы-3-5
1 f 1., , Ы,. , Ь1-3	Ы-3-
Т\ 2 +2-4г +2-4-бг +2-4-6-
= arcsin г + —(/1—га — 1)

695]	§ з. дополнения	477
[460]. Отсюда для
= arrsin C°S-	+ V 2sin X COS D + ^г) ~ COS X,
у 1 -|- sin x	V z 4 /
? (x) = In (/Г+ЖЗс + /sin*) — /2 sin л: sin (y + "j) + sin л:-
695. Комплексная форма рядов Фурье. Рассмотрим снова про-
произвольную функцию f(x) с периодом 2тс, абсолютно интегрируемую
в любом конечном промежутке, и связанный с нею ряд Фурье:
f(x)>~^>-?+ 7 am cos /nx-\-bmsin/nx.	(8)
m = l
Его коэффициенты определяются формулами
п	я
ат = — \ f (и) cos/пи du, bm = --\f (и) sin /пи da.	(9)
—тс	¦ — тс
(т=0, 1, 2,..,)	(т=1, 2,...)
Если заменить теперь costnx и sin/илг их выражениями через
показательную функцию от чисто мнимого аргумента [457]:
cos/nx = у (emxi + e-mxi),
sin mx =. -^ (е*'' — е"")
то получится ряд
оо
;^ 2 ~ хы 2 v m
Его короче можно записать так:
+ 0О
полагая
-j(.am~bm!), C_m = у (ат + ftj),	A1)
(m = l, 2, 3, ...)
так что *
с-т = ст.	A2)
Это и есть комплексная форма ряда Фурье функции f(x).
* Напомним, что если г есть комплексное число, символ z означает
сопряженное с ним число.

478	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	F95
Если г соблюдены достаточные условия сходимости ряда (8) к
функции /(лг), то к той же сумме сходится и ряд A0), если только
(как явствует из самого способа его получения) процесс суммирова-
суммирования его понимать как разыскание предела при п -*• -\- оо симметрично
составленной суммы
л
V г pmxi
т =—п
Впрочем, если сходятся порознь ряды
2 стет*1 и 2 «и.'"'.
т=0	т — \
то упомянутый предел получается путем сложения их сумм.
Коэффициенты ст разложения A0), определяемые формулами A1),
если учесть формулы Эйлера — Фурье (9), могут быть записаны
единообразно:
п
\{u)e-nuidu.	A3)
— тс
(л = 0, ±1, ±2. . ..)
Эти коэффициенты могли бы быть получены и непосредственно, по-
подобно коэффициентам ат и Ът [678], если, допустив, что функция/(лг)
разлагается в ряд A0) (так что вместо ~ можно поставить ==), умно-
умножить обе части равенства на е""*1 и проинтегрировать от — тс до тс,
причем справа выполнить интегрирование почленно.
Если имеем комплексную функцию
где /j, /a — вещественные функции рассмотренного типа, то естест-
естественно рядом Фурье функции / назвать формальную сумму рядов
Фурье функций /, и /а, из которых второй предварительно по-
почленно умножен на I. В комплексной форме ряд Фурье функции /
имеет вид A0), где коэффициенты сп, как и только что, выражаются
формулами A3). [Но в общем случае, конечно, нельзя утверждать
сопряженности коэффициентов ст и с_т.]
Иногда разложение функции в ряд Фурье естественно и непосредст-
непосредственно получается именно в комплексной форме. В качестве примера вспомним
производящую функцию для функций Бесселя и ее разложение [395, 14)]:

6951	§ з. дополнения	479
Нетрудно видеть, что это разложение имеет место для всех комплексных
значений г, отличных от нуля. Положив здесь г = е'х, найдем:
eaisiax= 2 Jn(a)enxi;	A4)
комплексная функция
оказалась разложенной в ряд типа A0), который сходится равномерно
относительно х * (по свойству степенных рядов) и потому заведомо будет ее
рядом Фурье.
Вспомнив, что
[395, 14)], перепишем полученное разложение в виде:
Л(«)+ 2 Jm(a)[e^ + (-\re-^i]=
m—l
= Ja (а) + 2 2 Л* («) cos 2йл: + 2* 2 Л*-1 (а) s'n B* - 1) х.	A6)
Если приравнять отдельно вещественные и мнимые части выражений A5) и A6),
то придем к интересным разложениям:
cos (a sin л;) = Jo (а) + 2 2 Л* («) cos 2fct,
ft=i
со
sin (а sin л:) = 2 2 Лй-i (") sin Bft—1)лг.
Отсюда, заменяя х на л: +-9", можно вывести и другие два разложения:
оо
cos (a cos х) = Jo (а) + 2 V (— 1)* Л* («) cos 2/гх,
00
sin (a cos x) = 2 2 (— 1)fe hk-i («) cos Bft — 1) x.
• Мы имеем в виду ряды
оо	—оэ
порознь.

480	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[696
Наконец, если применить к вычислению коэффициентов разложения A4)
формулы A3), то получим известные интегральные выражения для бесселевых
функций:
те	тс
/„ (а) = J- i e(a sin x-nx)idx = — [ cos (a sin x — пх) dx,
— л
которые нам не раз встречались.
696. Сопряженный ряд. Тригонометрический ряд
ат cos mx -\- bm sin mx	A7)
с произвольными вещественными коэффициентами можно формаль-
формально* рассматривать, как вещественную часть степенного ряда
ат — bmi)zm,	A8)
расположенного по степеням комплексной переменной z, при z = ext.
Действительно, тогда
zm __ emxi _ cos mx _j_ t sjn mx
и
(am — bml) zm = (am cos mx -\-bmsin mx) -f-
-\-i( — bm cos mx -\- am sin mx).
Мнимая же часть формально представляется рядом
( — bm cos mx + am sin тх).	A9)
Ряб A9) называется сопряженным с рядом A7).
Особый интерес представляет ряд, сопряженный с рядом Фурье
некоторой (имеющей период 2п и абсолютно интегрируемой) функ-
функции f{x). В частности, можно параллельно с вопросом о сходимости
самого ряда Фурье A7) поставить и вопрос о сходимости сопря-
сопряженного с ним ряда. Впрочем, в последнем случае дополнительной
трудностью служит то обстоятельство, что наперед неясно, какой
суммы естественно ждать от сопряженного ряда.
Начнем, как и в п° 691, с составления удобного выражения для
частичной суммы sn(x0) ряда A9) при лг = х0. Подставляя вместо
* Формально — потому, что мы ничего не знаем о сходимости
написанных рядов.

696]	§ 3. ДОПОЛНЕНИЯ	481
коэффициентов а0, at, bu ..., ат, bm, ... их интегральные выражения
[см. (9)], найдем последовательно:
sn(x0)= /^ — \/(")[ — sin mu cos тха-\-cos mu sin mx0] du =
m l	t
It	Л
= — — V /(и)
= l —it
m
Если сумму под знаком интеграла преобразовать по формуле
1, / , 1
i -9-1 — cos n-l--^
-2
то выражение для sn(xa) примет вид
1 . ч	/ , 1 \,
. «	COS-s- (И —АГ0) —COS (П +-О- («—-«о
*п (¦«•)= — 97 \ / (ц)	i	^я-
2Л } ' w	.._1_
2
Этот интеграл является аналогом интеграла Дирихле. ,
Переходя к промежутку [х0 — тс, лг,,-!-^] и воспользовавшись под-
подстановкой и — лго = ?, как и в п° 681, получим
cos-^-t — cos (п+-к-
SU1 -rri
cos -=-* — cos (я + y) ^
где для краткости положено
1
sin -=-1
f).	B1)
Если предположить сходимость интеграла
*,	B2)
хотя бы и не абсолютную, то можно написать:
и пытаться установить стремление к нулю последнего интеграла при
л — -}-°°: тогда 5Ь и окажется суммой ряда A9). Ограничимся
16 Г. М. Фихтенгольц, т, III

482	гл. xix. ряды фурье	1696
указанием достаточного условия для этого, построенного по типу приз-
признака Д и н и [684]:
Сопряженный ряд для ряда Фурье функции J(х) в точке
Хо сходится к сумме So, если интеграл
А
\~t~dt (ft>°)
существует.
Ввиду того что
из сделанного предположения прежде всего вытекает даже абсолют-
абсолютная сходимость интеграла B2). Аналогично устанавливается абсолют-
абсолютная сходимость интеграла
2 sin i- <
а отсюда по основной лемме п° 682 следует, что sn (лг0) — §0 —* О,
что и требовалось доказать.
Очевидно, достаточно сделать предположение о существовании
порознь интегралов
или более частное предположение о выполнении условия Липшица:
Отметим, что все эти условия предполагают непрерывность
функции f(x) в точке лг0 или, по крайней мере, совпадение пределов
/(лг0 ± 0). Впрочем, можно и в общем случае доказать, что при наличии
скачка функции f(x) в рассматриваемой точке х<,, т. е. при условии
сопряженный ряд A9) в этой точке заведомо расходится*, так что
предположение о непрерывности функции f(x) в точке Xq оказы-
оказывается необходимым. В этом усматривается любопытное рас-
расхождение в положении вещей по отношению к рядам A7) и A9):
ведь для ряда Фурье A7) наличие скачка само по себе не слу-
служило препятствием к сходимости.
В более детальное исследование ряда, сопряженного с рядом
Фурье, мы вдаваться не будем.
А также, очевидно, расходится и интеграл B2)!

697)	S з. дополнения	483
697. Кратные ряды Фурье. Можно рассматривать ряды Фурье
и для функций нескольких переменных. Чтобы дать об этом пред-
представление, достаточно ограничиться случаем функции двух переменных.
Пусть для всех вещественных значений хну задана функция f{x,y).
Мы предположим ее имеющей период 2тс как по х, так и по у, и
интегрируемой (в собственном или несобственном • смысле) в квадрате
Подражая разложению A0), напишем для нее двойной ряд
f(x,y)~ if т-.»^0'.	B3)
где коэффициенты f*tV, определяются формулами, аналогичными A3)
*• * = V? И f {х> у) е~1*х+*у)' dx аУ-
(Q)
(¦», ц = 0, ±1,±2, ...)
Это и есть ряд Фурье функции f(x, у) в комплексной форме.
Его коэффициенты могли бы быть получены обычным приемом, если,
заменяя знак ~ в написанном выше соотношении на ==, умножить
обе части «равенства» на е~(пх+т^1 и проинтегрировать по квадрату
(Q), выполняя для ряда это интегрирование почленно.
В вещественной форме ряд Фурье выглядит на этот раз до-
довольно громоздко. Если в комплексном ряде объединить сопряженные
члены, то получим:
оэ
f{x,y)~ 2 [ап_ т cos nx cos my-\-bnm cos nx sin my-{-
п, /я=0
-)- с„ т sin nx cos my -\- dn m sin nx sin my], B4)
где
ао.о = 4^ \\f(x,y)dxdy,
(Q)
M	> У) cos тУ dx dr>
(Q)
1Я= 1, 2, 3, .. .)	(m= 1,, 3, ...)
h, m = -^a \ \ /(¦*» У) sin ^y ^ fl^V;
(Q)
(m=.l, 2, 3, ...)
cn о = y-j \ \ /(лг, j/) sin ях йлг rfy;
71 (Q)
in=l, 2, 3 ...)
16»

484	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
и, наконец, при т, л=1, 2, 3, ...
{х, у) cos nx cos my dx dy,
= —г \ \ f(x, у) cos nx sin my dx dy,
У) sin «¦* cos «
= ^2 \ \
(Q)
n,m = ^»\\ fix> У) sin nx sin mydxdy.
(Q)
B5)
Впрочем, обычно ряд B4) пишут в виде
fix, у)
C0S
C0S
cn m sin nx cos
C0S ПХ
sin nx s'n
разумея под множителем Хп т четверть, если п = т = 0, поло-
половину, если из значков п, т лишь один равен нулю, и единицу,
если ни один из них не нуль. Зато коэффициенты ап т, Ъщ т, с„_ т, dn m
все вычисляются по формулам B5).
Вопрос о сходимости ряда B4) [или B4 *)] решается путем иссле-
исследования его частичной суммы 8Пг т (х0, j/0), для которой можно полу-
получить интегральное выражение вроде интеграла Дирихле:
т (-^0; У о) =
in [п + -ту) м sin (m + т) v
\1
sin у и stay
Мы не будем этим заниматься. Заметим лишь, что функция fix, у) за-
заведомо разлагается в точке (jco,_yo) B РЯД Фурье, если выполнены усло-
условия: 1) частные производные f'x и f'y повсюду существуют и ограни-
ограничены, 2) в окрестности данной точки существует вторая производная
fxy (или f"yX), которая к тому же в данной точке непрерывна.
§ 4. Характер сходимости рядов Фурье
•698. Некоторые дополнения к основным леммам. Переходя
к изучению самого характера сходимости рядов Фурье, мы оста-
остановимся сначала на достаточных условиях равномерной сходи-
сходимости этих рядов.
Для этого нам, прежде всего, необходимо сделать дополнение
к первой основной лемме п° 682. Именно, вводя в рассмо-

§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬВ	485
тренные там интегралы различные параметры, мы будем интересо-
интересоваться теперь вопросом о равномерном относительно этих пара-
параметров стремления интегралов к нулю.
1°. Пусть функция g(t) определена и абсолютно интегри-
интегрируема в промежутке [А, В]; тогда оба интеграла
ь	ь
\g(t) sin pt dt, \g(t) cos pt dt
a	a
при /7->-f-°° стремятся к нулю равномерно относительно
переменных а и Ъ, которые принимают произвольные значения
в промежутке [А, В].
Достаточно рассмотреть первый из интегралов. Ввиду равномерной
непрерывности функций
A
можно разбить по заданному е^>0 промежуток [А, В] точками
на столь мелкие части, чтобы было
Для интегралов вида
(g(t)smptdt,	A)
(I, /=0, I, 2	л)
так как их конечное число можно установить общее ^
такое, что для р ^> Д все они по абсолютной величине уже будут <^ е.
Но, как легко видеть, интеграл
\g(t) sin pt dt,
a
каковы бы ни были а и Ь, разнится (при любом р) меньше, чем на 2s,
от одного из интегралов A). Следовательно, при /?^>Д он независимо
от а и Ъ по абсолютной величине будет <\3е, что и требовалось
доказать.
2°. Можно утверждать, далее, что и интегралы
¦ ь	ь	'
\ § (х ± 0 sin pt dt> \ gix + t) cos ptdt

486	гл. xix. ряды фурье	1698
при p-f>-\-oo стремятся к нулю равномерно относительно
параметров а, Ъ и х, подчиненных лишь условиям
Действительно, например, первый из них подстановкой
х ± t = и
может быть представлен в виде
х±Ь
\ S (н) s'n Р (и — х) du =
х±Ь	х±Ь
= cospx § g(u) sin pudu — sin px § g(u) cospudu,
X±a	x±a
так что вопрос приводится к предыдущему случаю A°).
3°. Наконец, если ввести в подинтегральное выражение еще
произвольный множитель f (t) с ограниченным изменением в [А, В],
то и интегралы
ь	ь
\g(x±f)i @ sin pt dt, \g{x±f)i (t) cos pt dt
a	a
при /7-»--{-оо также стремятся к нулю равномерно.
Так как -j@ представляется в виде разности двух монотонно
возрастающих функций, то достаточно предположить самое f(f)
возрастающей. В таком случае, по второй теореме о среднем [306]
ь
Ь
a
±f)sin ptdt-\-i (b) \ g(x 4; t) cos pt dt
(a sg t «c b).
Ввиду ограниченности функции 7(t), вопрос и здесь приводится
к уже рассмотренному случаю B°).
Перейдем теперь ко второй основной лемме [п° 685];
ее мы дополним лишь следующим замечанием:
4°. Пусть функция g(t) непрерывна и монотонно возрастает
в промежутке [А, В], содержащем внутри себя промежуток
[а, Ь\. Тогда интеграл

§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ	487
(где 0<^h^.a — А и В — Ь) при р ->. -f- оо стремится к пре-
пределу ^ё(х) равномерно относительно х в промежутке
[а, Ь].
Проследим применительно к данному случаю доказа-
доказательство, приведенное в п° 685. Первый из интегралов A3), п° 685,
который сейчас напишется так:
стремится к пределу -к-g(x) равномерно относительно х
в [а, Ь] ввиду» ограниченности g(x). С другой стороны, равномерная
непрерывность функции g(x) в [А, В] дает нам возможность по
заданному s^>0 выбрать независимо от х, изменяющегося
в пределах от а до Ъ, число 8^>0 так, чтобы было
\g(x±t)-g(x)\<:e при
Разбивая второй из интегралов A3) п° 685, как и там, на сумму
h~\~h> имеем оценку A4) независимо не только от р, но и от х
Наконец, /а стремится к нулю равномерно относительно х,
в силу 3°. Отсюда в совокупности и вытекает требуемое заключение.
699. Признаки равномерной сходимости рядов Фурье. Теперь
нетрудно уже установить удобные признаки, по которым можно
было бы судить о равномерной сходимости ряда Фурье в неко-
некотором промежутке [а, Ь] к самой функции f(x). Эту функцию
естественно прежде всего предположить непрерывной в названном
промежутке [см. 431]. Сформулируем на первом месте видоизмененный
Признак Дана. Ряд Фурье функции f{x), непрерывной
в промежутке [а, Ь], сходится к ней равномерно в этом
промежутке, если при некотором /г^>0 для всех х из [а, Ь\
интеграл	й
^f±dt	.B)
о
сходится, и к тому же равномерно, относительно х (при
* = 0).
Напомним, что в этом случае
9 @ =/(* + 0 +/(* ~ t) - 2f(x)
C)

488 гл. XIX. ряды фурье	[699
По произвольно заданному е^>0, в силу	сделанного предполо-
предположения, найдется такое не зависящее от	х число 8^>0, что
д л я в с е х х из [а, Ь]
S	ж
1С 1 Г
Тогда интеграл C) представится в виде суммы — \ -|	\ . При
о	I
этом, очевидно, каково бы ни было п,
а
Л si
т ?(*> 1 dt
i 4
для всех указанных значений х одновременно.
Обращаясь к интегралу
1 Г	[ + YГ
| <Р(О V х ' dt,	D)
мы видим, что интегралы
(x±t)	Ц—-sin
стремятся при п —voo к нулю равномерно относительно х
в [a, ft], в силу пункта 3° предыдущего п°. То же справедливо и
для интеграла
ввиду ограниченности функции f(x) в промежутке [а, Ь). Таким
образом, существует такой не зависящий от х номер N, что
для n^>N и интеграл C) по абсолютной величине станет <^е,
каково бы ни было л из [a, ft]. Этим все доказано.
* Мы воспользовались неравенством
sinz> —

699J	§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ	489
Отсюда, в частности, вытекает
Признак Липшица. Ряд Фурье функции f(x) сходится
к этой функции равномерно в промежутке [а, Ь], если
в некотором более широком промежутке [А, В] А^^
выполняется условие
где х, х' — любые принадлежащие [А, В] точки, а С и а — поло-
положительные постоянные (а^1).
Действительно, если за h выбрать наименьшее из чисел В — Ъ
и а — А, то интеграл B) при всех х в [а, Ь\ мажорируется следую-
следующим сходящимся интегралом:
Очевидно условие Липшица (при а=1) выполняется, а сле-
следовательно, равномерная сходимость к функции f(x) осуще-
осуществляется в промежутке [а, Ь], если в более широком проме-
промежутке функция f(x) имеет ограниченную производную /' (х).
Впрочем, это условие содержится как частный случай и в сле-
следующем:
Признак Дирихле — Жордана. Ряд Фурье функции f(x)
сходится к этой функции равномерно в промежутке \а, Ь],
если в некотором более широком промежутке [А, В] функция f (х)
непрерывна и имеет ограниченное изменение.
Следуя рассуждениям в п° 686, представим интеграл
sin(n + i
Л	ж
1С 1 Г
в виде суммы интегралов: — \ -]	X , выбирая положительное число h
"о "л
меньшим а — А и Б — Ь, независимо от значений х в [а, Ь].
Относительно второго из этих интегралов сразу ясно, что он при
п -*- оо стремится кО равномерно относительно х, в силу 3°.
Из первого же интеграла, полагая
1
2 sin ~ t

490	гл. XIX. ряды фурьв	[700
мы прежде всего выделим часть
Г \ - Ц ^п (я + у)
которая, также в силу 3°, равномерно стремится к нулю *.
Обратимся, наконец, к интегралу
5	sin (л + -j) t
*! н х l dt
Так как в промежутке [А, В] функция f(x) представляется в виде
разности двух непрерывных возрастающих функций:
f(x)=fi(x)-fi(x),
то, применяя к каждой из них предложение 4°, убеждаемся, что
этот интеграл стремится к пределу 	^-¦2f(x) = f(x) равно-
те ?
мерно же. Этим и завершается доказательство.
В частности, если функция f(x), заданная в промежутке
[— тс, тс], непрерывна в этом промежутке и имеет в нем огра-
ограниченное изменение, а также удовлетворяет условию
то ее ряд Фурье во всем промежутке сходится к ней равно-
равномерно.
Для доказательства достаточно распространить функцию по закону
периодичности, с периодом 2-к, на всю числовую ось, а тогда за
промежуток [Л, В] взять любой, содержащий внутри себя проме-
промежуток [	1С, 1С].
700. Поведение ряда Фурье вблизи точки разрыва; частный случай.
Переходя к исследованию поведения ряда Фурье функции/(л:) вблизи точки
разрыва этой функции, мы начнем с рассмотрения одного частного ряда, для
которого интересующее нас явление выступает с наибольшей простотой и
отчетливостью.
Мы знаем, что ряд
0 V\ sin Bft —¦ I) х	9 i • . sin Зл: sin 5л:	1
L 2X=T -* \ SmX^ 3~H 5~+---J	E)
сходится к сумме
если 0 < х < те,
«(¦*) =
О, если х = 0, ±7t,
—2~, если —"<;.*<: о
* См. сноску на стр. 447.

700]	§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ	491
[см. 690, 4)]; в точке х = 0 эта функция претерпевает скачок и справа, и
слева:
o(+0)-o@) = |-I O@)-o(-0) = -j.
Изучим поведение частичной суммы ряда *
sin Bk — 1) х
2A— 1
Ввиду ее нечетности достаточно рассматривать эту сумму лишь в про-
промежутке [0, it]. Больше того, очевидное тождество
sin Bk — !) ("i" + JC') = sin BЙ — l> (у— х>
показывает, что asti-i (•*¦) симметрична относительно точки х = -~-;
/ тс . \	/тс	\
это позволяет ограничить исследование промежутком 0, ~ .
Для суммы Cj,,.! (x) легко получается выражение:
х
или, если положить 2nu=t:
2пх
sin u
F)
G)
Последнее выражение можно написать в виде суммы:
Г
(ftl
где ft = ?f	). Полагая вообще для 1 = 0, 1	п—1
(i + 1) X	It
1 f sin< . . ... 1 С sin г , . ,.,
имеем, очевидно,
v{ > 0 и г>г+1 < w,-.	(9)
Таким образом, окончательно:
"г»-! (¦*) = »„ — »i + • • • + (— I)* »*-! + (— l)*»ft-	(8 *)
• Очевидно,

,. . x ins . . .
•f(q) -иэ1	:—= (*¦)
(*¦)
BHHadiowaoEd ей и
90
35ihOi а иэиТШ1<{ф BDiaBNHHHdu но '0 = *" xo квхиьэ 'эи^ииэлви ээ woadau
вн -э -х '(аг) ^"^о ииплн^ф эиАииэлвн иэшч!ГО9ивн вн qdauai вэииаонв1эо
•(х) пв ииплн^ф лифвdJ нэж
-вёроеи Bdawndu BirK эКл 'ggj -ond Baicfl^dHdiDMirifH винэlrжdэalA Hie ээд
¦W(HDUi3vdeo9 — dnmvvwnmw v 'шсятпдб ovvduvn v9avo (x) '
д	()
— '0 vxviddtcdwodu xvvdQddu 9 x пппэнжЕп ndu (g
OXh 'ЭЖЯВХ K3I3BhAlfOU (g) aX0H3SEd3H W013hA Э
шл «/(I -) + • • • + T« — °a = С"*) i""Sb
винэьвне 0J0H4ifBwadiDH6 BHHaifaBXDlTadu ей "пэнонвн
o'e
s'z
"CSI "Э
O'Z
S'l
O'l
S'D
_
л\\
_
i
\
\
\
\
\\
1
_
4
I

\
— ¦
г.
s,
4.
/
_
4,
\
Ф
у
Л
II
1
1
IT—
^1 1
O'l
S'l
o'z
\ ион1эьэн in ndu хэван9|( и конхэь ш ndu xaexosdeoa '(*g) ей
-loan нвл '(x) t~U5b киТ151нХф ~ (l + ш) ' — ui\ элxXжэиodu a
•хппшэь ш ndu nn dnnnnw 'хпншэъзн ui ndu пк 6.кпэя г>п оннэмп
'(и 	z '!=«/) г^- = шх
хтьош 9 nw&voduiwe ыээмп vno (z
'.q = x ndu qmnv чгКн s чд-nv'nwdgo 'гнягэшпжогои (x)l~uzo vwwfo (\
: -- ок о io вэхэвнэиеи х в 'онваойиэлиф и иь-ээ '(х) T~"so
иинэКэаои о йинэьм1глве KBd хэвнэ1иа OHHaaxalTadoouaH в!Гсяэ10
'1а этчнэи эниьшгэа цошошоэдъ ои в '«(i—) лвне хээии
оно :эоиэвлв1гэ '«30H4irHaBdu3H» 'ээнКэиэоц онэьвнео9О *e^(l —) eadah alTJ
OOll
'xix

7001	§ 4. характер сходимости рядов фурье	493
и равен по величине [см. G)]
Здесь в обозначение введен номер п, ибо на этот раз мы намерены проследить
за поведением функции именно при изменении п. Очевидно, х^ монотонно
убывает при возрастании п и стремится к 0 при n—<--f-°°- Для облегчения
исследования самой величины М^ перепишем выражение для нее в следую-
следующем виде:
Так как второй множитель в подинтегральном выражении с возрастанием п
равномерно (относительно t) и притом убывая* стремится к единице,
то, очевидно, и М^ убывая стремится к пределу:
Afj">=f ^.« = ,1,.	A0)
Urn j
Итак, имеем:
4) первый (наибольший) максимум функции игл_, (х) достигается при
значении х = х[п\ которое монотонно убывая стремится к нулю при
безграничном возрастании п, а самый максимум М[п^ при этом монотонно
убывая стремится к пределу у.и выражаемому формулой A0).
Аналогичное утверждение можно было бы сделать вообще относительно
fe-го (k фиксировано!) экстремума функции: оно достигается при значении
которое стремится к 0 при п —* оо, -а величина М$ k-го экстремума при
этом монотонно стремится к пределу
kit
а именно — убывая, если речь идет о максимуме (k—нечетное), и
возрастая — в случае минимума (k — четное).
Для иллюстрации мы приводим рис. 134, где сопоставлены графики пер-
первых шести сумм ota_1(x) при л=1, 2, 3, 4, 5, 6.
* Мы используем здесь тот факт, что функция -4— при возрастании г
sin z
от 0 до -=- и сама возрастает.

494
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
[700
Числа (ift, как явствует из рассуждений, проведенных в п° 439, попере-
попеременно то больше, то меньше числа
о
Разности Pft = [*fc	о" имеют следующие значения:
Р! = 0,281*; р2= — 0,153; р, = 0,104; р4 = —0,073; р5=0,063; ... A1)
Теперь мы в состоянии уже достаточно полно охарактеризовать сходи-
сходимость частичн ых сумм и2л_1 (х) ряда E) к его сумме а (х); ограничимся для
определенности промежутком [0, it].
У
г.о
1.5
1.0
a.s
1
\\
Ш
!//
II
ill
in
и
I
1
It
у
/
1
п
1,
1
1
1
1
1
1
1
1 _
\,
h
1
1
1
1
¦х
\
V
д
/
V
Л
/
л
\
у-
/
к
/
X
V
\
S
/
X
W
X
\
\
t
—
N
У
ч
7<
N
у-
N
ч
S
4..
/
-\
1
^1
L
\
/
\
-\
У.
\
\
I
\
\
\
/
\ t
Л
/
\
—1
h
1
f-
\
\
\
\
-*•
^[
\
\
\
\
\
\
\
^_
Л
\\
1
1
\
\
\
1
1
1
\1
V
ь
t
п
О	0.5	1.0	1.5 ' Z.0	15	3.0	3.5 X
Рис. 134.
Если точки разрыва лг = О и х = п выделить сколь угодно малыми
окрестностями [0, Ь) и (п — S, те], то в остающемся промежутке [5, те — В],
в силу доказанного в предыдущем п°, ряд сходится равномерно. Иными
словами, графики частичных сумм ^„..j (x) при достаточно больших п сколь
угодно тесно примыкают к прямой у = -^у сразу на всем протяжении этого
промежутка. Вблизи же точки х = 0 (их = it), где функция <з(х) скачком
переходит от значения -к- к значению 0, равномерность приближения есте-
естественно должна нарушиться, ибо а^^ (х) от близких к -=- значений при
л: = 5 (или те — 8) непрерывным образом переходят к значению 0
при х = 0 (или п).
Весьма замечательно, однако, что нарушение равномерности
не исчерпывается только сказанным; к этому факту мы при-
привлекаем внимание читателя. В непосредственной близости к оси у справа,
прежде чем резко устремиться к начальной точке @, 0), графики функций
* Ср. 412, 4).

701)
§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ
495
О
П X
X
°гя-1 (•*) колеблются около прямой у = -^-.причем <амплитуды> этих колеба-
колебаний вовсе не имеют тенденции бесконечно уменьшаться при п —> оо. Наоборот,
как мы видели, высота первого, и наиболее высокого, горба над упомянутой
прямой стремится при этом к величине рх = 0,281; за первым горбом, пере-
передвигаясь справа налево с возрастанием п и сгущаясь к оси у, следуют даль-
дальнейшие впадины и горбы, причем расстояния их вершин от прямой у = — при
п—> оо стремятся, соответственно, к дальнейшим величинам р2, р3, ... и т. д. из
ряда A1). Аналогичная картина имеет место вблизи прямой х = % слева. Точно
также вблизи оси у слева снова по-
повторяется та же картина с тем лишь
изменением, что все рассматривае-
рассматриваемые величины получают обратные
знаки.
Можно сказать, что «предель-
«предельным геометрическим образом» при
П —¦ 00 ДЛЯ КрИВЫХ у = 1%л^1 (X)
является не ломаная, изображен-
изображенная на рис. 135, а (как естественно
было бы ожидать!), а ломаная рис. 'J a)	ffj
135, б с соответственно удлинен-
н ы м и — примерно на 0,281: -^- =
=18°/о—вертикальными отрезками.
Этот своеобразный дефект сходимости впервые был в самом конце
прошлого века отмечен, также на частном примере тригонометрического разло-
разложения, Г и б б с о м (J. W. Gibbs) и в связи с этим известен под названием
явление Гиб б с а. Мы увидим сейчас, что это явление в некотором смысле
имеет место в общем случае.
701. Случай произвольной функции. Рассмотрим периодическую, с
периодом 2я, абсолютно интегрируемую функцию f{x), с изолирован-
изолированной точкой разрыва первого рода х = х0. Тогда в некотором промежутке
[jc0 — Д, хо-\- Д] (Д>0) не будет других точек разрыва; для простоты пред-'
положим, что в этом промежутке функция имеет ограниченное изменение.
Введем теперь функцию а (х — *0), которая отличается от изученной в пре-
предыдущем п° функции сдвигом вправо на лг0, и составим с ее помощью функцию
Рис. 135.
Если условиться за значение f(x0) в точке разрыва х = х0 принимать
fix _L0)+/(*„ — 0)
J ч " '— X 	-, то, как легко проверить:
9 (лг0 + 0) = ч (х0 — 0) = 9 (xt) = 0.
Функция 9(х) в точке лг = д;0 оказывается непрерывной: с помощью
функции о удалось компенсировать разрыв функции /I Функция <р будет не-
непрерывна и в прочих точках промежутка [х0 — Д, *0-|-д], если взять Д<я;
кроме того, вместе с функциями / и о функция у также будет иметь в на-
названном промежутке ограниченное изменение.
Теперь мы можем написать:
=/(*„
+ 0) -/(*. -0I о (х- х
Заменив здесь каждую из функций а(х — •*„) и у(х) ее разложением в ряд

496	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	1701
Фурье, мы получим, очевидно, и разложение заданной функции в ряд
Фурье. Частичная сумма sm (х) последнего ряда представляется в виде:
-0) ,т {х_Х
Здесь, при т = 2п — 1 или 2и,
га
2ft — 1
k = \
га
= / wt	т [cos^0 sin Bft — 1) х — sin лг0 cos Bft—1) x],
a <^m{x) означает соответствующую частичную сумму ряда для <р.
Так как (р(л:о) = 0 и функция у{х) в точке хо непрерывна, то при доста-
достаточно малом Д в с е ее значения в промежутке [лг0 — Д, х0 -\- Д] будут сколь
угодно малы. В то же время в этом промежутке tpm (x) стремится к tp (x)
равномерно, следовательно, при достаточно большом т и значенияут(х)
будут сколь угодно малыми. Таким образом, поведение сумм sm (x) в
основном определяется уже известным нам поведением сумм ат (х — х0); на-
наличие слагаемого tpm (x) вносит в него лишь незначительные искажения, тем
меньшие, чем ближе х к х0 и чем больше т.
Если при нечетном т = 2п — 1 положить
а при четном т = 2п:
*т — Х<> + 2^ — Х1) + -,
ТО
lim Zm = x0.
т -»с»
Наряду с этим, если учесть A0),
—"(Ч.
т —*¦ оо	<1-
так как, очевидно, при т—> оо
tm (Sm) = [Чт (?m) — Ч (?т)] + Ч $т) —¦ °-
Заменяя ^ Ha-2"Pi и вводя величину скачка D=f(xo-\-O)^f(xo — 0),
можно переписать полученный результат и так:
lim sm Em) =/(•*<>+ 0) + — Pi-	A2)
m -» оо	л
Аналогично, полагая
г 		Я		_Я_
в зависимости от того, будет ли т нечетным или четным, получим:
lim sm(|m)=/(jc0—0)	pt.	A3)
m -»оо	я
Таким образом, и в рассматриваемом общем случае предельное
значение колебания сумм sm (x) в окрестности точки разрыва х0 оказы-
оказывается больше самой величины \D\ скачка функции f(x) на

702|	§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ	497
т. е. на те же 18°/о ее. И здесь также для получения предельного геометри-
геометрического образа для графиков сумм sm(x) недостаточно к кривой у =
=/(*) присоединить отрезок вертикальной прямой ;e = jc0, соединяющий
точки с ординатами f(x0 — 0) и /(-*<>+ 0), но приходится этот отрезок
соответственным образом удлинить и вверх и вниз. Можно сказать, что
идля произвольной функции осуществляется явление
Гиб б с а!
Замечание. Исследования, связанные с явлением Г и б б с а, приводят
и к другим интересным результатам. Так, с их помощью могут быть уста-
установлены формулы, определяющие для функции/(дг) с ограниченным измене-
изменением ее односторонние пределы f(xo±Qi) и величину скачка в любой точке
х0 непосредственно по ее ряду Фурье. Для этой цели могут
быть использованы, например, формулы A2) и A3): вычитая их почленно,
найдем
D = ~ Urn lsm(Zm)-sm(im)],
zri m -+ со
после чего уже легко определяется и f(xo±0). Различные формулы этого
типа были установлены Ф е й е р о м (L. Fejer).
702. Особенности рядов Фурье; предварительные замечания.
Во всех признаках сходимости рядов Фурье, относящихся к непре-
непрерывным функциям, кроме самой непрерывности неизменно требовалось
что-нибудь еще: то ли существование некоего интеграла, выполнение
неравенства, наличие конечной производной, то ли ограниченность
изменения функции, ее кусочная монотонность. Естественно возникает
вопрос: не будет ли достаточно для сходимости ряда Фурье одной
непрерывности породившей его функции? Еще в 1876 г. дю Буа-
Р е й м о н д (P. du Bois-Reymond) дал отрицательный ответ на этот
вопрос, построив пример непрерывной функции с расходящимся
в некоторых точках рядом Фурье.
Лебег (Н. Lebesgue) в 1906 г. построил пример такой непре-
непрерывной функции, к которой ее ряд Фурье сходится повсюду, но
не равномерно.
Мы хотим дать здесь примеры осуществления как «особенности
дю Буа-Реймонда», так и «особенности Лебега», следуя при
их построении по пути, указанному Ф е й е р о м.
Элементами построения в обоих случаях служат конечные триго-
тригонометрические многочлены (т и п означают натуральные числа):
D , *.	["cos mx ¦ cos (m 4-1) х .	. cos(m + w — 1) х~\
[cos (m-\-n -f l)x . , cos (m -f 2и — 1);е . cos (in -f- 2и) х 1
I	г • • • Н	„-=}	I	—п	J.
п , ч	\$\птх . sinQn-r- \)х .	, sin(w -fw — I) x
Г sin(m + n + 1)x ,	. sin(m4-2w— X)x . sin(m 4-2и)л:Л
~\_	I	г ••• H	^i	1	~n	J.
Установим предварительно некоторые свойства этих многочленов.

498	гл. xix. ряды фурье	[702
1°. Прежде всего, существует такая постоянная М, что
\Рт,п(х)\^М и \Qm,n(x)\^M,	A4)
каковы бы ни были значения переменной х и значков тип.
Для доказательства этого преобразуем многочлены Р и Q, объ-
объединяя в каждом члены с одинаковыми коэффициентами. Так, полагая
в первом (при v=l, 2	п)
приведем его к виду:
л
sinvje
га
.	~ , , „ V1 sinvx
=— 2 cos (г
Аналогично
Так как множители при сумме, которая	фигурирует здесь в обоих
случаях, явно ограничены, то вопрос	сводится к ограниченности
самой суммы. Мы уже имели случай	[690, 3)] представить ее в
виде:
га
VI sinvje	х ,
(•+*)'
Второе слагаемое справа здесь ограничено ввиду равномерного
стремления его к нулю при п—>¦ оо [698, 1°], а третье — ввиду схо-
димости интеграла \	du. Отсюда и вытекает требуемое заклю-
чение.
2°. Иначе обстоит дело с частичными суммами многочле-
многочленов Р и Q (т. е. суммами любого числа последовательных членов
их, начиная с первого). Если для многочлена Ртп(х) взять сумму
первых п его членов, то при лг = О она получит значение

702]	§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬВ	499
растущее вместе с п до бесконечности [36,5, 1)]. Так как,
очевидно,
v + l
1 $ ^
то для Нп получается известная оценка:
Частичные суммы многочлена Qmin(x) при лг = О все обращаются
в нуль. Однако если мы вычислим сумму первых п его членов в
близкой к нулю (при больших тип) точке х = » , " . , то
найдем:
Но по известному неравенству sin z~^> — z при О^^-с^-^-, так что
эта сумма сказывается большей, чем
v= 1
и также бесконечно возрастает вчместе с п. В этом, соб-
собственно, уже содержится как бы зародыш обеих особенностей — д ю
Буа-Реймонда и Лебега.
3°. Если же мы, взяв любое положительное число е, ограничим
изменение переменной х промежутком [е, 2% — е] *, то все частичные
суммы обоих многочленов оказываются ограниченными (по абсолют-
абсолютной величине) одной и той же постоянной 1(е), не зависящей от т
и п. Достаточно доказать это относительно выражений вида
i	i
2 cos (о ±1)х V sin(p±l) х	,, _.
—i—. 2 —х—•	A5>
Х = 1	Х=1
ибо, как легко видеть, упомянутые частичные суммы в общем случае
представляют собой разности двух подобных выражений.
Остановимся для примера на выражении
2 cos (p -{- X) х
* Или — что не составляет разницы — промежутком от 2кк-{-ь до
2 (k 4-1) л — е, где k — любое целое число.

500	гл. xix. ряды фурье	[703
и для его оценки воспользуемся леммой Абеля [383]. Множи-
Множители у при возрастании значка X убывают, оставаясь положитель-
положительными. Что же касается множителей cos (p -j- X) x, то сумма любого
числа их
— sin
x = l	2 sin —
X
т
по абсолютной величине не превосходит постоянной	. Отсюда
sin ^
заключаем, что и
i
\ cos (р + *•)
stay
To же справедливо и относительно других выражений A5). Таким
образом, в качестве упомянутой границы Z.(s) можно взять постоян-
2
ную 	—.
stay
Все эти свойства будут использованы в следующем п°.
N
703. Построение особенностей. Возьмем теперь последователь-
последовательность положительных чисел \ak), для которой ряд 2а* сходится,
и две бесконечно возрастающие последовательности натуральных
чисел {ntj,}, { nk } и построим два ряда:
00
(I)
S akQmk.nk(x) = 4{x).	(Н)
Оба ряда абсолютно и равномерно сходятся, ибо ввиду A4)
мажорируются сходящимся рядом М^]ak. Следовательно [431], функ-
функции Ф(х) и I(х) заведомо будут непрерывными.
Выбор чисел ak, mk и nk мы подчиним следующим двум тре-
требованиям:
) k+>+	=\, 2, 3, ...),
2) ak In nk -*¦ -\- ос при k -*¦ ос.

703]	§ 4. ХАРАКТЕР СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ
Можно, например, положить
1	,з
а* = ??> mk = nk = 2 •
501
Ввиду 1) два различных тригонометрических многочлена akPm (x)
или ai,Qmk.nk(x)' входящих, соответственно, в ряд (I) или (II), не
содержат членов с одинаковыми кратными х. Если теперь просто
подряд написать все члены последовательных многочленов, входящих
в (I) или (II), т. е. раскрыть все скобки, то получатся два тригоно-
тригонометрических ряда (один по косинусам, а второй по синусам), кото-
которые и будут рядами Фурье функций Ф(х) и ЧГ(х). В са-
самом деле, если, например, умножить обе части равенства (I) на
cospx и проинтегрировать от 0 до 2тс, то ввиду равномерной
сходимости ряда интегрирование в нем можно будет выполнить
почленно. Затем, каждый интеграл
2тс
COS
заменится конечной суммой интегралов, причем все они будут
нулями, кроме того случая, когда в состав akPmk „k (x) входит
cos px. Таким путем мы и убедимся в том, что коэффициент при
cos px будет коэффициентом Фурье.
Обратимся теперь к вопросу о сходимости этих рядов Фурье
и ее характере. Если изменение х ограничить промежутком [е, 2тс — е],
то оба эти ряда сходятся и даже равномерно, наподобие ря-
рядов (I) и (II). Это видно из того, что любая частичная сумма, ска-
скажем ряда Фурье для функции Ф (х), отличается от некоторой
частичной суммы
1
ряда (I) на некоторую частичную сумму тригонометрического мно-
многочлена
величине не превосходит
равномерно стремится
которая в силу 702, 3°, по абсолютной
asL (&) и при безграничном возрастании s
к нулю.
Ввиду произвольности s, таким образом, сходимость рядов Фурье
для функции Ф (х) и ЧГ (х) обеспечена при всех значениях х в @,2тс).
При х = 0 (или 2тс) первый ряд, однако, уже расходится, и
налицо — «особенность дю Буа-Реймонда»! Действительно, если

502	гл. xix. ряды фурье	[704
его т-ю частичную сумму вообще обозначить через sm (x), имеем
П х~\
так что [см. 700, 2°]
«fflA+«ft-i @) — *mft-i @) = akH4 > ak In nk,
что, в связи с требованием 2), свидетельствует о нарушении основ-
основного условия сходимости ряда [376].
Что же касается ряда Фурье функции 47 (х), состоящего из
одних синусов, то он, конечно, сходится и при х^0 (или 2-it). Но
на этот раз в окрестности точки лг = О сходимость не будет
равномерной, и мы имеем здесь осуществление «особенности
Лебега»! Чтобы убедиться в этом, обозначим вообще через sm(x)
его т-ю частичную сумму и вычислим разность
.	| sin(mk + nk — \) x~
в
чем
точке Х — -7Г,—^—г-; в силу 700, 2°, она оказывается большей,
2 (mk + nk)
ak(lnnk—l),
и растет до бесконечности вместе с k.
Ценою некоторого усложнения построений удается определить
такую непрерывную функцию Ф(лг) с периодом 2тс, что ее ряд
Фурье имеет точки расходимости в любой части промежут-
промежутка [0, 2те].
До сих пор, однако, не решен вопрос, может ли ряд Фурье
непрерывной функции быть всюду расходящимся. Правда, пример
всюду расходящегося ряда Фурье был дан с помощью тонкого
построения акад. А. Н. Колмогоровым, но его пример относится
уже к функциям более сложной природы и притом использует более
общее, чем обычное, определение понятия интеграла (принадлежащее
Лебегу).
§ 5. Оценка остатка в зависимости от дифференциальных
свойств функции
704. Связь между коэффициентами Фурье функции и ее
производных. Рассмотрим функцию fix) с периодом 2тс, имеющую
производные до й-го порядка (k^l) включительно. Первые k—1
из них, разумеется, будут непрерывными функциями; относительно
k-й производной предположим покуда, что она (абсолютно) интегри-

705J
% 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА
503
руема. Обозначая по-прежнему через ат, Ът коэффициенты Фурье
функции f{x), для производной /(>) (лг) (/=1, 2, ..., k) коэффи-
коэффициенты Фурье мы будем обозначать через а<?, Ы?.
Интегрируя по частям, найдем (для. /и=1, 2, 3, .,.)
ка
= \ f(x) cos /илг dx =/(лг) —	\ /' (х) sin /тал: Лхг,
J	/Л — те	ff* J
так что
m	m '
аналогично
Если полученные формулы применить к коэффициентам а'т, Ь'т и
выражения последних через в?т, Ъ"т подставить а формулы для ат,
Ьт, то окажется, что
		т i^ 		щ
т
т'
Продолжая этот процесс, мы индуктивно установим окончатель-
окончательные формулы, в которых приходится различать случай четного
и нечетного к	^	^
при k = 2h:
(la)
д(*)
= 2А+1: «m = (-l)ft+1^r, bm = (-\?-^. Об)
Поставим себе задачей, пользуясь этими формулами, установить
оценку для остатка ряда Фурье А-кратно дифференцируемой
функции, при тех или иных условиях, налагаемых на k-ю производ-
производную. В начале предыдущего параграфа мы изучали вопрос о равно-
равномерной сходимости ряда Фурье, т. е. о равномерном стремлении
его остатка к нулю; здесь, правда, при более тяжелых предположе-
предположениях, мы оказываемся в состоянии оценить даже быстроту этого
стремления, установив порядок малости остатка в зависимости от
дифференциальной природы функции.
705. Оценка частичной суммы в случае ограниченной функ-
функции. Предварительно мы дадим оценку для частичной суммы sn(x)
ряда Фурье, равно как и для частичной суммы sn (x) сопряжен-
сопряженного с ним ряда, предполагая функцию/(лг) только ограниченной:
под М здесь можно разуметь, например, точную верхнюю гра-
границу для \f(x)\.

504
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
1705
По известной формуле [см. 681, D)]
1С
01
sin
2 sin
Отсюда последовательно имеем *:
п
1
Если под А разуметь достаточно большую постоянную, то (при
л 5=2) последнее выражение в скобках окажется меньшим, чем Л In л,
так что окончательно получим
| sn (х) | < AM In n**	(л Ss 2).	B)
Переходя к сопряженному ряду, вспоминаем, что [696, B0)]
Поэтому
COS tj t ¦— COS [П -j- к J t
	^	\	^ I
2 sin yZ!
dt
cos^-t— cos [n-{-T)t
2 sin тг
sin -n- ^* sin
-dt =
я+1
¦
sin
2 sin ^-
2 sin
dt.
* См. сноску на стр. 488.
** Например, можно взять
In 2
Но это, конечно, не есть наилучшее из возможных значений постоянной А.;

706J	§ 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	505
Рассуждая далее, как и выше, придем к аналогичной оценке:
| sn (х) | < AM In n («Ss 2),	C)
где А есть новая .достоянная, вообще отличная от прежней, но подобно
ей не зависящая от выбора функции f(x). Впрочем, конечно, можно
было бы в обоих случаях пользоваться одной и той же постоянной —
наибольшей из двух.
Разность Rn (x) =f(x) — sn (x) (это будет остатком ряда
Фурье лишь в том случае, если он сходится к функции /) оцени-
оценивается аналогично B):
| ЯПС*) К AM In я
Действительно,
так что стоит лишь надлежаще увеличить постоянную А, чтобы
придти к требуемому неравенству.
Читателя не должен удивлять тот факт, что справа в неравенстве
стоит величина, растущая до бесконечности вместе с п. Мы знаем
ведь, что для некоторых ограниченных (и даже непрерывных,
см. 703) функций f(x) величина Rn(x), действительно, может бес-
бесконечно возрастать, а наше неравенство должно охватывать все
ограниченные интегрируемые функции!
706. Оценка остатка в случае функции с ограниченной fe-й
производной. Обратимся теперь снова к рассмотрению функции f(x)
с периодом 2тс, имеющей производные до k-то (k^l) порядка вклю-
включительно, причем на этот раз предположим k-ю производную огра-
ничейной:	|/
и интегрируемой в собственном смысле.
Установим следующий важный результат, принадлежащий акад.
С. Н. Бернштейну: при сделанных предположениях существует
абсолютная постоянная А такая, что {для п ^ 2)
При доказательстве мы будем различать случаи четного
и нечетного А.	'
1°. Пусть k = 2h. Выражение для остатка ряда Фурье функ-
функции f(x) *
00
Rn = Rn (х) — 2 пт cos тх ~Ь &т sin m*>
т—п-\-\
* При сделанных предположениях ряд Фурье будет повсюду сходиться
к функции f(x) [684J.

506	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	G06
если воспользоваться формулами Aа), может быть написано в виде:
00
р 	, П* V 1 (n(k) cn4tnr-X-h(k)<i\nmv\
t\n — {— II / —g- [и COS ТПХ —г- и Sin гпХ).
J^ ttl m	* m	'
В скобках имеем m-ft член ряда Фурье функции /'*'(лг); вводя
частичную сумму am = am(x) этого ряда, можем заменить названный
член через am — am t:
т=п-\-\
е
Раскрыв скобки и по-другому объединив члены [ср. 383], мы придем
к ряду.
00
Для обоснования указанного преобразования заметим, что
это следует из неравенства
| ат | < АМк In m,	F)
которое получится, если неравенство B) применить к функции /(ft) (лг).
Из E) и F) вытекает. оценка:
со
Л1п" I Л У (± — —1
+Л Z U* (m+l
U*
Последнюю сумму снова преобразуем к виду [ср. 371]:
с»
In (и -f-1) .
Если воспользоваться неравенствами
ml ^ m
и
со
т" " — •

707J	S 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	507
[см. 373, а)], то последовательно получатся для нее оценки
СО	00
(« + l)ft ' Li m(m + If ^ (п + 1)* ~
1 ,1 1 ^ Inn + 2
Возвращаясь к \Rn\, получаем для этой величины такую оценку:
откуда, конечно, надлежаще изменив А, легко прийти уже к D).
2°. Теперь предположим k = 2h-j-l. Опираясь на формулы A6),
перепишем Rn так:
00
Яп = (-!)* 2 ^s (^ sin mx-b^ cos тх).
В выражении, стоящем в скобках, мы узнаем на этот раз т-й член
ряда, сопряженного с рядом Фурье функции f(k)(x) [670].
Так как и для его частичной суммы ат = ат(х) также имеем оценку
[см. C)], то дальнейшие рассуждения ничем не разнятся от приведен-
приведенных выше.
707. Случай функции, имеющей k-ю производную с ограни-
ограниченным изменением Рассмотрим сначала функцию f(x) с периодом
2ir, которая сама имеет в промежутке [—тс, it] ограниченное измене-
изменение. Переходя к интегралам Стилтьеса и воспользовавшись фор-
формулой интегрирования по частям [677], представим коэффициент ап
функции f(x) в виде:
sin nx
smnx
— Л-(з) J sin nxdf(x). G)
Внеинтегральный член исчезает, что же касается последнего инте-
интеграла, то, оценивая его обычным для интеграла Стилтьеса образом
[682, 2°], получим:
\ sin nx df(x)
^ max | sin nx | • ^ /(х).
— я

508	ГЛ. XIX. РЯДЫ фурье	[707
Таким образом, окончательно
если через Vобозначить полное изменение функции f(x) в про-
промежутке [— -к, и]. Так же оценивается и коэффициент Ьп.
Если две переменные величины <х и {5, зависящие, скажем, от одной
и той же независимой переменной, обладают тем свойством, что их
отношение остается ограниченным:
-М (М = const),
то этот факт записывают следующим образом *:
Пользуясь этим обозначением, мы можем выразить доказанное свой-
свойство коэффициентов Фурье ат Ъп функции с ограниченным измене-
изменением так:
Пусть теперь для функции fix) с периодом 2% существует
k-я (k^l) производная pk)ix), которая в промежутке [—-к, тс]
имеет ограниченное изменение; тогда для коэффициентов Фурье
функции fix) справедлива оценка:
К|, I*„!<-?- -t^ft (я=1, 2, 3, ...),
где Vk есть полное изменение функции /F)(лг) в промежутке
[—¦к, -к].
Это сразу вытекает из сопоставления, доказанного только что
с формулами Aа) и A6) п° 704.
Итак, на этот раз
Щ	Щ	(8)
Зная порядок коэффициентов Фурье, теперь нетрудно уже оце-
оценить и остаток ряда Фурье: при тех же предположениях, для
остатка Rnix) ряда Фурье функции fix) имеем неравенство:
|Я(*)К
Ср. это обозначение с обозначением о (а), которое мы ввели в п° 60.

708]	§ 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	509
Действительно,
Таким образом, несколько более тяжелое ограничение (по сравне-
сравнению с предыдущим п°), которое мы наложили на k-ю производную
функции, повлекло за собой улучшение оценки остатка Цп(х): в чи-
числителе исчез In л!
Замечание. Подчеркнем еще раз, что в рассуждениях настоя-
настоящего и предшествующего пп° существенную роль играла периодич-
периодичность самой функции f(x) и ее производных. Если первона-
первоначально функция была задана лишь в промежутке [— тс, тс], то
нужно потребовать выполнения условий:
/(-«)=/(«), /'(-<>=/'(*)> ..-, /ft)(-O=/(ft)(*)>
разумея здесь под производными односторонние производные. Лишь
тогда будут обеспечены непрерывность и существование последо-
последовательных производных для периодически продолженной
функции, а вместе с тем и справедливость установленных выше
оценок.
708. Влияние разрывов функции и ее производных на поря-
порядок малости коэффициентов Фурье. Мы видели, что наличие у функ-
функции ряда непрерывных производных обеспечивает быстрое убывание
коэффициентов Фурье и, как следствие, быструю сходимость ряда
Фурье.
Однако в математической практике часто встречаются случаи, когда
разложению в ряд Фурье подлежит функция, которая в пределах
от — тс до тс как бы «склеивается» из нескольких функций, имеющих
каждая в своем промежутке определенное число производных. В точ-
точках «стыка», таким образом, создаются скачки как для самой
функции, так и для ее последовательных производных. Эти разрывы
понижают порядок малости коэффициентов Фурье, а вместе с этим,
как легко понять, и порядок малости остатка ряда Фурье. Обра-
Обратимся к детальному исследованию этого вопроса.
1°. Пусть функция f(x) будет непрерывна в промежутке [—к, тс),
исключая «точки стыка»
?ь Ъ, ..-. Sm,	(9)
в которых она имеет разрывы первого рода, т. е. претерпевает скачки
Ч?' =/С> + 0) -/% - 0) (р = 1, 2, .., т).

510	гл. xix. ряды фурье	[708
К их числу должна быть присоединена и точка Ео = — тс, если раз-
разность
8i,0) =/(— тс + 0) — /(тс — 0)
отлична от нуля, ибо в этой точке появится разрыв при периодиче-
периодическом продолжении функции.
Предположим, далее, что повсюду, исключая лишь указанные точки,
существует конечная производная f (х), скажем, абсолютно интегри-
интегрируемая в промежутке [—тс, тс]. Для выражения коэффициента ап
функции f(x) мы снова перейдем к интегралу Стилтьеса и про-
проинтегрируем по частям [см. равенство G)]. Если выделить в послед-
последнем интеграле слагаемые, отвечающие скачкам функции/(лг) [579, A5)],
то получим
1С
ап = - \ f{x) cos nx dx =
it
ь"sin "^ ~ i \f {x) sln nx dx
или, короче,
где положено
а через b'n, как и раньше, обозначен коэффициент Фурье для функ-
функции f'(x). Аналогично можно установить, что
К = — + —.	A2)
где
iJ	A3)
а а'п также означает коэффициент Фурье для /'(х).
Наложим теперь на производную f'(x) требование, чтобы она
имела ограниченное изменение в промежутке [— тс, тс]. Так
как ее коэффициенты Фурье при этом предположении имеют поря-
порядок О (-] [707], то формулы A0) и A2) можно переписать и так:

708]	§ б. ОЦЕНКА ОСТАТКА	511
Эти формулы с отчетливостью показывают, как наличие точек разрыва
у функции, несмотря на существование производной во всех прочих
точках, сразу понижает порядок малости коэффициентов Фурье.
Пусть теперь, наоборот, известно, что коэффициенты Фурье не-
некоторой функции f(x) имеют вид A4) и A5), причем величины Ап,
Вп определяются формулами A1) и A3), где {8^°'} есть данный набор
/w —{— 1 чисел. Тогда функция f(x) необходимо имеет разрывы первого
рода именно в точках (9) и претерпевает в них скачки, соответ-
соответственно равные 81°'(р.—1, 2, ... , т); кроме того, для нее суще-
существуют пределы /(—ic-j-O), /(тс— 0)*, и их разность равна 8@0>.
В прочих же точках функция непрерывна.
Для того чтобы в этом убедиться, составим вспомогательную
функцию f(x), например, из линейных в (^, ^+1) функций так, чтобы
она в указанных точках претерпевала как раз указанные скачки. Для
ее коэффициентов Фурье имеем аналогично A4) и A5):
где Ап и Вп имеют прежние значения. Тогда для разности f(x) —f(x)
получится разложение вида
00
2 Ч-\~ "У, ancosnxJr$n sin nx>
где
т. е.
KUPJ<§ (*= const).
00
Этот ряд, мажорируемый сходящимся рядом 2/С У-J, сходится по-
1	_
всюду равномерно. Отсюда уже ясно, что разность f(x)—f(x)
представляет собой непрерывную функцию с периодом 2тс и, сле-
следовательно, f{x) имеет те же скачки и в тех же точках, что и /(х).
* Мы и здесь и впредь всегда подразумеваем, что
41/E,. + 0)+/E^ - 0)],
равно как
гак что все точки разрыва оказываются регулярными [см. 684].

512	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[708
2°. Теперь предположим сверх сказанного, что первая производная
f'(x) имеет предельные значения
/' (— тс -|- 0), /' (^ ± 0), /' (тс — 0)
и, кроме того, что повсюду (исключая «точки стыка») существует
вторая производная /" (х), которая к тому же в промежутке [— it, n\
имеет ограниченное изменение.
Используя уже доказанное, можно утверждать, что тогда
А' Ь"„ А'	г 1
" п п и > \п2
п п п	\/12 J'
если через А'п, В'п обозначить аналогично A1) и A3) величины
ц=1
(л=1, 2, 3, ...),
т
где
-/'(^-0) (р.==1, 2, ... , т),
Подставляя же эти выражения для а'п и Ь'„ в формулы A0) и A2),
окончательно получим для рассматриваемого случая:
И здесь также можно доказать в некотором смысле обрат-
обратное утверждение. Пусть коэффициенты Фурье некоторой функции
f(x) имеют вид A8) и A9), причем величины Ап, Вп, А'п, В'п опре-
определяются формулами A1), A3), A6), A7) при данном наборе чисел
{SJi01}. W}- Тогда про функцию f(x) можно утверждать, что она
непрерывна и имеет непрерывную производную /' (х) повсюду в (— it, ir),
исключая точки Е^, где и функция и ее производная претерпевают
скачки, соответственно равные 8^°' и 8^'; кроме того,

708]	§ 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	513
Доказательство, как и выше, осуществляется с помощью построе-
построения вспомогательной функции f(x), которую на этот раз можно со-
составить из квадратичных функций так, чтобы она и ее производная
имели именно указанные скачки в указанных же точках. Легко усмот-
усмотреть, что разность f{x) —/ (х) будет разлагаться в ряд Ф у р ь е с коэф-
коэффициентами порядка О f-jj. Тогда не только этот ряд, но и ряд, по-
полученный из него почленным дифференцированием, с коэффициентами
порядка О (-5), будут сходиться равномерно и, следовательно,
разность f(x) —f(x) будет периодична (с периодом 2тс) и непре-
непрерывна вместе со своей производной. Отсюда и вытекает требуемое
утверждение.
3°. В общем случае пусть /, /', ... , /t*' непрерывны в (— тс, тс),
исключая точки ^(р. = 0, 1, ... , т), где все эти функции претерпе-
претерпевают скачки, соответственно равные
8@) g(i)	g(fe-i) fa, —о 1	т)
Кроме того, предположим, что повсюду (исключая «точки стыка») су-
существует производная /(fe) и имеет в промежутке [— тс, тс] ограни-
ограниченное изменение. Введем обозначения:
ц=1
(« = 0,1	ft— 1; га= 1, 2, 3, ...)
т
Тогда имеют место формулы (соответственно, при k нечетном и k
четном):
4-Х л(к-\)
	г—	I / л\-^- Л-
п п2
Ь»=п
п
В. . К.
п
п°
в: а:'	* •'*-"	B1)
Если же известно, что имеют место подобные формулы, то отсюда,
обратно, можно (как и выше) сделать заключение о точках разрыва
и величине скачков самой функции и ее i k — 1 производных.
•J7 Г, М. Фихтеигольц, т, III

514	гл. xix. ряды фурье	|709
709. Случай функции, заданной в промежутке [0, тс]. Как мы
знаем, если функция f(x) задана лишь от 0 до тс, то при соблюдении
надлежащих условий ее можно разлагать в этом промежутке как в ряд
по косинусам
/(*) = ? + |jan cos пх @ <х <тс),	. B2)
так и в ряд по синусам
/(*)=2 *«sin пх (° О О)	B3)
1
[689]. Такого рода разложения чаще всего встречаются на прак-
практике. Результаты предыдущего п° могут быть приложены и к рас-
рассматриваемому случаю, если представить себе функцию f(x) продол-
продолженной и на промежуток [— тс, 0) (а) четным образом — для получе-
получения ряда по косинусам или (б) нечетным образом — для получения
ряда по синусам.
Пусть точками промежутка @, тс), где функция/(х) и ее произ-
производные до {k—1)-й включительно имеют скачки, будут
а сами величины скачков попрежнему обозначены через
В случае продолжения функции четным образом скачки в точках ^
воспроизводятся и в точках — \^, но с обратными знаками,
при продолжении же функции нечетным образом скачки воспроизво-
воспроизводятся в точках — 5ц с сохранением знаков. Далее, для четной
функции
/(+0)—/(—0) = 0, /(— тс + 0)-/(*-0) = 0,
для нечетной же функции скачки
/(_ v _|_ 0) _ /(„ — 0) = - 2/(тс - 0)
вообще могут быть отличными от нуля. Наконец, отметим еще, что при
дифференцировании четная функция переходит в нечетную, а нечетная —
в четную. Если учесть все эти замечания, то для коэффициентов ап
и Ьп разложения нашей функции, соответственно, по косинусам или

709J	§ 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	515
по синусам получатся формулы вида B0) и B1), но с такими значе-
значениями для An и 5„ :
т
М	2
>	™
t] cos ^ +/10 (+ 0) ~ cos л* ¦/<'¦> (it - 0)}.
В связи с этими формулами сделаем следующее важное замечание.
Пусть функция f(x) непрерывна во всем промежутке [0, я] вместе со своими
производными до (k— 1)-го порядка включительно; кроме того, пусть суще-
существует и k-я производная и имеет в этом промежутке ограниченное изменение.
Тем не менее, вообще говоря, нельзя утверждать относительно коэф-
коэффициентов ап и Ъп разложений B2) и B3), что они будут порядка О (—jfi )
[ср. 707 и формулы (8I]. Действительно, хотя все суммы А^ в этом случае
будут нулями, этого нельзя сказать про суммы
fi</> = "L {/<*> @) —cos me •/<»> (it)}.
Продолжение функции нечетным образом искусственно создает разрыв при л: =
= 0 или нарушает периодичность у самой функции и ее производных четного
порядка, а продолжение четным образом делает то же с производными нечет-
нечетного порядка!
Поэтому, если требуется разложить упомянутую-функцию f(x) в проме-
промежутке [0, я] в быстро сходящийся ряд, с полным использованием дифферен-
дифференциальных свойств функции, целесообразно продолжить ее на промежуток
[—it, 0] с помощью многочлена Bk—1)-й степени г (х), определяемого
из условий r@)==/@)> r,@)==/,@)	r(ft-i,@)==/Ift-i,@))
г<-«)=/(«), г'(-*)=/'«	г«*-«'(-«)=/*¦" («)•
[Построить такой многочлен можно, например, по способу, указанному в п° 257.]
Таким путем мы сохраним дифференциальные свойства функции для всего про-
промежутка [—я, it].
Пусть для 0^*^it, скажем, f(x) = x — х-. Для того чтобы осуще-
, ствить разложение этой функции с коэффициентами порядка О (—j- ], мы про-
продолжим ее с помощью многочлена
я ,Г 12 , 30 20] _ 12 5 30 4 20	п
— x—^ + x \ — —tx — —ъХ— Щ — —*х —к>х —^*х +х~2'
Если для продолженной таким образом функции составить обычный ряд
Фурье, то для функции f(x) — x — j в промежутке [0, it] и получится
искомое быстро сходящееся разложение:
12 ]	, 1440 ^1
)* я*Bv — 1)« Jcos( ~ 1} ~*~~^~ 1л
'	vl
v=l
Изложенный здесь прием указан А. С. М а л и е в ы м,
17»

516	гл. xix. ряды фурье	G10
710. Метод выделения особенностей. Пусть функция f(x) в про-;
межутке [0, it] задается рядом B2) по косинусам или рядом B3) по'
синусам углов, кратных х *, причем коэффициенты этих разложений
имеют вид B0) или B1), где А%\ В^ определяются формулами B4).
Ряды эти сходятся плохо, и мы знаем, что причиной тому служат
разрывы самой функции и ее производных. Акад. А. Н. Крылов
предложил для этого случая своеобразный метод выделения осо-
особенностей, благодаря чему достигается улучшение сходимости ряда.
Сущность этого метода, собственно говоря, уже содержится в пре-
предыдущем изложении. Она состоит в построении такой вспомогательной
(кусочно-полиномиальной) функции/(лг) с известным тригоно-
тригонометрическим разложением, которая как бы впитывает в себя
все особенности данной функции fix), ясные из ее разложения. Вы-
Вычитая из функции fix) эту вспомогательную функцию и соответственно
этому ив данного разложения — разложение вспомогательной функции,
мы тем самым выделяем плохо сходящуюся часть данного
разложения, так что остающийся ряд уже сходится быстро.
Проще всего, впрочем, этот результат получается, если научиться н е-
посредственно суммировать, пользуясь уже известными разложениями,
эти плохо сходящиеся части.
Г, Пусть задан ряд по косинусам B2), причем
n
где
m
B5)
Точки
даны, равно как дан и набор чисел {с^}. Установим непосредственную сумму
ряда
со
= у, —~cos nx-
п=1
Простые преобразования приводят к результату:
A=1	П=1	П=1
* Часто встречающийся на практике случай, когда разложение произво-
.. „	пх
дится в промежутке [0, /] по косинусам или по синусам углов, кратных -г-,
получается из рассмотренного в тексте случая простой заменой х на —,

71D	« 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	517
причем сумму
оо	со	¦
sin n (х -{- ?„)
я=1	в=1
легко вычислить, если вспомнить известное [690, 2)] разложение
со
в=1
It —Z
2 sin nz
которое имеет сумму —=— ПРИ 0<z<2n и, очевидно,	"—- при—
< г < 0. Таким образом,
^-g—^	2	&=-п + ^ для
Отсюда g (л:) = const =7,1, внутри каждого из промежутков (^ 5^,) (jx=i
= 0, 1	т) * и претерпевает в точках ?^ (f» = l, 2, ..., т) скачки, в точ-
точности равные Ср. Мы имеем, следовательно, 7^ — f^.-i — су. ((*г=1| 2,..., т),
откуда
^ = То+2 <*	B6)
Х=1
кроме того, так как ^@) = — П-Ь^> т0
mm
2 2 ^ B7)
2
A=1	A=1
Таким образом, функция g(x) вполне определена.
Пусть, например, имеем разложение:
fW= /, —"—cos/гл:.
Здесь
су
tz	2 *
причем Сл = — -=-, ?, == -g-. Тогда
		1	Я	7С	Я	It
* Для удобства мы полагаем 5,=0 и $т+1 = я.

518	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	[710
или, непосредственно,
— 1 — 4
В=1	v=l
затем
	 . 	 я
— Ко "т ci== ~ "т •
Итак, окончательно, функция g(*) равна -j при Ог^л^-?,- и равна —-j-
при -~-<.х*?;Ъ.
2°. Рассмотрим теперь ряд по синусам B3), причем
где
т
2 f vi	,	л i	„л
Вп = — < /, e|i cos П5ц + Со — С/п+1cos П7С f •	B8)
и=1
На этот раз зададимся целью непосредственно просуммировать ряд
со
h (х) = Л —5 sin яд:.
71=1
Имеем:
/л	со	со
h (х)= у ?ji Г у sin_nO*-Ki)+ у апп(лг —^П +
|1=1	Я=1	П = 1
со	со
. 2е0 XI sin яд: ст+1 Г vi sin n (x -f- л) i sin п (х — дI
1Z ? П	К \ ?i	П	П	J
1	1
п=1	п=1
причем
. . it — (лг + t) ™+(JP ")
<р(л:)=	^2~^—	!—^2	- = — х для всех х;
Очевидно,
Л(+О) = со, Л(я-О) = ст+1;
Л(?A-0) = СA 0*=1, 2, ..., т).

710]
S 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА
519
Вместе с тем повсюду (исключая точки разрыва) существует производная
К {х) = const = 7, где
1 '	¦ V \	B9)
Функция Л (л:) внутри каждого из промежутков E^, 6^+1) оказывается
0
t "*»
1
Г
— i
-^„^ ^
j t
!
^ 1
Рис. 136.
Рис. 137.
линейной функцией с коэффициентом 7 при х:
h (х) = 7лг + 8ц при Ху, < х < лГц+1
((л = 0, 1	т),
причем
Легко выполнить построение графика функции Л(лг) (рис. 136). Прямая,
соединяющая точки
т
(О, с0) и U, cm+i —
очевидно, будет иметь угловой коэффициент 7- Остальное построение ясно
из рисунка.
Пусть, например,
„ ?° sin n -5-
так что
~.
Здесь (рис. 137)
при
— х — 1 = — (л: — п) при -S- < х sg я.
Воспользуемся этим результатом, чтобы улучшить сходимость ряда
n	it .
1 COS Пу Sin ПЛГ.
C1)

Б20
Так
как
л2
л

1-
гл.
1
п
XIX. РЯДЫ
1
1
ФУРЬЕ
! ,
п ' п(п2— 11
то в данном случае
"	тс П	я	2 п(п2 — 1)'
Если из функции f(x) вычесть только что найденную функцию h (x), то для
разности f{x) — h (x) получится разложение
со cosnJL
2 XI	2 .
я ^ш, п (па — 1)
п=1
коэффициенты которого будут уже порядка О f-j
3°. Возвращаясь к ряду по косинусам B2), предположим теперь, что
где Ап выражается формулой B5), а В'п получается из B8) заменой постоян-
постоянных с0, с,	ст+1 другими постоянными Со, с[, ..., Сдац_]. Так как мы уже
умеем [см. Г] выделять часть тригонометрического ряда, зависящую от чле-
членов первого порядка, то обратимся к членам второго порядка.
Пусть (заменяя для упрощения обозначений В'л через Вп)
со
¦^cosnx. ¦
п=1
Очевидно, gi (x) есть непрерывная функция от х. Продифференцировав этот
ряд почленно, получим новый ряд
со
g'i(x)= 2 -%smnx,
я=1
который мы уже умеем суммировать [2е]. Так как последний ряд равно-
равномерно сходится в любой замкнутой части промежутка [0, тс],, не содержа-
содержащей ни концов этого промежутка, ни точек разрыва*, то (исключая эти
точки) его сумма действительно представляет производную функции g^ (x).
Итак, в силу 2°,
g[ (¦*) = If* + V Для ip. < x < ?й+1,
(|i= О, 1	т)
где f и 8|i определяются формулами B9) и C0). Интегрируя, находим (г уче-
учетом непрерывности!):
Xs + Ьх + ^ для
0, 1	т)
со
„ ¦ „ V sin nz
Это вытекает из известных свойств ряда 7	.

710]	§ 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	521
В точках деления ?р.+1 значение функции gi(x) получается одновременно по
двум формулам, так что
У tf ?+1 + 8Л+> + ей — " ^+» + V»SH+J + Vl-
Отсюда (если вспомнить," что Ь^+1 = Ь^ -j- сй+1):
Если известно е0, то по этой формуле последовательно найдутся et	tm.
Что же касается е0, то оно определится равенством:
2
n=l
Сумма этого ряда может быть найдена и в конечном виде, если вспомнить
выражение Вп и воспользоваться известным [690, 9)] разложением:
со
cos ил: Зл:2
2 cos ил:
п=1
Например, если дано
1
. — cos n -=-
Si (*) = 7, 	-t	cos nx,
то здесь
Bn=-\
Для определения
CO	OO
1
л = 1
положим в упомянутом выше разложении сначала лг = О, а затем je = —j
в результате найдем ео = -^-. Тогда Ej = e0 — Cj?i =—^г. Окончательно
	п_ . 5п^
2
я-*	я
-36'	если Т
4°. Теперь в ряде по синусам B3) положим
где 5„ выражается по-прежнему формулой B8), а /4^ строится по образцу
B5) —с заменой с на с'. И здесь достаточно ограничиться лишь членами
второго порядка.

522	гл. xix. ряды фурье	[710
Рассмотрим же ряд (снова: А„ вместо А^)
со
представляющий, очевидно, непрерывную функцию. Дифференцируем:
со
-/fcosnx =
1
2
71=1
[см. Г]. Как и выше, легко убедиться, что (исключая концы промежутка и
точки у g(x) действительно будет производной от ht(x). В силу Г,
|	^^i (и = 0, 1	т),
где ^ определяются формулами B6) и B7). Отсюда
При этом 80 = 0 [так как Л1@) = 0], а остальные 8^ определятся последо-
последовательно из условия непрерывности функции ht(x) в точках S^:
что дает
i — '(i — c|i+i6jl+i-
Пусть, например, дан ряд
(x) = sin x—g-sin Зд?-)-о= sin 5л? —... ,
который можно представить и в виде
	5	Sin ПХ.
Здесь
я	я	яхп*'с*
[ср. пример в Г], так что
-j- х,	если
5°. Можно было бы подобным же образом просуммировать и части три-
тригонометрического ряда, связанные с членами более высокого порядка в раз-
разложении коэффициентов. Вместо создания общих схем практичнее в каждом
данном конкретном случае проделывать то, что мы делали выше при рас-
рассмотрении рядов общего вида.
Вернемся для примера снова к ряду C1); полагая на этот раз
я _ 1 , 1 ,	1
/Is— 1 ~ П "Г П3 "Г Я3 (П2 — 1) '

710)	g 5. ОЦЕНКА ОСТАТКА	523
представим bn в виде
. .	2	я 1 2	it 1
^cosn
в соответствии с чем функция/(х) разобьется на три слагаемых. Первое из
них, h (х), есть функция, уже вычисленная в 2°. Рассмотрим второе слагаемое:
2
Дифференцируя дважды, найдем:
It
COSrty
'	5	 COS ПХ,
2 V C08nT
g" (x) = — / 	sin nx.
it ^t n
Последняя функция только знаком отличается от
	х,	если
	 (х — it), если тг ^ х
it	z
Отсюда, интегрируя, получим:
1
для
я
ДЛЯ -^:
Приравнивая два значения g' l-^-), -получающиеся отсюда, установим, что
•y1=-f0. Значение же f0 легко определить, непосредственно полагая лг = О в
разложении g" (x): ~[0 = —-ч Еще раз интегрируя и принимая во внимание,
что g@)=gBit) = 0, найдем:
1
Таким образом, функция §(лг) определена вполне, и мы имеем окончательно
* Приравнивая два получающиеся отсюда значения g(-K-), снова нахо-
находим, что 7» = ^.

S24	гл. xix. ряды фурье	[711
где функция <р (х), хотя и неизвестна в конечном виде, но задается разлог
гкением
?(-*) = — — 2i я'(и' — 1) SmnX'
коэффициенты которого будут уже порядка О\—Пи очень быстро убывают.
§ 6. Интеграл Фурье
711. Интеграл Фурье как предельный случай ряда Фурье. Мы
хотим воспроизвести здесь в существенных чертах те замечательные
по их прозрачности, хотя и лишенные строгости, соображения, кото-
которые привели Фурье к его интегральной формуле *.
Если функция f(x) задана в конечном промежутке [—/, /], то
при определенных условиях, которые нас здесь не интересуют, ее
можно представить в этом промежутке тригонометрическим рядом:
т=\
где
аа , vi	max , , . тпх
=¦$ + 2 пт cos ~i—1~ **sm ~г>
ат = Т ^ /(и) cos —du, bm = т ^ /(и) sin -у- Аи
—I (т=0, 1, 2, ...)	—/ (ш=1, 2, ...)
[см. 688]. Подставляя вместо коэффициентов ат и Ът их выражения,
можно переписать ряд в виде
i	со г
/И = й- ? / («) «*« + 2 Т S /(н) cos Т (и - х>rfM' ^>
_/	т = \ -I
Пусть теперь функция f(x) будет определена во всем бесконеч-
бесконечном промежутке (— оо, -f- oo). В этом случае, каково бы ни было х,
соответствующее значение f{x) выразится разложением A) при лю-
любом /^>|дг|. Переходя здесь к пределу при 1-+-\-оо, попытаемся
установить «предельную форму» этого разложения.
Про первый член правой части равенства A) естественно считать,
что он стремится к нулю **. Обращаясь же к бесконечному ряду,
* Эта формула, независимо от Фурье, была получена и К о ш и.
** Это становится очевидным, например, если предположить, что ин-
+сс°
теграл ^ /(«) du сходится.

711]	§ 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	525
мы можем рассматривать множители —г- под знаком косинуса как
дискретные значения
	 я		2я		miz
Z\	-у, Z%	-j-, ..., Zm—-j-, ...
некоей переменной z, непрерывно меняющейся от 0 до -(-со; при
этом приращение
очевидно, стремится к нулю при / —>- -\- со. В этих обозначениях
наш ряд перепишется так:
со
I
\ f (") C0S Zm (И — *) du-
Он напоминает интегральную сумму для функции
+ 00
1 С
— V /(н) cos z (и — х) du
—со
от г в промежутке [0, -{-со]. Переходя к пределу при /->¦-{-со,
вместо ряда получим интеграл; таким путем и приходим к интеграль-
интегральной формуле Фурье:
-j-оо +°°
/(лг)=Д \ dz J /(и) cos z (и — x)dtt.
и	—со
Можно представить эту формулу, раскрывая выражение косинуса
разности, и в виде
со
f(x)= \ [a (z) cos zx-\-b (z) sin zx] dx,
и
где
-4-co	-4-co
ic	i г •
a (z) — — \ /(и) cos zudu, b(z) = — \ /(и) sin zadu.
— CO	— CO
Здесь ясно обнаруживается аналогия с тригонометрическим разложе-
разложением: лишь параметр т, пробегающий ряд натуральных значений, за-
заменен здесь непрерывно изменяющимся параметром z, а бесконечный
ряд — интегралом. Коэффициенты a (z) и b (z) также по своей струк-
структуре напоминают коэффициенты Фурье.
Конечно, все эти соображения имеют характер лишь наведения;
действительные условия справедливости формулы Фурье еще

626	гл. xix. ряды фурье	|712
подлежат выяснению. Но и при проведении строгих рассуждений мы
будем следовать основным этапам рассуждений, связанных с рядами
Фурье.
712. Предварительные замечания. Относительно функции f(x)
предположим теперь, что она а бс о лю тно интегрируема в бес~
конечном промежутке (— оо, -{- оо). В этом предположении рас-
рассмотрим интеграл
А +оэ
J(A) = — \ dz \ /(и) cos z (и — х0) du,
О	— со
где А есть произвольное конечное положительное число, а лго — лю-
любое фиксированное значение х. Этот интеграл представляет аналог
частичной суммы ряда Фурье: из него интеграл Фурье
+ 00 -f-CO
•i- i dz i f(u)cosz(u — x<>)du	B)
0 —oo
получается в пределе при А —> -f- oo.
Так как функция f(x) и при любом конечном 5^>0 также аб-
абсолютно интегрируема в промежутке [—В, В], то по теореме IV*
п° 497 будем иметь:
а в	в	а
^f(u)cosz(ti — Хо)du= ^ f(u)du^ cosz(u — xo)dz==
—в	—в	о
\f{u)^T-~x)dn.	C)
Но интеграл
\ f(u) cos z (u — лг0) du	D)
— OO
мажорируется сходящимся по предположению интегралом
f
и, следовательно, сходится равномерно относительно z (как
при и = -{-оо, так и при и = — оо) для любого промежутка его
в
значений. Таким образом, интеграл § /(и) cos .г (и — х0) du при
—в
В — -{-оо стремится к своему пределу D) равномерно. Поэтому,
переходя в равенстве C) к пределу при В — -{-со, в интеграле

713]	8 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬВ	527
слева предельный переход можно выполнить под знаком инте-
интеграла [теорема I п° 493] *. Отсюда для J (А) получается выражение
в виде интеграла
+ 00
напоминающего интеграл Дирихле [681] и в действительности
играющего такую же точно роль. Элементарным преобразованием его
легко привести к виду
4-оо
E)
Для дальнейшего изложения нам понадобится следующее очевид-
очевидное дополнение к основной лемме п° 681:
Если функция g(t) абсолютно интегрируема в бесконечном
промежутке [а, -)-оо], то
+ 00
Hm \ g(t) sin ptdt — О
р-+оо i
(равно как и
+ 00
Hm \ g(t) cos ptdt — Q).
Доказательство можно скопировать с доказательства самой леммы
п° 681 (для случая, когда функция f(x) имеет особую точку).
713. Достаточные признаки. Умножив обе части равенства •
(А>0)
на постоянное число 5о — предполагаемое значение инте-
интеграла B), вычтем результат почленно из равенства E). Мы по-
получим
оо
±[^t,	F)
* Ср^теорему IV п° 508, где подинтегральную функцию мы предполагали
непр-ерывной. Здесь мы такого предположения не делаем.

628	ГЛ. xix. ряды фурье	[713
если, как и в п° 683, положить для краткости
<р (О =
И здесь мы ограничимся случаями, когда (а) функция f(x)
в точке Хо непрерывна, либо (б) имеет в этой точке с обеих сторон
разве лишь разрывы первого рода. При этом мы полагаем:
в случае (a) S»=f(xi)),
в случае (б) ц=/(* + <»+/<*.-<».
В этом предположении имеем теперь
Признак Дана. Интеграл Фурье функции f(x) в точке ха
сходится и имеет значение So, если при некотором h ^> О сходится
интеграл	h
Представим интеграл F) в виде суммы интегралов:
оо	Л	оо
_i_
я
Первый из них при А—>-{-оо стремится к нулю — в силу основной
леммы п° 682. Что же касается второго, то, подставляя вместо cp(i)
его выражение, разобьем этот интеграл в свою очередь на два сла-
слагаемых:
Ввиду предположенной абсолютной интегрируемости функции /
будет абсолютно интегрируемой и функция
/(*о + 0 +/(*.-<)
t
а тогда первое слагаемое при А—«--{-оо стремится к нулю уже
в силу того дополнения к основной лемме, которое сделано в конце
предыдущего п°. Наконец, стремление к нулю интеграла
со	со
С sin At ,, С sin z ,
\ —-— at = \	az
непосредственно очевидно по самому определению несобственного
интеграла.

714J	§ 6. интеграл фурье	529
Отсюда, как я в п° 684, могут быть получены более простые
частные признаки. Упомянем для примера, что достаточным является
существование для функции f{x) в точке хй конечной производной
или, по крайней мере, конечных односторонних производных.
К интегралу Фурье приложим также и
Признак Дирихле—Жорданси Интеграл Фурье функции /(х)
в точке Хо сходится и имеет значение So, если в некотором
промежутке [х0 — h, x0 -j- ft] с центром в этой точке функ-
функция f(x) имеет ограниченное изменение.
Если интеграл
оо
8
представить в виде суммы интегралов
л
то про второй из них мы только что установили, что он при А —¦ оо
стремится к нулю. Первый же стремится к
i • 1 ]/{х9 + 0) +/(*, - 0)] = So
— на этот раз на основании леммы п° 686. Действительно, функция
f(xa-\-t)-\-f(x0 — t) в промежутке [0, ft] значений t имеет ограни-
ограниченное изменение и, следовательно, представляется в виде разности
двух возрастающих функций, к каждой из которых в отдельности
лемма приложима.
714. Видоизменение основного предположения. В основе наших рас-
рассуждений до сих пор лежало предположение, сделанное в начале п° 712, что
функция f(x) абсолютно интегрируема во всем бесконечном про-
промежутке от —со до -j-oo. Затем уже, налагая дополнительно различные
условия на поведение функции в непосредственной окрестности интересующей
нас точки х0, мы и получим те или иные достаточные признаки представи-
представимости функции в этой точке интегралом Фурье.
На практике, однако, указанное выше основное предположение иной раз
представляется стеснительным, и мы сохраним лишь допущение, что
Г. Функция f(x) абсолютно интегрируема в каждом конечном
промежутке,
а условие на бесконечности заменим следующим:
2°. Для \х\^Н функция f(x) монотонна* и притом
lim /(дг) = О.	G)
*-»±со
* Точнее говоря, она монотонна для х^И и для х^ — Н по отдель-
отдельности.

530	гл. xix. ряды фурье	[714
Вспомним, что в рассуждениях п° 712 существенную роль играла равно-
равномерная относительно z сходимость при « = -(-оо иприы=—оо интеграла D)
j /(u)cosz (и— xo)du.
—оо
Так как для z ^ а > О
я
cosz (и — х0) du
\
то по признаку 2° п° 515 мы и сейчас можем заключить о равномерной отно-
относительно z сходимости этого интеграла, но, как видим, на этот раз лишь для
значений г^а, где а — любое, но фиксированное положительное число.
Это вынуждает нас ввести в рассмотрение вместо J(A) интеграл
J(A,a) = —\dz I /(u)cosz(a — xo)da (Л>а>0),
a —оо
из которого интеграл Фурье получается при двойном предельном переходе:
при Л —-j-оо и а—*0. Для интеграла У(Д а) уже можно получить совер-
совершенно так же, как это сделано в п° 712, выражение
J(A, «) = -
ОО
1 (*	etn si*
t, (8)
_±С
так что
—i- jj I/(*. + 0 +./(*. -01" л. О)
Докажем прежде всего, что
со
lim [ l/U + 0+/(*e—01 ^Л = 0.	A0)
Представим наш интеграл в виде
А ОО
J»

714|	§ 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	531
где Д во всяком случае предположено столь большим, чтобы было xt— Д<
<— Н, *„-|-Д>//. Сразу ясно, что
так что при а —0 этот интеграл стремится к 0, каково бы ни было Д.
Обращаясь ко второму интегралу, имеем по второй теореме о ереднем
значении [487], с учетом соотношения G),
= /(*. +4)
Так как второй множитель здесь есть ограниченная величина (мы не раз об
этом упоминали), а первый ввиду G) может быть сделан сколь угодно малым
за счет Д, то это же справедливо и относительно всего выражения. Соотно-
Соотношение A0), таким образом, установлено, и поведение выражений (8) или (9),
как и раньше, оказывается зависящим лишь от интеграла, содержащего А.
Мы выше доказывали предельное равенство
lim
Л-*+оо
(где Л — некоторое фиксированное положительное число), опираясь на абсо-
абсолютную интегрируемость функции /в бесконечном промежутке. Это же
можно установить и пользуясь нашими новыми предположениями. В самом
деле, считая Д > Л, имеем:
Второй из интегралов справа можно трактовать так же, как и аналогичный
интеграл, содержащий параметр а; первый же интеграл при А — -\- оо стре-
стремится к 0 по основной лемме п° 682.
Теперь уже ясно, что признаки Дини и Дирихле — }К ордана [713]
остаются в силе и при новых предположениях относительно функции f(x).
Из всего сказанного выше, в частности, вытекает такое условие приложи-
приложимости формулы Фурье: если функция f(x) имеет ограниченное изменение
во всем бесконечном промежутке [— оо, -|-оо] и, сверх того, выпол-
выполняется предельное равенство G), то в каждой точке х0 интеграл Фурье
сходится и имеет значение So.
Действительно, при сделанных предположениях функцию f(x) можно
представить в виде разности двух ограниченных возрастающих функций
Л(дг) и/2(дг), имеющих как при х—>-j-oo, так и при лг-~ — оо равные
[в силу G)] пределы
/• (+ а>) — «'• Л (- оо) =Л(- °°) = с".

532	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	1715
Введем теперь взамен ft и /2 функции
I fi (х) — с' Для х^О,	(fi(x) — с' для х ^ О,
<Pi (¦*) = {	ь(х)={
\/Лх) — с" для х < О,	1/а(*) — с" для
Тогда по-прежнему
/(•*)=<Pi (¦*) — ?>(¦*),
но на этот раз
lim ф, (л:) = lim о. (х) = 0.
так что для каждой из функций <р„ <р2 выполнены условия 1) и 2); кроме того,
в любой точке к ним применим, очевидно, признак Дирихле — Жордана.
716. Различные виды формулы Фурье. Предполагая выполнен-
выполненными достаточные условия применимости формулы Фурье, будем
считать для простоты, что в рассматриваемой точке х функция f(x)
непрерывна или, если разрывна, то удовлетворяет условию
-0)
т. е. что рассматриваемая точка является регулярной [684]. Тогда
во всяком случае имеем:
со 4"°°
f(x) = ~ { dz i fiu) cos z (и — x) du.	A1)
Ввиду того, что внутренний интеграл явно представляет собой
четную функцию от z, эту формулу можно переписать и так:
-j-co -j-co
= ! ^ dz [ /(и) cos z(u — x)du.	A2)
— со —со
Легко показать далее, что при сделанных в п° 712 [или п° 714]
общих предположениях относительно функции fix) существует и
интеграл
+ СО
^ f(u)sinz(u — x)dn.
—со
Этот интеграл, к тому же, является непрерывной функцией от z* и,
очевидно, нечетной. Хотя нельзя ручаться за существование для этой
функции несобственного интеграла от — оо до -)- оо, но он наверное
*) Если в основу положены предположения п° 714, ю исключение может
представиться лишь при z = 0.

715J	§ 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	533
существует в смысле главного значения [484], причем
-j-со -{-со
V. p. ^ dz § /(и) sin z (и — х) du = 0.
— со — со
Умножая это равенство на к- и складывая с A2), придем к соот-
соотношению
+ со -{-со
— со — со
где наружный интеграл понимается в смысле главного значения.
В этом виде формула была впервые представлена К о ш и.
Возвращаясь к формуле A1), напишем ее в виде
со	+оо
f{x) = — \ cos zxdz \ /(и) cos zudu -f-
5	— со
СО	+0О
-]	\ sin zxdz \ f (ii)sin zu du.
0	—oo
Если /(и) есть четная функция, то
-{-со	со	-{- со
§ /(и) cos zu du = 2 \/(н) cos zu du, § /(и) sin zu du = 0,
— со	0	— со
и мы получим упрощенную формулу, содержащую лишь косинусы
со	со
2 С	С
f{x) — — \ cos zx dz \ f{ii) cos zudu.	A4;
о	о
Аналогично, в случае нечетной функции/(дг) мы приходим к фор-
формуле, содержащей лишь синусы:
со	со
. - 2 f	С л
fix) — — \ sin zxdz \ f(u) sin zudu.	A5'
" }	J
Пусть теперь функция /(дг) задана лишь в промежутке [0, -f- oo;
и удовлетворяет в этом промежутке условиям, аналогичным тем
которые раньше были поставлены по отношению ко всему проме-
промежутку (— oo, -f- oo). Тогда, распространяя функцию f{x) на про-
промежуток (— оо, 0) с помощью равенств
/(—*)=/(*) или /(—jf) = —

534	гл. xix. РЯДЫ фурье	[716
мы получим в первом случае четную, а во втором — нечетную
функцию в промежутке (— оо, -|- оо). Для положительных значений х
(при соблюдении соответствующих достаточных условий) мы можем,
таким образом, пользоваться как формулой A4), так и формулой A5).
Если в точке лг = О предположить функцию f{x) непрерывной,
то формула A4) и в этой точке приложима, ибо и продолженная
четным образом функция сохранит здесь непрерывность. Формула
же A5) вообще в точке х — 0 неприложима: она воспроизводит
значение /@) лишь в том случае, если это значение есть нуль.
Эти соображения вполне аналогичны сказанному в п°689 о рядах
Фурье.
716. Преобразование Фурье. Предположим, что формула Фурье
A2) имеет место^ для всех значений х в промежутке (—оо, -j~°°)—
за возможными исключениями в конечном числе точек. Эту формулу
можно себе представить, как суперпозицию. таких двух Формул *:
\ f(u)^du /(*) = -!= J F(z)e-'**dz. A6)
7= \ f(u)edu, /(*) = -=
— со	'
— со
Функция F(z), сопоставляемая по первой формуле функции f(x),
называется ее преобразованием Фурье. В свою очередь, по
второй формуле функция/(дг) является (обратным) преобра-
преобразованием Фурье (разница в знаке при ?!) для функции F(x).
Заметим, что функция F будет, вообще говоря, комплексной даже
при вещественной /; впрочем, можно было бы здесь и исходную
функцию / предположить комплексной.
Равенство
где функция f(x) дана, можно рассматривать, как интегральное
уравнение относительно неизвестной функции F(z), стоящей под
знаком интеграла. Решение уравнения доставляется формулой
+ СО
\
+
с
Естественно, эти равенства можно и поменять ролями.
Обратимся теперь к формуле A4); если она выполняется для
всех положительных значений х с теми же исключениями, что и
* Последний интеграл, если сделаны лишь те предположения относи-
относительно f(x), о которых была речь выше, понимается в смысле главного
значения.

716)	§ 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	535
выше, то ее можно представить, как суперпозицию двух — на этот
раз вещественных и совершенно симметричных!—формул
/
Fe(z)=y ~\f(ju)coszada,
	, оо
f{x)=y — \ Fc(z) cos xzdz.
Аналогично и формула A5) может быть разложена на две:
A7)

= У ^
	оо
f(x) = у 2~ \ Fs (z) sin xz dz.
A8)
Функции Fc(z) и Fs(z) называются, соответственно, косину с-
преобразованием или с и ну с-пр еобра зо в ание м Фурье
для функции f(x). Как видим, функция / по Fc (или Fs) получается
совершенно так же, как и FC(FS) по /. Иными словами, функции /
и Fc (Fs) взаимно являются косинус-(сйнус-)преобразованиями.
К о ш и назвал пары функций / и Fc или / и Fs, соответственно,
сопряженными функциями первого и второго рода. И здесь также
каждое из равенств A7) [или A8)] можно рассматривать как инте-
интегральное уравнение, в котором функция вне интеграла дана, а функция
под знаком интеграла разыскивается; решение дается другим равенством.
Сопоставляя функции F, Fc и F& можно сказать следующее.
В случае четной функции f(x) имеем
F(z) = Fc(z)
(на значения z<^0 функция Fc(z) распространяется четным обра-
образом), а в случае нечетной f(x):
(на значения z<^0 функция Fs(z) распространяется нечетным
образом). В общем случае функция f(x) разлагается на сумму чет-
четной и нечетной функций:
Тогда *
F(z) = Qc(z)-\-iHs(z).
* Gc(z) обозначает косинус-преобразование для функции g(x), a
Hs (г) — синус-преобразование для функции А(*).

536	ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ	{716
В связи с этим обстоятельством достаточно ограничиться приме-
примерами косинус- и синус-преобразований.
1) Пусть функция f(x) = e~ax (a>0; x>zO); тогда ее косинус-преобра-
косинус-преобразованием будет функция
а синус-преобразованием — функция
sin zx dz =
Так как е~ах интегрируема в промежутке [0, -|- ooj, то должны иметь
место и взаимные соотношения:
со
2а С coszx .	„,	.
\	d ~ax	(^О)
2а С c
— \ -
-\-z2
со
2 С zsinzx
\
или
cosxz . тс _ах С г sin хг . 	л _ах
2^	З^Ч^	2
Мы узнаем в этих интегралах известные уже нам интегралы Лапласа
[522, П
Таким образом, в лице пар функций
a2 -j- х3 И е
мы имеем здесь примеры сопряженных функций первого и второго
рода (по Кош и). Если бы интегралы Лапласа нам не были известны,
то изложенная теория открыла бы путь к их вычислению.
2) Рассмотрим теперь функцию, определенную равенствами
/(*)=
1 для 0 ==: х < а,
-к- для х = а,	(а>0).
О для х> а
В этом случае
а
sin ax
-х Г~2 С	^1 /*
у — \ coszxrfz= у —
о
Если, желая и на этом примере проверить формулу Фурье, мы
найдем косинус-преобразование для полученной функции, то придем

717J	I 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	537
к «разрывному множителк» Дирихле [497, 9)]
со
2 С sin az	.
i	— \ 	cos zx dz,
" J Z
значение которого действительно совпадает с исходной функцией /(#)! Ана-
Аналогично	а
1 — cos ах
и т. д.
Многочисленные примеры преобразований Фурье читатель найдет
в п°718.
717. Некоторые свойства преобразований Фурье. Представляет
интерес изучение свойств преобразований Фурье F(x) функции/(дг),
исходя из тех или иных предположений относительно этой последней.
Прежде всего, если функция f(x) абсолютно интегрируема
в промежутке [— оо, -\- оо], то функция
(«)***«da	A9)
непрерывна во всем этом промежутке и стремится к нулю при
х-+± оо.
Непрерывность следует из того, что написанный интеграл равно-
равномерно сходится при и = ±оо относительно х, ибо мажорируется
сходящимся интегралом , ю
\ |/(и)|<*«,
— оо
не содержащим параметра х. Доказательство копируется с доказа-
доказательств теорем 1 п°518 и 2 п°520 с ссылкой на теорему 1* п°510
(вместо теоремы 1 п°506). Что же касается поведения функции F
на бесконечности, то оно устанавливается на основании заключи-
заключительного замечания п°712.
Предположим теперь, что x"f(x), где п — натуральное число,
также абсолютно интегрируема в промежутке [—оо, -f-оо].
Тогда функция F(x) имеет п последовательных производных
F(x), ...,FM(x),
которые при х -> ± оо все стремятся к нулю.
Последовательно дифференцируя интеграл A9) по параметру х
под знаком интеграла, получим:
4-оэ
F{k) (х) = -?= [ /(а) иVх" du.
2 J
— со
1, 2, ..., л)

538	гл. xix. ряды фурье	|718
Этот интеграл сходится равномерно относительно х ввиду наличия
мажорирующего интеграла
+ ОО
\ \f(u)uh\du,
— со
чем и обосновывается право на применение правил Лейбница.
Доказательство копируется с доказательства теоремы 3 п°520 с
ссылкой на теорему 3* п° 510 (вместо теоремы 3 п° 507). Пове-
Поведение производных на бесконечности и здесь устанавливается с по-
помощью заключительного замечания п°712.
Итак, дифференциальные свойства функции F(x) в основном
определяются поведением функции f(x) на бесконечности. Наоборот,
по дифференциальным свойствам функции f(x) можно в некоторой
степени судить о поведении функции F(x) на бесконечности. Именно:
если функция f(x) и ее последовательные п—1 производные
стремятся к нулю при х-+± оо, а п-я производная f(n) (x) абсо-
абсолютно интегрируема в промежутке [— оо, -j- оо], то
lim xnF (x) = 0.
Это непосредственно следует из выражения для F(x):
+ СО
которое получается последовательным интегрированием по частям.
718. Примеры и дополнения. 1) Показать, что косинус-преобразование
функции е 2 совпадает с нею же самой.
Действительно, по формуле п° 519, 6) (а):
5° 1 „
/
к
Дифференцируя это равенство по х, придем к заключению, что синус-
преобразование функции хе	тождественно с нею самой.
2) Установить формулу:
2 С si
— \ —
sin2 г „ . I 1—х, если 0;с:х;?; I,
„ . I 1 —
cos 2zx dz = \ .	,
10, если хз^ 1.
г± cosxz dz =

718)	16. интеграл фурье	539
Указание. Вычислить косинус-преобразование функции от х, указан-
указанной справа, и воспользоваться сопряженностью обеих функций, (условия
применимости формулы Фурье выполнены!).
3) Решить интегральное уравнение:
00
\ g(z)sinzxdz—f(x)
(б) /<*) =
¦у cos х для 0 ^ х •< тс,
тс
	j- ДЛЯ X = ТС,
О	для л: > тс.
Указание. Решением будет синус-преобразование для функции
(а) *«;	(б) ^
4) Показать, что функция ¦ является одновременно своим собствен-
V х
V
ным косинус- и синус-преобразованием.
Имеем, например,
Т/Т Г
У * J
«.¦«„ 1 [522, 5'}.
5) Использовать синус-преобразование функции
1
для получения нового интеграла.
По формуле п° 519, 8) (б) упомянутое преобразование будет
1 /1	1
е — е
Так как исходная функция удовлетворяет условиям применимости формулы
Фурье, то она, в свою очередь, является синус-преобразованием только
что приведенной функции.
Учитывая значение интеграла

S40	гл. xix. ряды фурьв	1718
отсюда легко получить, что
оо
sin xz . я е*х — е~*х
—	— dz = -=г- —-г-,—-~z.
9	9
е2 — е 2
или, наконец, при других обозначениях
со
С sin ах 	 1 а
У sh кх	2 2
6) Показать, что для функции
1	1
eV2nX_
синус-преобразование тождественно с нею же самой.
Указание. Воспользоваться формулой п°519, 8) (а).
7) Проверить формулу Фурье A4) для функций соэ-^-л:2 и sin-^--*:4
(которые, кстати сказать, не удовлетворяют тем предположениям,
при которых формула Фурье была нами выведена!):
Имеем:
	 со	со
/~2l* I	lfC/1	\
/ — \ cos тг z2 cos xz dz = 	\\ cos тг 22 — xz) dz 4-
Г л J 2	>^25t IJ V2	/
или, полагая z = x4-u и учитывая известные значения интегралов Фре-
Френеля [522, 5"]:
4-со	+оо
L- ^ cos4-(и2—	Li ^
2 J ^
—L ^ cos4(и л:)(/й = Llcos-*;
у 2it J ^	У 2п I ^
' ' — оэ	оэ
+ оо
+ sin у д:2 \ sin у и2 rf«| = —у-~ (cos у х2 + sin ~2 х) •
— оэ
Аналогично
2"f-l2	^	1 ( !9 -ls
— \ sin -=- z* cos д:г dz = —— cos -ггХ* — sin -^- Xs
ic j ^	у2 \ ^	^
Теперь уже непосредственно ясно, что косинус-преобразованиями полу-
полученных функций являются именно исходные функции, а это и равносильно
справедливости формулы Фурье.
8) Проверить (а) формулу Фурье A4) для функции
dt
t
X
(интегральный косинус),

718|	| 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	541
(б) формулу A5) для функции
— • _ Г sin * и*
gW-ux—^-j-at
X
(интегральный синус).
Установленные нами условия применимости формул не соблюдены!
(а) Решение. По формуле п° 497, 19) (а):
(~~ 1/ -у — для х > 1,
f Z X
/ — \ cos ха da \ —г— dt = { 	 i -. Г~И
О для х< 1.
Далее,
	 оо
оо	оо
_ . .	.	f cosxz .	С cost .,
Fc (г) cos xzdz = — \ 	dz = — \ —— dt = ci x.
V
(б) Указание. Использовать 497, 19) (б).
9) Проверить обе формулы Фурье A4) и A5) для функции —-S) где
s< 1.
В силу 539, 3),
— - ОО
COSZX . 1 / к	Xs
z* "	У 2 _. . *s
Г (s) cos ^5-
а затем
00
1	f coszx .	1	тс
2 _,.,. . яA—s) *
ГA —s)cos-^—'-
Это и равно —s [если учесть формулу дополнения для функции Г,
531, 5°].
Аналогично проверяется и формула A5).
10) Проверить формулу Фурье A4) для функции Бесселя с нуле-
нулевым значком, Уо (х).
Мы имели в 524, 5):
ю	Г 0 при х> 1,
y0B)cos2xd2= J_ при х<1.
о	( у 1 — х2
Поэтому
от	оо	1	Т
— \ cos ux da \ Jo (z) cos zu dz = — \ ,	du = — \ cos (x sin 9) dw,
« J ¦ J	« J /l-«2	" ^
что действительно равно Уо (х) [ср. 695].

542	гл. xix. ряды Фурье	[718
11) Рассмотрим (при п = 0, 1, 2, ...) функцию f(x), определяемую ра-
равенствами
[	— Т
f(x) = { A— х3) * для 0<х<1,
I	0	для х> 1.
Ее косинус-преобразование равно
Fc (х) = у~ [ A — г2)" ~ Т cos zx dz
или, если косинус разложить в ряд и почленно проинтегрировать:
1	1
Но, в силу 534, 1),
_ Bм—1)!! Bга—1I!
Поэтому, вспоминая разложение бесселевой функции со значком п [395, 14)],
окончательно получим:
_-»ЛГ Bя-1I1
Так как для исходной функции условия приложимости формулы Фурье
выполнены, то косинус-преобразованием для функции Fc (x) должна быть
именно исходная функция. Это приводит нас к интересному интегралу:
—р— A—Xs) * при
при х > 1.
При я = 0 отсюда получается уже известная формула [524, 5)].
12) В выражении интегрального логарифма
г
dt
положим z = e ¦*(л:>0) и t = e я; мы получим:
оо
1- х	С du
he~x==— \ —п.

718]	§ 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	54J
Так как при х > 1
X
а при <)<;*<; 1
1
du
то |lie~*| интегрируема от 0 до + оо, и обе формулы Фурье A4) и A5)
заведомо приложимы.
Найдем косинус-преобразование функции И е~х:
о
Интегрируя по частям, приведем его к виду:
sinzx
— \ е'
. 	 1 Г 2~ arctgx
г	у — -
[522, 2°]. Отсюда, обратно,
00
С arctgz	.	я 1. v / m
1 	=— cos zx dz =	к- h e~x (x > 0)
.) г	*•
— нами найдено значение нового интеграла!
Аналогичным путем, использовав синус-преобразование, найдем другой
интеграл:
sinzxdz = —
13) Доказать, что в формуле Фурье
00	-]- 00
) = -i-fd2 С f (и) cosz (и —x)du
О	— оо
при соблюдении каких-либо из указанных выше достаточ.ных условий внутрен-
внутренний интеграл может быть заменен интегралом по любому конечному про-
промежутку	b
\ f (и) cos г (u — x)du,
а
лишь бы только точка х лежала междуоиб.
* Промежуточный интеграл
00
_, COS XZ — 1 .
е z	dz
легко вычисляется дифференцированием по параметру х.

644	гл. xix. ряды фурье	[718
Указание. Взамен /(«) рассмотреть новую функцию, равную/(а)
при а<й<6 и нулю — для прочих значений к.
14) Пусть функция f(x) монотонно убывает (в широком смысле) в про-
промежутке @, + оо) и стремится к нулю при х—*-\-ав; в окрестности точки
д: = 0 предположим эту функцию интегрируемой*. Доказать, что тогда ее
синус-преобразование Fs (х) для х > 0 является неотрицательной
функцией.
Из сделанных предположений прежде всего вытекает существование
интеграла
	 оо
Fs (х) = ]/"А [ /(г) sin xz dz
[476, 482]. Его можно представить и в виде суммы ряда
2 I
n = 0 nu
X
члены которого попеременно положительны и отрицательны и, к тому же,
по абсолютной величине убывают (ряд «лейбницевского типа», 381). Отсю-
Отсюда— требуемое заключение.
15) Пусть /(^ — ограниченная монотонно убывающая функция
в [0, -|- <х>], стремящаяся к нулю при л;—>-(-оо. Предположим, сверх того,
что для нее при х > 0 существует отрицательная и притом монотонно воз-
возрастающая (в широком смысле) производная /' (х). Доказать, что тогда
косинус-преобразование Fc (x) есть неотрицательная функция, инте-
интегрируемая в промежутке [0, + оо].
Имеем, если 0<а<Д<4-°с:
так что, ввиду ограниченности функции f(x), производная /' (х) интегри-
интегрируема в промежутке [0, + оо]. Отсюда же следует, что
f'(x)—*0 при х—*-\- оо.
Интегрируя по частям, получим:
	оо		.	со
Fc(x)=y A {f{z)cosxzdz = — "j/ A.J_ ^ f(z) sin xzdz;
о	х о
если к последнему интегралу применить доказанное в 14), то окажется, что
F()^0
* Возможно, в несобственном смысле, если в точке л: = 0 функция f(x)
обращается в бесконечность.

719J	§ 6. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ	545
Так как для функции f{x) выполнены условия приложимости формулы
Фурье, то при х = 0 получаем
/(+ 0) = т/ А
А [ dz [ /(и) coszu da = t/"JL [ Fc (г) dz
я V о	' к о
в чем содержится и утверждение об интегрируемости функции Fc(z)l
Замечание. Подчеркнем, что ни одна из этих двух теорем не верна
для преобразования другого типа. Для функции f(x), рассмотренной в при-
примере 2) п° 716, соответствующее косину с-преобразование
р /у\— т/2
Fe(.x)-у ~
меняет знак. Если же взять f(x)==e~ax (пример 1) того же п°), то
с и н у с-преобразование
хотя и сохраняет знак плюс для л: > О, но не интегрируемо в про-
промежутке [0, + оо].
719. Случай функции двух переменных. Формула Фурье
может быть распространена и на случай функции нескольких пере-
переменных f(xt, jfjj, ..., хп). Мы остановимся подробнее на функции
двух переменных f(xb х%), которук? мы предположим определенной
во всей плоскости (—оо, —(—оо; —со, -j- <х>) и к тому же диф-
дифференцируемой по каждой из переменных в отдельности.
Пусть, далее, при любом фиксированном хъ функция f(xh дга)
абсолютно интегрируема по х^ в промежутке [—оо, -\- оо] и,
аналогично, при любом фиксированном Х\ она абсолютно инте-
интегрируема по дг2 в том же промежутке. Применяя при фиксированном
Хъ к функции /C*i, х2) от одной переменной х^ уже известную
нам формулу Фурье* A1), получим:
-\- оо
^ /( г2) cos zx (Hj —
Аналогично и функция f(uv x%) от переменной х% при фиксирован-
фиксированном Hj в свою очередь представляется формулой:
+00
j !, щ) c
* Условия применимости этой формулы здесь соблюдены в силу сделан-
сделанных предположений. Конечно, эти предположения можно было бы видоизме-
видоизменить.
18 Г, М, Фихтенгольц, т. III

546	гл. xix. ряды фурье	[719
Подставляя, придем к искомой формуле:
-f" оо
Так же, как это было сделано в 715, и здесь можно перейти
к формуле, содержащей показательную функцию:
ab B0)
если только интегралы по zt и по z$ понимать в смысле главного
значения.
Если функция f(xu xt) оказывается четной как по хи так и
по jc2, то все промежутки интегрирования можно свести к проме-
промежутку [О, -j- с»] и сохранить лишь косинусы:
= 4^>
'*) =
+ CO
— CO
'1 \ ^i
—- CO
\ d^2
— 00
+ 00
— CO
оо	оо
4 С	С	С
= ^ \ cos z1 xtdzt \ cos Zi щ dax V cos
oo
X \ /O'i» "a) cos ггиф%. B1)
В случае нечетности вместо косинусов повсюду здесь надлежит
поставить синусы.
Обе формулы имеют место и для функции f(xlt x9), заданной
лишь в первом квадранте [0, -j-оо; 0, +00], так как ее можно про-
продолжить на всю плоскость по желанию четным или нечетным обра-
образом (для формулы, содержащей синусы, исключение составляют точки
на осях!).
Во всех этих формулах порядок интегрирований должен быть
таков, как указано (разве лишь с перестановкой значков 1 и 2).
Если удается обосновать перестановку двух про-
промежуточных интегрирований, то формулы приобретают

720]	§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ	547
особенно симметричную форму. Формула B0) в этом случае ока-
оказывается эквивалентной двум таким:
+ 0О	+00
а) = ^- \ dui \
— со	— со
+ СО	+СО
— OO	— 00
функция F(zx, z%) называется преобразованием Фурье функции
/С*», *г)-
Аналогично этому и формула B1) распадается на две формулы,
имеющие на этот раз совершенно одинаковый вид:
со
/(«1, tit) cos z^ cos
Fc(zi>zi) — — \ dux \
CO	OO
2 P С
f(xlt jc2) = — \ dzt \ ^ (zj, гг9) cos ^jJCt cos
о о
Здесь Fc(zlt Zi) представляет собой косинус-преобразование функ-
функции f(xit х^); очевидно, и f(xu дтг) служит косинус-преобразованием
для функции Fc(zb Zi).
Перенести все сказанное на синус-преобразования предо-
предоставляем читателю.
§ 7. Приложения
720. Выражение эксцентрической аномалии планеты через ее сред-
среднюю аномалию. Разложение функции в ряд Фурье приводит к удобному
аналитическому представлению функции, которое часто оказывается выгод-
выгодным для вычислительных целей. Изложенный ниже важный при-
пример этого рода мы заимствуем из теоретической астрономии.
Мы уже имели дело с уравнением Кеплера:
E = M + zsinE @<е<1),	A)
которое связывает эксцентрическую аномалию Е планеты с ее
средней аномалией М [83; 452, 2)]. В силу этого уравнения Е являет-
является однозначной и дифференцируемой функцией от М, к тому же — нечетной.
Увеличение М на 2л влечет явным образом н увеличение Е на 2я. Отсюда
ясно, что sin? будет периодической функцией от М с периодом 2тс и раз-
разлагается в ряд по синусам дуг, кратных М;
00
sin Е = 2 Ъп sin nM.
п—\
Остается определить коэффициенты Ьп.
18»

548	гл. xix. ряды фурьЕ	[720
По формулам B1) п° 689
-^- Ьп = \ sin Е sin nM dM =
Z
= — sin Е
CQS/lAf
M=v 1 С	d 4in F
+ \ cosnM^^
+
м=о п
1 С
—\ cosnM
п Л
Внеинтегральный член обратится в нуль, так как при Ж = 0 (или тс) также
и ? = 0 (или ъ). Заменяя в последнем интеграле переменную М переменной
Е, для которой промежуток изменения будет тот же, и учитывая само урав-
уравнение Кеплера, получим далее:
it	* и
7Г	1	С	1	С*
~2~ Ьп = — I cos nM cos E dE =	 \ cos (пЕ — яс sin E) cos E dE=
о	о
[1С	1С	-I
\ cos (гГ+ТЁ — яс sin E)dE -\- \ cos (я— IE — m sin E) dE .
Согласно известной интегральной формуле, выражающей функцию Jm(x)
Б е с с е л я,
it
	 I cos (mE — х sin E) dE = Jm (x)
[см., например, п° 695]. Таким образом,
1
я
С другой стороны, легко установить тождество
Поэтому
_ 2
л ns п\ I,
так что
оо
л—1
и, наконец,
оо
У ~ Jn (яе) sin nM.
Полученное выражение эксцентрической аномалии Е через среднюю ано-
аномалию М играет важную роль в небесной механике. Ранее нами уже было
найдено разложение величины Е по степеням эксцентриситета е с коэффици-
коэффициентами, зависящими от М [452, 2)], Но оно годилось лишь для значений

7211	§ 7. приложения	549
е<;0, 6627... и, например, не могло быть применяемо для кометных орбит с боль-
большим эксцентриситетом; установленная формула свободна от этого недостатка.
721. Задача о колебании струны. Наиболее важные приложения ряды
(и интегралы) Фурье имеют в области математической физики. Желая осве-
осветить эти приложения примерами, мы начнем с классической задачи о коле-
колебании струны, которая сыграла важную роль в самой постановке вопроса
о возможности тригонометрического разложения функции.
Под струной мы разумеем свободно изгибающуюся и невесомую нить.
Пусть такая струна, длины /, закреплена концами в точках х = 0 и х = 1
оси х и под действием натяжения
Н располагается в равновесии У
вдоль этой оси (рис. 138). Пред-
ставим себе, что в момент t = 0
струна выводится из положения
равновесия и, вдобавок, точки ее
снабжаются некоторыми скоростя-
скоростями в вертикальном направлении.
Тогда точки струны начнут коле-	р ,»о
баться в вертикальной же плос-
плоскости *. Если допустить, что каж-
каждая точка М струны с абсциссой х колеблется строго вертикально, то ее
отклонение у в момент времени t^O от положения равновесия будет функ-
функцией от обеих переменных х и t:
у=у(х, t).
Задача и состоит в определении этой функции.
Ограничимся рассжотрением лишь малых колебаний струны, при
ду
которых величины у и -~- малы (так что струна незначительно отдаляется
от положения равновесия и остается пологой); это дает нам право прене-
пренебрегать квадратами этих малых величин.
Возьмем элемент ds = M'N' струны в момент времени t (см. рис.);
его длину, в силу сказанного, можно считать равной его первоначальной
длине dx = MN в начальный момент, ибо
Раз мы пренебрегаем изменениями длины, то и натяжение струны мы можем
считать неизменным.
На выделенный элемент струны действует в точке М' натяжение Ji,
направленное влево по касательной в этой точке, а в точке N' — такое же
натяжение, но направленное вправо по касательной. Если через а и й обо-
обозначить соответствующие углы наклона касательной, то сумма вертикальных
составляющих этих сил (а только их нам и нужно учитывать) будет
и / ¦ - ¦ \ и ГI ду \ I ду \  „ дгу .
Л (Sin ос — Sin а) = Л \\ -^г— — -^-	== Л -, „ ах.
4	' l\dxjN' \dxjM'] ох2
Здесь мы снова воспользовались правом отбрасывать квадраты малых вели-
величин (например, положили
•	tha	.	ду\
sin ос =	= tgос = -~-))
dv
а затем приращение функции ~^~ заменили ее дифференциалом.
* Плоскость рис. 138 мы и предполагаем вертикальной.

550	гл. xix. ряды фурье	[721
Если обозначить через р «линейнук» плотность струны, то масса элемента
будет
р ds = р dx.
Тогда по закону движения Ньютона произведение массы элемента р dx на
ускорение -р- должно равняться найденной выше силе, действующей на этот
элемент:
Полагая
, Н
л* =	¦
р •
окончательно получим такое дифференциальное уравнение
в частных производных:
2.а-	B)
dta	дх2 •	A)
которое и описывает изучаемое явление.
Кроме этого уравнения, искомая функция у=у (х, t) должна удовлет-
удовлетворять еще ряду требований, прежде всего — так называемым предельным
или граничным условиям:
У (9,t) = 0,y (l,t) = О,	C)
выражающим факт закрепления концов струны. Затем, если функции f(x)
н g{x)* (О^х^Г) характеризуют отклонения и скорости точек струны
в момент t = 0, то должны выполняться и начальные условия:
Таким образом, задача сводится к разысканию такой
функции_у(х, t), которая удовлетворяла бы уравнению B)
и условиям C) и D).
Начнем, следуя по пути, указанному Фурье, с разыскания частных
решений уравнения B), удовлетворяющих, сверх того, предельным условиям
C), но отличным от нулевого решения (начальные условия мы
пока оставляем в стороне). Упомянутые частные решения мы станем искать
в виде произведения двух функций, из которых одна зависит только от х,
а другая — только от t:
Х{) T(t).
Уравнение B) в этом случае принимает вид
XT" = а*Х"Т,
где штрихи означают производные по той переменной, от которой функция
зависит, или
Т"	У"
а2	<5>
Так как левая часть этого равенства не зависит от х, а вторая — от t, то
общее значение их по необходимости не "зависит ни от х, ни от t и сводится
* При х — 0 или х = 1 обе функции, очевидно, должны обращаться в
нуль.

721J	§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ	551
к постоянной, которую мы возьмем в виде — а8Ха (при X > 0). Тогда уравне-
уравнение E) распадается на два:
0, Х" + *-2А:=0;	F)
их решения ( «общие интегралы> ) имеют вид:
Т=А cos akt -)- В sin akt,
X=C coskx -{- D sinXx.
Для того чтобы функция у = ХТ удовлетворяла предельным условиям C), им
должна удовлетворять функция X. Полагая л: = 0, сразу видим, что С = 0;
полагая же х = 1 и учитывая, что D уже не может быть нулем, придем
к условию
sin Х/ = 0,
откуда Х/==ятс при натуральном п. Таким образом, X может иметь одно из
следующих значений:
х,=-7, x2 = 2f	 х„=Л7-, ...*.	G)
Полагая при Х=Х„
AD = an, BD = bn,
придем к такой последовательности частных решений:
_Ул = (яя cos a\nt -\-bn sinaknt) sinX,,x.
(я=1, 2, 3, ...)
Нетрудно видеть, что поставленным требованиям будет удовлетворять
и сумма этих решений, взятых в любом числе. Это наталкивает на мысль рас-
рассмотреть бесконечный ряд, составленный из всех таких решений,
и положить
у= 2 (ап cos dknt + bn sin dknt) sin Х„х.	(8)
я = 1
Мы примем пока, что этот ряд сходится и что сумма его удовлетворяет
уравнению B); выполнение условий C) очевидно. Теперь лишь обращаемся
мы к начальным условиям D) и постараемся распорядиться постоян-
постоянными а„, Ьп так, чтобы удовлетворить и им. Допустим, что для ряда (8)
законно почленное дифференцирование по t, так что
со
тт= 2, (—analn sin alnt-\-bna\n cos a\nt)sinlnx.	(9)
Полагая в (8) и (9) t = 0, приходим к условиям
со	со
^ansinlnx—f(x), 2ta\nbnsin\nx=g(x).	A0)
l	l
Отсюда.если только функции / и g удовлетворяют условиям разложимости
в ряд Фурье, по формулам B5) п° 689 и определяются, наконец, искомые
* Если бы мы взяли постоянное значение отношений E) в форме а8Х!, то
предельным условиям могла бы удовлетворять только функция X, тождест-
тождественно равная нулю.

2
552	гл. xix. ряды фурье	{721
коэффициенты:
2 С
«Я = -Г \
о
Мы получили, таким образом, по крайней мере формально, полное
решение поставленной задачи в виде ряда (8) с коэффициентами, вычислен-
вычисленными по формулам A1)!
Правда, вопрос о том, будет ли оно действительно решением,
пока остается открытым. Для того чтобы ответить на него, наложим теперь
требования на функции / и g; именно, пусть функция g будет дифференци-
дифференцируема, а функция / дважды дифференцируема, причем производные /" и g'
предположим имеющими ограниченное изменение в промежутке [0, /]. Тогда
имеют место такие оценки *:
Оба разложения A0) в действительности имеют место во всем промежутке
[0, /]; сходится и разложение (8), причем определяемая им функция удовлет-
удовлетворяет как предельным, так и начальным условиям (почленное дифференци-
дифференцированное по t теперь оправдывается равномерной сходимостью ряда (9)!).
Несколько сложнее удостовериться в том, что эта функция удовлетворяет
самому дифференциальному уравнению **.
Заметим, что ряды A0) сходятся и за пределами промежутка [0, /]; обо-
обозначая их суммы по-прежнему через/(х) и g(x), мы получаем, таким образом,
распространения этих функций на весь бесконечный промежуток (—<ю, +оо)
с сохранением их дифференциальных свойств, за исклю-
исключением разве лишь точек вида Ы при целом к. Ряд для g (х), равномерно сходя-
сходящийся в любом конечном промежутке, можно почленно проинтегрировать,
так что	ет
— ^ ьп cos Х„х = -- gi (х),
1
где gi(x) есть одна из первообразных для функции g(x). Раскрывая скобки
в (8), можно переписать это выражение в виде
оо	со
У = ~2~ { 2 ап sin К (х + at) +2, а« sin Хя (* — at) —
2	2
1	1
оо
— 2 Ьп cos Х„ (х + at) + 2 bn cos ln (x — at)^ =
* Это следует из общих формул B1) п° 708 и замечания п° 709, замена
промежутка [0, тс] промежутком [0, /], конечно, несущественна. При этом
естественные условия
связанные с закреплением концов струны, как раз и влекут за собой равен-
равенство нулю величины, обозначенной там через Вп.
** Почленным дифференцированием установить это можно было бы, лишь
наложив чрезмерно тяжелые ограничения на функции / и g, чтобы повысить
порядок малости коэффициентов а„ и Ъп.

722]
§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ
553
Дважды дифференцируя по t и по х, теперь уже легко убедиться в выполне-
иии уравнения B)!
Решение рассмотренной здесь задачи можно было бы получить и непо-
непосредственно в последней форме, но решение в форме тригонометрического
ряда (8) имеет преимущество, ибо позволяет вскрыть важные физические
особенности изучаемого явления. Объединяя в (8) оба члена в скобках, пере-
перепишем разложение так:
У=
Мы видим, что полное колебание струны слагается из
ряда отдельных колебаний
Уп = An sin у х sin (~ t + а„
Участвующие в таком элементарном колебании точки
струны все колеблются с одной и той же частотой или,
если угодно, с одним и тем же периодом, которому от-
отвечает тон определенной высоты. Амплитуда колебания
каждой точки зависит от ее положения; она равна
. пл.
ЯП —г- X
Рис. 139.
частота (oi = -y~~~Г 1/ — и период 7^ = 2/
Вся струна разбивается на п равных участков, причем
точки одного и того же участка находятся всегда в
одной и той же фазе, а точки соседних участков—в прямо противоположных
фазах. На рис. 139 изображены последовательные положения струны для слу-
случаев я=1, 2, 3, 4. Точки, отделяющие один участок от другого, находятся
в покое; это — так называемые «узлы». Середины участков («пучности»)
колеблются с наибольшей амплитудой. Описанное явление носит название
стоячей волны; отсюда и сам метод Фурье обычно называют методом
стоячих волн.
Основной тон определяется первой составляющей 3Y. ей отвечает
JL Остальные тона, од-
Н '
новременно с основным издаваемые струной, или обертоны, характеризуют
определенную «окраску» звука, или его тембр. Если нажать пальцем в се-
середине струны, то сразу заглохнут как основной тон, так и нечетные обертоны,
для которых там была пучность. Четные обертоны, для которых на середину
струны приходится узел, все сохранятся; среди них роль основного будет
играть второй обертон, с периодом 7"s = -~- Tlt и струна станет издавать ок-
октаву первоначального тона. Все это можно прочитать по полученному реше-
решению нашей задачи!'
722. Задача о распространении тепла в конечном стержне. Пусть
имеем тонкий однородный стержень длины /, расположенный между точками
х=0 и х = 1 по оси х. Сечение стержня, площади о, мы считаем на-
настолько малым, что всем точкам сечения в каждый момент можно припи-
приписать одну и ту же температуру. Боковая поверхность стержня предпола-
предполагается изолированной от окружающей среды *. В начальный момент * = 0
* Вместо стержня можно было бы представить себе бесконечную стену
между плоскостями х = 0 и х = 1, в предположении, что в каждой перпенди-
перпендикулярной к оси х плоскости сохраняется один и тот же тепловой режим.

554	гл. xix. ряды фурье	G22
дано распределение температуры и вдоль стержня, характеризуемое функ-
функцией f(x)@t^x^l); кроме того, указан тепловой режим, поддерживаемый
на концах стержня. Задача состоит в определении температуры точек стержня,
как функции от абсциссы точки х и времени t:
и = и(х, t).
Рассмотрим элемент стержня между сечениями х и x-\-dx. Количество
тепла, которое за бесконечно малый промежуток времени dt пройдет через
левое сечение внутрь элемента, выразится так [ср. 666, 2)]:
, ди ..
— k<s -=г- dt,
дх '
где к есть «коэффициент внутренней теплопроводности» стержня; знак минус
объясняется тем, что тепло переходит от более нагретых мест к менее нагре-
нагретым. Аналогично этому через правое сечение вовне проходит за тот же про-
промежуток времени количество тепла
ди . дги . \ ,,
изменив здесь знак, мы получим количество тепла, прошедшего через упомя-
упомянутое .сечение справа налево, т. е. внутрь элемента. Таким образом, общее
количество тепла, накопившегося в выделенном элементе за промежуток вре-
времени dt, будет:
Это количество можно подсчитать и иначе, исходя из того, что им обусловлено
повышение температуры на ^- dt. Если через сир обозначить, соответственно,
теплоемкость и плотность вещества стержня, то затраченное на это тепло
выразится так:
. ди ..
срз dx • -зт- dt.
Приравнивая оба выражения, придем к основному дифференциальному урав-
уравнению теплопроводности:
dt дх*'	Aг>
где для краткости положено
-VI-
[Впрочем, это уравнение можно было бы получить из общего уравнения
ди „ .
выведенного для пространства в п° 612, 3°, если считать и не зависящим ни
от у, ни от z.j
(а) Предположим сначала, что на обоих концах стержня поддерживается
постоянная температура-, скажем, 0. Это приводит к таким предельным
условиям:
а@, t) = u(l, 0=0

722]	§ 7. приложения	555
Выше мы упоминали уже о начальном условии:
и(х, О)=/(лг) @ <*</),	A3)
причем в связи с предельными условиями необходимо предположить /@) =
==/(/) = 0. Для разыскания функции м(лг, t), удовлетворяющей уравнению
A2) и всем поставленным условиям, применим метод Фурье.
Пусть, как и выше, ч = ХТ, так что уравнение принимает вид:
XT' = а*Х"Т или ~ = аа;
~ = а~;
если постоянное значение этих отношений положить равным — а2Х2(Х>0),
то уравнение разобьется на два:
Г + я2Х27" = 0, откуда Т = Се~аЧ2'	О4)
и
1*Х=0, откуда X—Acoslx + B sin Хлг.	A5)
Для того чтобы функция XT удовлетворяла предельным условиям, необхо-
необходимо, чтобы было
Л=0, Х/ = /м (где п=1, 2, 3, ...),
так что X может принимать лишь значения G), как и в предыдущей задаче *.
Полагая ВС = Ьп, получим такой, ряд частных решений:
(я=1, 2, 3, ...)
Общее решение возьмем в форме ряда
м= ^ bne~a**n sin Х„лт.	A6)
Желая удовлетворить начальному условию, мы должны положить:
оо
Ьп «in-5р *=
Если функция /(л:) непрерывна и имеет ограниченное изменение, то для осу-
осуществления этого разложения достаточно взять:
, 2 f .... пах .
Ь„ = — \f(x)sm——их.
На этот раз установление того факта, что формальное решение A6)
является и действительным решением, не представляет затруднений.
Наличие множителя
позволяет дифференцировать ряд A6) почленно — по t и дважды по х, ибо
получающиеся ряды сходятся равномерно относительно х(O^x^l) и отно-
относительно t (* 2= a > 0).
* См. сноску на стр. 551.

556	гл. xix. ряды фурье	G22
б) Пусть теперь на конце х — 1 поддерживается постоянная температура
и0, а второй конец л; = 0 изолирован, так что через него никакого движения
тепла не происходит. Этим предположениям отвечают преде л ьные условия:
^=0.	A7)
Начальное условие сохраняем в прежнем виде.
Удобнее, впрочем, ввести взамен и новую неизвестную функцию v, поло-
положив u = uo-\-v. Для v имеем, очевидно, такое же уравнение:
dv 	 8 d'Jv
W~a 3^-
Предельные условия заменятся более простыми:
Наконец, начальное условие преобразуется так:
v(x, 0) =/(*) — щ.
Полагая, как обычно, v = XT, получим для Т и X прежние выражения
A4) и A5). Так как
-3— = —ХЛ sin Xx4-X/J cosXx
dx	'	'
то второе предельное условие даст В = 0, а из первого получим:
cos X/ = 0,
так что на этот раз X может принимать значения
*1=='2Г> ^2=3~2Г' ¦" » ^« = B/г — l)-27"i •••
Окончательно приходим к таким частным решениям:
n n
(«=1, 2, 3, ...)
из которых и составляем общее решение
00	g. a
г»—Л|"як	cosa^a;.
Начальное условие в этом случае приводит к разложению
оо
не стандартного вида [ср. задачу 25) п° 690]. Легко, однако, показать, что
при соблюдении обычных требований относительно функции/(лг) это разложе-
разложение в действительности имеет место при
W c°s B« — 1) % dx — — и0
2/ "л я "» 2/г-Г

7231
Итак, окончательно
I 7. приложения
557
' COS Х„ЛГ
при только что указанных значениях коэффициентов; то, что это—действи-
это—действительно решение, проверяется, как и в случае (а).
В частности, если/(л:) = 0, имеем разложение:
со
1 — д^Х
«=«.—
По этой формуле, при мо=ЗОО и а2 = 0,139*, и были вычислены значения а
для различных t и х, и по ним построены приведенные на рис. 140 графики
распределения температур в стерж-
стержне в различные моменты времени.	^к
723. Случай бесконечного
стержня. Решим теперь ту же
задачу о распространении тепла
для случая стержня, бесконечного
в обе стороны, скажем, располо-
расположенного вдоль оси х (или для всего
пространства, если только во всех
точках каждой перпендикулярной
к оси х плоскости температура
одна и та же). Дифференциальное
уравнение остается тем же; н а-
чальное условие
25О'\
200°
и(х, 0)=
на этот раз должно выполняться
во всем промежутке (— с», -}- с»),
а предельных условий,
естественно никаких нет.
Как и в прежних случаях по-
получается частное решение уравне-
уравнения в виде
и = (a cos X* -f Ь sin Хлг) е~ аЧ*';
но здесь нет оснований из всех
положительных значений пара-
параметра X выбирать какие-либо.
Поэтому, считая и постоянные а и
Ь зависящими от X:
Т/50°
100°
ид \
|\
ш
V
ч
ш\
шх
Ш
т
Ш
т
Ша
ш\
Ш\
ШХ-
ц\\\
щ IV
s
ч
ч
Л
\
\
\
-1
\
\
\
\l
—1
|
\
\
м
\
\=
s
ч
л
\
te \
\
i 1ш\
?г
V
\
\
\
ч
s
ч
¦ ч.
%
\
s
ч
4	!
- ^
^2
ч.
*-—
\
\
ч
ч
W.
4j
%
'%
%.
%
%
У/,
%
V/
У/
У/,
У/
У/,
%
У/.
%
¦Л
У/,
'f<
!
Чугу$5см v з ___ г l
Рис. 140.
* Имеется в виду чугунный стержень длиной 5 см; для этого
случая
, = 0,0072 5, -0,1
так что а2 = 0,139.

558	гл. xix. ряды фурье	[723
естественно для получения общего решения вместо суммы прибегнуть к ин-
интегралу:
и = \[а (X) coslx + b (X) sin Хлг] е~ aSX*'dk.
A8)
Для того чтобы это — пока формальное — решение удовлетворяло на-
начальному условию, функции а (X) и Ь(К) должны быть подобраны так, чтобы
для всех х было
00
[ [a (X) cos lx + b (X) sin X*] d\ =f(x).
о
Предположим теперь, что функция f(x) удовлетворяет условиям приложи-
приложимости формулы Фурье, которую напишем в виде
-foo	4-с°
f(x) = —\ } cos lx ^ f (г) cosXz dz -f- sin Хл: f /(г) sin Iz dz \d\.
Ж	-'oo	— oo	)
. оо (
) = —\ }
Отсюда ясно, что функции а (X), Ъ (X) можно определить формулами:
1 +С°	1 +СО
a(X) = -i- \ f(z)cos\zdz, ft(X) = — \ f(z)sinlzdz.
TZ J	It J
— OO	—00
В таком случае решение A8) примет вид:
. со	4"°°
5 — x) ¦ dz.
" о	— оо
Если функция f(x) абсолютно интегрируема в промежутке [— оо, -{- оо],
то [521, теорема 5] здесь можно переставить интегрирования по X и по г:
+ 00
и = — \
Внутренний интеграл непосредственно вычисляется согласно 6) (а) п° 519; он
оказывается равным
Таким образом, окончательно решение задачи представляется в виде простого
интеграла:
+оо	_ (г-*)'
и =	Х-т=. \ /(г) в *"*' dz.	A9)
2а У U J
' —оо
Дифференцированием по t и по х (дважды) под знаком интеграла легко убе-
убедиться, что это — действительно решение.
Рассмотрим еще случай «полубесконечного», т. е. бесконечного в одну
сторону стержня, например лежащего вдоль положительной части оси х

724J	§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ	55Э
(или, если угодно, полупространства х^О). Пусть на конце лг = О поддер-
поддерживается температура 0. Для этого случая может быть использовано прежнее
решение A9), если только продолжить функцию f(x) (здесь заданную лишь
для значений х между 0 и + с») на отрицательные значения х так, чтобы
было
*Т" ^^	—
\ f(z)e ia4 dz = 0.
— оо
Ввиду четности показательного множителя, очевидно, достаточно продолжить
функцию f{x) нечетным образом. Тогда решение новой задачи запишет
так:
оо г _ (г — хJ _ (г-(-дгJ п
1 С „/ чI	4a2t	Aa^t I .
«=	rr=\f(z)\e	—e	\dz.
' 0 L	J
Если потребовать, чтобы при х = 0 было « = ы0, то, вводя новую неиз-
неизвестную функцию v = u — м0, легко получить:
Отметим частный случай, когда при этом /(л:) = 0; решение примет вид:
х
„ 2оУ~
VrJ
Для м„ = 300 и as = 0,139* по этой формуле при различных х и t были
вычислены значения и, и по ним построены графики распределения темпера-
температуры в стержне в различные моменты времени. Эти графики, изображенные
на рис. 141, интересно сопоставить с графиками на рис. 140.
724. Видоизменение предельных условий. Вернемся к задаче о распро-
распространении тепла в конечном стержне, рассмотренной в 722, но видоизменим
предельные условия. Именно, предполагая по-прежнему, что наконцел: = С
поддерживается температура 0, будем считать, что на конце х = 1 имеет месте
свободное излучение в окружающую среду температуры 0. Количество тепла,
подводимого за промежуток времени dt к этому концу, будет [см. 722]:
дх '
а количество излучаемого тепла по закону Ньютона [ср. 359, 3)] равно
/, t)dt,
где Л есть «коэффициент внешней теплопроводности».Следовательно, на конце
х = 1 должно выполняться такое условие:
* Что отвечает стержню из чугуна; см. сноску на стр. 557.

560
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
|724
Если рассмотреть теперь частное решение — вида и = ХТ, то получим, как и
в п 722?
X— A cos lx -f- В sin Хлг.
Предельное условие на конце х = 0 даст Л=0; предельное же усло-
условие на конце х = 1 приведет к ра-
равенству
— k X cos X/ = h sin X/,
или
tgU—-*-X/.
Таким образом, для X получается ряд
значений
100°
ш
1
Ш
Ш
\
1W
ц\\
\\
\
\\\
\\
\\
\ \
1 \
и
\
1\
\
\\
1\
\\
\\\
У
\ ч
\
\v
\\^
\\\
л\
\v
\\
\\
\ \
\
\
, ^
\
\
\
\
\
\
\
\
\д
\
\\
\\
\\\
\\
\\
\\
\
у \
\
\
\
к
\
\
ч
А
\ >
А
О
\
\\
lV
\ >
А
л 1
А
\
s
ч
\
S
у
\
\\
л
S 1
v \
\
s
s
\
ч
\
ч
\
S '
^з
s
\
Ч
\
г—
Sc/t
где ?„ (л= 1, 2, 3,...) суть положи-
положительные корни трансцендентного урав-
уравнения
[см. 679, 4)]. Общее решение полу-
получается в виде:
сходном с A6), однако (и это важно
подчеркнуть) числа Х„ здесь
имеют гораздо более слож-
сложную п р ирод у.
Начальное условие приводит к
разложению:
Рис. 141.
sin Y =
B0)
его можно рассматривать как обобщенный ряд Фурье функции f(x)
в промежутке [0, /] и, пользуясь ортогональностью функций
[679, 4)], обычным образоги определить коэффициенты Ьп:
i
\f{x)sm^dx

725J	§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ	561
Мы оставим открытым вопрос об условиях, которые надлежало бы нало-
наложить на функцию f{x), чтобы обеспечить равенство B0), и ограничимся
формальным решением поставленной задачи.
725. Распространение тепла в круглой пластине. Мы рассмотрим теп-
тепловую задачу еще для одного случая—круглой пластины радиуса R с центром в
начале координат. Предположим пластину настолько тонкой, что по высоте ее
температура не меняется, а верхнюю и нижнюю ее поверхности будем счи-
считать изолированными. Больше того, мы ограничимся изучением случая, когда
температура и будет зависеть только от полярного радиуса-вектора г (но не
от полярного угла 6): для этого достаточно предположить, что таковы же
начальные и предельные данные. [Можно было бы и здесь вместо
пластины с изолированными поверхностями рассматривать круговой цилиндр,
бесконечный вниз и вверх.]
Взяв общее дифференциальное уравнение теплопроводности:
ди
[672, 3°], мы прежде всего, ввиду независимости и от г, перепишем его в
виде
— —a* !—J-—\
dt	\ дх* ду* j'
Переходя на плоскости ху к полярным координатам, мы должны заменить
выражение в скобках следующим:
dsu , 1 д*и . 1 да
W*~T"FW + Tdr
(см. 222, 1]. Наконец, учитывая, что и не зависит от в, приходим к такому
уравнению:
d? = '
Пусть начальное распределение температуры будет задано
в виде
и (г, 0) = <р (г) (O^r^R),
а предельное условие сводится к
u(R, 0 = 0.
Прибегнем и здесь к методу Фурье. Станем искать частное решение урав-
уравнения B1) в виде
u = R(r) T(t);
тогда для определения этих функций получатся уравнения
Из первого из них Т=Се~а2Х2(. Второе же, если положить r = -v- г и
л
R I-j- г J = J (г), перейдет в уравнение Б е с с е л я:

562	гл. xix. ряды фурьв	[725
Отождествим же У с функцией Бесселя с нулевым значком, т. е. поло-
положим R(г) = Jo (Хг). Предельное условие дает
Мы уже упоминали в 679, 6), что функция Jo (x) имеет бесчисленное множе-
множество положительных корней ?„ (я= 1,2,3,...); таким образом, для X возможен
ряд значений
Х„ = -%- (л = 1,2,з,...)
Им отвечают частные решения вида
из которых, как обычно, составляется общее решение:
«>
Остается определить коэффициенты сп. Неиспользованное еще начальное
условие дает в этом случае
Мы уже видели в 679, 6), что система функций {Л (?„.*)} ортогональна
в обобщенном смысле — с «весом» х* в промежутке [0, 1]; оче-
очевидно, система ¦!/„ ('в )|-будет ортогональной в промежутке [О, R] с «ве-
«весом» г. Обычным образом определяя коэффициенты этого обобщенного
ряда Фурье, найдем
dr
И здесь мы удовольствуемся полученным формальным решением.
Читатель видит, что последние два примера уже выходят за пределы
обыкновенных рядов Фурье. Мы привели их, желая создать у читателя
правильную ориентацию в вопросе о приложении рядов Фурье в математи-
математической физике. Они там играют важную роль, но, конечно, далеко не исчерпы-
исчерпывают потребностей математической физики: достаточно небольшого изменения
условий задачи, чтобы оказалось необходимым прибегнуть к разложениям уже
другого рода. Это обстоятельство нисколько не умаляет значения рядов
Фурье и развитой для них теории, потому что ряды Фурье навсегда
останутся простейшим и важнейшим примером «ортогонального разложения»;
по образцу его строятся все другие подобные разложения, теория которых
теснейшим образом переплетается с теорией рядов Фурье.
* См. сноску на стр. 423.

726]	§7. ПРИЛОЖЕНИЯ	563
726. Практический гармонический анализ. Схема для двенадцати
ординат. Разложение функции в ряд Фурье, или гармонический анализ,
оказывается нужным во многих чисто практических вопросах машиноведения,
электротехники и пр. Но в этих случаях очень редко приходится непосред-
непосредственно пользоваться формулами Эйлера — Фурье:
- 2я	2л
ао = 2^ ^ f(x)dx*< a» = ^ if(x)cosnxdx,
2л	I
1 Р
Ьп = — \ / (х) sin nx dx
(я=1, 2, 3, ...)
для вычисления коэффициентов разложения. Дело в том, что функции, кото-
которые нужно подвергнуть гармоническому анализу, обыкновенно задаются
таблицей своих значений или графиком. Таким образом, аналитиче-
аналитического выражения функции в нашем распоряжении нет; иногда к самому гар-
гармоническому анализу прибегают именно для того, чтобы таким путем полу-
получить хотя бы приближенное аналитическое выражение для функции. В этих
условиях для вычисления коэффициентов Фурье нужно обратиться к при-
приближенным методам. Разумеется, на практике приходится пользоваться лишь
немногими первыми членами тригонометрического разложения. Коэффициенты
ряда Фурье в большинстве случаев быстро убывают, а с ними быстро падает
и влияние далеких гармоник.
Обычно дается (или снимается с графика) ряд равноотстоящих ординат,
т. е. ряд значений функции у, отвечающих равноотстоящим значениям аргу-
аргумента х. По этим ординатам величины B2) можно приближенно вычислить,
пользуясь методами, изложенными в главе IX (§ 5). , Но вычисления здесь
оказываются довольно громоздкими, и для того чтобы упростить и, так ска-
сказать, автоматизировать их, придумано много различных приемов, один из
которых мы и изложим.
Пусть, скажем, промежуток от 0 до 2я разделен на k равных частей и
пусть известны ординаты
Уо, У» Уг, •¦-, Ук-i, Ук=Уо,
отвечающие точкам деления
0,^, 2.|,...,(й-1)^,2*.
Тогда по формуле трапеций [322] имеем (конечно, лишь приближенно!):
1'
Ввиду периодичности нашей функции у/г—Уо, и значение а0 можно напи-
написать и так:
B3)
* Мы возвращаемся здесь к обозначению свободного члена в тригоно-
тригонометрическом разложении через аа (а не ^-j.

564	гл. xix. ряды фурье	[726
Аналогично.'применяя формулу трапеций к другим интегралам B2), найдем:
1 2тс Г	2тс	4тс	'
ат — — • ~г \Уо ~тУ1 cos m ~п~~гУ2С05 m ~п~\~ • •• "f"
2 (ft — 1) jci
-гУ)г-1 cos m — —	'
ИЛИ
2тс ,	4it ,
t cos m v y t	B4)
а также
ft ,	. 2rc , . 4tc	,	. 2 (ft — 1)я	.„_,
-2 "m =У1 sin m -j- + Л sin m -j- -\-... +^_i sm m —J—r—-—•. B5)
Положим сначала ft =12 и будем исходить из двенадцати ординат
.Уо. Уп Уз, —, Уи,
отвечающих двенадцати равноотстоящим значениям аргумента:
я it iz 2.TZ 5я Tit Atz Зя отс 11я
1 "' Т' ~2' Т' ~б> "' ?• Т' Т» Т1 "'
или в градусах
0°, 30°, 60°, 90", 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 270°, 300°, 330°.
Все множители, на которые придется умножать эти ординаты, по фор-
формулам приведения сведутся к следующим:
±1; ± sin 30° = ± 0,5; ± sin 60' = ± 0,866.
Именно, легко проверить, что
B6)
* +Уъ +Ув +У? +У»+У, +Ук> +Уп
—У* — ^) sin 30° + CVi +Уи —Уь —^7)sin60° + (у0 —
— У? —Ун) sin30° + (у, +yt —у»—ую)ш60° + (уа — у„)
7 + У»—У*—У1—У1о—
—Уг—У7—Уи, и т- Д-
Например,
=y0 +yt cos 30° +уг cos 60° +у3 cos 90° +yt cos 120° +уь cos 150° +
+у„ cos 180° +y, cos 210° +ys cos 240° +у„ cos 270° +
+yl0 cos 300° +yu cos 330° =з;0 +.УЦ sin 60° +уг sin 30° —
—yt sin 30° —yb sin 60° —_ye —^7 sin 60° —yb sin 30° -\-Уы sin 30°
что совпадает с написанным выше выражением.
Для того чтобы свести выкладки (особенно — умножения) к минимуму,
их производят по определенной схеме, предложенной Р у н г е (С. Runge).

727J
§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ
565
Сначала выписывают в указываемом ниже порядке ординаты и над
каждой парой подписанных одна под другой ординат производят сложение
и вычитание:
суммы
разности
Ун
«0
Ух
Уи
"i
ординаты
У2
У1
Щ
v2
Ув
> У»
us
v3
У1
У*
«4
Vi
Уь
У1
«5
vb
Ув
«в
Затем аналогично выписывают эти суммы и разности и снова подвергают их
сложению и вычитанию:
суммы
разности
«0
«6
So
do
суммы
«1
«5
Sj
di
«2 «з
«4
s2 s3
rf2
суммы
разности
разности
71 71 71
Vi Vz v3
O| do о»
0 I 0a
Теперь, получив после всех этих сложений и вычитаний ряд величин s, d, о, 8,
мы можем следующим образом выразить через них искомые коэффициенты:
й! = do + 0,866 di + 0,5 d2,
а2 = (s0 — s3) + 0,5 (Sj — s2),
6a3 = uf0 —
Й, = 0,5 a, + 0,866a2
ft2 = 0,866E1+82),
*3 = О!	O3 И Т. Д.
B7)
Нетрудно убедиться, что эти формулы в точности соответствуют фор-
формулам B6).
727. Примеры. 1) На рис. 142 изображена диаграмма касательных уси-
усилий (на пальце кривошипа) для некоторой паровой машины *. В связи с
вопросом о крутильных колебаниях вала представляет интерес выделить гармо-
гармонические составляющие касательного усилия Т, как функции от угла ср пово-
поворота кривошипа. Сняв с графика двенадцать равноотстоящих ординат, произ-
произведем гармонический анализ по указанной схеме:
— 7200 —300 7000 4300	0 —5200 —7400
250 4500 7600 3850 —2250
и
v
— 7200 — 50 11500 11900 3850 —7450
— 550 2500 —3300 — 3850 —2950
-7400
—	7200 — 50 11500 11900
—	7400 —7450 3850
— 14600 —7500 15350 11900 о
200 7400 7650 8
—	550 2500 —3300
—	2950 —3850
— 3500
2400
-1350 —3300
6350
* Подобные диаграммы строятся на основе индикаторных диаграмм
€ учетом сил инерции.

566
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
1727
Теперь по формулам B7):
12а0 = — 14600 — 7500 + 15350 + 11900 = 5150;	аа = 429,
6д, = 200 + 7400 • 0,866 + 7650 • 0,5 = 10433;	а, = 1739;
6я3 = (—14600—11900)+ (—7500—15350). 0,5 = — 37925;	в2 = —6321,
6я3 = 200 — 7 650 = — 7450;	а3 = — 1242,
6*, = — 3500-0,5— 1350-0,866 — 3300 = — 6219;	^ = — 1037,
662 = B400 + 6350) • 0,866 = 7578;	&2 = 1263,
6ft3 = — 3500 + 3300 = — 200;	63 = —33.
Таким образом,
Г=429+ 1739cos<p — 1037 sin<p — 6321 cos2<p + 1263 sin 2<p —
— 1242 cos 3<p — 33sin3<p + ...
Объединим члены, содержащие косинус и синус одного и того же угла:
Т = 430 + 2020 sin (<р + 12Г) + 6440 sin B? + 28Г) +
+ 1240 sin C<р + 268°) + ...
Мы видим, что наиболее сильное влияние здесь оказывает вторая
гармоника.
6000
60 no wo гчо зоо ш°
Рис. 142.
2) Для того чтобы дать себе отчет в том, с какой, примерно, точностью
пол) чаются коэффициенты Фурье функции но двенадцати ординатам ее

727J
I 7. ПРИЛОЖЕНИЯ
567
графика, мы приложим изложенный метод к некоторым аналитически задан-
заданным функциям и сравним приближенные результаты с точными,
Рис. 143.
Сначала рассмотрим функцию f(x), которая в промежутке [0, 2л] задается
формулой
у = f (х) = ± (х3 - Зялг" + 2*2лг),'
а для остальных значений х определяется по закону периодичности
График функции представлен на рис. 143.
Вычислим табличку:
0
0
1С
0.400
1С
?
0,582
1С
т
0,589
2л
3
0,465
5*
6
0,255
тс
0
6
-0,255
4х
т
—0,465
Зя
Т
-0,589
5и
3
-0.582
Hit
Т
—0,400
2ч
0
При этом можно использовать легко проверяемое тождество:
/B«-*) = -/(*).
По схеме Р у н г е по этим значениям у найдем:
ft, = 0,608,. Ь3 = 0,076, ft, = 0,022;
все числа и,-, а с ними и все коэффициенты ап оказываются нулями [690,22)].
В то же время формулы B2) непосредственно дают (с помощью трех-
трехкратного интегрирования по частям):
2ic
*	\ (х3 3xs + 2*x)id

568
так что
гл. XIX. ряды фурье
[727
»i = ^ = 0,6079, Й2 = А = О,
= JL = 0,0225.
Совпадение превосходное!
3) Однако далеко не всегда получается столь точный результат. В виде
второго примера мы возьмем функцию с периодом 2тс, которая в промежутке
[0, 2л] определяется так:
Ее график дан на рис. 144.
-Zn
-ТС
Пользуясь очевидным тождеством:
/Bя —*)=/(*),
составим табличку:
х —
У —
0
1
те
?
0,694
те
?
0,444
¦к
т
0,250
"
0,111
6
0,028
0
6
0,028
3
0,111
3it
"
0,250
3
0,444
Iltt
T
0,694
2tt
1
Тогда по схеме Р у н г е
ао = 0,338; в1 = 0,414; д2 = 0,111; а3 = 0,056;
числа же v-t и коэффициенты Ьт — на этот раз нули [690, 22)]. Точные зна-
значения коэффициентов будут:
2tt
am =
f — яJ cos
в частности,
= ^=-0,405; в, = 1^-0,101;
Таким образом, если для первых двух коэффициентов относительная
погрешность не превосходит 1,5—2%, то для последующих она достигает
1О°/о (а2) и даже 20% (а3)! Ниже [730] мы еще вернемся к вопросу о точ-
точности полученных нами приближенных формул. Но уже.и сейчас ясно, что
для повышения этой точности нужно брать больше ординат.

728]
5 7. ПРИЛОЖЕНИЯ
569
728. Схема для двадцати четырех ординат. Положим теперь, что даны
или сняты с графика двадцать четыре ординаты:
У а, Уи У 2,
Уаз.
отвечающих значениям аргумента:
» я я я	23л
' 12' Т' Т' ••¦ ' 2"'
или
0°, 15°, 30°, 45°, ..., 345°.
На этот раз все множители, на которые при приближенном вычислении
коэффициентов Фурье приходится умножать ординаты, сведутся к таким:
±1, ± sin 30°, ± sin 45°, ± sin 60°, ± sin 75°.
Не вдаваясь в подробности (ввиду полной аналогии с предыдущим), при-
приведем сразу схему вычислений, также предложенную Рунге. После опыта,
который уже имеет читатель, эта схема ему будет понятна без пояснений.
Вот она:
суммы
разности
Уй Л Уз
Уп Уз
«0 «1
»1
Уг
г Ун
«2 U
Уза
3 «4
v2 г>з »
ординаты
Уь
У и
«5
Л У1
У is Уп
«6 «7 «8
vt v7 v
У*
У и
«9
Л
Уп
«10
«11
З'и 3*12
«12
суммы
разности
«0
«12
Ро
«1
«и
Pi
Чу
суммы
us uz и4 «5 м„
«10 ^) «S 7
Рг Рз Р4 р5 Ре
Чз Чь Ч\ Чь
суммы
разности
разности
v2 v3 vt vb
»10 V0 VS V7
суммы
разности
Pa
Ре
*.
la
суммы
Pi
Pi
kl
h
Рз Рз
P4
k3ka
суммы
разности
разности
Si S3 S3
Hi П2
Отметим, что с величинами q и г нет надобности проделывать сложения
и вычитания.

570
ГЛ. XIX. РЯДЫ ФУРЬЕ
|72Э
Теперь через полученные указанным путем величины k, I, m, n, q и г
коэффициенты Фурье выразятся следующим образом:
B8)
12a, = [q0 + 0,5я4 + 0,6124 (?, + ?5)] + [0,8660o2 + 0,707\q, +
+ 0,3536 (я, — qb)],
12a2 = l0 + 0,8660/, + 0,5/2,
12a3 = O70 — ?4) + 0,7071 (o, — 9з — o5),
12a4 = (ft0 — k3) + 0,5 (ft, — fe2),
12a5 = [?„ +0,5qt + 0,6124 (?,"+ ?5I — [0,8660^ + 0,707\q3 +
+ 0,3536 (qt-qt)\,
12ao = /o-/2,
12*, = [0,5r2 + re + 0,6124 (r, + r5)] + [0,7071r3 + 0,8660r4 —
-0,3536(^-0],
12&2 = 0,5m, + 0,8660m2 + m3,
12ft3 = (r2 - r.) + 0,7071 (r, + r3 - O,
12ft4 = 0,8660 (л, + я8),
12*5 = [0,5r, + re + 0,6124 (r, + O] -[0J07lr3 + 0,8660r4 -
— 0,3536(^ — 0],
12*e = H>, — ш3, и т. д.
Дальнейшие коэффициенты по двадцати четырем ординатам получаются
с все меньшей и меньшей точностью.
Обращаем внимание читателя на одну подробность. Для получения
коэффициентов а, и а5 нужно отдельно вычислить те выражения, кото-
которые поставлены в квадратные скобки, а затем сложить их (для нахож-
нахождения а,) и вычесть (для нахождения а3). Аналогичное замечание —
относительно вычисления коэффициентов ft, и Ьъ.
729. Примеры. 1) Возвращаясь к диаграмме касательных усилий, пред-
представленной на рис. 142, снимем с нее двадцать четыре ординаты и наново
произведем гармонический анализ, пользуясь новой схемой:
—7200 —4150 —300 3250 7000 7450 4300 2750
—5150 250 2300 4500 6800 7600 6400
0 —2650 —5200 —7700 —7400
3850 650 —2250 —4850
-7200 —9300 —50 5550 11500 14250 11Э00 9150 3850 —2000 —7450 —12550 —7400
1000 —550 950 2500 650 —3300 —3650	—3850 —3300 —2950 —2850
—7200 — 9300 — 50 5550	11500 14250 11900
—7400 —12550 —7450 —2000 3850 9150
Р
q
-14600 —21850 —7500
200 3250 7400
3550 15350 23400 11900
7550 7650 5100
1000 —550 950 2500 650 —3300
-2850 —2950 —3300 —3850 —3650
— 1850 —3500 —2350 —1350 —3000 —3300
3850 2400 4250 6350 4300

730]	§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ	571
-14600 —21850 —7500 3550
11900 23400 15350
—2700 1550 7850 3550	т
—26500 —45250 —22850	л
3850 2400 4250
4300 6350
8150 8750 4250
—450 —3950
Отсюда по формулам B8):
«„ = 427,	а, = 1685,	а2 = —6426, а3 = — 1175, а4 = —783,
й6 = —163, ав = —304,	&!= —938, &2=1325, h = — 87,
bt= — 318, *5 = — 398,	&0=325.
Итак, получается разложение:
Т = 427 4-1685 cos f — 938 sin a — 6426 cos 2<p + 1325 sin 2tp —
— 1175cos3tp —87sin3tp—783cos4tp —318sin4<p—163cos5(p —
—398sin5(p—304cos6(P4-325sin6tP4-...
или, объединяя и округляя:
Т = 430 + 1930 sin (9 4-119°) 4" 6560 sin B<p 4" 282°) +
4-1180 sin C<p 4- 266°) 4- 845 sin Dc 4- 248°) 4- 430 sin E<p 4- 202°) 4-
4-445 sin F? 4-317°) 4-...
Сравнивая это разложение с разложением той же величины Т, произве-
произведенным в п° 727, 1), видим, что в первых трех гармониках получается более
или менее удовлетворительное совпадение.
2) Предлагается читателю вычислить двадцать четыре ординаты кривой
АХ J
о которой была речь в п" 727, 3), и, пользуясь указанной схемой, найти при-
приближенные значения коэффициентов а0, аи а2| а3, at, аь, ав.
Ответ. а„ = 0,334; at == 0,407; а2 === 0,104; аь === 0,047; at ~ 0,028; аь == 0,019;
во = 0,014, в то время как верные знаки будут:
а„ = 0,333; Й1 = 0,405; «2 = 0,101; а3=^ 0,045; а4=ь 0,025;
аъ =±=0,016; ао=== 0,011.
Кроме приведенных схем для приближенного вычисления коэффициентов
тригонометрического разложения функции, существуют и другие: для шест-
шестнадцати или тридцати двух ординат (обычны в морском деле при изучении
девиации компасов), для тридцати шести ординат (употребительны в электро-
электротехнике) и т. д. Придуманы также вырезные шаблоны, автоматически
устанавливающие расположение вычислений. Во всех этих случаях сущность
приемов, с помощью которых достигаются упрощения при практическом
вычислении коэффициентов Фурье, остается та же, что и выше.
730. Сопоставление приближенных и точных значений коэффициен-
коэффициентов Фурье. Если функция y—f(x) задана в промежутке [0, 2я] аналити-
аналитически и дважды дифференцируема, то погрешности найденных выше прибли-
приближенных формул для коэффициентов Фурье могут быть установлены, как
обычно [730]. Мы зададимся здесь другой целью, именно, мы выведем соот-
соотношения, связывающие приближенное значение данного коэффициента
с точными значениями этого же и других коэффициентов. Эти соотно-
соотношения не приводят к оценкам для погрешностей, но все же проливают свет
на весь вопрос в целом и создают в нем надлежащую ориентацию.

572	гл. xix. ряды фурье	[730
Итак, предположим, что для рассматриваемой функции y=f(x) в про-
промежутке [0, 2it] имеет место разложение Фурье:
Мы умышленно обозначаем здесь коэффициенты Фурье большими буквами,
чтобы отличить их от приближенных значений их, которые будут обозначаться
малыми буквами. Полагая в написанном равенстве х = —-(i = Q, 1, ..., k—1),
мы вычислим те частные значения функции у{, которые фигурируют в фор-
формулах B3), B4) и B5), дающих приближенные значения коэффициентов:
оо	оо
. • 2ггатс
sin
Подставим эти величины в первую из этих формул; переставляя сум-
суммирования, найдем:
оо	k— 1	оо	k—l
?+2в» 2 *тг}.
1
Но, как легко видеть, суммы
ft-l	ft-i
2	2/яя	VI ¦ 2/яя
cos-^-,	2 sm^-
«=о	»=i
равны 0, за исключением того случая, когда и кратной и
первая сумма получает значение k (вторая сумма и в этом случае равна 0).
Отсюда сразу получается
a0 = A0+Ak+A2k+A3k + ...	B9)
Подставляя выражения для yt в формулу B4) и снова переставляя сум-
суммирования, получим последовательно:
k— 1	оо	ft—1
2 f . VI .2/лтс VI VI	2/птс .2mt
{А> 2, cos'-fe-+ ^ ^« ^ s/cosi
i=0	n=l i=0
n = \ <=0
ft-1	oo	ft-1
242
n=l	»=0
fc-1	oo	ft-1
2 (re — m) я
viD Г\1 . .
2 fi« [2sm г
vi • Л(п — т)к~]\

730]	§ 7. ПРИЛОЖЕНИЯ	573
И здесь также отличными от нуля (и при этом—равными К) будут лишь те
суммы косинусов, у которых множитель п± т оказывается кратным к,
т. е. для значений я вида pk±m (p—-целое). Если для определенности счи-
считать 2m^k, то придем к такому ряду для ат:
JrAk+m + Aik_m + ...	C0)
Совершенно аналогично получается, что
Это и есть те формулы, которые мы хотели установить.
Мы усматриваем из них, что, скажем, ат отличается от Ат суммой неко-
некоторых коэффициентов А с большими номерами, если только k
велико, am, наоборот, не слишком велико. Становится ясным,
что важную роль в вопросе о точности приближений играет быстрота
убывания коэффициентов Фурье, которая, как мы знаем [706—708],
в свою очередь, связана с дифференциальными свойствами
функции, продолженной навесь промежуток (— оо, -f- oo).
Это обстоятельство хорошо иллюстрируется примерами 2) и 3) п° 727: обра-
обращаем внимание читателя на угловые точки графика во втором из них!
Полагая ft = 12, мы будем иметь в частности (ограничиваясь для при-
примера коэффициентами при косинусах):
и наряду с этим
и т. д. Отсюда видно, что за пределами первых двух-трех гармоник нельзя
ждать сколько-нибудь удовлетворительной точности.
Результаты сразу улучшаются при переходе к k = 24:
«0 = ^0+^24 + .", «1 = ^1 + ^23 + "-.
<*в = Л + Л18 + -". И Т. Д.
Здесь, вообще говоря, можно ждать хорошей точности для первых семи-
восьми гармоник.

ГЛАВА ДВАДЦАТАЯ
РЯДЫ ФУРЬЕ (продолжение)*
§ I. Операции над рядами Фурье. Полнота и замкнутость
731. Почленное интегрирование ряда Фурье. Предположим
функцию f(x), как обычно, абсолютно интегрируемой в проме-
промежутке [— тг, тс]. Пусть ее ряд Фурье будет
ancosnx-\-bnsinnx.	A)
Введем в рассмотрение для — тс ^ х ^ тс функцию
x,	B)
очевидно, непрерывную и с ограниченным изменением [486, 7°; 668, 4°];
к тому же она имеет период 2тс, ибо
тс
F(v) — F(—v) = $ f(x)dx — iueo = O.	C)
В таком случае, по теореме п° 686, эта функция во всем промежутке
разлагается в ряд Фурье:
_	D)
я= 1
(который к тому же, согласно 699, равномерно сходится к ней).
* Глава XIX была посвящена, главным образом, разложению функций в
сходящиеся ряды Фурье; в ней эти ряды изучались как вычислитель-
вычислительный аппарат. В настоящей же главе мы становимся на более общую точку
зрения и изложим ряд важных вопросов, представляющих преимущест-
преимущественно теоретический интерес.

731J	§ 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	575
Между коэффициентами рядов A) и D) существует простая связь.
Действительно, если воспользоваться обобщенной формулой интегри-
интегрирования по частям, установленной в п° 580, 9), то будем иметь (для
1С
п = — \ F (x)cosnxdx —
smnx
n
— л	— n
то есть
"	n
Аналогично, на этот раз с учетом равенства C), получим
Для нахождения же Ао положим в D) х = 0:
оо	оо
V
2 — _	_
п=1	п=\
Подставив в разложение D) найденные значения коэффициентов,
можем переписать его в виде
оо
«л sin пх -\- Ъп A — cos nx)
F)
2
Отсюда, если учесть равенство B), имеем
*	X	ОО X
\f(x)dx=\~dx-\-? \ [й„ cos их -j- Ьп sin лх] dx.
0	0	п=10
Очевидно, и для любого промежутка [У, х"], где — тс <: х' <^ х"
имеет- место подобное же соотношение:
X"	X"	ОО X"
jj/(x)tfx= \^dx-\- 2 J Kcos/ix + ft,
ж"	ж"	оо ж"
... sin
Таким образом, интеграл от функции f(x) получается почлен-
почленным интегрированием соответствующего ей ряда Фурье. Тот
факт, что почленное интегрирование ряда Фурье оказывается
всегда допустимым, тем более замечателен, что мы установили
его, даже не делая предп-оложения о сходимости са-
самого ряда A) к функции /(х)!

576	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[731
Ясно, что в качестве основного промежутка вместо [— тс, тс] мо-
может быть выбран любой другой промежуток длины 2тс. Точно так же
все сказанное относится и к рядам, содержащим одни лишь косинусы
или одни лишь синусы [689] и рассматриваемым в промежутке [0, тс].
Интегрированием известных тригонометрических разложений могут быть
получены другие разложения. Член -~- в F), если угодно иметь тригономет-
тригонометрическое же разложение, следует перенести в другую часть равенства. Не-
А ^
которого внимания требует к себе свободный член -?¦: получить его в ко-
нечном виде удается либо непосредственным суммированием ряда E), либо
же интегрированием по формуле
4-s \
Поясним это примером. Если проинтегрировать разложение
со
2 sin пх к — х ,.	. .
[см. 680, 2)] от 0 до х, то получим:
Отсюда
причем с определяется либо как сумма ряда
2-
n=l
COSnAT
re3
— cos nx
n*
- l x*
-4 X
=
я
?.
TO
У
JC-f
, 1
V 4
либо как интеграл:
2tt
2*0 12 * 4л;"л"~6-
Таким образом, мы приходим к разложению, которое независимо было по-
получено в 690, 9). Аналогично разложение в 7) (а) получается из разложения
в 7) (б) и т. д.
Замечание. Подчеркнем, что проведенным рассуждением попутно
установлен такой факт: какова бы ни была абсолютно интегрируемая
в промежутке [—я, я] функция f(x), ряд
оо
1
где Ьп — коэффициенты при синусах в ее ряде Фурье, необходимо схо-
сходится [ср. 692, 2°]. Ниже, в 758, мы воспользуемся этим замечанием.

732]	§ 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	577
732. Почленное дифференцирование ряда Фурье. Пусть в про-
промежутке J— я, тс] задана непрерывная функция f?x)iудовлетво-
f?x)iудовлетворяющая условию /(—7t)=/(ic) и имеющая (исключая разве лишь
отдельные точки в конечном числе) производную f'{x)\ пусть, далее,
эта производная сама оказывается абсолютно интегрируемой в на-
названном промежутке. Тогда
[310, 481] и, как мы только что видели, ряд Фурье A) функции
f(x) получается из ряда Фурье функции f'(x)
оо
/' (х) ~ У а'п cos nx -J- b'n sin nx	G)
почленным интегрированием, так как при наложенных на fix)
условиях свободного члена в последнем разложении не будет:
те
В таком случае, очевидно, и обратно—ряд G) для производной f'(x)
может быть получен из ряда A), отвечающего данной функции
f(x), почленным дифференцированием.
Мы обращаем особое внимание читателя на ту роль, которую здесь
играет предположение о периодичности функции /(х). При
нарушении этого условия свободный член Ц- ряда Фурье для /' (х)
был бы отличен от нуля, и уже по одному этому упомянутый ряд не
мог бы быть получен из ряда A) почленным дифференцированием!
Например, в случае разложения (а — не целое)
[664, 7) (б)] почленное дифференцирование приводит к ряду
который заведомо никаким рядом Фурье быть не может, ибо его
коэффициенты даже не стремятся к нулю [682].
Замечание. До сих пор мы говорили о возможности получения
ряда Фурье G) для производной /' (х) путем почленного диффе-
дифференцирования ряда Фурье исходной функции f{x). При этом вовсе
19 ГЛ М, Фихтенгольц, т, III

578	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	J733
не было речи о сходимости ряда G) к функции /'(х); эту схо-
сходимость надлежит устанавливать особо, пользуясь теми или другими
достаточными признаками [684, 686].
Нужно отметить, что, ввиду появления при дифференцировании
cos nx и sin nx натуральных множителей п, порядок малости коэф-
коэффициентов понижается и ухудшаются шансы на сходимость. Между
тем, при решении с помощью рядов Фурье задач математической
физики часто приходится дифференцировать эти ряды, и даже неод-
неоднократно. Для обеспечения сходимости получаемых рядов иногда ока-
оказывается полезным предварительное выделение плохо сходя-
сходящихся частей по методу А. Н. Крылова [710]. При этом
сумма выделенной части, известная в конечном виде, дифференци-
дифференцируется непосредственно, а для остающегося ряда стараются добиться
столь высокого порядка малости коэффициентов, чтобы и после диф-
дифференцирования получить все же равномерно сходящийся ряд.
733. Полнота тригонометрической системы. Если непрерывная
в промежутке {— тс, те] функция f(x) имеет коэффициенты
Фур ь е, все равные нулю, то и сама функция сводится тожде-
тождественно к нулю. Действительно, в этом случае, как ясно из равен-
равенства F), при всех х будет
0,	(8)
откуда, дифференцируя по х, именно ввиду непрерывности под-
интегральной функции [305, 12°] и получим тождественно
/С*)=о.
Иными словами, кроме функции, тождественно равной нулю,
не существует непреры в ной функции, которая в промежутке
[—те, те]* была бы ортогональна [679] ко всем функциям триго-
тригонометрической системы
1, cosx, sinx, cos 2x, sin2x,..., cosnx, sinnx,...	(9)
Этот именно факт и выражают, говоря, что тригонометрическая
система полна — в классе непрерывных функций.
Если две непрерывные функции fi(x) и /а(х) имеют одни и те
же коэффициенты Фурье, то они необходимо тождественны, ибо их
разность /i (x) —/2 (х) будет иметь коэффициенты Фурье, сплошь
равные нулю. Таким образом, непрерывная функция однознач-
однозначно определяется своими коэффициентами Фурье. Это лишь
другая формулировка свойства полноты тригонометрической си-
системы.
Или в каком-нибудь другом промежутке длины 2л.

733|	g 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	579
Если обратиться к рассмотрению и разрывных функций, то положение
вещей может оказаться другим. Функция, которая, скажем, лишь в конечном
числе точек отлична от нуля, уже не равна нулю «тождественно», но в то же
время, очевидно, будет ортогональна к любой из функций (9), как, впрочем,
и ко всякой интегрируемой (в собственном или несоб-
несобственном смысле) функции. Можно представить себе функции, ат-
личные от нуля даже в бесконечном множестве точек и все же обла-
обладающие последним свойством. Такова, например, функция/(х)
[ср. 70, 8), 300, 1)], равная —, если х есть несократимая дробь вида
± — (-— <: лj, а в прочих точках промежутка [— я, л] равная 0.
Однако функция, которая в рассматриваемом промежутке ортогональна
ко всякой вообще интегрируемой функции, не отличается «существенно»
от нуля; мы будем называть такую функцию эквивалентной нулю.
Теперь можно доказать, что абсолютно интегрируемая в промежутке
[—я, я] функция f(x), коэффициенты Фурье которой все равны нулю,
необходимо эквивалентна нулю.
Действительно, если g(x)—произвольная функция, интегрируемая в соб-
собственном смысле, то, в силу 579, Г,
(Я) ]f(x)g (х) dx = (S) \g (дг) dF (x),
— те	— те
х
где F(х) = \ f (x) dx. При сделанных предположениях F(x) = 0 [см. (8)],
так что f(x) ортогональна к g(x).
Отсюда легко перейти к случаю, когда g(x) интегрируема в несоб-
несобственном смысле. Пусть, например, точка я будет ее единственной осо-
особой точкой. Тогда, полагая g* (х) = g (х) в [—л, я— ej (e>»0) и g*(x) = 0
в (я — е, я], по доказанному будем иметь
$ f-gdx= \f-g*dx = 0.
— it	— те
Остается лишь перейти к пределу при е—>-0.
Расширяя несколько понятие «полноты», можно утверждать теперь, что
тригонометрическая система (9) полна в классе абсолютно интегрируе-
интегрируемых функций. Смысл этого таков: кроме функций, эквивалентных нулю,
не существует абсолютно интегрируемой функции, которая в промежутке
[—я, л] была бы ортогональна ко всем функциям (9).
Наконец, если две абсолютно интегрируемые функции имеют одни и те
же коэффициенты Фурье, то их разность эквивалентна нулю. Если не счи-
считать такие функции «существенно» различными, то в некотором смысле
можно сказать и здесь, что абсолютно интегрируемая функция однозначно
определяется своими коэффициентами Фурье.
Замечание. Все сказанное сохраняет свою силу и порознь для
систем
1, cosx, cos 2дг,..., cosnx,...
или
sinx, sin2x,..., sinnx,...,
но лишь в промежутке [0, it].
19»

580	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[734
734. Равномерная аппроксимация функций. Теоремы Вейер-
штрасса. Если какую-либо функцию f{x) в промежутке [а, Ь)
«аппроксимируют»* с помощью другой, g(x), то качество этой
аппроксимации можно, в зависимости от обстоятельств, оценивать по-
разному. Но, естественно, в основу во всех случаях кладется рас-
рассмотрение разности
r(x)=f(x)-g(x).
Если мы одинаково заинтересованы в малом отклонении одной из
функций от другой во всех отдельно взятых точках, то
за меру приближения принимают их максимальное отклонение в
промежутке, т. е. число
8= sup |r(x)|.
В этом случае говорят о равномерной аппроксимации
функции f(x) с помощью функции g(x).
Мы приведем две фундаментальные теоремы Вейерштрасса,
относящиеся к равномерной аппроксимации непрерывных
функций, во-первых, с помощью тригонометрических многочленов и,
во-вторых, с помощью обыкновенных (алгебраических) многочленов.
Теорема 1. Если функция f{x) непрерывна в промежутке
[—и, тг] и удовлетворяет условию
то, каково бы ни было число е]>0, найдется такой тригоно-
тригонометрический многочлен
п
Т(Х) = <Х0 + 2 ("я» C0S mX + P"»Sil1 mX)>
m = \
что равномерно для всех значений х в упомянутом проме-
промежутке будет
|/|<	A0)
Построим прежде всего такую кусочно-линейную функцию
<f(x), чтобы повсюду в [—•%, it] выполнялось неравенство
Для этого разобьем промежуток [—it, тс] точками
на столь малые части, чтобы в каждой из них колебание функции /
* То есть приближенно воспроизводят.

734]	g 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	581
было <^ y • Функцию ср (х) определим в промежутке [— тс, тс], полагая
ее в каждом отдельном промежутке [х{, x,-+i] равной линейной
функци и
ffy\ I f(xi+i) f(xi) („ „\
/ \xi) Л	Т.	х	 <-Х — Xi>'
xi+l — xi
которая на концах промежутка совпадает с f(x). По сути дела речь
идет о вписывании ломаной линии в кривую, выражаемую уравнением
y=f(x). Если через тг и УИ,- обозначить наименьшее и наибольшее
значения функции / в г-м промежутке, то по условию Мг ¦— tn-i <С^ -к- > и
так как в этом промежутке значения обеих функций / и ср содер-
содержатся между mt и Mit то выполнение неравенства A1) во всем про-
промежутке [-— тс, it] удостоверено^
Функция <?(х) подобно fix) непрерывна в промежутке [—п, тс]
и удовлетворяет условию
ср (— те) = ср (те);
но, сверх того, она, как кусочно-манатоошая функция, имеет в этом
промежутке ограниченное изменение [568, 1°]. При этих условиях,
согласно признаку Дирихле—Жор дана [690], <р(лг) разлагается
в равномерно сходящийся ряд Фурье:
<р (X) — а0 + 2 Ят C0S тХ + §т Sln mX-
т=\
Следовательно, если в качестве многочлена Т(х) взять я-ю частичную
сумму этого ряда при достаточно большом п, то он будет отли-
отличаться от ср (х) меньше, чем на ~:
i	A2)
сразу для всех рассматриваемых значений х.
Из A1) и A2) вытекает A0).
Возьмем теперь последовательность {ek} убывающих до нуля по-
положительных чисел и для каждого числа е = eft построим многочлен
T=Tk(x), о котором была речь в доказанной теореме; тогда полу-
получится последовательность {Tk (x)} тригонометрических многочленов,
которая сходится к функции f(x) равномерно в промежутке
[—тс, «]. Переходя обычным образом [427] от последовательности
к бесконечному ряду, получим другую формулировку теоремы, оче-
очевидно, равносильную прежней: при указанных в теореме 1 усло-
условиях функция f(x) разлагается в равномерно сходящийся
ряд, членами которого являются тригонометрические многочлены.

582	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	G34
Из теоремы 1 уже легко выводится
Теорема 2. Если функция f(x) непрерывна в промежутке
[а, Ь], то, каково бы ни было число е^>0, найдется такой це-
целый алгебраический многочлен
что равномерно для всех значений х в [а, Ь] будет
|/(х)-Р(х)|<е.	A3)
Простой подстановкой
можно свести дело к рассмотрению промежутка [0, я], ибо многочлен,
целый относительно х', очевидно, будет целым и относительно х.
Чтобы не усложнять обозначений, будем считать, что первоначально
данный промежуток и есть [0, я].
Распространим теперь функцию f(x) на весь промежуток [ — я, я],
полагая	,. . ,, . .. .	.
/( — x)=f(x) (О <Х ==?*).
Функция сохранит непрерывность и, очевидно, будет удовлетворять
условию /(— я)=/(я). В таком случае по теореме 1 найдется такой
тригонометрический многочлен Т(х), что для всех значений
х между — я и я будет
|/(х)-7(х)|<|.	A4)
Если заменить каждую из тригонометрических функций, входящих
в состав Т, ее разложением по степеням х [404], то и функция Т
представится в виде суммы повсюду сходящегося степенного ряда:
В промежутке [ — я, тс] этот ряд сходится равномерно; поэтому,
если отождествить многочлен Р(х) с я-й частичной суммой этого ряда,
при достаточно большом я, то для всех х в промежутке [ — тс, я]
будет
<|.	A5)
Остается сопоставить A4) и A5).
Как и выше, доказанной теореме можно дать другую формули-
формулировку: функция f(x), непрерывная в промежутке [а, Ь], разла-
разлагается в этом промежутке в равномерно сходящийся ряд,
членами которого являются целые алгебраические многочлены.

735]	g 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	583
735. Аппроксимация функций в среднем. Экстремальные свой-
свойства отрезков ряда Фурье. При аппроксимации функции f(x) в
промежутке [а, Ь] с помощью другой функции g(x) можно стать и
на другую точку зрения, предпочитая вместо равномерной близости
этих функций требовать, чтобы функции были близки лишь «в сред-
среднем». В этом случае за меру близости их можно взять их с р е д-
нее отклонение
ь
или, чего мы и будем держаться в последующем, среднее квад-
квадратичное отклонение
Вместо этого выражения, впрочем, удобнее рассматривать более про-
простую величину:
Обратимся вновь к рассмотрению произвольной ортогональ-
ортогональной в промежутке [а, Ь] системы функций {<?т(х)\ (т = 0, 1, 2,...),
интегрируемых с их квадратами [679]. Пусть f(x) — заданная в том
же промежутке функция, также интегрируемая с квадратом, и п —
фиксированное натуральное число. Поставим себе такую задачу: из
всех линейных комбинаций первых п -\- 1 функций ср
ап (х) = Тосро (х) + TiTi (•*)+••• + ТпТ« С*)	A6)
при произвольном наборе коэффициентов f0, f,,..., fa найти ту, ко-
которая осуществляет наилучшее — в смысле среднего квадрати-
ческого отклонения — приближение к функции /(х). Иными словами,
требуется добиться наименьшего значения для величины
а
Подставив сюда вместо <*п(х) ее развернутое выражение, по-
получим:
К = \/г {х) dx - 2 J] Tm $/(*) Tm(x) dx +
а	т=й а
+ S tm\ &(x)dx + 2 2 T*tJ ?» (¦«) T« С*) ^
m=»0 a	Km	a

584	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[735
Последняя сумма исчезает ввиду ортогональности нашей системы.
Вводя постоянные
ь
и (обобщенные) коэффициенты Фурье функции
ь
ст = г [f{x)<?m(x)dx,
а
можно переписать выражение для Д„ в виде
j	2
т—0	т=.О
Чтобы под знаком суммы получить полные квадраты, нужно ввести
туда еще члены Хтс„. Добавив их с плюсами и с минусами, оконча-
окончательно получим:
Теперь ясно, что Ап достигает своего наименьшего значения
тогда, когда обращается в нуль последняя сумма, а это будет при
То == С0' Tl == С1> • • • > In == са-
Таким образом, из всех многочленов вида A6) именно отрезок
(обобщенного) ряда Фурье
Sn (X) = <70ср0 (X) + Cl?l (X) + • • • + С„=Ря (X)
доставляет величине Д„ наименьшее возможное для нее зна-
чете	ь	ь
К = J \f{x) - sn (х)]2 dx = \Р (х) dx - 2 *„<&•	A7)
0
от=0
Снова наше внимание приковывается к коэффициентам Фурье как,
в некотором смысле, «лучшим» из всех возможных! Важно отметить
при этом, что коэффициенты, оказавшиеся «лучшими» при фиксиро-
фиксированном п, сохраняют свою роль и при ббльших значениях я, к ним
лишь присоединяются еще новые коэффициенты!
Равенство A7) называют тождеством Бес се ля. Из него по-
получаются неравенства
2 $
т=0	а

735]	g 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	585
и (если перейти к пределу при п ->¦ -f- оо)
оо	Ь
m=0	a
Это — неравенство Бес се ля. Любопытно, что ряд в A8) оказы-
оказывается всегда сходящимся, лишь бы функция/(х) была интегри-
интегрируема с квадратом.
При возрастании п величина 8Л убывает, поскольку в ее выра-
выражении A7) добавляются новые отрицательные слагаемые. Чем
больше п, тем ближе сумма sn (х) «в среднем» подходит к рассма-
рассматриваемой функции /(х). Естественно возникает вопрос: можно ли
за счет увеличения п добиться сколь угодно малого
среднего квадратического отклонения, т. е. стремится
ли 8„ к О при л->-оо?
Если это выполняется, то говорят, что сумма sn (х) сходится к
функции /(х) «в среднем» (что — подчеркнем это — вовсе не пред-
предполагает «точечной» сходимости sn(x) к /(х) в обычном смысле
слова). Из тождества Б е с с е л я ясно, что тогда (и только тогда),
имеет место равенство [ср. A8)]:
т=0
Следуя В. А. С т е к л о в у, мы будем называть его уравнением
замкнутости. Обычно, впрочем, его называют формулой Пар се-
сева ля (М. A. Parseval), по имени ученого, который еще в начале
XIX века рассматривал подобную формулу для тригонометрической
системы (без какого-либо обоснования).
Если уравнение замкнутости выполняется для каждой функ-
функции f(x), интегрируемой с квадратом, то саму систему {<р„(х)}
называют замкнутой.
Применим теперь все сказанное в частности к тригонометри-
тригонометрической системе (9). Вместо сумм вида A6) придется рассматривать
тригонометрические многочлены
$п(х) = А0 + 2 Ат cos тх
G1=1
и исследовать осуществляемое ими приближение «в среднем», которое
характеризуется величиной
К= \ [f(x)-Sn(x)?dx.

586	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	1736
Оказывается, что при фиксированном п наименьшее значение
этой величине доставляет соответствующий отрезок ряда
Фурье	п
sn(x)= y+ 2 a"»cos mxJrbm sin тх-
Само же это наименьшее значение дается равенством
(«тождество Б е с с е л я»). Из него вытекает, как и в общем случае,
сходимость ряда, составленного из квадратов коэффициентов Фурье:
(«неравенство Бесселя»).
Для рассматриваемой конкретной системы (9) мы в состоянии
полностью решить поставленный в общем случае вопрос, что и будет
выполнено в следующем п°.
736. Замкнутость тригонометрической системы. Теорема Ляпу-
Ляпунова. Имеет место следующая замечательная теорема, строгое дока-
доказательство которой (для случая ограниченной функции) впервые было
дано А. М. Ляпуновым.
Теорема. Какова бы ни была интегрируемая с квадратом
функция f(x), всегда
и выполняется «уравнение замкнутости»
f+2 №+*»>=т
Доказательство мы разобьем на несколько этапов.
1°. Если функция f(x) непрерывна в промежутке [ — ъ, тс] и удо-
удовлетворяет условию/(— 1с)=/(тс), то по первой теореме Вейер-
штр а ее а существует такой тригонометрический многочлен Т(х) (по-
-рядок которого мы здесь обозначим через N), что

736J	§ 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬВ	587
где е — произвольное наперед заданное положительное число. Тогда
По экстремальному же свойству отрезка ряда Фурье [735], по-
поскольку Т(х) при желании можно рассматривать как тригонометри-
тригонометрический многочлен любого порядка n^N, и подавно, при n^N
К=] [f(x)-sn(x)?dx<:s,
—те
так что 8„-*0 при л->оо.
2°. Для того чтобы распространить это заключение и на другие
случаи, установим одно вспомогательное .неравенство.
Если интегрируемая с квадратом функция fix) представляется в
виде суммы /' (х) -f-/" (x) двух подобных же функций, то, обозначая
штрихами относящиеся к ним величины, будем иметь
fix) - sa ix) = [/' (х) - sn ix)} + \f" (x) - s'n ix)},
откуда
\f(x) - Sa ix)]* ^ 2 {[/' (X) - Sa'ix)? + [/" ix) -
и, далее,
^ 21] \f ix) - s'n ix)]* dx + J [/' ix) - Sn ix)? dx)
I—It	—%	I
или, короче:
Заметим, наконец, что из тождества Бесселя [см. A9)], применен-
примененного к функции f, следует
Таким образом, окончательно
Это и есть нужное нам неравенство.
* Мы пользуемся здесь элементарным неравенством

688	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[736
3°. Пусть теперь функция f(x) будет интегрируема в собствен-
собственном смысле (а значит ограничена) в промежутке [ — те, те]. Изме-
Изменяя в случае надобности значение функции на одном из концов
промежутка, можно считать, что /(— те)=/(те). Построим вспомога-
вспомогательную функцию ср (х), как мы делали это при доказательстве первой
теоремы Вейерштрасса [734], причем дробление промежутка на
этот раз выберем так, чтобы было
где s — наперед взятое по произволу положительное число, шг — ко-
колебание функции / в i-м частичном промежутке, a Q—полное коле-
колебание функции / во всем промежутке от — те до те [297].
Мы положим
/- = ?, /"=/-?.
В силу 1°, 8J,->0 при п->оо, так что, начиная с некоторого места,
С другой стороны, так как в 1-м частичном промежутке
то
j	2
i Xi	i	i
Теперь, ввиду B1), уже ясно, что для достаточно больших п будет
и т. д.
4°. Пусть, наконец, функция f(x) будет интегрируема в несоб-
несобственном смысле, но обязательно с квадратом. Для простоты
предположим, что при этом единственной особой точкой для /
(и для /2) будет х = п. Тогда по заданному е^>0 можно найти
такое т)^>0, что будет
Положим в этом случае

737]	§ i. операции над рядами фурьв	589
и, наоборот,
f"(x) = \ °
\f(x) при x^siz — -ij.
Очевидно,
— те	те—i]
С другой стороны, к функции f, интегрируемой в собственном
смысле, приложим только что доказанный результат. С помощью B1)
заключаем, что и здесь 8„ ->¦ 0. Этим завершается доказательство
теоремы Ляпунова.
Пользуясь установленной в предыдущем п° терминологией, можно
сказать, что тригонометрическая система является замкну-
той.
737. Обобщенное уравнение замкнутости. Пусть даны две
функции f(x) и ср(х), интегрируемые в промежутке [ — тс, -к] с квад-
квадратами. Как известно [483, 6)], тогда функции /-f-<p и /—<р также
будут интегрируемы с квадратами. Если обозначить, соответственно,
через ат, Ьт и а.т, рт коэффициенты Фурье функций / и <р, то
для функций f ± <р, очевидно, коэффициентами Фурье будут
m±m m±$m
Применив уравнение замкнутости порознь к функциям /-f-<p и
/— ер, получим:
2
те
т=\
Если почленно вычесть эти два равенства одно из другого, то, при-
принимая во внимание тождество
придем к обобщенному уравнению замкнутости
Уравнение B0) получается отсюда при ср=/. Эту общую формулу
также называют формулой Парсе валя.

590	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	f737
Обобщенное уравнение замкнутости B2) теснейшим образом свя-
связано с вопросом о почленном интегрировании рядов Фурье. Под-
Подставляя вместо коэффициентов а.т, рт их интегральные выражения:
ат = — ^ <р (х)cos тхdx, Рт = -^ \ <р(*) sin mxdx,
со tt
— ТС
(т=0, 1,2,...)	(т=1, 2, 3, . ..)
перепишем равенство B2) в виде
(ат cos mx + bm sin mx)<?(x)dx =
*) d*.
= 1 — те
Отсюда ясно, что упомянутое равенство совершенно равносильно
утверждению: ряд Фурье функции f(x) (интегрируемой с квад-
квадратом) по умножении всех его членов на произвольную функцию
ср(х) (также интегрируемую с квадратом) можно в промежутке
от — к до п интегрировать почленно (в том смысле, что в резуль-
результате этого получится интеграл от произведения обеих функций!).
Конечно, промежуток [— it, тс] здесь может быть заменен любой
его частью [х\ х"], ибо это попросту сводится к замене, скажем,
функции ср другой функцией, которая совпадает с <р в промежутке
[х\ х"] и равна нулю вне этого промежутка. При ср = 1 мы воз-
возвращаемся к тому утверждению, которое было установлено в 731,
впрочем, с одним ограничением: функция / все же здесь предпо-
предполагается интегрируемой с квадратом.
Формулу B2) можно доказать и при несимметричных условиях,
налагаемых на / и <р, облегчая эти условия для одной из функций, но зато
отягчая их для другой. Так, Юнгом (W. H. Young) была высказана следую-
следующая теорема: формула B2) имеет место в предположении, что функция
f(x) абсолютно интегрируема в промежутке {—я, п\, а функция <f (x)
имеет ограниченное изменение.
Доказательство опирается на одно свойство частичных сумм г„ (х)
ряда Фурье функции ш (л:), которое будет установлено лишь впоследствии
[744, 5°|:эти суммы'равномерно ограничены, т. е. для—яг=:
^ х s? я и п = 1, 2, 3, ...,
|вя(*)|аг1	(L = const).
Примем это свойство пока без доказательства.
Не умаляя общности рассуждений, можно предположить, что точки раз-
разрыва функции <р (лг) все являются регулярными [658J, так что всегда
r,rv _

737J
.§. 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬВ
в таком случае по теореме Дирихле — Жор дана
всех значений х
591
будем иметь для
и одновременно
lii
л-
Если / (х) ограничена:
I / (•*) I =6 М	(М = const),
так что и
\fW'»(x)]<ML	(я = 0, 1,2,...),
то по теореме А р ц е л а [526] заключаем, что
it	те
lim J / (х) с„ (х) dx = J/ (х) <р (х) dx.
B3)
Справедливость этого равенства может быть установлена и для случая
неограниченной (но абсолютно интегрируемой) функции /(*)• Пусть ее
единственной особой точкой будет лгзктс. Тогда сначала по заданному »>0
возьмем ¦>) > 0 так, чтобы было
те — 1)
вместе с этим будут выполняться и неравенства
Ле
f(x)aM(x)dx
(последнее — каково бы ни было га). В промежутке же [—п, л — ¦>)), где функ-
функция /(х) ограничена, имеем аналогично B3):
lim I f (х) с„ (*) dx = ] f (x) <? (х) dx.
Отсюда уже легко получается и само равенство B3).
Доказанное равенство есть лишь другая форма записи для формулы
B2), ибо
f- + ^ «m cos mx + Ря sin
т==1
x \dx =
2
т=\
Обобщенное уравнение замкнутости, установленное при иных условиях,
чем раньше, снова может быть перефразировано, как утверждение, относя-
относящееся к почленному интегрированию ряда Фурье (и притом в д в у х раз-
различных формулировках в связи с несимметричностью условий, нала-
налагаемых здесь на функции / и <р). Заметим, что на этот раз предложение п° 731
получается как следствие уже с полной общностью.

592	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[738
738. Умножение рядов Фурье. Пусть даны две функции / и ср
с их рядами Фурье:
оо
fix) ~ Q + У ат cos mx -f bm sin mx,
<p (x) ~y -f2«m cos mx -f- pm sin »глг.
Задача, которую мы сейчас ставим перед собой, состоит в том, чтобы
написать ряд Фурье для произведения /ср этих функций:
) ~ "у" 4" 2! Ат
sin
т. е. выразить его коэффадиенты через данные коэффняленты а, Ь
и а, р.
Предположим, что функции / и f интегрируемы с их квадра-
квадратами *, так что для них имеет" место обобщенное уравнение замкну-
замкнутости B2). Тогда оно непосредственно приводит к выражению для
коэффициента Ао:
2
т= 1
Нетрудно и определение коэффициентов Л^, В^ (ПРИ ^ =
= 1, 2, 3, ...) тоже свести к использованию формулы B2). Выра-
Выражение для Аь	п
Ak = — \ /ср cos kx dx
—те
отличается от выражения для Ац тем, что ср заменено на ср cos kx.
Постараемся же найти коэффящвенты Фурье для этой последней
функции:
1С	1 I 1 С
— \ ср(лг) cos kx- cos mxdx = -?r{— \ ср (x) cos (m-f-k)xdx-j-
l
1С
Y \ 9 ix) cos Ax • sin mx dx — ~ Фт+k + K-k),
* Вместо этого можно было бы предположить функцию / абсолютно инте-
интегрируемой, а <?-—имеющей ограниченное изменение.

739]	§ 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	593
.причем эти формулы годятся не только для m^k, но и для
если условиться полагать
а-л = ал> Р-л — — Ра*
Теперь, снова по формуле B2),
00
Аналогично получается, что
оо
Этими формулами и решается поставленная задача.
Интересно отметить, что те же выражения для коэффи-
коэффициентов А, В могут быть получены путем формаль-
формального перемножения рядов Фурье для функций /и <р,
если в последующем заменить произведения косинусов и синусов их
суммами или разностями и объединить подобные члены. Это обстоя-
обстоятельство тем более замечательно, что здесь мы вовсе не предпола-
предполагаем даже сходимости перемножаемых рядов.
739. Некоторые приложения уравнения замкнутости. Уравнение
замкнутости находит многообразные приложения как в самой теории рядов
Фурье, так и в других областях анализа. Мы рассмотрим в виде примера
некоторые из них.
Г. Абсолютная сходимость рядов Фурье. С. Н. Бернштейну при-
принадлежит следующая теорема: если функция f (x) с периодом 2л удовлетво-
удовлетворяет условию Липшица
с показателем а>-^-, то сходится ряд
где ап, Ьп — коэффициенты Фурье функции f*.
Заметим прежде всего, что, если
оо
amcosmx + bmsmmx,
то
f(x±h) ~-± -f- > [(am cos mh ± bm sin mh) cos mx -f-
+ ipm cos m^ T am sin тЛ) sin mx]
* Это влечет за собой сходимость порознь рядов S | вп I и 2 [ йя | и сле-
следовательно, абсолютную сходимость соответствующего ряда Фурье.

594	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
690, 26)]. В таком случае
оо
/ (х -f h) —/ (х — h) ~ 2 ^ ?in тЛ (bm cos mx — ат sin mx)
т=\
и, по уравнению замкнутости,
те	оо
¦^5 [/ <* + Л) -/ (X - ft)l« rfx = 4 ^ Pm Sin8 fflA.
G39
Если учесть теперь само условие Липшица, то интеграл слева оце-
нится числом СЛ2", где С — постоянная. Взяв произвольное натуральное
число N, положим h — -nj]'> тогда
(здесь Cj означает новую постоянную), а следовательно, и подавно
N
т>
N
„
по для
, очевидно,
и можно утверждать, что
т>2"
В частности, если выбрать Л^=2* (v=l, 2, 3, ...)¦ имеем
2'
2
Но по известному неравенству 133 Eа)
2
fi?K2C1-2-"'.22(V '' =

739J	§ 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	595
Суммируя все подобные неравенства при м = 1, 2, 3, ..., получим
1
—
ибо при а > -у ряд справа сходится. Теорема доказана.
Полученный результат предельно точен: примером можно показать, что
при а = -к- он уже не имеет места.
2°. Доказательство некоторых неравенств. Уравнение замкнутости
применяется к доказательству ряда полезных неравенств.
Начнем с неравенств, указанных впервые В. А. Стекловым и с успехом
использованных им в математической физике. Пусть функция f(x) непрерывна
в промежутке [0, я] и имеет в нем (за исключением разве лишь конечного
числа точек) производную /' (х), интегрируемую с квадратом. Тогда, если вы-
выполняется одно из двух условий
(a) ]f(x)dx = 0
или
имеет место неравенство
]x,	B4)
причем равенство осуществляется в случае (а) лишь для функций вида
f (х) = A cos х, а в случае (б)—для функций вида f(x)=Bsinx.
Начнем со случая (а). В этом случае в разложении функции/(л:) в про-
промежутке [0, я] по косинусам отсутствует свободный член:
п—\
Так как при четном продолжении функции / (х) на промежуток [— %, 0]
выполняется условие /(— n)=f(%), то по правилу п° 732
оо
f (х) ~ — 2 пап sin nx.
я=1
Теперь согласно уравнению замкнутости, которое, как легко видеть, имеет
место в промежутке [0, %\ и для ряда по косинусам и для ряда по синусам,
будет
и одновременно

596	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[739
Отсюда непосредственно и вытекает неравенство B4), причем ясно, что
равенство может иметь место, лишь если
а„==0 при и^2,
т. е. если / (л:) = at cos х.
В случае (б) аналогично рассмотрим для функции f(x) ряд по синусам:
00
bn sin nx.
При нечетном продолжении функции / (л:) на промежуток [ — я, 0], именно
в силу условия (б), сохранится непрерывность при х = 0 и выполнится тре-
требование/(— те)=/(те), так что снова приложимо^ правило п° 732:
/' (л-) ~ > nbn cos nx.
n=l
Применение уравнения замкнутости и здесь сразу решает вопрос.
Впоследствии Виртингер (W. Wirtinger) установил несколько более
общее неравенство. Предположим, что функция / (х) непрерывна в промежутке
[ — те, те] и имеет в нем (за исключением разве лишь конечного числа точек)
производную /' (л"), интегрируемую с квадратом. Тогда, если выполнены
условия
—
имеет место неравенство
] \f'{x)fdx^ ] \f{x)fdx,	B5)
— тс	—тс
причем равенство осуществляется для функций вида / (х) = A cos x -\-
-f- В sin х.
Доказательство, как и выше, сводится к применению уравнения замкну-
замкнутости к рядам
оо
f(x)~ 2 ап cos nx "Ь Ьп sin nx
И
00
/' (х) ~ 2j n (bn cos nx — ап sin ял:).
п = \
Неравенства Стеклова получаются из B5), если, в частности, положить
функцию / (л:) (а) четной или (б) н е ч е т н о й.
Ниже мы приводим пример установления более сложного неравенства.
3°. Изопериметрическая задача: требуется среди всевоз-
всевозможных замкнутых плоских кривых, имеющих данную
длину L, найти ту, которая ограничивает фигуру наи-
наибольшей площади.
Известно, что решением является окружность; приведем чисто аналитиче-
аналитическое доказательство этого факта, принадлежащее Г у р в и ц у (A. Hurwitz),
причем ограничимся рассмотрением гладких кривых.

739J	§ 1. ОПЕРАЦИИ НАД РЯДАМИ ФУРЬЕ	597
Итак, пусть замкнутая гладкая кривая (L) длины L задана параметрически,
причем в роли параметра фигурирует длина дуги s, отсчитываемая от некото-
рой точки:	x = x(s)t y:=y{s) (Os?ss?i).
Переходя к параметру t = —j—, изменяющемуся от 0 до 2п, перепишем эти
уравнения в виде
@	^(t) @
особо отметим выполнение условий
?@)=<рBк) и ф@)==фB»).
В силу 732, ясно, что из рядов Ф у р ь е, в которые разлагаются функции
+
wimt,
cm cos mt -\- dm sin mt,
ряды Фурье для их производных получаются почленным дифференцирова-
дифференцированием:
оо
<р' (t) ~ Л mbm cos m? — тат sin mf,
"К @ ~ Л ""*« о» ж* — тст sin /я&
m=l
Применяя здесь уравнение замкнутости, получим:
2л	оо
т=1
оо
т=1
Так как
то отсюда
оо
L = 2тс2 2j m (am + bm + cm + dm)-	B7)
m=l
С другой стороны, площадь F фигуры, ограниченной рассматриваемой
кривой, по известной формуле [526 (9)] выразится так:
2%	2я
F= \ xdy — { хЦ- dt= \ <р @ у (f) dt *.	B8)
,	 A)	О	О
* Если предположить (что мы вправе сделать), что при изменении пара-
параметра t от 0 до 2тс кривая описывается в положительном направлении.

598	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	|739
Воспользовавшись на этот раз обобщенным уравнением замкнутости, пред-
представим выражение для площади в виде
/>=* 2 m(amdm-bmcm).	B9)
В таком случае, вычитая из равенства B7) равенство B9), умноженное на 4п,
получим:
— bmcm)\
J
2
2
/71=2
и, так как все слагаемые суммы в фигурных скобках неотрицательны, всегда
будет выполняться «изопериметрическое неравенство»
то есть
Знак равенства имеет место — и одновременно площадь F получает наи-
наибольшее из возможных для нее значений — лишь в том случае, если все
слагаемые — нули, т. е. если
dm = тат, Ьт= — тст, bm — dm = 0.
(m = l, 2, 3, ...)	(m=2, 3, ...)
Это равносильно соотношениям
dt = ait ct = — bu am^=bm = cm = dn = Q для т^2.
Но тогда
x = -s- a0 -f-«! cos ^ -j- 6t sin ^,
3; = -к- c0 — &, cos < -j- ai s'n ^>
откуда
/ 1 \s / 1 \2
\ 2 °/ \ 2 / ' "
и наша кривая есть не что иное, как окружность! Этим и доказано
экстремальное свойство круга.

740]	§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ К РЯДАМ ФУРЬЕ	599
Заметим, впрочем, что если воспользоваться неравенством B5)*, то изо-
периметрическое неравенство можно установить, уже не прибегая
к уравнению замкнутости. Действительно, мы можем, не умаляя
общности, предположить, что центр тяжести кривой лежит на оси у, т. е. что
2т:
J <р(/)Л = 0.	C0)
о
Тогда из B6) и B8) имеем
4L
2n
2я	2я
— именно в силу неравенства B5), с учетом условия C0). При этом равен-
равенство может осуществиться, лишь если <р (t) = A cost-\-B suit и ф' @ =<р@»
откуда ty(t)=Asint— В cost-{-С, и т. д.
§ 2. Применение методов обобщенного суммирования
к рядам Фурье
740. Основная лемма. Для того чтобы в дальнейшем изложении
избежать повторений, мы предпошлем ему некоторые общие сообра-
соображения, составляющие существо ряда последующих доказательств.
Рассмотрим интеграл общего вида ^
содержащий параметр X. Областью изменения параметра пусть будет
некоторое множество Л = {Х}, имеющее точку сгущения to, конечную
или нет. Относительно функции Ф(?, X) предположим, что она опре-
определена для значений t в [0, а] и значений X из Л, и при постоян-
постоянном X интегрируема по t в собственном смысле. Кроме того, наложим
на функцию Ф(?, X) следующие три требования:
1°. Ф& ХMг0.
2°. Каково бы ни было X из Л,
\Ф(г, \)dt=\ **
о
и, наконец,
* Которое, очевидно, имеет место и при замене промежутка [ — я, те]
промежутком [0, 2я].
** Достаточно было бы предположить, что
lim Г
х-

но мы в этом обобщении не заинтересованы,

600	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[740
3°. При любом 8, 0<^8<^а, величина
М (8, Х) = вирФ(*, X)
при X —<¦ о) стремится к нулю.
Функцию Ф, удовлетворяющую этим условиям, для краткости
будем называть положительным ядром.
Лемма. Если Ф (t, X) есть положительное ядро, a g(t) —
произвольная, абсолютно интегрируемая функция, для которой
существует предел g(-\-0), то
Доказательство. Ввиду 2°,
о
вычитая это равенство почленно из A), получим!
J$)-g(+0) = \\g(i)-g( + 0)]<u(t, l)dt.
о
Задавшись произвольным числом е ^> 0, возьмем теперь 8 @ <^ 8 <^ а)
так, чтобы при 0<^sg;8 было
и разобьем предшествующий интеграл на сумму двух интегралов:
а Ь а
0 0 8
Для первого из них, принимая во внимание 1° и 2°, сразу получаем
оценку;
о	о
и притом независимо от X. С другой стороны,
B)

741]	§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ К РЯДАМ ФУРЬВ	601
В силу 3°, J2—• 0, так что для значений X, достаточно близких к <о,
будет |Л|<С^1 а вместе с этим и
что и требовалось доказать.
К сказанному сделаем еще такое дополнение. Предположим, что
функция g, кроме переменной t, зависит еще от одной переменной х
(О =<s х < а):
g=g(t, х),
но при постоянном х удовлетворяет прежним условиям. Тогда, если
1) g(t, x) равномерно ограничена при всех t а хг
\g(t, *)|<I
и 2) стремление g(t, x) к g(-\-0, x) осуществляется равно-
равномерно относительно х, то и интеграл
при X —о) стремится к пределу g(-\-0, x) равномерно от-
относительно х.
Действительно, в силу 2) число 8, о котором была речь в пред-
предшествующем рассуждении, можно выбрать независимо от х.
Далее, так как, в силу 1),
то неравенство B) можно заменить таким:
|У,|<2?аЛ1(8, X),
где справа уже нет никакой зависимости х. Отсюда ясно, что для
значений X, достаточно близких к ш, неравенство | J21 <^ -у, а с ним
и неравенство
будет выполняться сразу для всех значений х, что тре-
требовалось доказать.
741. Суммирование рядов Фурье по методу Пуассона—Абеля.
Пусть f(x) снова означает функцию с периодом 2л, абсолютно
интегрируемую в любом конечном промежутке. Рассмотрим ее ряд
Фурье
йт cos mx + Ьт sin mx
т=1

602	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[741
и при произвольном фиксированном х применим к нему метод обоб-
обобщенного суммирования Пуассона — Абеля [418]. С этой целью
умножим члены этого ряда по порядку на гт(т = 0, 1, 2, ... ),
где 0<^г<^1, и составим ряд
00
f(r, x) = ^ + ^ rm(amcosmx + bmsmmx).	D)
Так как коэффициенты ат, Ьт при т ->¦ оо стремятся к нулю [656],
то они ограничены в их совокупности:
|в»И*»К* (*=const),
оо
так что ряд D) мажорируется просто прогрессией 2К^] тт и заве-
о
домо сходится.
Чтобы облегчить исследование поведения его суммы f(r, х) при
г —> 1, представим ее в виде интеграла. Если заменить в D) коэф-
коэффициенты ат, Ът их интегральными выражениями
1С	1С
ат = — \ /(и) cos mu du, bm = — \ /(н) sin mu du,
—те	—1С
(т = 0, 1, 2 ...)	(т = 1, 2, ...)
то получим сначала
1С	00	1С
fir, х) = 1 J /(и) du +1 2 rm J /(и) cos /и (в - *) d«,
—л	/я = 1 —л
а затем
cos m (и-x)}du.
Переход этот мотивируется ссылкой на следствие, установленное
в п° 510: равномерно (относительно х) сходящийся ряд в фигурных
скобках, по умножении его членов на абсолютно интегрируемую
функцию, можно интегрировать почленно. Так как сумма упомянутого
ряда нам известна [см., например, 741, 2)]:
m=l
то окончательно приходим к такому выражению:
о»

741]	§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ К РЯДАМ ФУРЬЕ	603
Этот замечательный интеграл, называемый интегралом Пу ас с она
(S. D. Poisson), играет важную роль во многих вопросах анализа.
Фактически и ряд D) и интеграл E), к которому этот ряд при-
приводится, были рассмотрены Пуассоном задолго до появления
идеи «обобщенного суммирования», но рассуждения авто_ра не были
достаточно строгими. Точную теорию интеграла Пуассона дал
Шварц (Н. A. Schwarz).
Теорема. Пусть для функции f(x) в рассматриваемой
точке х существуют пределы справа и слева f(x±0). Тогда
п
1'Г /(Г> X)==Jf S
rJf-o
В частности, в точке непрерывности этот предел равен f{x).
Если же функция f(x) везде непрерывна *, то f(r, x) стре-
стремится к f(x) равномерно относительно х.
Доказательство. Преобразуя интеграл Пуассона E)
так же, как мы в свое время преобразовали интеграл Дирихле [681],
получим:
1С
Желая применить к этому интегралу лемму предыдущего п°, мы
положим
f(x + t)+f(x-t) _
2	— ° *• ''
а в качестве ядра возьмем функцию
(ядро Пу ас с о на). Здесь роль параметра X играет г, область его
изменения есть промежуток [0, 1), а ш=1. Покажем, что функ-
функция Ф удовлетворяет всем требованиям, предъявленным в преды-
предыдущем п° к положительному ядру.
Прежде всего Ф(^, г)^>0 [см. требование 1°]. Действительно,
при г <^ 1 числитель дроби (8), очевидно, положителен; то же
заключение легко сделать и о знаменателе, если представить его
в виде
1— 2rcosf + r2 = (l — r)a + 4rsinag-.	(9)
* Напомним, что мы предполагаем функцию f(x) имеющей период 2п.

604	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[741
Если, далее, положить в G) /=1, то и /(г, х) = \, и мы полу-
получаем, что
1 С	1—г3	1± ,
т. е. выполняется требование 2°. Наконец, при 8 =^? =g; тс (если
число 8 произвольно выбрано между 0 и л) будет sin к-
так что [см. (9)]
Отсюда
М(Ь, r) = sup Ф(^г)<--
Очевидно, УИ (8, г) —«¦ 0 при г —• 1 (и фиксированном 8); выполнено
и требование 3°.
В таком случае на основании упомянутой леммы имеем
llm
•-* 1—0
что и требовалось доказать.
Пусть теперь функция/(лт) будет везде непрерывна. Тогда
она необходимо ограничена: \/(х)\^К, а вместе с этим и
+f(x-t)
2
Кроме того, ввиду равномерной непрерывности функции f(x)
выражение
2
стремится при t—>-\-0 к своему пределу f(x) равномерно
относительно х. Этим на основании дополнительного замечания
предыдущего п° оправдывается и заключительное утверждение
теоремы.
Итак, доказанная теорема учит, что в точке х, где функ-
функция f(x) непрерывна или, в крайнем случае, имеет разрыв
первого рода, ряд Фу р ье C) суммируем по методу Пу а с-
сона — Абеля, причем «обобщенной суммой» ряда оказывается
f(x) или /(* + <»+/(*-<»
смотря по случаю.

742]
§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ К РЯДАМ ФУРЬЕ
605
Замечание. Если функция f(x) первоначально была задана
лишь в промежутке [—it, it], то, переходя обычным образом [687]
к периодической функции, легко усмотрим, что для — тс <^ х <^ те
все остается по-старому, а для х = ±к пределом интеграла
Пуассона, или «обобщенной суммой» ряда, будет
742. Решение задачи Дирихле для круга. Интеграл Пуассона,
изученный в предыдущем п°, может быть использован при решении так
называемой задачи Дар ихле для одного простого, но важного частного
случая. Напомним, что функция и = и (х, у) называется гармонической
в некоторой области, если она в этой области непрерывна вместе со своими
да да д2и д3и
производными з-, з-, ^-"г, д-j и удовлетворяет уравнению в частных
производных	Л2
У
(уравнение Лапласа). Рассмотрим конечную область (О), ограниченную
замкнутым контуром (L). Тогда задача Дирихле для этой области форму-
формулируется следующим образом: на конту-
контуре (I) произвольно задана непрерывная
функция точки; требуется же найти
такую непрерывную в замкнутой обла-
области (О) и гармоническую внутри нее
функцию и = и (х, у), которая на кон-
контуре совпадала бы с заданной функ-
функцией *. Мы дадим решение этой задачи
для случая, когда область (D) есть круг,
описанный вокруг начала радиусом 1 (к это»
му, очевидно, легко приводится и случай
произвольного круга).
Итак, пусть на окружности (L) на-
названного круга задана некоторая непрерыв-
непрерывная функция точки. Если положение точки
на окружности определять полярным уг-	Рис. 145.
лом 6 (рис. 145), то это равносильно зада-
заданию непрерывной (и, очевидно, имеющей
период 2я) функции /F). Нам удобно и внутри круга (О) перейти к поляр-
полярным координатам г, 6, заменив уравнение A0) соответственно преобразо-
преобразованным уравнением
[см. 222, 1)]; нам предстоит, таким образом, найти непрерывную при
функцию и = и(г, в), которая при г<1 удовлетворяла бы уравнению A0*),
а при г = 1 совпадала бы с /(9).
В порядке наведения начнем с простейших (не считая постоянной)
решений уравнения A0*):
rncosn8, rnsinn8 (n=l, 2, 3, ...);
* В п° 602, 7) было установлено, что своими контурными значениями
гармоническая функция определяется о д н о з'н а ч н о.

6C6	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[742
найти их можно было бы по методу Фурье [701]. Нетрудно проверить
непосредственно, что эти функции уравнению удовлетворяют. Умножив их на
произвольные множители Ап, Вп и присоединив еще постоянный член Ао,
составим ряд
00
и (г, 6) = Ао + 2 {Ат cos тв + Вт sin mb) rm,
m = i
который формально* также удовлетворяет уравнению A0*). Наконец,
учитывая граничное условие: иA, в)=/(8), получим
00
S	sin тй=
откуда, как обычно, заключаем, что Ао, Ат, Вт суть коэффициенты Фурье
функции /(в):
Окончательно приходим к такому, пока формальному, решению постав-
поставленной задачи:
оо
rm (am cos mV + bm sin тв).	A1)
В этом ряде легко узнать ряд Пуассона для функции/F), который, если
угодно, можно заменить и интегралом Пуассона:
«(г, «0 = i \ /(«) 1_2гсо^^6) + г8 da.	(И*)
Остается убедиться, что построенная функция в действительности
удовлетворяет всем требованиям.
Прежде всего, так как коэффициенты ат и Ьт ограничены в их совокуп-
совокупности, то нетрудно видеть, что если рассматривать лишь значения г=йг0)где
го<1, но может быть взято сколь угодно близким к единице, ряды, получен-
полученные из A1) почленным дифференцированием по г или по 6 (однажды или
дважды), все будут сходиться равномерно как относительно г, так и отно-
относительно 6. В таком случае они и дадут последовательные производные функ-
функции и (г, в), и эта функция внутри круга, т. е. при г< 1, будет удовлетворять
преобразованному уравнению Лапласа, поскольку ему удовлетворяют по
отдельности все члены ряда.
Внутри круга функция и (г, 6) непрерывна по совокупности переменных
(г, 6); это вытекает из равномерной сходимости ряда A1) сразу по обеим
переменным (при г =¦?/¦„< 1) по теореме 1 п° 431, которая легко распростра-
распространяется и на случай функций двух переменных. Установим теперь, что функ-
функция и (г, 6), при приближении точки М (г, 6) изнутри круга к точке М'(\, 60)
на окружности, стремится именно к /(90). Действительно, ввиду непрерывности
функции/(в) по произвольно взятому е>0 найдется такое 8>0, что при
16 — 601 < 8 будет
1/(8) -/(».) К j.
* Если допустить возможность беспрепятственного почленного
дифференцирования.

743)
§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ К РЯДАМ ФУРЬЕ
607
С другой стороны, в силу того, что и (г, 8) при г—1—0 стремится к /(в)
равномерно относительно 6 [741], число Ь можно считать и столь малым,
что при | г—1|<8 будет
|я(г, 9)-
при всех 6. Итак, окончательно при \г — 1|<8и |8 — 6О|<8 имеем:
|И(Г, 9)-/(9„)|<е,
что и завершает доказательство.
743. Суммирование рядов Фурье по методу Чезаро — Фейера.
Как известно [681], частичная сумма sn(x) ряда Фурье C) может
быть представлена интегралом Дирихле
2 sin -н- (и — х)
— те
В таком случае среднее арифметическое первых п таких сумм напи-
напишется в виде:	п
п-\
sin
^(и — х)
?3) 2 sin ~-(u — x)
или после упрощения [ср. 418, 2)]:
¦da
sin у (и — х)
sin -к- (и — х)
da.
Этот интеграл называют интегралом Фейера (L. Fejer) по имени
ученого, впервые успешно применившего метод средних арифметиче-
арифметических к обобщенному суммированию рядов Фурье. Фейеру принад-
принадлежит также следующая теорема (см. теорему Шварца).
Теорема. Пусть для функции f(x) в рассматриваемой
точке х существуют пределы справа и слева f(x±0). Тогда
lim о„(-*)=
~\ч
du =
— • О2)
В частности, в точке непрерывности этот предел равен f(x).
Если же функция f(x) везде непрерывна*, то сумма оп(х)
стремится к f(x) равномерно относительно х.
* См. сноску на стр. 603.

608	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[743
Доказательство. Подобно интегралу Дирихле и интегралу
Пуассона, интеграл Ф е й е р а может быть представлен в виде:
f )	аз)
J	\sinTV
Этот случай также подходит под общую схему п° 740, если поло-
положить, как и в 741,
f(x + t)+f(x-t) _ „
2	— s \lh
а за ядро принять функцию
п
(ядро Фей ер а).
Легко убедиться в том, что это действительно положитель-
положительное ядро, как оно было определено в п° 740 (вместо X здесь на-
натуральный параметр п; ш = -|-оо). В самом деле, что
Ф(*. я) 3*0,
непосредственно очевидно. Если в A3) взять /= 1, то одновременно
и sn=l, а также с„=1, так что
A4)
т. е. для ядра Ф е й е р а выполняется требование 2° п° 723. Что же
касается требования 3°, то легко получить оценку
М(Ь, я)= sup	^Ц
откуда и следует, что М (8, п) —> 0 при п —> со.
В таком случае, применяя лемму п° 740, получим предельное
соотношение A2).
Наконец, заключительное утверждение теоремы обосновывается
как и в случае теоремы Шварца.
На этот раз из доказанной теоремы явствует, что в точке х,
где функция f(x) непрерывна или, в крайнем случае, имеет раз-
разрыв первого рода, ряд Фурье C) суммируем по методу средних
арифметических, причем «обобщенной суммой» ряда будет
т или
соот ветственно.

744| « з. примр.нкние методов суммирования к рядам фурьр.	609
Опираясь на теорему Фробениуса D21). из этого утверждения,
как следствие, можно получить аналогичное утверждение п 741.
относящееся к суммированию по методу Пуассона — Абеля.
Если функция f(x) задана лишь в промежутке [— т., «], то по
поводу нес можно повторить замечание, сделанное в конце
п 741.
744 Некоторые приложения обобщенного суммирование рядов
Фурье. Мы имеем здесь в виду привести некоторые следствия из тео-
теоремы Фейера (хотя для той же цели, иной раз — иеной небольшого
усложнения рассуждений, — могла бы служить и теорема Шварца).
Первые два из них иллюстрируют то любопытное обстоятельство,
что обобщенное суммирование может послужить основанием для утвер-
утверждений, относящихся к суммированию в собственном смысле!
Г. Если ряд Фурье C) сходится в некоторой точке х.
где функция /(х) непрерывна или имеет обыкновенный разрыв,
то сумма ряда необходимо равна
/(*) или iiiXi'JT
соответственно.
Действительно, именно такова по теореме Фейера будет «обоб-
«обобщенная сумма> ряда, полученная по методу средних арифметических.
Венду же регулярности этого метода D20), поскольку ряд имеет сумму
в обычном смысле, эта сумма должна совпадать с «обобщенной
суммой».
2*. Из теоремы Фейера как следствие может быть получена теорема
Дирихле--Жордаиа о сходимости ряда Фурье для функции с ограни-
ограниченным изменением |70в).
Если f(x) есть функция с ограниченным изменением во всем промежутке
[— я, я), то в любой точке х для нее существуют пределы f(x ± 0), н «обоб-
«обобщенной суммой» ряда Фурье будет —— f	• ** другой сто-
стороны, известно [707], что для функции с ограниченным изменением коэффи-
коэффициенты Фурье a,, ft, будут порядка О (-|, а тогда по теореме Харды
D22) отсюда следует, что ряд C) сходится в обычней смысле н притом к той
же сумме.
Этим, впрочем, не покрывается еще теорем» Д и р ¦ х л е - Ж орда на,
которая в формулировке п* 686 имеет, так сказать, «локальный» характер.
Ограниченность, изменения там требуется лишь по «тиоамнию к произвольно
малой окрестности рассматриваемой'точки. Но мы эмлкм D83), что именно
значения, принимаемые функцией в этой окрестности, и ояределяют поведение
ряда Ф > р ь е и величину его суммы в данной точке. Поэтому, ничего не меняя
по существу, мы могли бы изменить значения функции вис упомянутой окрест-
окрестности так, чтобы получилась функция с ограниченным изменением во всем
промежутке |— я, г.], а к этой функции уже применимо сказанное выше.
Я*. Если функция f(x) непрерывна в промежутке (— я, я] и к тому же
удовлетворяет условию
20 Г. М. Фагтеагшиц. т. Ill

610	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[744
то она может быть распространена на всю числовую ось, как периодическая
(с периодом 2я) и повсюду непрерывная функция. В таком случае последова-
последовательность фейеровских сумм { оя (л:)} сходится к f(x) равномерно для
всех х в промежутке [—-я, я]. Так как каждая такая сумма есть тригоно-
тригонометрический многочлен, то отсюда очевидным образом получается
теорема Вейерштрасса об аппроксимации периодической непрерывной
функции [734].
4°. Из теоремы Ф е й е р а непосредственно может быть получено утвержде-
утверждение о полноте тригонометрической системы в классе не-
непрерывных функций [ср. 733]. В самом деле, если непрерывная в про-
промежутке [—я, я] функция f(x) оказывается ортогональной ко всем функциям
тригонометрической системы, так что равны нулю все ее коэффициенты
Фурье, то ап(х) = 0. В то же время, по крайней мере в открытом проме-
промежутке (—я, я), оя(аг)— f(x) при /г — оо; следовательно, f(x) = 0 внутри про-
промежутка, а по непрерывности — и на концах его.
Присовокупим еще следующие замечания, хотя и не связанные с теоремой
Ф е й е р а, но относящиеся к фейеровски.м суммам.
5°. Если функция f(x) оказывается ограниченной и при изменении в
промежутке [—я, я] содержится между т и М, то между теми же
границами содержатся и все фейеровские суммы о„ (х).
Это сразу получается из оценки интеграла A3) с учетом A4):
Для частичных сумм ряда Фурье sn (x) подобное утверждение уже не
имеет места: здесь сказывается тот факт, что «ядро Д и р и х л е>
я	. 1 , '
sinT
в отличие от «ядра Ф е й е р а», меняет знак. По отношению к этим суммам
нельзя ручаться даже за существование общих для них всех границ.
Однако если коэффициенты ап, Ьп функции f(x) будут порядка
0(—], то и частичные суммы sn(x) все же оказываются равномерно
ограниченными. Именно, если при всех и=1, 2, 3, ... имеем
то можно утверждать, что
m — (А + В) ^ sn (х) sg M + (Л + В).

745]	§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ К РЯДАМ ФУРЬР.	611
Действительно, применяя к настоящему случаю соображения п° 422,-
получим:
я
^ * (ak cos *•* + ** s'n kx)
«я (*) = "я+i (X) H-	^"TTj	.
Но
I k {aji cos kx -f- &ft sin ftx) | ^ Л + В,
в то время как по доказанному
Отсюда и вытекает требуемое утверждение.
Если, например, рассмотреть разложение [690, 2)]
^	X	%i f"* 1»л /л _	^ л \	/1К\
то здесь т = —=-, М = -к-, ,4 = 0, В = 1. Поэтому можно утверждать, что
частичные суммы этого ряда по абсолютной величине равномерно ограничены
числом -s- + 1 [ср. 702].
Из доказанного утверждения можно сделать и более общее заключение:
частичные суммы ряда Фурье функции с ограниченным изменением бу-
будут все равномерно ограничены [ср. 737]. Это следует из того, что для
названной функции коэффициенты Фурье ап, Ъп заведомо будут порядка
О A) [707].
745. Почленное дифференцирование рядов Фурье. Если ряд
Фурье C) функции/(лг) продифференцировать почленно, то полу-
полученный ряд
00
2 w (bm cos тх — ат sin mx),	A6)
вообще говоря, -будет расходящимся, даже если в рассматриваемой
точке х для функции f(x) существует конечная производная f (х).
Примером может служить только что упомянутый ряд A5): почлен-
почленное дифференцирование приводит к повсюду расходящемуся ряду
оо
2 cos mx.
Однако имеет место следующее интересное предложение, принад-
принадлежащее Ф а т у1 (P. Fatou): если в точке х существует конечная
производная f (x), то ряд A6) суммируем по методу Пуас-
Пуассона — Абеля и именно к сумме f (x).
20*

612	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[745
Для доказательства продифференцируем по х ряд Пуас-
Пуассона D):
со
~df{rd'xx)=2ifnm to»cos mx~пт sin
дх	__
т=\
почленное дифференцирование здесь допустимо в силу равномер-
равномерной относительно х сходимости полученного ряда. Тот же резуль-
результат получится, если продифференцировать по х интеграл Пуас-
Пуассона E):
д/(г, х)_ 1 \ f(A 2r(l-r')sin(M-x) .
дх — Ъ1 У (и} [1 -2r cos(m — x) + г*]> аи>
причем в этом случае можно дифференцировать под знаком инте-
интеграла по теореме 3* п° 610. Последний интеграл преобразуем так:
*f(r,x)_ I I f( ¦ t) 2r(l-r»)sin<,
дх — 2r J;iX^l)[\-2rcost + r>]*aT —
— 1С
_ 1 I f(x + t)-f(x-t) 2(l-^r')sin4
~Г" T J	2Ж7	[l-2rcosf + r!1jl * l- '
Положим
2 sin*
если переписать это выражение в виде
|
[
у[	—
то станет ясно, что
Покажем, далее, что функция
г)
является положительным ядром в смысле п° 740. Прежде
всего, очевидно,
Положим в A8), в частности, f(x) = sinx. Тогда
fl «	. df(r,x)	f(x + t)—f(x — t)
f(r, x) = r sin x, ~y ' = r cos x,	2sinV	"^ == COS X

746J	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	613
Подставляя все это, по сокращении на г cos x, получим, что
J_ I 2(\—rt)smit ^_.
Наконец,
= sup
14r sin» -J-J
так что заведомо Ж(8, г)—*0 при г—»1.
Применяя теперь лемму п° 740, видим, что интеграл A8), который
служит суммой ряда A7), стремится к f(x) при г—1. А это и
означает, что ряд A6) суммируется по методу Пуассона — Абеля
к f (х), что и требовалось доказать.
Замечания. L Доказанная теорема может быть обобщена на
случай повторного дифференцирования: если в рассматриваемой
точке существует конечная производная /*р) (х)(р^>1), то ряд,
полученный из C) р-кратным дифференцированием, суммируем
к /(р) (х) по методу Пуассона — А бел я.
II. Для суммирования по Ч е з а р о уже не имеет места утвержде-
утверждение, аналогичное теореме Фату. Если, впрочем, усилить требования
к производной и предположить непрерывность ее в рассматри-
рассматриваемой точке, то суммирование по Пуассону — Абелю может бьиь
заменено суммированием по Чезаро.
§ 3. Единственность тригонометрического разложения
функции
746. Вспомогательные предложения об обобщенных производ-
производных. Чтобы ниже не прерывать изложения важного вопроса, указан-
указанного в заголовке, мы предпошлем ему ряд вспомогательных соображений.
Пусть в некотором промежутке [а ,Ь\ задана функция f(x). Возьмем
значение л: между а и Ь: а<^х<^Ь; тогда для достаточно малых
А^>0 имеет смысл разность AkF(x)=F(x-\-ti} — F(x — А). Если
существует конечный предел-
}= hm
его называют обобщенной {«симметрической») производной функ-
функции F(x) в точке х. Лишь только существует производная F (х)
в обычном смысле, необходимо существует я обобщенная производ-
производная №'Цх), ей равная; это непосредственна видно из следующего
соотношения: при h—*~\-0
F(x) . F(x-h)-F(x)

614	ГЛ. XX, РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[746
Однако обобщенная производная может существовать в некоторых
случаях, когда обыкновенной производной нет. Примером тому служит
функция
известно [Ю2, 1°], что в точке х = 0 производной она не имеет;
обобщенная же производная ее в этой точке равна нулю.
Рассмотрим, далее, вторую разность
Ь% F (х) = ДЙДЙ F (х) = bhF (х + h) - bhF (x-h) =
2h)-F(x))-[F(x)-F{x-2h)} =
Если существует конечный предел
его называют обобщенной второй производной функции F(x)
в рассматриваемой точке х. И здесь можно доказать, что в случае
существования обычной второй производной F' (х) существует и равна
ей обобщенная производная. Действительно, если к двум функциям
от hK A%F (х) и 4ft2 применить формулу К о ш и *:
F {х + 26Л) — F (х — 28Л)
4Л2	46Л
то, в силу сказанного выше'об обобщенной (первой) производной
ясно, что . при h —- 0 полученное выражение стремится к F' (х).
Пример функции
l
= x* sin l(x^0)
[см. 101, 2°] показывает, что обратное утверждение неверно: суще-
существование обобщенной производной Я (х) не влечет за собой обяза-
обязательно существования обычной производной F" (х).
Следующая теорема устанавливает, что обобщенная вторая произ-
производная в некоторых случаях может играть ту же роль, что и обык-
обыкновенная
Теорема Шварца. Если для непрерывной в промежутке [а, Ь\
функции F(х) обобщенная вторая производная F'"'(х) суще-
существует внутри промежутка и равна нулю, то F(х) будет
линейной функцией (совсем так, как если бы было дано, что обык-
обыкновенная производная F" (х) = 01).
* Предположение о существовании второй производной F" (х) в точке х
уже включает предположение о существовании первой производной F' (х)
в окрестности этой точки.

746]	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	615
Для доказательства возьмем произвольное число е ^> 0 и построим
вспомогательную функцию
-\-&(х — а)(х — Ь),
причем наши рассуждения будут в равной .мере относиться к обоим
знакам перед скобками. Тогда внутри промежутка имеем
9l"l(jf) = 2e,	A)
ибо для функции F обобщенная вторая производная равна нулю'
а для квадратичной функции — ее обыкновенной второй производной *•
Функция <р(х) на концах промежутка [а, Ь] обращается в нуль.
Покажем, что внутри промежутка она не может принимать положи-
положительных значений. Действительно, в противном случае <?(х), как не-
непрерывная функция, достигала бы своего наибольшего (положитель-
(положительного) значения в некоторой внутренней точке х^. Но тогда мы
имели бы
и, наконец,
вопреки равенству AI
Итак, (р(х)^О для всех х, т. е.
<e(b-a)\
и притом, какой бы знак, плюс или минус, ни взять перед скобками.
Поэтому и
Ввиду произвольности е отсюда следует, что левая часть неравенства
есть нуль, так что
что и требовалось доказать.
Иной раз условие Я"! (х) = О оказывается удовлетворенным повсюду,
за исключением отдельных «точек неизвестности», где про выполнение
его ничего не дано. Тогда находит применение
* Ясно, что если две функции F и О в рассматриваемой точке имеют
производные F' и G'"', то для их суммы или разности F±G также суще-
существует обобщенная вторая производная, равная, соответственно, F^"' ± G^'-

616	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	G47
Обобщенная теорема Шварца. Пусть для непрерывной в про-
промежутке [а, Ь\ функции F{x) производная F^"^(x) существует и
равна нулю повсюду внутри промежутка, за исключением конеч-
конечного кисла «точек неизвестности»
Если в каждой из этих, точек выполняется хотя бы облегченное
условие	,
Нш ^ = 0,	B)
то функция F(x) все же будет в промежутке [а, Ь] линейной.
По предыдущей теореме функция F(x) наверное будет линейной
функцией от х между двумя исключительными значениями, так что,
скажем, в промежутке [xt_\, xt] имеем
= cx-\-d,
а в смежном промежутке^ [х,-, Jc,+i]
F(x) = c'x-\-d'.
При этом в точке х — х{ оба выражения совпадают:
F(xi)=cxl-]-d = c'xi-ird'.	C)
Условие B) для x = xt дает
iF{xt + Щ- F(Xi) F(x{-2h)- F(Xi)\ _
A!l+ot	2Л	=Г2Л	f-a
Но левая часть здесь выражает попросту разность угловых коэффи-
коэффициентов прямых y — cx-\-d пу = с'х -)- d\ Итак, с = с', а тогда из C)
и d—d', т. е. оба прямолинейных отрезка составляют на деле про-
продолжение один другого. Так как сказанное относится к любым двум
смежным отрезкам, то график нашей функции во всем промежутке
[а, Ь] будет прямая, и функция оказывается линейной.
747. Риманов метод суммирования тригонометрических рядов.
Важную роль в дальнейшем играет развитый Рим а ном метод сум-
суммирования тригонометрических рядов:
C0S ПХ
Этот метод не предполагает вовсе, что ряд D) является рядом
Фурье для какой-либо функции, и может быть приложен к совер-
совершенно произвольному тригонометрическому ряду, лишь бы коэффи-
коэффициенты его были ограничены в их совокупности:
(? = const).	E.)

747]	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	617
Формально проинтегрировав ряд A) почленно дважды, получим ряд:
оо
а„ cos пх + Ъп sin пх	.„.
1
При выполнении условия E) этот ряд мажорируется сходящимся рядом
1
и, следовательно, в любом промежутке изменения х сходится равно-
равномерно и определяет непрерывную функцию F(х). Если для нее
в данной точке х существует конечный предел
iim
т. е. обобщенная вторая производная fl"l(x), то последнюю и.
называют «обобщенной суммой» ряда A) в смысле Р и м а н а.
Если для примера применить этот метод к ряду
то здесь
X*
-Т'
Вспоминая [664, 9)], что для 0 <: х «s; 2тс суммой ряда, стоящего
J v-2
¦хх
справа, будет-j	-^—l~"g"» имеем
Поэтому для 0<^jf<;2ic, очевидно, Я (x) = F'{x) = 0, и «обобщен-
«обобщенной суммой» ряда оказывается нуль [ср. 418 и 420].
Легко проверить, что
Д1 cos пх = — 2 cos пх A — cos 2nh) = — 4 cos nx .sin* nh
и
&% sin их = — 4 sin nx sin* «A.
Отсюда
Таким образом, метод суммирования Римана сводится
к умножению членов ряда D) на множители вида
/sin nh\*
I ¦ , 1 и к предельному переходу при Л-*.О.

•618	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[747
В такой форме метод v и м а н а может быть приложен и к совер-
совершенно произвольному ряду
оо
л=0
Если ряд
00
VI f&innhx*
Zi Л nh ) •
л=0„
по крайней мере для достаточно малых h, сходится, и его сумма ср (ft)
при h~*-0 стремится к пределу U, то это и будет «обобщенной
суммой»,исходного ряда.
Читатель видит, что метод Р и м а н а подходит под общую схему
п° 426. Роль параметра х в этом случае играет h (при ш = 0),
а множители *
удовлетворяют обоим сформулированным там требованиям. Это оче-
очевидно по отношению к первому.
1ш Тя(А) = 11ш -гт- =1-
Что же касается второго, то, учитывая, что
nh
/8ШяА\2 /sin (п—1) А\2	 С r/sinz\2!'
\Hh~j- ~\ (я— 1)А ) ~ } 1\~) J
лл
sin nh \ * (sin (я —
I
ajn-iyhy	? |[EН^ГГ
dz,
¦будем иметь
	, , VI I / sin nh \a	/ sin (и— 1) А V
' - Zd \\ nh ) V (я—1) А 1
л=1
* Под ig(fi) мы разумеем просто единицу.

747J	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	619
Существование этого интеграла легко проверить, ибо
при z-+ оо.
Таким образом, метод обобщенного суммирования Римана ока-
оказывается регулярным. Этот факт применительно к тригонометрическим
рядам и формулирует
Первая теорема Римана. Если тригонометрический ряд D)
в точке х сходится к сумме S, то функция F (х), полученная из
него формальным почленным интегрированием дважды, имеет
в этой точке обобщенную вторую производную, равную S:
Заметим, что для случая ряда Фурье выражение
легко преобразуется к виду интеграла изученного в п° 740 типа и
притом С «положительным ядром». Таким путем для риманова метода
суммирования может быть установлена теорема, совершенно анало-
аналогичная теореме Шварца [741] и теореме Фейера [743], на чем
мы останавливаться, однако, не будем: для нас метод Римана важен
как мощное орудие исследования тригонометрических рядов общего
вида *. На этом пути нужна будет и
Вторая теорема Римана. Если коэффициенты ап, Ьп ряда D)
стремятся к нулю, то независимо от сходимости
ряда выполняется условие B):
Положим при любом фиксированном х
щ = Ц, «„-= ап cos пх4-Ьп sin nx.
Тогда вопрос приводится к доказательству соотношения
A-*° „-1
2 «-")*=»¦	<8
По условию теоремы ня->0, т. е. для произвольно заданной
найдется такой номер N, что при n^N будет | и„|<^е. Пред
* Сам Р и м а н вовсе не занимался обобщенном суммированием рядо!
Он развил свою теорию для решения поставленной им задачи—дать полну]
характеристику функций, разлагающихся в тригонометрический ряд общег
вида. Мы не имеем возможности излагать здесь эти исследования Р и м а н ;

620	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	|748
ставим теперь интересующее нас выражение в виде суммы двух выра-
выражений:
(
)-h и *¦=
I	n = l J
Имеем:
Легко показать, что множитель при е ограничен независимо от Л.
Мы видели, например, что
со
1 VI sin2nh 	%—h
n = l
[494, 4)]. Следовательно,
Что же касается выражения Si, то оно, очевидно, стремится к нулю
вместе с А и становится при достаточно малом h по абсолютной ве-
величине меньшим, чем е. Отсюда в совокупности и вытекает утверж*
дение (8).
748. Лемма о коэффициентах сходящегося ряда. Доказываемое
ниже предложение, полезное в дальнейшем, представляет и самостоя-
самостоятельный интерес.
Лемма Кантора (G. Cantor). Если тригонометрический
Ряд D)
- bm sin mx
сходится, по крайней мере, для значений х в некотором проме-
промежутке (d) = [a., {}], то коэффициенты ат Ът ряда необходимо
стремятся к нулю при т-хх>.
Представим общий член ряда в виде
ат cos mx -+- Ът sin mx = pm sin m (х — ат),
где pm=Vam + b%. Требуется доказать, что рт->0.
Допустим противное; тогда для бесконечного множества значе-
значений т будет выполняться неравенство
Ы^\	(9)
где 8 есть некоторое постоянное положительное число.

749)	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	61\
Мы индуктивно построим последовательность вложенных один
в другой промежутков {(dn)} и возрастающих значков {тп} (я=1,
2, 3, ...) таких, что
I Pmn sin т„ (х — аИл) | > -j am х из (dn).	A0)
В качестве mt возьмем первый из номеров т, удовлетворяющих,
кроме неравенства (9), еще неравенству *
При изменении х в промежутке (d) функция isin mi (x — amj) хоть
однажды примет значение ± 1, а тогда по непрерывности найдется и
такой содержащийся в (d) промежуток (flfj), во всех точках которого
эта-функция по абсолютной величине будет ^> у и, следовательно,
во внимание к (9),
I.Pm, sin mi(x — «OTi)|> 4 для х из (<*,)•
Если (rf^_i) и mn_i уже определены, то совершенно аналогично
тому, как это сделано только что, определяется значок т„ и строится
содержащийся в (dn_i) промежуток (dn) так, что выполняется A0).
При этом легко осуществить и требование тп^>та_1.
Возьмем теперь точку Хо, содержащуюся во всех (dn) (а такая
точка, хотя одна, всегда найдется). В ней неравенство A0) будет
иметь место при всех я, а тогда, ввиду нарушения необходимого
условия сходимости, ряд D) при х = х9 расходится — вопреки пред-
предположению. Этим лемма и доказана.
749. Единственность тригонометрического разложения. Мы по-
подошли, наконец, к одному из фундаментальных вопросов, которые
являются целью настоящего параграфа. Если ф у и к ц и я f(x) в п р о-
м е ж у т к е [— «, тс] разлагается в некий тригонометри-
тригонометрический ряд D)г то будет ли это разложение единст-
единственным? Вопрос этот тем более законен, что выражение коэффи-
коэффициентов ряда формулами Эйлера — Фурье, как мы помним [678],
не имело логически безупречной мотивации. Следующая трппрмя дает
на него утвердительный ответ.
Теорема Гейне—Кантора. Если два тригонометрических ряда
2 ат cos mx + Ът sin mx	D)
00
•s- -[- / »m cos /rajf -{- S_ sin /ид;
it	шяЛ	-
7П=1
* Через d мы обозначаем длину промежутка (d) = [а,

622	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[749
сходятся к одной и той же сумме f(x) во всех точках про-
промежутка [—тс, тс] (даже за возможным исключением конечного
числа «.точек неизвестности» хь Х& ..., xk), то эти ряды тож-
тождественны, т. е.
ат = ат>	Ьт = Рт.
(л»=0, 1, 2, . . .)	(Я!=1, 2, 3, . . .)
Почленно вычитая ряды D) и A1), сведем доказываемую теорему
к теореме об единственности тригонометрического разложения нуля:
Если тригонометрический ряд D) сходится к нулю в проме-
промежутке [—тс, я] (исключая разве лишь конечное число «точек не-
неизвестности»), то все его коэффициенты должны быть нулями:
Докажем это последнее утверждение.
По лемме предыдущего п° коэффициенты ат и Ьт стремятся
к нулю; в частности, отсюда вытекает, что они ограничены в
совокупности.
Рассмотрим риманову функцию F(x) [см. F)], при наших предпо-
предположениях непрерывную. За выключением «точек неизвестности» ее
обобщенная вторая производная Fl"l (x) повсюду равна нулю по
первой теореме Р и м а н а [747]. По второй же теореме Р и м а н а
[747] * даже в «точках неизвестности» выполняется облегченное усло-
условие B): Тогда на основании обобщенной теоремы Шварца [746]
можно заключить, что функция F(x) линейна:
оо
«о*2 \1 ат cos mx + Ьт sin mx	„„_,,,
4 jU	m%	¦
Важно подчеркнуть, что это равенство на деле имеет место на
всей числовой оси, ибо сказанное о промежутке [— тс, тс] справедливо
и для любого конечного промежутка. Переписав полученное равенство
в виде
оо
1 ат cos mx -f- Ът sin mx
I
из периодичности функции, стоящей в правой части равенства, сразу
заключаем, что ао = с = О. Итак, имеем разложение нуля:
l
00
V "т cos mx + bm sin тх
* Она здесь применима именно потому, что коэффициенты ат и Ьт
стремятся к нулю!

750]	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	623'
но на этот раз — в равномерно сходящийся ряд! В таком
случае [678] коэффициенты его с необходимостью выражаются фор-
формулами Эйлер" а— Фурье, и мы приходим к требуемому заключе-
заключению: ат = Ьт = 0.
Замечание. Можно было бы следующим образом избежать-
ссылки на лемму Кантора.
Пусть х — любая точка, отличная от «точек неизвестности», так
чТо ряд D) при этом значении х сходится, и его общий член, разу-
разумеется, стремится к нулю:
ат cos mx -\- bm sin mx -*¦ 0.	A2}
Подставляя в ряд D) вместо х значения д:-)-8 и х — 8 и почленно-
складывая, придем к разложению
00
Оо -f- S (а"« cos тх ~Ь bm sin mx) cos mb,
которое сходится к н у л ю при всех значениях 8, кроме разве лишь
конечного числи их (если речь идет о любом конечном промежутке
изменения 8). Но по отношению к этому тригонометрическому ряду
с переменной 8 мы уже знаем, что его коэффициенты стремятся
к нулю, и к нему (без всякой ссылки на лемму Кантор а!) приме-
применимы изложенные выше рассуждения, так что ао = О и
ат cos mx -4- bm sin mx = 0.
. (m=l, 2, 3. ...)
Равенства эти имеют место не только для точек х, отличных от
«точек неизвестности», но, в силу непрерывности функций косинус
и синус, просто везде. Дифференцируя по х, получим еще и ра-
равенства
bmcosmx — amsi	0
m
из A3) и A4), наконец, вытекает, что ат = Ьт = О.
750. Заключительные теоремы о рядах Фурье. Итак, если для
какой-либо функции f(x) в промежутке [—ж, и] возможно разложе-
разложение в тригонометрический ряд, то только одним способом. Каков
же этот единственный способ? Обязательно ли это
будет ряд Фурье функции /(х)*? .,
Нам известны такие — даже непрерывные — функции, которые не
разлагаются в ряд Фурье [703], но до сих пор мы оставляли откры-
открытым вопрос, не может ли подобная функция быть разложена в три-
тригонометрический ряд с другими коэффициентами, отличными от коэф-
коэффициентов Фурье.
* Конечно, в предположении, что функция/(л:) абсолютно интегри-
интегрируема, ибо, говоря о ряде Фурье, мы всегда здесь имеем в виду (как и
выше) именно ряд Фурье абсолютно интегрируемой функции.

624	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[730
Все эти вопросы тем более естественны, что мы, с другой стороны,
легко можем построить тригонометрический ряд, повсюду сходящийся
(следовательно, однозначно определяющий некоторую функцию) и в
то же время заведомо не могущий быть рядом Фурье.
Таков, например, ряд
00
VI sin/и:
Ld In n '
п = 2
Этот ряд даже равномерно, сходится в любом замкнутом проме-
промежутке, не содержащем точек вида 2kiz. (k = O,±l, ±2, ...) [430],
и определяет там непрерывную функцию; но и в точках вида 2кк. он
также сходится, очевидно,, к нулю. В то же время этот ряд вообще
не является рядом Фурье, ибо здесь нарушено необходимое
для этого условие, установленное в конце п° 731 [см. там заме-
00
чание]: ряд У—^ расходится! [367,6)].
2 '
Поставленные вопросы получают окончательное разрешение в тео-
теореме настоящего п° и в ее обобщении, которое мы изложим в сле-
следующем п°.
Предпошлем одно замечание, принадлежащее Лебегу (Н. Lebes-
gue).
Лемма. Если непрерывная в промежутке [а, Ь] функция F (х)
имеет повсюду внутри этого промежутка обобщенную вторую
производную Я(-*)> содержащуюся между границами т и М:
от ^Я"! (*)*== Ж,
то и любое отношение вида—-^- заключено между теми же
границами, в предположении, конечно, что промежуток [xq — 2Л,
х№ -\- 2Л] целиком содержится в [пи Ь].
Рассмотрим функцию
fW—/\хо)^\х ^ -мм 4А '	2	4А3 '
которая представляет собой целый многочлен второй степени. Непосред-
Непосредственной проверкой убеждаемся, что он принимает те же значения,
что и f(x), в трех точках: х9—2Л, хл, хо + 2Л, так что в этих
точках разность
X (*)=/(*)-9 (*)
обращается в нуль. Функция X (х) непрерывна в промежутке [х0 — 2ft,
хй -\- 2Л] и имеет внутри него обобщенную вторую производную:

750J	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	625
(для многочлена <р обобщеивая вторая производная будет попросту равна
обыкновенной второй- проиааодиой). Своих наибольшего и наименьшего
значений X (х) достигает в двух точках: Х\ и хг, внутри промежутка
[х0 — 2Л, Хо -\- 2й] *. Леска показать^ что в этих точках имеем соответ-
соответственно Х1 (х{) ^ О, Х! (х%) ^ 0 [ср. рассуждение на стр. 615], откуда
чем и доказано высказанное утверждение.
Теперь, наконец, мы в состоянии доказать следующую замечатель-
замечательную теорему:
Теорема дю Буа-Реймонд& (P. du Bois Reymond). Если функ-
функция f(x), ограниченная и интегрируемая (в собственном
смысле) в промежутке [— тс, те], разлагается в этом промежутке
в тригонометрический ряд:
ап cos пх + Ъп sin nx,	A5)
то ряд этот необходимо является ее рядом Фу р ье.
Из сходимости ряда прежде всего вытекает ограниченность коэф-
коэффициентов а„ Ъп [лемма п° 748]. Ваеда риманову функцию F(x),
имеем для выражения 3—разложение в тригонометрический ряд G):
blF(x) пл , v
Ahi = -у + 2i (а« cos nx + b" sin
л=1
который (при постоянном Л) сходится равномерно относительно х,
00
ибо мажорируется рядом вида L ?jp- В таком случае [678] коэф-
1
фициенты этого ряда необходимо являются коэффициентами Фурье
для его суммы:
1С
1 С
— 1С
1С
— те
1С
1 f .
(л=1, 2, 3, ...)
* Даже если одно из этих значений есть нуль, то и оно достигается
внутри — в точке х0.
21 Г, М, Фихтенгольц, т, III

626	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	|7М
Заметим, что разложение A5) можно считать осуществляющимся
и вне промежутка [—тс, гс], если функцию f(x) периодически про-
продолжить на всю числовую ось. Следовательно, по первой теореме
Р и м а н а [747] для всех значений х будем иметь
M"Hx)=f(x).
Ввиду ограниченности функции f(x):
по предшествующей лемме, одновременно и
A7)
4А2
для всех значений х и h.
Перейдем теперь к пределу при й->-0 в равенствах A6), причем
в правых частях их, по теореме А р ц е л а [526], это можно сделать
под знаком интеграла. Мы получаем, таким образом:
1С	1С	\
Оо = — \ f(x)dx, an = — \ f(x) cos nxdx,
(Щ
IP
bn = — У f(x) sin nxdx
<л= I. 2, 3, ...)
что и требовалось доказать.
751. Обобщение. Мы откажемся теперь от предположения о г р а-
ниченности функции f(x) и допустим даже существование ко-
конечного числа точек, в которых разложение A5) может не иметь
места. И при этих облегченных условиях справедлива
Обобщенная теорема дю Буа-Реймонда. Если функция j (x),
абсолютно интегрируемая в промежутке [—тс, «], разлагается
в этом промежутке, исключая разве лишь конечное число точек,
в тригонометрический ряд A5), то последний необходимо являет-
является ее рядом Фурье*.
Начнем с того, что функцию f(x) периодически распространим
на всю числовую ось **. Впрочем, взамен f(x) удобнее рассматри-
рассматривать функцию
9 (*)=/(*)_*
* Это обобщение принадлежит В а л л е-П у с с е н у (Ch. J. de la Vallee
Poussin).
** Если функция f (x) не удовлетворяет условию: /(—ic)=/(ic), то пред-
предварительно, чтобы добиться выполнения этого условия, нужно изменить зна-
значение функции на одном из концов промежутка [—тс, тс], скажем, на том,
где не имеет места разложение A5).

§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	627
Для нее в любом конечном промежутке (за возможными исключениями
в конечном числе точек) имеет место разложение уже без свобод-
свободного члена:
оо
{р (х) = 2 ancos пх ~~\~ bns\nnx.
Мы докажем, что, во-первых,
ж
—¦к
и, во-вторых, для и=1, 2, 3, ...
те	те
ап== — \ ф(х) cosnxdx, bn = ~ \ <р(лг) sin пхdx; A9
—те	—«
отсюда уже будут следовать требуемые соотношения A8).
Ограниченность коэффициентов [по лемме п° 748] и здесь позво-
позволяет ввести в рассмотрение риманову функцию
= — У °п cos пх + Ьп dn nx
на этот раз периодическую (с периодом 2тс).
Возьмем промежуток [а, р], не содержащий ни упомянутых выше
исключительных точек, ни особых точек функции <р(х); таков же
очевидно, будет и промежуток [а — 8, р —|— 8J при некотором, доста
точно малом, 8. Ввиду ограниченности функции <р> как и выше, за
Ч ф (•*)
ключаем об ограниченности выражения —-^— при asg:л; =~с[3, Л^8
К тому^же
Ч * (х)
При любом у из [а, р] по теореме А р ц е л a [526] имеем:
lim \ й...— dx =
а_о J 4Л
о
Если положить
21»

628	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[751
то последнее соотношение можно представить в виде
Так как выражение в фигурных скобках ограничено, при а
р и h ^ 8, то, снова применяя теорему А р ц е л а, имеем:
х	х у
lim 5 {.	[
Полагая, далее,
сможем написать полученное соотношение так:
*	ш)	*)
Но Фв (х), очевидно, имеет Ф (л) своей обыкновенной второй произ-
производной, так что
Если через 7 обозначить еще (очевидно, существующий) предел
Л->0
то окончательно найдем:
х у
\dy
а а
Легко видеть теперь, что повторный интеграл
х У
\dy \у
о о
(t)dt
(при —тс^х^тс) отличается от предыдущего на линейную функ-
функцию. Таким образом, функция
х у
4Hx) = ®(x) — \dy\<?{t)dt	B0)
о и

7511	§ 3. ЕДИНСТВЕННОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ	629
оказывается линейной в каждом промежутке вида [а, |3]. Значит, в
каждой точке х, отличной от особых точек функции <р и от исклю-
исключительных точек, где не имеет места разложение A5), будет
С другой стороны, во всех точках х без исключения выпол-
выполняется условие типа B): выражение
ДЯФ(*) ЦФ(х) ! ХУ" ?	j V" *
х	0	х	О
стремится к нулю при Л —> 0. Действительно, для первого слагаемого
справа стремление к нулю следует из второй теоремы Р и м а н а
[в силу леммы п° 748], а по теореме о дифференцировании интег-
интеграла по переменному верхнему пределу [305, 12°] то же Заключение
оказывается справедливым и для суммы двух других слагаемых.
В таком случае, на основании обобщенной теоремы Шварца
[746], имеем в любом конечном промежутке, а следовательно, и для
всех вообще значений х:
4{x) — cx+d.	B1)
Пусть теперь
00
:-\-$nsiunx;
дважды интегрируя почленно [731], получим:
ntP"Si"" •	B2>
2
Сопоставляя B0), B1) и B2), придем к разложению
оо
а°х* Л ex -\-d= У (""~а">cosпх + (Рд~&")sinnx
4 '	'	^	и8	'
1
которое справедливо для всех вещественных значений х без исклю-
исключения.
Так как правая часть представляет собой непрерывную и периоди-
периодическую, а значит, ограниченную функцию от х, то необхо-
необходимо с = .О, а также

630	ГЛ. XX. РЯДЫ ФУРЬЕ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)	[751
Теперь оказывается, что ряд
со
(ап — "а) cos nx + (р„ — bn) sin nx
повсюду сходится к 0, и притом равномерно. Отсюда [678 или
749] следует, что все его коэффициенты суть нули, так что выпол-
выполняются условия A9):
ап = а„ = — V ¦ ф (*)cos nx dx,
р (jc)sin nxdx,
чем и завершается доказательство.
Таким образом, мы подвели, наконец, фундамент под всю изло-
изложенную выше теорию тригонометрического разложения функций и
обосновали то исключительное внимание, которое уделялось именно
рядам Фурье.

ДОПОЛНЕНИЕ
ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ
752. Различные виды пределов, встречающиеся в анализе.
Понятие предела пронизывает весь курс анализа, но в разных его
частях принимает весьма различные формы.
Мы начали с изучения простейшего случая — предела варианты,
пробегающей нумерованную последовательность значений [22, 23]; при-
применительно к нему и была подробно развита теория пределов
(глава 1). Затем понятие предела было обобщено на случай пре-
предела функции от одной или от нескольких переменных [52, 165] *.
Предельный процесс усложнился, но в общем сохранил свой характер.
Интегральное исчисление привело нас к рассмотрению пределов
интегральных сумм Римана и Дарбу [295, 296, 301]. Здесь пре-
предельный процесс оказался связанным с дроблением на части данного
промежутка и, по сравнению с ранее изученным, представил уже зна-
значительное своеобразие.
К этого типа пределам в известной мере примыкают пределы,
с которыми мы столкнулись в главе X при определении понятий дли-
длины дуги (предел периметра вписанной ломаной, 330), площади плос-
плоской фигуры (предел площади входящих и выходящих прямоугольных
фигур, 336) и т. п.
Наконец, в третьем томе читатель встретил еще другие предель-
предельные образования, получаемые в результате других предельных процес-
процессов, отличных от указанных выше.
Все упомянутые разновидности предела принципиально мо-
могут быть сведены к пределу варианты. Эту мысль мы под-
подчеркивали на протяжении всего изложения, входя поначалу в под-
подробности [53, 166, 295], а затем ограничиваясь уже лишь упомина-
упоминанием о возможности перефразировки определения предела «на языке
последовательностей». Конечно, сведение сложных предельных процес-
процессов к простому пределу варианты представляет интерес само по
себе. Но для нас оно было важно еще и в том отношении, что осво-
освобождало от необходимости всякйТГраз вновь устанавливать элемен-
элементарные теоремы из теории пределов.
* Мы все время имеем в виду определения предела на языке «-5».

632	дополнение	[753
Хотя подобным путем и восстанавливается единство всех встре-
встретившихся нам видов предела, однако самая необходимость «ана-
«анатомирования» для этого переменной, выделение из множества ее зна-
значений особых нумерованных последовательностей, несомненно, содер-
содержат в себе элемент искусственности. Общего определения предела
переменной это все же не создает.
Цель настоящего дополнительного параграфа и состоит в том, что-
чтобы установить общую точку зрения на предел, которая охвати-
охватила бы, как частные случаи все встречающиеся в анализе различ-
различные виды предела, и на ее основе наметить контуры общей тео-
теории пределов.
Излагаемые ниже идеи впервые были высказаны С. О. Шатунов-
ским, а затем американскими учеными Муром (Е.Н. Moore) и Сми-
Смитом (Н. L. Smith). [Заметим, впрочем, что принадлежащая им поста-
постановка вопроса отнюдь не является единственно возможной.]
753. Упорядоченные множества (в собственном смысле). Изу-
Изученные выше образцы переменных, имеющих пределы, подсказывают
мысль, что для того чтобы вообще имело смысл говорить о пре-
пределе переменной, ее область изменения не может оставаться «аморф-
«аморфной» и должна быть определенным образом направлена или упо-
упорядочена. В связи с этим мы установим сначала в общей форме
основные понятия, относящиеся к упорядоченным множествам.
Пусть имеем множество €i=={P}, состоящее из элементов Р ка-
какой угодно природы. Если для определенной пары различных
элементов Р, Р согласились считать, что один из них (например, Р1)
следует за другим (Р), то обозначают это так: Р с- Р, и говорят,
что для пары Р, Р установлен порядок. Правило, устанавли-
устанавливающее порядок для всевозможных пар различных элементов е?5 или
только для некоторых из этих пар, во всяком случае должно подчи-
подчиняться следующим двум требованиям:
I)	если Ру с- Ръ то не может быть одновременно Р2 ?- /у,
II)	если Р\Ь~ P<t и Р%^- Р3> wo необходимо Pt Ъ~ Р3 (т- е. отно-
отношение «следует» обладает транзитивным свойством).
Если по некоторому правилу для всех пар различных элементов,
взятых из е7\ установлен порядок с соблюдением требований I, II, то
множество е?5 называется упорядоченным (или, точнее, упорядо-
упорядоченным в собственном смысле, в отличие от упорядоченных в обоб-
обобщенном смысле множеств, которые будут рассмотрены в следующем п°).
Вот примеры упорядоченных множеств:
1) Любое множество вещественных чисел {х} естественным
образом упорядочивается, если расположить эти числа в порядке воз-
возрастания {х' Ь~ х, когда х'^>х)* или убывания (х' с- х, когда х'<^х).
* Отправляясь от этого простого примера и стало привычным обозначать
отношение «следует» знаком ?—, сходным со знаком > («больше»).

754J	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	633
Тот же пример в геометрической форме может быть представлен
так: любое множество точек на горизонтальной прямой упорядочи-
упорядочивается, если из двух точек следующей считать ту, которая лежит
правее (или — левее).
2) Рассмотрим теперь какое-нибудь множество е? = {М (х, у)},
состоящее из некоторых точек М (х, у) двумерного (арифметического)
пространства. Это множество можно упорядочить, скажем, следующим
образом:
М' (х', у') с- М (х, у), если х^>хг, а при х — х', если у^>у'.
Во всех этих случаях легко проверить соблюдение требований I и II.
Для облегчения использования введенного понятия при рассмотре-
рассмотрении предела переменной, мы будем дополнительно предпола-
предполагать, что в рассматриваемом множестве ИР нет «последнего»
элемента (который следовал бы за всеми остальными). Таким
образом, какой бы элемент Р из ef> ни взять, всегда найдется элемент
Р', следующий за Р: Р <=- Р.
754. Упорядоченные множества (в обобщенном смысле). Как
увидим в дальнейшем, чаще всего приходится поступаться предполо-
предположением, что для каждой пары элементов рассматриваемого мно-
множества ef> установлен порядок, и довольствоваться тем, что такой
порядок установлен (с соблюдением условий I и II) лишь для неко-
некоторых пар. В подобных случаях, однако, мы будем требовать еще
выполнения такого условия:
III) для любых двух элементов Р, Р множества ИР> в этом
множестве найдется элемент Р', следующий за обоими
Р" Ь~ Р, Р' Ъ- Р.
[При этом безразлично, установлен ли порядок для самих элементоЕ
Р и Р или нет.]
Это условие само по себе уже делает невозможным существование
в ?Р последнего элемента.
Легко видеть, что всякое множество, упорядоченное в собственно!У
смысле, если только оно лишено последнего элемента, необходимс
удовлетворяет и условию III. Действительно, каковы бы ни бьш
элементы Р и Р из е?5, для них в данном случае порядок устано-
установлен; пусть, скажем, Р $- Р. Так как Р — не последний элемент
то в аР найдется элемент Р' Ь- Р; по транзитивному свойству отно-
шения ?- одновременно и Р" ?- Р, что и требовалось доказать.
Если хотя бы для некоторых пар элементов множества §* устано
влен порядок, с соблюдением всех трех условий I, II, III, мы также
будем называть множество оР упорядоченным (в обобщенно»
смысл е)*.
* Говорят также о «частично упорядоченном», <полуупорядоченном> ил!
«не вполне упорядоченном» множестве.

634	дополнение	G54
Приведем теперь примеры таких множеств.
3) Рассмотрим множество S? вещественных чисел х, для которо-
которого а служит точкой сгущения [52]; пусть само число а при этом не
принадлежит W.
Условимся считать, что
х' Ь~ х, если \х' — а \ <^ \ х — а\,
так что следующим будет то из значений, которое ближе к а.
Требования I, II явно соблюдены. Если в & не встречается зна-
значений х, равноотстоящих от а, но лежащих по разные стороны от а,
то множество S? будет упорядочено в собственном смысле. Если же
такие пары значений имеются, то для них нашим соглашением, очевид-
очевидно, порядок не будет установлен.
Проверим теперь выполнение требования III. Возьмем любые числа
х и х' из X. Так как они оба отличны от а, и а служит для SC
точкой сгущения, то в J необходимо найдется такое х", которое
будет ближе к а, чем х и У;~тогда х" ?- х и х" ?- х'.
Таким образом, множество #" во всяком случае является упоря-
упорядоченным в обобщенном смысле.
4)	Пусть S? будет числовое множество с точкой сгущения оо.
Его можно упорядочить с помощью условия
х" ?- х, если | х11 >?- \х\.
Все требования I, II, III выполнены. Если в ?? нет пар значений
х, разнящихся лишь знаками, то множество будет упорядочено
в собственном смысле. Если же такие пары имеются, то для них
порядок не установлен, и можно говорить об упорядоченности лишь
в обобщенном смысле.
5)	Возьмем теперь любое множество е? = {М(х, у)} точек дву-
двумерного пространства с точкой сгущения Afo(a, b) [153]. Предполо-
Предположим, что обе координаты а и Ъ конечны; пусть точка Жо множеству
<М не принадлежит.
Установим соглашение, что
если
max(|j;' — а\, \у' — Ь\)<^тях(\х — а\, \у — Ъ \ ).
Подобно 3), все требования I, II, III здесь выполнены. Проверим,
например, условие III. Пусть даны две точки М (х, у) и М (х\ у')
из aS; так как обе они отличны от Мо, то
о = тах(|д: — а\, \у — Ь
и
а' — тах(\х' — а\, \/—
Пусть 8 будет наименьшим из этих чисел; ввиду того, что Мй для

754J	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	635
еЛ служит точкой сгущения, в <Л найдется такая точка М" (х", у"),
что \х" — а|<8 и \у" — &|<8. А тогда
М" Ь~ М и М" $- М',
что и требовалось доказать. Итак, установленным соглашением мно-
множество aS действительно упорядочено (в обобщенном смысле).
Если какая-либо из координат точки Мц, скажем а, равна оо, то
можно модифицировать наше соглашение, например, заменив \х — а\
на г—г, и т. д.
6) Приведем в виде примера еще другие способы упорядочения
множества eS, о котором была только что речь (а и b считаем ко-
конечными).
Можно условиться так:
если
\x'-a\ + \y'-b\<\x-a\-\-\y-b\,
или же так:
если
Предлагаем читателю проверить соблюдение в обоих случаях требо-
требований I, II, III.
7)	Пусть е? есть множество «целочисленных» точек (т, и), где
т и п — натуральные числа, с точкой сгущения (-(-оо, -(-оо). Анало-
Аналогично 5), это множество можно упорядочить по правилу
(tri, ri) ?— (т, п), если min (tri, rf) ^> min (/и, я).
Проще — такой закон упорядочения:
(tri, п1) ?— (т, п), если т'^>т и п'^>п.
И здесь требования I, II, III соблюдены.
8)	Возьмем теперь примеры из другой области. Пусть элементами
рассматриваемого множества е^1 будут всевозможные разбиения R
данного промежутка [а, Ь] на конечное число частей с помощью точек
деления
Если через X обозначить наибольшую из длин этих частей,
то естественно расположить различные разбиения R в порядке убы-
убывания X; тб из разбиений будет следующим, которому отвечает
меньшее X.
Соблюдение условий I, II очевидно. Легко проверяется и усло-
условие III: каковы бы ни были два разбиения, отвечающие значениям
X и X', всегда можно осуществить разбиение на еще более мелкие части,
которому отвечало бы число X", меньшее и X и X'.

63&	ДОПОЛНЕНИЕ	[755
Множество <М, таким образом, оказывается упорядоченным, но
лишь в обобщенном смысле: для двух различных разбиений с одним
и тем же X порядок не установлен.
9) Для рассмотренного только что множества еЯ? =:{/?} можно
уста«овить порядок другим соглашением: разбиение R' следует за
разбиением R, если оно получено из R добавлением к его точкам
деления еще навых точек деления. Это также приводит к упорядоче-
упорядочению лишь в обебщеннш смысле: порядок не установлен, например,
для двух разбиений R и R', имеющих сплошь различные точки
деления.
755. Упорядоченная переменная и ее предел. Рассмотрим теперь
переменную х с областью изменения ??. Можно представить себе,
что непосредственно эта область ?? упорядочена (в собственном или
обобщенном смысле) или — белее общо — что значения х из SC по-
поставлены в однозначное соответствие элементам Р некоторого упоря-
упорядоченного множества <?Р—{Р}, состоящего из объектов любой при-
природы. В этом случае и сама переменная х называется упорядо-
упорядоченной.
Сообразно с & упорядочивается и множество значений х = Хр\
именно, считают, что
хр. ?- Хрг если Р ?~ Р (в 0s).
Это есть воспроизведение в общей, форме того, что мы имели для
варианты хп, значения которой ставились в соответствие числам
натурального ряда — «номерам» — и располагались по возрастанию их
Хп'$~хт если п'^>п.
Умея различать элементы Р множества 0s, мы различаем и значе-
значения х = Хр нашей переменной по этим «пометкам» Р. В этих усло-
условиях мы допускаем (как и в случае варианты) возможность и равных
значений с различными «пометкам»».
Подчеркнем особо, что, говоря об упорядоченной переменной, мы
по существу не связываем с этим никаких представлений о располо-
расположении ее значений в пространстве или во времени. Сле-
Следующее значение не занимает «более далекого места», чем пре-
предыдущее; следующее значение не принимается переменной
«позже» предыдущего и т. д. Если же, тем не менее, обычно
позволяют себе употреблять выражения вроде «начиная с некоторого
места* или «с некоторого момента изменения» и т. п., то делается
это лишь для образности языка.
Определение предела упорядоченной переменной х = хр
(или — как иногда говорят — предела упорядоченного мно-
множества {хР}) совершенно аналогично определению предела варианты
(или последовательности):

756]	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	637
переменная х = Хр имеет конечный предел а, если для каж-
каждого числа е^>0 найдется такая «пометка» Pt из &, что для
всех РЬ~Рг соответствующие значения х = хР удовлетворяют
неравенству
\	\ \
В определении п° 23 роль Рг играло, очевидно, N,i ведь соотно-
соотношение п Ь- Л/, равносильно неравенству n~^>Ns.
Точно так же дается определение и бесконечного предела:
переменная х = Хр имеет предел оо, если для каждого числа
найдется такая «пометка» Ре из SP, что
\х\=\хР\>Е,
лишь только Р ?- Рп-
Легко перефразировать последнее определение для случая, когда
речь идет о бесконечности определенного знака, -f- ос или — во.
При этом пишут, как обычно:
Нтдг = а(оо, -f-®0» —во) "или х-*-а(оо, -f-°°» —оо).
Обратимся к примерам.
756. Примеры. Начнем с примера переменной х, у которой область
изменения X непосредственно упорядочена.
1)	Пусть 3?=.\х\ будет любое множество вещественных чисел
с точкой сгущения а, упорядоченное по убыванию \х — а\ [см. при-
пример 3) п° 754]. Очевидно, соответствующая переменная х имеет пре-
пределом а: какое бы е^>0 ни взять, в 3? найдется х„ отличное от а,
такое, что \хе — а |<^ е, а тогда для х f- хж и подавно | х — а |<^ е.
Аналогично, если 3? = {х} имеет точку сгущения оо и множе-
множество это упорядочить по возрастанию |дг| [см. пример 4) п° 754],
то х -> оо.
Чаще встречаются, однако, случаи, когда значения переменной
поставлены в соответствие «пометкам» Р из некоторого упорядочен-
упорядоченного множества 3*. Приводимые ниже примеры этого рода имеют
особую важность: они показывают, что изученные в нашем курсе
различные виды пределов действительно могут быть рассматри-
рассматриваемы как частные осуществления изложенного выше общего
определения.
2)	Рассмотрим понятие предела функции [52]
Шп/(*)== А	A)
х-+а
ограничиваясь для простоты случаем конечных а я А.
Пусть функция f(x) определена в области $? = {х}, имеющей
точку сгущения а; значение а само в 3? не входит или, по крайней
мере, не учитывается при ©пределении предела A). Эта функция и
есть здесь та переменная, о пределе которой идет речь, х же играет

638	ДОПОЛНЕНИЕ	[756
роль «пометки» Р. Условимся понимать указание х-*- а в том
смысле, что область ?? изменения х упорядочена по убыванию
\х — а\ [754, 3)]. Тогда соответственным образом упорядочивается и
множество значений функции \f(x)}, и равенство A) — в согласии
с общим определением — приобретает определенный смысл. Именно,
оно означает, что по заданному е^>0 всегда найдется такое значе-
значение хе из X, что неравенство
B)
выполняется для х ?~- хе, т. е. лишь только | jc•=— a j <^ j jce — a\.
Положив |хе — а\ = Ь, последнее условие можно записать так:
\х — а|<^8. Обратно, если неравенство B) имеет место при
| х — а|<^8, то, взяв хг под условием |х, — а \<^8, можно утвер-
утверждать, что B) выполняется для х ?- xv. Таким образом, новое опре-
определение предела функции равносильно прежнему [52].
3) Определение предела функции двух переменных
lim f(M) = limf(x, y) = A	C)
ММ
х-*а
может быть выражено в терминах упорядоченной переменной совер-
совершенно аналогично.
Пусть функция f(M)=f(x, у) определена в области <М =
= {М (х, у)} с точкой сгущения Мо (а, Ь); сама эта точка при опре-
определении равенства C) в расчет не берется. Точки М (х, у) из <*S
играют роль «пометок». Упорядочив множество qS так, как это сде-
сделано в п° 754, 5) {именно в этом смысле мы уславливаемся пони-
понимать указание М->Жо или х-*-а, у -*-Ь), мы тем самым упорядо-
упорядочиваем и множество значений функции {f(M)\ = {f(x, у)}. Тогда
равенство C) приобретает смысл — в согласии с общим определением
предела упорядоченной переменной.
И здесь сразу видно, что новое понимание равенства C) равно-
равносильно прежнему [165].
Определение предела по существу останется тем же, если вместо
закона упорядочения множества aS = {М (х, у)}, указанного в 754, 5),
положить в основу те правила, которые были проведены в 6).
4) Для переменной хт_ „, зависящей от двух натуральных знач-
значков тип, понятие предела
строится на таком законе упорядочения пар (т, я):
(от', я') ?- (от, л), если min(mr, n^^min^m, я)
[см. 754, 7)]. Оно совпадает с тем определением, о котором была
речь в конце п° 165.

757]	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	639
Тот же результат получился бы, если бы мы исходили и из более
простого, также упомянутого в 7), правила упорядочения
(от', я') с-(от, и), если т'^>т, п'^>п.
Распространение всего сказанного на случай функций от несколь-
нескольких переменных не представляет затруднений.
5) Обратимся, наконец, к вопросу о пределе сумм Р и м а н а или
Дарбу для заданной в промежутке [а, Ь] ограниченной функции f(x).
Эти суммы связаны с разбиением R промежутка [а, Ь] на части с по-
помощью произвольных точек деления
причем предельный процесс направляется тем, что Х-»-0, где Х =
= тахДлг,-. В 754, 8) мы уже упорядочивали множество всевозмож-
всевозможных разбиений промежутка на части е^ = {/?}по убыванию X. Соот-
Соответственно этому упорядочиваются и значения сумм Дарбу, s и S.
Для построения римановой суммы о, кроме разбиения промежутка
на части, нужно еще выбрать в каждой части по точке. Таким обра-
образом, риманова сумма характеризуется набором не только точек
деления, но и промежуточных точек; эти наборы (а с ними и рима-
новы суммы) также можно упорядочить по убыванию X.
Теперь уже ясно, что пределы
lim о, lim s, lim 5
Х_0	Х-Л)	Х-*0
подходят под общую схему, развитую здесь.
Заметим попутно, что те же, по существу, пределы получились бы
во всех случаях, если бы в основу упорядочения множеств {о}, \s},
{S} было положено и правило 9) п° 754. В виде упражнения пред-
предлагается читателю доказать это, опираясь на результаты пп° 297 и 301.
Аналогично исчерпывается вопрос о пределах, рассмотренных при
определении длины дуги [330], площади плоской фигуры [336] кри-
криволинейных, двойных и поверхностных интегралов [544, 660, 589,
631, 635] и т. д.
757. Замечание о пределе функции. Говоря о пределе A), мы
условились одним лишь вполне определенным образом упорядочивать
множество № = {х} [754, 3)J, а с ним и множество значений функ-
функции {f(x)}. Определение предела этой последней, построенное на
рассмотрении упомянутого «стандартного» закона приближения х к а',
оказалось равносильным тому определению, которое было дано в п° 52
«на языке е-8».
Можно было бы, однако, отказаться от «стандартизации» закона при-
приближения х к а, предоставляя х изменяться вдоль множества Ж или лю-
любой из его частей, сохраняющих а в качестве точки сгущения и упорядо-
упорядоченных по произвольному правилу, но так, что а является их пределом.
Значения функции f{x) всякий раз упорядочиваются сообразно с х.

640	ДОПОЛНЕНИЕ	[758
Таким образом, равенство A) можно понимать и так:
по какому бы закону независимая переменная х на стреми-
стремилась к пределу а, функция f(x) всегда стремится к одному и
тому же пределу А.
Это определение сближается с определением п° 63 «на языке
последовательностей», лишь произвольная последовательность
значений х, стремящаяся к а, здесь заменена вообще произвольным
упорядоченным множеством, имеющим предел а.
Для доказательства равносильности только что приведенного опре-
определения и данного в предыдущем п° достаточно установить, что из
существования предела A) в смысле п° 62 следует сформулированное
выше утверждение. Пусть же для любого е ^> 0 найдется такое 8 ^> 0,
что неравенство B) выполняется, лишь только \х — а|<^8. По
какому бы закону х ни стремилось к а, по самому определению пре-
предела должно существовать такое значение Зс, что для х ?- х будет
|дг — а|<^8,' тогда для тех же значений х выполнится и неравен-
неравенство B), т. е., действительно, f(x)->A.
Такое же замечание можно было бы сделать и относительно
функций двух (или нескольких) переменных.
768. Распространение теории пределов. Обратимся, наконец,
к распространению утверждений, доказанных в главе I для варианты,
на общий случай упорядоченной переменной. Это распро-
распространение осуществить нетрудно, если шаг за шагом проследить по-
построение теории пределов для варианты.
Всякий раз, когда там была речь о выполнении какого-либо соот-
соотношения для значений хп с номера-ми п, ббльшими некоторого N,
здесь придется говорить об его выполнении для значений х=хр
с «пометками» Р, следующими за некоторым Р'.
Например, докажем утверждение, аналогичное 26, 1°:
Если упорядоченная переменная хр стремится к пределу а и
а^>р {a<C.q), та и хР^>р (xp<^q), no крайней мере, начиная
с некоторого места.
Взяв ?<^а—р (е<^9 — а), найдем такое Р, что для Р^-Р
будет | хР — а | <^ ц для тех же Хр, очевидно, и
Так же обобщаются и утверждения 26, 2° — 4°. Последнее, впрочем,
перефразируется так: если переменная х имеет {конечный) предел а,
то она является, ограниченной, по крайней мере, начиная
с некоторого места [ср. 55, I, 4°].
При доказательстве единственности предела [26,5°] при-
приходится своеобразно воспользоваться условием. III [754].
Допустим (рассуждая от противного^ что одновременно хр->-а,
Хр~*-Ь, причем а<^Ь. Если взять г между а и Ъ, то, с одной
стороны, хр<^г для Р ?- Р, с другой же стороны, хр^> г для Р ?- Р".

758J	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ- НА ПРЕДЕЛ	641
Но именно в силу III найдется такая «пометка» Р, что сраз у и Р ?- Р
и Р$-Р"; тогда одновременно хР<^г и хр^>г, что и осуществляет
требуемое противоречие.
На упорядоченную переменную следующим образом распростра-
распространяется определение монотонной переменной: переменная хр на-
называется монотонно возрастающей (или возрастающей
в широком смысле), если Р ?- Р всегда влечет за собой
хр,^>хр (или хр,^хр).
Примером такой переменной может служить монотонно возрастаю-
возрастающая функция f(x), если ее значения упорядочены по возрастанию
независимой переменной х, или частная сумма А(т положитель-
положительного двойного ряда	ю
если считать
А®>а№ при /и'>» и и'>я.
Так же устанавливается панятие монотонно убывающей
переменной.
Во внимание к известным свойствам сумм, Дариу s n S [296],
если только упорядочите разбиения промежутка так, как это сделано
в примере 9)- пр 764, очевидно, нижняя сумма s окажется монотонно
возрастающей переменной, а верхняя сумма 5—монотонно убываю-
убывающей. Этого нельзя сказать, если взять другой способ упорядочения
1764, 8)].
Теперь легко обобщить теорему п° 34 о монотонной варианте:
Монотонно возрастающая переменная х=хР всегда имеет
предел. Если переменная ограничена сверху, то этот предел ко-
конечен, в противном случае он равен -)- оо.
Предполагая переменную ограниченной, положим a = sup {хр}
так что все хр^а и, с другой стороны, каково бы ни было числе
е ^> 0, найдется такая «пометка» Ps, что хр ^> а — е. Но тогда, лиши
только Р$-Рг, будем иметь хр^>хр, следовательно, и подавно
хР^>а — е. Таким образом, для P$-Pt выполняется неравенство
\хр — а | <^ е, откуда хр -> а.
Если переменная хР не ограничена, то для каждого числа Е^>С
найдется такое РЕ, что хРЕ ^> Е. Тогда для Р §- РЕ и подавне
хр^>Е, так что хр-+-{-оо. Теорема доказана.
В этой теореме, как частные случаи, содержатся теорема
п° 34 о пределе монотонной варианты и теорема п° 67 о существова-
существовании предела для монотонной функции, а также теорема п° 394 о схо-
сходимости положительного двойного ряда. Проведенное здесь рассужде-
рассуждение, как читателю ясно, в общей форме лишь, воспроизводит те, ко-
которые были осуществлены в указанных местах для доказательстве
порознь частных теорем^

642	дополнение	[758
Заметим, что из доказанной общей теоремы сразу вытекает и
существование конечных пределов для сумм s и.!? Дарбу, но лишь
если стоять на точке зрения правила 9) п° 754; совпадение их с пре-
пределами, рассмотренными в 301, еще подлежало бы доказательству.
В качестве более сложного примера остановимся на доказательстве
принципа сходимости [ср. 39]:
Для того чтобы упорядоченная переменная хр имела конеч-
конечный предел, необходимо и достаточно, чтобы для каждого числа
?^>0 существовала такая «пометка» Р%, что неравенство
| хР — Хр> | <^ е
выполняется, лишь только Р$- Ре и Р ?- Ре.
Перефразируя рассуждение п° 39, прежде всего установим необ-
необходимость этого условия. Если лгр—¦ а, то по числу е/2 найдется
такое Р, что для Р^-Р будет \хр — а|<^е/2. Пусть Р^-Ра Р $-Р,
тогда сразу \хр — а|<^е/2 и \а — лгр-|<^е/2, так что \хр — лгр<|<^е;
за Ре в этом случае можно взять Р.
Для доказательства достаточности предположим условие
выполненным.
Произведем в области всех вещественных чисел сечение по сле-
следующему правилу. В класс А отнесем каждое вещественное число а,
для которого — начиная с некоторого места —
В класс А' отнесем все остальные вещественные числа а'. Легко ви-
видеть, что это правило действительно определяет сечение. Мы остано-
остановимся лишь на доказательстве непустоты обоих классов
При произвольном е^>0 найдется, по предположению, соответст-
соответствующее ему Рг такое, что лишь только Р$~ Pt и Р $- Pv тотчас же
\хр — Хр>\<^г или Хр—е<^
Отсюда уже ясно, что (при Р ?- Рг) хр> — ? есть одно из чисел а,
а хр' -\- е — одно из чисел а'; последнее, собственно, опять требует
использования условия III: если бы хр'-\-г было одним из а, так что
неравенство хр~^>Хр< -\-ъ выполнялось бы, скажем, для Р$- Р, то, взяв
(в силу III) P так, чтобы сразу было Р$-Р, и Р^-Р, имели бы
одновременно хр<^Хр--\-г и хр^>Хр>-\- е!
По теореме Дедекинда [9] существует пограничное между обо-
обоими классами число а
В частности, при Р ?- Р,
Хр> — е==?а==?л> -\- е, то есть \Хр> — a|=sSe,
откуда и следует, что хр—>си
Эта теорема находит себе интересные применения. Она не только
содержит, как частные случаи, уже известные нам теоремы пп°

759]	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	643
39 и 58, но приводит и к новым результатам. Так, с ее помощью
принцип сходимости распространяется на функции нескольких пере-
переменных, на двойные ряды и т. п. Оно дает также условие спрямля-
спрямляемости дуги [330]. Предоставляя читателю самому сформулировать
это условие, обращаем внимание на то, что условие явно выполняется
для части дуги, если выполняется для всей дуги; таким образом,
сейчас можно было бы в два слова доказать утверждение, которое
раньше потребовало от нас длинных рассуждений [247].
759. Одинаково упорядоченные переменные. Для обобщения
таких утверждений, в которых участвуют одновременно две (или не-
несколько) переменных, введем понятие одинаково упорядочен-
упорядоченных переменных. Так называются две переменные х и у, кото-
которые могут быть упорядочены с помощью одного итого же упо-
упорядоченного множества gp = {P), с элементами которого их значения
ставятся в однозначное соответствие (соответствующими мы
будем считать их значения хР, уР с одинаковыми «пометками» Р).
Если, например, имеем две функции f(x) и g(x) от одной и той
же независимой переменной х, с упорядоченной областью изменения
??, то эти функции будут одинаково упорядоченными переменными.
Соответствующими будут те их значения, которые определяются од-
одним и тем же значением х (оно и играет роль «пометки» Р).
Вот другой пример. Пусть для функции f(x) и g(x), определенных
в некотором промежутке [а, Ь], построены интегральные суммы
Здесь соответствующими следует, очевидно, считать суммы, опреде-
определяемые одним и тем же набором точек деления xt и промежу-
промежуточных точек ?г; этот набор играет в рассматриваемом случае роль
«пометки» Р\ если упорядочить их, а с ними и суммы a, i, по убы-
убыванию Х = тахДдг1-, то снова получим одинаково упорядоченные пе-
переменные.
Соединяя теперь две переменные х, у знаками равенства или зна-
знаками арифметических действий, мы будем предполагать эти перемен-
переменные одинаково упорядоченными и подразумевать, что речь
идет о соответствующих значениях их, хр и ур, с одинаковыми «по-
«пометками». Обращаясь с этими пометками, как раньше обращались
с номерами п значений варианты, легко воспроизвести все прежние рас-
рассуждения, относившиеся к вариантам.
Для примера докажем предложение, обобщающее лемму 2 п° 29:
Если переменная хр ограничена {по крайней мере, начиная
с некоторого места), а одинаково с нею упорядоченная переменная
ар — бесконечно малая, то и их произведение будет бесконечно
малой.

644	ДОПОЛНЕНИЕ	[760
Пусть же
|*P|<Af,
скажем, для Р ?- Р. Задавшись произвольным е ^> 0, по числу -г?
найдем такое Р', что для Р$- Р' будет
В согласии с условием III, существует такое Рй, что
Рй $- Р и Ро Ь- Р'.
Если Р ?- Ро> то (в силу II) одновременно
РЧ-Р и РЬ-Р',
так что выполняются сразу оба предыдущих неравенства, а тогда
что и доказывает наше утверждение.
После приведенных примеров читателю ясно, что вся теория пре-
пределов (с сохранением основных линий в доказательствах) действительно
переносится на общий случай упорядоченных переменных.
760. Упорядочение с помощью числового параметра. Во всех
встречавшихся нам случаях применения в анализе понятия предела
упорядочение множества д* = {Р} «пометок» для значений перемен-
переменной хр осуществлялось однообразно. В общем виде применявшийся
способ упорядочивания может быть описан следующим образом.
Каждому элементу Р из S5 ставится в соответствие значение t
некоторого параметра, причем и многим Р может отвечать одно и то
же t; множество всех таких Р обозначим через еТ^. Предположим,
что все t^>0 и существуют сколь угодно малые значения t, для
которых $Pt не пусто.
Условимся теперь что из двух элементов Р считается следу-
следующим то, которому отвечает меньшее значение параметра t
(т. е. расположим элементы Р «по убыванию параметра»). Для двух
элементов Р, которым отвечает одно и то же t, так что они входят
в одно и то же множество $Pt (равно как и для соответствующих
им значений х), порядок не устанавливается. При этом будут со-
соблюдены все условия I, II, III. Это очевидно по отношению к I, II;
проверим выполнение III. Пусть Р и Р — любые два элемента из
множества аР, и им отвечают значения tat' параметра. По предпо-
предположению, найдется такое значение t", меньшее, чем t и ?, для
которого ?Ре, не пусто. Тогда любое Р' из Pt,, будет следующим
и за Р, и за Р.
Читатель легко проверит, что *се известнее ему случаи использо-
использования понятия предела подходят под эту схему. Для варианты хп

761]	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	64!
с «пометкой» п, можно принять ^=— • Если речь идет о функции
f(x) и ее пределе при х—*а, то множество «пометок» л: упорядочи-
упорядочивается по убыванию параметра t = \x — а\. Также и в случае функ-
функции f(M)=f(x, у) двух переменных, где роль «пометки» играет точ-
точка М(х, у), определяя предел функции при [х-^а, у^Ь, можно
охарактеризовать процесс с помощью любого из параметров
ti = max {| х — а \, \у — b \}, tt = | х — а \-\- \у — b \
или
Для сумм Дарбу
«пометкой» служит набор точек деления; при переходе к суммам
Р им ан а
к нему присоединяется еще набор точек \t. В обоих случаях эти
«пометки» упорядочиваются с помощью параметра ? = тахДлг(-. При
определении длины дуги параметром служит наибольший из диаметров
частичных дуг и т. д.
Во всех случаях, когда область изменения Ж переменной х или —
вернее — множество «пометок» &* = \Р) упорядочены указанным выше
образом с помощью числового параметра t, очевидно, определение
предела (мы ограничиваемся случаем конечного предела) может быть
дано в следующем виде: число а является пределом х, если каж-
каждому числу е^>0 отвечает такое 8^>0, что
лишь только соответствующее ему значение параметра
Упорядочением с помощью числового параметра • мы пользо-
пользовались и в третьем томе. Однако этот простой способ упорядочи-
упорядочивания все же не покрывает потребностей математического анализа в
его более высоких ветвях. В качестве примера такого упорядочения,
которое вообще нельзя осуществить подобным путем (с привлече-
привлечением числового параметра), можно привести правило 9) п° 764: это
станет ясным из рассмотрений следующего п°.
761. Сведение к варианте. Во всех конкретных случаях, когда
мы сталкивались с понятием предела, до сих пор оказывалось воз-
возможным в некотором смысле свести вопрос к пределу варианты.
Эта возможность выражения понятия предела на «языке пбследова-
тельностей» играла важную рода» в предыдущем изложении. Исследуем

646	ДОПОЛНЕНИЕ	[761
теперь, как обстоит дело в общем случае упорядоченной пе-
переменной х = хр.
С этой целью введем понятие конфинальной подпосле-
подпоследовательности для данного упорядоченного множества & = {Р}.
Так мы будем называть последовательность
Рь Рь ..., Рп, ...	D)
элементов, извлеченных из еТ5, если выполнено следующее условие:
какой бы элемент Р' из еТ5 ни взять, элементы Рп для достаточно
больших номеров оказываются следующими за Р":
Рп^Р (для л
Если переменная х упорядочена с помощью «пометок» Р из ?Р,
то, при наличии конфинальной подпоследовательности D) для мно-
множества $Р, соответствующую извлеченную из ?? последовательность
значений лг
Xi, xit ..., хп, ...,	E)
где хп = хР , будем называть конфинальной подпоследо-
подпоследовательностью для S = {x].
Прежде всего встает вопрос о самом существовании хоть
одной подпоследовательности D), конфинальной для &>, или, что
то же, подпоследовательности E), конфинальной для SC.
Нужно сказать, что во всех случаях, когда упорядочивание мно-
множества еТ5 осуществляется с помощью некоторого числового пара-
параметра t (как это разъяснено в предыдущем п°), построение подобной
подпоследовательности не ' представляет труда: взяв последователь-
последовательность {tn}, tn->-Q так, чтобы все множества $Pt были непусты,
выберем из каждого af*t по элементу Р„: составленная из них после-
последовательность {Рп} очевидно и будет искомой.
В общем случае, однако, для упорядоченного множества $Р — {Р} мо-
может и не существовать ни одной конфинальной подпоследовательности.
Рассмотрим, для примера, множество d%={R) различных раз-
разбиений данного промежутка [а, Ь] на конечное число частей *, при-
причем упорядочивание этого множества произведем по правилу 9) п° 764.
Допустим, рассуждая от противного, что для (М существует конфи-
нальная подпоследовательность
разбиений. Каждому Rn отвечает конечный набор точек деления.
Легко построить такой промежуток [а1; Ьх] (а <^ at <^ by <^ b), чтобы
в нем не лежала ни одна точка деления из Ry. Затем построим
промежуток [аь Ьг] (п1<^а^<^Ь^<^by), свободный от точек деления R*,
* Эти /?, как указывалось, могут служить <пометками», например, для
сумм Дарбу некоей функции, определенной в [а, Ь\.

762]	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	647
и т. д. до бесконечности. На я-й стадии окажется построенным про-
промежуток [ап, Ьп] (а„_1 <С а« <С *л <С ^л-л)> в котором не содержится
точек деления Rn. Если озаботиться при этом, чтобы было Ьп — а„-> О,
то, по лемме о вложенных промежутках [38], найдется единственная
точка c = liman = l\mbn, которая принадлежит всем промежуткам
[ап, Ьп]. Эта точка, очевидно, не совпадает ни с какой точкой деле-
деления ни одного Rn. Если взять теперь любое разбиение R' промежутка
[а, Ь], в котором среди точек деления фигурирует с, то по правилу
9) 754 ни одно Rn не может считаться следующим за R\ вопреки
определению конфинальной подпоследовательности. Это противоречие
и доказывает, что на деле такой подпоследовательности нет.
[Отсюда-то, между прочим, и следует, что указанный способ
упорядочивания множества <M = {R) не поддается параметриза-
параметризации в смысле предыдущего п°!]
Предположим теперь, что множество «пометок» е7\ а с ним
и область изменения S? упорядоченной переменной х, вообще содер-
содержит конфинальные подпоследовательности. В этом случае (и — по-
понятно — только в этом случае) вопрос о пределе переменной х
обычным образом сводится к вопросу о пределе -варианты:
для того чтобы переменная х имела предел а, необходимо и
достаточно, чтобы к этому пределу стремилась каждая вари-
варианта хп, пробегающая конфинальную подпоследовательность для5С.
Действительно, если х -*¦ а (где мы, для определенности, предпола-
предполагаем а конечным), то при любом е^>0 имеем:
\хр — а | <^ е, лишь только Р ?- Р„.
Но если взята любая конфинальная подпоследовательность D), то
для достаточно больших я, по определению, будет Рп ?- Рг, так что
Это и значит, что варианта хп->-а.
Обратно, пусть каждая такая варианта стремится к а. Для того
чтобы доказать, что тогда х ->¦ а, допустим противное: для некоторого
? ^> О, какое бы ни взять Р' из «З5, найдется Р ?- Р такое, что | хр — а | ^э=е.
Возьмем какую-нибудь конкретную конфинальную для еТ5 подпосле-
подпоследовательность {Р'п}. Согласно сказанному, по каждому Р'п найдется
в & элемент Рп i- Р„, для которого
\хп — а\ = \хРп — а\^г (п= 1, 2, 3, ...).
Легко показать, что и подпоследовательность {Рп} будет конфиналь-
конфинальной для аР, а значит подпоследовательность {хП} — конфинальной
для ^*, а тогда предыдущее неравенство противоречит допущению.
762. Наибольший и наименьший пределы упорядоченной пере-
переменной. Рассмотрим упорядоченную переменную х, значения которой
снабжены «пометками» Р из SP. При любом Р составим множество

648	дополнение	[762
SCP из тех значений х, которые следуют за хр, т. е. отвечают «по-
«пометкам» Р' ?- Р, и найдем его точные границы
sup ??p и inf Ж'р
(которые могут оказаться и бесконечными). Каждая из них является
упорядоченной переменнойспометкамиР и притом первая —
монотонно убывающей, а вторая — монотонно возрастающей (в смысле
п° 758). В таком случае, по теореме о монотонной переменной, су-
существуют определенные (конечные или нет) пределы
М* = lim (sup SCP), M* = lim (inf SCP) *.	F) ¦
Их, в общем случае, и называют, соответственно, наибольшим
или наименьшим пределом переменной х и пишут
Равенство этих пределов есть условие, необходимое и доста-
достаточное для существования предела переменной х в обычном
смысле [766].
Действительно, если существует конечный предел
G)
то для любого е ^> 0 найдется такая «пометка» Рг, что
а — &<^хр<^а-\-г для Р$-Рг.	(8)
Тогда и
а — е ==g inf 3?р^ sg M* ==g M* ==? sup S?pg ^ a -(- e,
так что, ввиду произвольности е,
Обратно, если имеет место это равенство (при а конечном), то,
ввиду F), снова по е ^> 0 найдется такое Pt, что
а — е <^ inf Хр eg: sup ??P <^ a -j- e,
так что выполняется (8), а отсюда следует G).
Предоставляем читателю провести рассуждения для случая
а = ± оо.
Числа М* и М%, в случае их конечности, могут быть охаракте-
охарактеризованы их свойствами, которые вполне аналогичны свойствам I и
II, изученным в 42. Для примера остановимся на М *.
* То обстоятельство, что рассматриваемые переменные могут принимать
и несобственные значения нь оо, не создает затруднений.

762]	ОБЩАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛ	649
Если взять по произволу число ?^>0 и «пометку» Ро, то суще-
существует такое Рг §- Ра, что
М * — е <sup S?Pa <ЛГ* + е.
Отсюда, по определению точной верхней границы, следует
I свойство числа М *: для всех Р$- РЕ будет
II свойство числа М*: найдется хоть одно значение хр'
(где Р ?- Ра), такое, что
Хр>>М* — е.
Пусть теперь множество ?Р = {Р} допускает конфинальные под-
подпоследовательности D), которым отвечают конфинальные для X под-
подпоследовательности E) значений нашей переменной. Если какая-либо
из таких последовательностей имеет предел, то его называют ч а-
стичным пределом переменной х [ср. 40 и 69].
В этом случае можно доказать, что наибольший и наименьший
пределы М* и М%, определенные выше, являются в то же время, соот-
соответственно, наибольшим и наименьшим из всех частич-
частичных пределов переменной х [как и в 40 или 59].
Действительно (если снова ограничиться наибольшим преде-
пределом в предположении его конечности), из свойства I сразу ясно, что
ни один частичный предел не может превзойти М*. Для того чтобы
построить конфинальную для SP подпоследовательность E), стремя-
стремящуюся к М* (и тем показать, что М* само служит частичным пре-
пределом), мы исходим наперед из некоторой подпоследовательности
Р\, Р'% .-.. Рт ....
конфинальной для <3\ А затем, с помощью свойств I и II [ср. 40],
индуктивно строим подпоследовательностьD)так, чтобы, во-первых, было
(так что и D) будет конфинальной для еТ5!) и, во-вторых, чтобы хп =
= хр удовлетворяло двойному неравенству
где е„ — произвольно взятая положительная варианта, стремящаяся к 0.
Очевидно, последовательность E), конфинальная для Sfr, будет иметь
своим пределом М*.
Можно указать еще один пример наибольшего и наименьшего пре-
пределов из уже знакомой читателю области. Так, очевидно, верхний
и нижний интегралы Дарбу /* и 1% [296, 301] являются, соответ-
соответственно, наибольшим и наименьшим пределами для интегральной суммы
(суммы Римава)о= ~^]/(^д^xt при X = maxДдг,--*-0.

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абель 237
Абсолютная сходимость рядов Фурье
593
Аддитивная функция от области пло-
плоской 134, 165
	пространственной 311
	, определение ее по произ-
производной 136, 312
	промежутка 119, 137
Аппроксимация функции в среднем
583
	равномерная 579
Архимеда закон 340
Арцела 119, 591, 626, 627
Астроида 35
Бернштейн 505, 593
Бесселевы функции 144, 235, 401, 411,
422, 478, 541, 548, 561
Бессель 584, 585, 586
Био и Савара закон 44
Буняковского неравенство 146, 169
Бэта-функция 213, 230
Валле-Пуссен 626
Вейерштрасс 580, 610
Вектор 366
—	потока тепла -370
Векторная линия, поверхность 367,
368
—	трубка 368, 376
Векторное поле 367
—	произведение 45, 367
Вивиани тело 163, 208, 210, 261, 263,
265
Винтовая поверхность 265
Виртингер 596
Вихревая линия 383, 384
—	поверхность 383
—	трубка 383, 384
Вихрь 373
Вихря поток 373
Вольтерра 158
Вращение плоской фигуры 170
Вращение тела 331, 332
Вращения поверхность 264, 266
—	тело 170, 355
Гамильтон 369
Гамма-функция 159, 161, 230, 392,
394—403, 407, 411, 461, 541
Гармоники 492
Гармоническая функция в круге 605
	 области плоской 180
	пространственной 339, 381
Гармонические колебания 492
Гармонический анализ 492
	практический, схема на 12 орди-
ординат 563
	¦ —, схема на 24 ординаты 568
Гаусс 62, 336, 412
Гаусса—Остроградского формула 333
Гауссовы коэффициенты поверхности
256
Гейне—Кантора теорема 621
Гельмгольц 383
Гиббс 495, 497
Главное значение несобственного ин-
интеграла 240, 533
Градиент 368
Грам 413
Грина формула 174
Гульдина теорема 171, 355
Гурвиц 596
Дарбу верхние и нижние интегралы
128
	как пределы 130, 649
	Стилтьеса суммы 91
—	суммы для интеграла двойного 127
	 тройного 310
Двойной интеграл 123, 126
	¦, выражение через первообраз-
первообразную 147
	¦ как аддитивная функция обла-
области 135
	, классы интегрируемых функ-
функций 128
	несобственный 214, 221

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
651
Двойной интеграл, приведение к пов-
повторному 123, 137, 149
—	—, свойства 131
	, условия существования 128,131
—	ряд, сопоставление с двойным ин-
интегралом 240
	Фурье 483
Двусторонняя поверхность 242, 248
Декартов лист 36
Диаметр точечного множества 126
Дивергенция 371
Дини признаки 434, 487, 528, 531
Дирихле — Жордана признаки 438,
489, 529, 531, 609
—	задача для круга 605
—	интеграл 423
—	лемма 436, 486
—	разрывный множитель 536
—	условие 439
—	формулы 158, 231, 237, 394, 407
Дифференциал точный, интегрирова-
интегрирование 50, 52, 65, 68
•	, признаки 50, 65, 178
	, связь с криволинейным инте-
интегралом 46, 65, 66, 306
Дифференциальное уравнение гидро-
гидродинамики 379, 382
	колебания струны 550
	теплопроводности 380, 554, 561
Дифференцирование по области 135,
312
—	ряда Фурье, почленное 577, 611
Длина дуги 14, 358, 643
Дю Буа-Реймонд 497, 625, 626
Жидкий контур 381, 383
Жордан 74, 87, 88
Жордана — Дирихле признаки 438,
489, 529, 531, 609
Замена переменных в интегралах
двойных 204
	несобственных 223
	тройных 358
	я-кратных 388
Замкнутая ортогональная система
функций 585
Замкнутости уравнение 585, 586, 589,
590
Замкнутость тригонометрической си-
системы 586 -
Изгибающий момент 108
Изопериметрическая задача 596
Инверсия 186, 344
Инерции главные оси 169, 170, 332
—	момент плоской фигуры 166
Инерции момент полярный 168
	поверхности 277
	прямолинейного отрезка 106
	тела 324
—	— цилиндрического бруса 167
Интегральная сумиа 12, 20, 90, 126,
274, 286, 308
Интегральное уравнение 158, 237,
534, 535, 539
Интегральный косинус 540
—	логарифм 542
—	синус 541
Интегрирование по частям для инте-
интегралов Стилтьеса 97
	обыкновенных интегралов
НО
—	рядов Фурье, почленное 574,590,591
—	точных дифференциалов 51,52,65,68
Интегрируемая функция 90, 127, 310
Интегрируемости условие (для диф-
дифференциальных выражений) 46, 50
Источники 372
—, плотность 372
—, производительность 372
Кантор 620
Кантора — Гейне теорема 621
Каталан 405
Каталана формула 160, 232, 270, 407,
409
Квадрируемая поверхность 251
Квази-стационарный процесс 43
Кеплера уравнение 547
Кинетическая энергия вращающегося
тела 331
Колмогоров 502
Конфинальная подпоследовательность
646
Координатные линии 184
—	поверхности 343
Косинус-преобразование Фурье 535,
545
Косинус-преобразование Фурье для
функции двух переменных 547
Котангенс, разложение на простые
дроби 452
Коши 524, 533, 535
Кратные интегралы 126, 309, 386
	Фурье 545
—	ряды Фурье 483
Кривизна поверхности, гауссова 272
Криволинейные координаты в про-
пространстве 343
	 на плоскости 184
	, элемент объема 348
	, элемент площади 192, 257

652
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Криволинейяъ1й интеграл второго ти-
типа 20, 21
•	, вычисление через перво-
первообразную 49, 65
	, дифференцирование 46
¦	, независимость ог пути
29, 46, 55, 65, 121, 178, 306.
	, поведение в случае не-
односвязной области 57, 70
	по замкнутому коютуру 25,
56, 67. 178, 305
	, приближение интегралом
по ломаной- 301
	, сведение к интегралу
Стиятьеса 120
	, сведение к обыкновенно-
обыкновенному интегралу 22
	, связь с криволинейным
интегралом первого типа 38
	первого типа 11
¦	, с веяние к обикноаенио-
му интегралу 13
Крылов 516, 578
Куммер 461
Кусков 355
Лагранж 383^ 470.
Лаплас 381, 536, 605
Лебег 98, 497, 502, 624
Левая координатная система 26, 246
Левая ориентация плоскости. 26
	 пространства 245
Лежандр 230, 271
Лежандра многочлены 233, 422
Лейбниц 234, 278, 376, 410, 448
Лемниската 196
Линейный интеграл 372
Липшиц 77, 93, 435, 489, 593
Липшица признаки 435, 489
Лиувилль 234, 405, 412
Лиувилля формулы 161, 213, 214, 231,
396, 403, 407
Ляпунов 586
Малиев 515
Масса кривой 11, 17
—	— поверхности 277, 281
—	плоской фигуры 137, 165
—	тела 308, 323
Мёбиус 242, 248
Многократные интегралы 387
	, замека переменных ЗШ
	, сведение к повторнвму 387
Монотонная переменная, возрастаю-
возрастающая и убывающая 641
Мур 632
Нэбла 36*
Направление на замкнутом контуре
Напряжение поля 40
Наладыше услов-ия 550, 555, 556, 557,
560, 561
Неравномерная сходимость рядов
Фурье 495, 497
Неразрывности уравнение 379
Несобственный двойной интеграл 215,
222, 240
	, абсолютная сходимость 217,
222
	, замена переменных 223
¦	, приведение к повторному
219
	, признаки сходимости 226
— тройной интеграл 315
Нечетная функция 442, 533, 535, 546
Нормальная ортогональная система
фумкций 420
HbfoTOHa закон притяжения 18, 72
277, 324, 364, 371, 384
Объем в криволинейных координатах
34б 34»
¦—, выражение поверхностным инте-
интегралом 298; 333
—	, различные формулы 301
—	тела по поперечным сечениям 323
—, формула Кускова 355
—	цилиндрического бруса 122, 323
—	n-мерного параллелепипеда 386
	симплекса 391
	 тела 386
—	и-мерной сферы 392
Ограниченного изменения функции
74
	, классы 76
—	¦	, критерии 82
	непрерывные 84
	, ограниченность частичных
сумм ряда Фурье 611
	, порядок коэффициентов
Фурье 508
7	, свойства 79
Односвязность плоской области 53,
178
—	пространственной области 305, 336
Односторонняя поверхность 242
Ориентация плоскости 26
—	поверхности 244, 245
—	—, связь со стороной поверхности
245
—	пространства 245
Ориентированная область, интеграл
по не» 207, 359

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
653
Ортогональная система функций 420,
Ортогональные функции 420
	с весом 423, 562
Особенностей выделение как метод
улучшения сходимости 516, 578
Особенности рядов Фурье 497
Остаток ряда Фурье, оценка 505,
508
Остроградский 333, 335, 371, 379, 388
Остроградского—Гаусса формула 333
Парсеваль 585, 589
Первообразная функция 46, 60, 65,
136, 147
Перерезывающее усилие 108
Периодическая функция 414
	, интеграл по периоду 427
Плотность линейная 11
—	объемная 308, 324
—	поверхностная 135, 277
Площадь винтовой поверхности 265
—	кривой поверхности 248, 251, 356
	, особые случаи 259
	, параметрическое задание
252, 273
	, явное задание 257, 273
—	плоской фигуры в криволинейных
координатах 189, 194
	, выражение криволинейным
интегралом 32, 121, 176
—	поверхности вращения 264, 266
	n-мерной сферы 393
—	цилиндрической поверхности 266
Поверхностные интегралы второго
типа 285, 287
	, независимость от формы
поверхности 336
	 по замкнутой поверхности
335
	, сведение к двойному 288,
291
	, связь с поверхностными
интегралами первого типа 289, 291
	в n-мерном пространстве 388,
405
	 первого типа 274
	, сведение к двойному 275*
Поверхность вращения 264, 266
—	уровня 367
Поле векторное 367
—	магнитное 44
—	ньютоновского притяжения 72,
369, 371
—	силовое 40, 71, 372
—	скалярное 367
Поле скорости 42, 370, 374
—	температуры 369
Полное изменение функции 74, 82,
86
Полнота тригонометрической системы
578, 610
Положительное ядро 600, 603, 608,
610, 612, 619
Полярное уравнение поверхности
266
Полярные координаты в пространстве
344
	¦ в и-мерном пространстве 401
¦	на плоскости 184
	обобщенные 198
	, элемент площади 192, 195
Потенциал векторный 375
—	ньютоновский, созданный матери-
материальной точкой 72
	, — поверхностью 278
	,— сферическим слоем 285
	,— сферой 329
	, — телом 325, 364
	,— эллипсоидом 363
	тела на сам'о себя 385
	другое тело 385
Потенциальная функция 71, 374
Потенциальное поле 71, 374
Поток вектора через поверхность
370
—	тепла 370
	, вектор 371
Правая координатная система 26,
246
—	ориентация плоскости 26
	 пространства 245
Предел упорядоченной переменной
636
	наибольший, наименьший 648
	, условие существования 642,
648
Предельные условия 550, 555, 556,
557, 559, 561
Преобразование плоских областей
182
	, сохраняющее площадь 203
—	пространственных областей 342
Приложения к механике и физике:
интеграла двойного 137, 165—173,
208
—	криволинейного второго типа
41, 43, 44, 72, 73, 382
	первого типа 11, 17, 42
—	многократного 384
—	поверхностного 277, 281, 370,
379, 380
—	Стилтьеса 106, 108

654
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
интеграла тройного 308, 324—332,
340, 362, 364, 379, 380
— Фурье 558
рядов Фурье 551, 555, 557, 560, 565,
570
Притяжение материальной точки кри-
кривой 19
	поверхностью 277
	 сферическим слоем 284
	сферой 328
	телом 325, 364
—	тела телом 385
Произведение инерции 169, 331
Производная обобщенная, первая и
вторая 613, 614
—	по направлению 368
	 области 135, 312
Простой слой 277
Пуассон 228, 280, 407, 603, 606
Пучности 553
Работа силового поля 40, 71, 372
Равномерная сходимость рядов Фурье
419, 487
Расходимость 371
Расходящихся рядов суммирование,
см. Суммирование рядов обобщен-
обобщенное
Регулярная точка 434
Риман 429, 432, 619, 631
Римана метод суммирования 616,
618
Ротор 373, 374
Рунге 564, 569
Силовая функция 71
Силовое поле 40, 71, 372
Синус-преобразование Фурье 535,
545
	 для функции двух перемен-
переменных 547
Синус, разложение обратной величи-
величины на простые дроби 452
Скаляр 366
Скалярное поле 367
—	произведение 367
Смит 632
Соленоидальное поле 375
Сонин 400, 407, 409
Сопряженные функции первого и
второго рода 536
Сопряженный тригонометрический
ряд 480
Спрямляемая кривая 11, 88, 89
Среднее значение, теорема 112, 116,
134, 311
Среднее квадратичное отклонение
583
Статические моменты кривой 18
	 поверхности 281
	плоской фигуры 166
	 прямолинейного отрезка 106
	 тела 324
	цилиндрического бруса 166
Стеклов 585, 595
Стилтьеса—Дарбу суммы 91
—интеграл 90
	, вычисление 100
	, геометрическая иллюстрация
111
	, интегрирование по частям 97
	, классы случаев существования
92, 98
	, непрерывность по верхнему
пределу 118
—	—, оценка 112
	, предельный переход 114,
119
	, приведение к обыкновенному
98
.	, свойства 95
	, теорема о среднем 112, 116
	, условие существования 96
Стилтьеса сумма 90
Стокса формула 297, 373
Сторона поверхности 241, 242,
248
Стоячих волн метод, см. Фурье ме-
метод
Струны колебание 549
Суммирование рядов обобщенное,
метод Римана 619
—	тригонометрических рядов в ко-
конечном виде 469
	обобщенное, метод Пауссо-
на—Абеля 601
	1 _ Римана 616
	,— Чезаро — Фейера 607
Сфера, притяжение и потенциал 328,
329
Сферические координаты 266
	обобщенные 360
	, элемент площади кривой и
поверхности 267
Сферический слой, притяжение и по-
потенциал 284, 285
Сходимость интеграла Фурье, при-
признак Дини 528, 531
	, — Дирихле — Жордана 529,
531
—	рядов Фурье абсолютная 593
—	неравномерная 495, 497
	, признак Дини 434

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
655
Сходимость рядов Фурье, признак
Дирихле 438
	, — Дирихле — Жордана 438
	, — Липшица 435
	 равномерная 419
	, признак Дини 487
	, — Дирихле — Жордана
489
	, — Липшица 489
Телесный угол 272, 337
Тепла распространение в круглой
пластине 561
	стержне бесконечном 557
¦	конечном 553, 559
	 полубесконечном 559
	 теле 370
Тепло, поглощенное газом 43, 73
Теплопроводности уравнение 380,554,
561
Томсон 383
Тригонометрическая система функ-
функций, замкнутость 586
	, полнота 578, 610
Тригонометрический многочлен 424,
580, 585
— ряд 416
	, лемма о коэффициентах 620
	, не являющийся рядом Фурье
624
	сопряженный 480
Тригонометрическое интерполирова-
интерполирование 424
Тройной интеграл 309
	 как аддитивная функция обла-
области 311
	, классы интегрируемых функ-
функций 310
	, несобственный 315
	, приведение к повторному 312,
314
	, свойства 310
	, условие существования 310
Угол видимости кривой 63
	поверхности 338, 371
Узлы 553
Улучшение сходимости рядов Фурье
516
Умножение рядов Фурье 592
Упорядоченная переменная 636
	 , предел 636
— — , сведение к варианте 645
Упорядоченное множество 632,
633
Фату теорема 611
Фейер 497, 607
Фурье 417
—	интеграл 524
—	коэффициенты 419, 432, 586
	обобщенные 424, 560, 562
	.порядок малости 509
	, экстремальное свойство 584,
586
—	метод 550, 553, 555, 560, 561,
606
—	преобразование 534, 537
—¦ — для функции двух переменных
547
—	ряд 419, 427
	 двойной 483
——, комплексная форма 477
	обобщенный 424
—	формула, различные виды 525,
532
—	— для функции двух переменных
545
Центр тяжести кривой 18
	 поверхности 277
	плоской фигуры 166
	 тела 324
	цилиндрического бруса 167
Центробежная сила 332
Центробежный момент 169, 331
Циклическая постоянная 59, 70
Цилиндрические координаты 343,
354
Цилиндрический отрезок 172
Циркуляция вектора 372
Частичная сумма ряда Фурье, ограни-
ограниченность 610
	 , оценка 503
	сопряженного ряда, оценка
504
Чебышев 146
Четная функция 443, 534, 535, 546
Шатуновский 632
Шварц 248, 603, 614, 616, 629
Эйлер 417
Эйлера метод суммирования 470
	Фурье формулы 419
Эйлерова постоянная 463
Эквивалентная нулю функция 579
Экстремальное свойство отрезков
ряда Фурье 584, 586

656
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Элемент площади в криволинейных
координатах 192, 195, 257
	полярных координатах 192,
195
	сферических координатах. 267
—	объема в криволинейных коорди-
координатах 348, 350
	 сферических координатах
350
	 цилиндрических координа-
координатах 350
Эллипс 35
—	инерции 169
Эллипсоид 172, 173, 268, 269, 363,
396
Эллипсоид инерции 332
Эллиптические интегралы 270, 363
—	координаты 189, 228, 229, 345,
355
Энтропия 74
Юнг 463, 590
Ядро положительное 600, 612, 619
—	Дирихле 610
—	Пуассона 603
—	Фейера 608
Якоби 230, 394, 403
Якобиан как коэффициент растяже-
растяжения 193 349